DE3029014A1 - Verbesserung der leistungszahl von waermepumpen durch unterkuehlung des fluessigen kaeltemittels ohne gleichzeitige ueberhitzung des sauggases - Google Patents

Description

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VERBESSERUNG DER LEISTUNGSZAHL VON WÄRMEPUMPEN DURCH UNTERKÜHLUNG DES FLÜSSIGEN KÄLTEMITTELS OHNE GLEICHZEITIGE ÜBERHITZUNG DES SAUGGASES

TECHNISCHE BESCHREIBUNG

1, WÄRMEPUMPEN

Aus der Deutschen Patentschrift Nr. 6 75 840 sind Wärmepumpen ihrer Art nach bereits bekannt.

Die Grundidee, Wärme bei niedriger Temperatur zu gewinnen, um sie auf ein höheres Temperaturniveau anzuheben und für Heiz- oder sonstige Zwecke zu nutzen, stammt bereits aus dem 19. Jahrhundert. So hatte bereits CARNOT die Idee entwickelt, einen Kreislauf mit einem Medium so anzulegen, daß Wärme bei niedriger Temperatur entzogen, d.h. von dem Medium aufgenommen wird,und bei höherer Temperatur wieder abgegeben wird (Wärmepumpentheorie nach CARNOT).

Erst später, gegen Ende des 19. Jahrhunderts, war diese Idee verwirklicht worden; LINDE baute seinerzeit die erste wirtschaftlich nutzbare Kälteanlage mit dem Kältemittel NH3.·

Die Entwicklung, die durch ständig wachsende Nutzung von Primärenergie gekennzeichnet war, ließ jedoch dem Gedanken der Wärmenutzung aus dem Kälteanlagenprozeß wenig Raum. Vielmehr entwickelte sich die Kältetechnik zur Lebensmittelfrischhaltung und -konservierung sowie für andere Zwecke mit ihrem unübersehbaren volkswirtschaftlichen Nutzen unaufhaltsam.

Erst die Energieverknappung der letzten Zeit und das Bewußtwerden der künftigen Entwicklung bezüglich der Verfügbarkeit von Primärenergie sowie der Umweltprobleme ließen die Anwendung der bereits vorhandenen Technologien aus der Kältetechnik für Wärmepumpenanlagen aufkommen.

Eine Vielzahl solcher Wärmepumpen wurden in -den letzten Jahren für Heiz- und sonstige Zwecke gebaut. Die Wirtschaftlichkeit dieser Anlagen ist durch die Verteuerung der konventionellen Energiequellen nicht mehr in Frage gestellt. Allerdings besteht gegenwärtig noch eine erhebliche Divergenz zwischen der theoretisch möglichen und der tatsächlich erreichten Leistungszahl. Vereinfacht ausgedrückt, ist die Leistungszahl das Verhältnis zwischen Nutzen und Aufwand einer Kälte- bzw. Wärmepumpenanlage (s. DIN 8900).

Gegenstand dieser Erfindung ist eine wirksame Maßnahme zur Verbesserung der Leistungszahl von Wärmepumpenanlagen.

Die Wärmepumpe arbeitet nach folgendem Prinzip:

- Ein flüssiges Medium (Kältemittel) verdampft bei konstanter niedriger Temperatur und entzieht hierbei einem anderen Medium, z.B. Grundwasser, Umluft u.a., Wärme.

- Das nun gasförmige Kältemittel wird nun in einem oder mehreren Kompressoren verdichtet, um durch Druckerhöhung die Verflüssigung bei hoher Temperatur zur Nutzung der Wärme vorzubereiten.

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- Das verdichtete Kältemittel gibt im Kodensator, der

hier als Heizquelle wirkt, die im Verdampfer aufgenommene Wärme zuzüglich dem Wärmeäquivalent der Verdichterarbeit an ein Heizmedium ab.

- Das nunmehr verflüssigte Kältemittel, das naturgemäß noch etwa bei Kondensationstemperatur liegt, wird in einem Drosselorgan (Expansionsventil) im Druck abgesenkt und erneut dem Verdampfer zugeführt.

2. FLOSS IGKEITSUNTERKOHLUNG

Die hohe Temperatur der Flüssigkeit vor dem Expansionsventil wirkt sich nachteilig aus, da hierdurch unverhältnismäßig große Verluste bei der Drosselung im Expansionsventil auftreten.

Diesem Nachteil ist man in der Vergangenheit häufig dadurch begegnet, daß die Flüssigkeit durch das kalte Sauggas in einem hierfür eingebauten Wärmeaustauscher unterkühlt wurde. Dieses Verfahren hat jedoch den erhelbichen Nachteil, daß sich das spez. Volumen des Sauggases nicht unerheblich vergrößert und damit die vom Kompressor angesaugte Kältemittelmenge verkleinert wird.

Der "Gewinn" auf der Flüssigkeitsseite wird durch diesen Umstand durch den Verlust auf der Saugseite weitgehend aufgehoben, so daß diese Maßnahme in ihrer Wirksamkeit in Frage zu stellen ist.

3. ERFINDUNG: Wirksame Maßnahme zur Flüssigkeits-

uη terkühlung

D ie erfindungsmäßige Aufgabe besteht darin, die unter 2. genannten Nachteile der Flüssigkeitsunterkühlung durch Sauggaserwärmung zu vermeiden, über die Vergrößerung des spez. Volumens des Sauggases hinaus sind noch folgende Nachteile zu nennen:

-das erwärmte Sauggas führt zu höheren Verdichtungsendtemperaturen, die zu Schaden und zur Verkürzung der Lebensdauer des Kompressors führen können,

-bei hermetischen Kompressoren wird häufig die Kühlung der Motorwicklung durch das kalte Sauggas bewirkt (sauggasgekühlte Kompressoren). Bei Erwärmung des Sauggasesist diese Kühlung nicht mehr gewährleistet; der Motor kann ausfallen.

Alle Wärmepumpen sind dadurch gekennzeichnet, daß einem relativ kaltem Medium (Wasser oder Luft u.a.) die notwendige Wärme entzogen wird.

Je höher die Temperatur dieses Mediums ist, um so wirtschaftlicher verläuft der Prozeß, d.h. desto günstiger wird die Leistungszahl.

Allgemein gilt, daß die Leistungszahl um so günstiger liegt, je dichter die Temperatur, bei der die Wärme entzogen wird, bei der Temperatur Tiegt, bei" der die Wärme abgegeben wird.

Zusammengefaßt führten also folgende Überlegungen zu der Erfindung, die Gegenstand dieser Anmeldung ist:

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a.) Die Kältemittelflüssigkeit verläßt den Kondensator etwa mit Kondensationstemperatur. Eine Unterkühlung im Kondensator -wie bei Kälteanlagen üblich- ist im Kondensator nicht möglich, da hierfür die Heizmitteltemperatur in der Regel nicht ausreicht, d.h. zu hoch liegt.

b.) Die Flüssigkeit ist zu unterkühlen, um Leistungszahl und Funktion der Wärmepumpenanlage zu verbessern.

- Die aufgenommene Verdampfungswärme vergrößert sich.

- Die Dampfblasenbildung im Drosselorgan wird stark eingeschränkt. Hierdurch werden die Wärmeübertragungsbedingungen im Verdampfer verbessert.

- Dampfblasenbildung vor dem Drosselorgan wird vermieden und somit die Wirksamkeit des Drosselorgans sichergestellt.

c.) - Die Unterkühlung des flüssigen Kältemittels darf nicht durch das kalte Sauggas erfolgen.

d.) Eine vorherige Erwärmung des Mediums, dem die Wärme zu entziehen ist, wirkt sich günstig aus, da hierdurch die Verdampfungstemperatur des Kältemittels angehoben wird.

Den oben genannten Punkten wird Rechnung getragen dadurch, daß

- ein zusätzlicher Wärmeaustauscher zur Unterkühlung der Flüssigkeit durch das Medium, dem die Wärme entzogen werden soll, eingebaut wird

oder, wenn sich dies prozeßmäßig und konstruktiv in Einzelfällen (z.B. Luft/Wasser- oder Luft/Luft- Wärmepumpen) als nicht günstig oder undurchführbar erweist,

- ein zusätzlicher Wärmeaustauscher zur Unterkühlung der Flüssigkeit durch das verdampfende kalte Kältemittel eingebaut wird.

Beide Maßnahmen führen mit nur geringen Unterschieden zur nachhaltigen Verbesserung der Betriebsweise von Wärmepumpenanlagen.

Im einzelnen werden folgende Verbesserungen erreicht:

- Erhöhung der im Verdampfer pro kg Kältemittel aufgenommenen Wärmemenge.

- Reduzierung der Drossel dampfbildung hinter dem Expansionsventil.

- Vermeidung von Dampfblasenbildung vor dem"Expansionsventil und damit Erhöhung der Funktionssicherheit der Wärmepumpe.

- Erhöhung der Verdampfungstemperatur zur Verbesserung der leistungszahl.

- Gegebenefalls Vorwärmung des Mediums, dem die Wärme entzogen werden soll.

-4-ORIGiNAL INSPECTED

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X-

Praktische Versuche haben gezeigt, daß allein die Verbesserung der Leistungsziffer bei 10 bis 15 % liegt je nach Temperatur- und Druckbereichen, mit denen die Wärmepumpe betrieben wird.

Insbesondere sind jedoch die funktionell bedingten Vorteile zu unterstreichen.

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Claims (1)

1. 3023014

   NACHQEREICHT

   Patentansprüche

   f 1_β Unterkühlung des flüssigen Kältemittels auf eine um über —30 K niedrige rs: liegende Temperatur durch das Medium, dem die Energie entzogen wird (passer, andere Flüssigkeiten, Luft), in einem zusätzlichen Wärmetauscher.

   Unterkühlung wie unter 1 genannt, jedoch durch eine beliebiges anderes zur Verfügung stehendes kaltes Medium«

   3© Unterkühlung des flüssigen Kältemittels durch das verdampfende Kältemittel in einem zusätzlichen Wärmetauscher,,