DE3441912A1 - Verfahren zum automatischen abtauen eines luftbeaufschlagten verdampfers einer waermepumpe - Google Patents

Description

FICHTEL S SACHS AG, Schweinfurt

PATENTANMELDUNG

Verfahren zum automatischen Abtauen eines luftbeaufschlagten Verdampfers einer Wärmepumpe

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum automatischen Abtauen eines luftbeaufschlagten Verdampfers einer Wärmepumpe, insbesondere einer verbrennungsmotorisch angetriebenen Wärmepumpe entsprechend dem Oberbegriff von Anspruch 1.

Das Abtauen von luftbeaufschlagten Verdampfern ist aus Erfahrung bei Außenlufttemperaturen kleiner 7°C notwendig, da sich bei zunehmender Bereifung der Wärmeübergang verschlechtert und der Luftdurchsatz vermindert, was ein Absinken der Heizleistung und der Heizzahl zur Folge hat. Be? höheren Außentemperaturen von 7°C bis 11°C reicht in der Regel die Abtauung durch die Stillstandszeiten der Wärmepumpe aus.

Als Abtauverfahren sind im wesentlichen bekannt, den Verdampfer mit einer elektrischen Widerstandsheizung zu versehen; das Abtauen mittels warmer Sole vorzunehmen; den Verdampfer mit Wasser zu berieseln; das Abtauen durch Außenluft und die am häufigsten angewandte Heißgasabtauung. Für die Heißgasabtauung ist der sogenannte Umkehrbetrieb bekannt, wobei der Verdichter Wärme aus dem Heiznetz in den Verdampfer fördert, was mit einem recht hohen technischen Mehraufwand verbunden ist.

Ebenfalls ist es bekannt, die He Ißgasabtauung durch Umgehen des Kondensators vorzunehmen. Für den Abtauvorgang Ist es bekannt, diesen anhand einer luftseitlgen Druckdifferenzmessung einzuleiten, während die Beendigung über eine Im Verdampfer gemessene Temperatur oder ein fest vorgegebenes Zeitintervall erfolgt. Weiter ist es bekannt, das Abtauen mittels einer optischen Erfassung der Reifdicke oder durch Wiegen des Verdampfers vorzunehmen. Stand der Technik ist, das Abtauen in festen bedarfsunabhängigen ZeI tinterval 1 en oder In variablen, von der Außentemperatur abhängigen Zei11nterval1 en. Ferner ist es bekannt, die Einleitung über eine Temperaturdifferenzmessung zwischen LufteintrItts-Temperatur und Verdampfungs-Temperatur des Arbeitsmittels mit Temperaturfühlern vorzunehmen, während die Beendigung nach Erreichen einer vorgegebenen Verdampfer-Temperatur vorzugsweise über fest einstellbare Thermostate erfolgt.

Diese bekannten Abtauverfahren sind mit erheblichen Unsicherheitsfaktoren behaftet, die vor allem auf die verschiedenen Umwelteinflüsse, wie beispielsweise Aufstellungsort und lokale Klimaschwankungen sowie Ungleichmäßigkeiten im Arbeitsmlttelkreislauf zurückzuführen sind. Die Erfassung dieser Unsicherheitsfaktoren würde eine hohe Anzahl von Sensoren und Erfassungsglieder erfordern, so daß allein dadurch hohe Zusatzkosten für die Anlage entstehen würden.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es ein Abtauverfahren zu schaffen, welches die Nachteile der bekannten Abtauverfahren vermeidet und mit einer geringstmöglichen Anzahl von Sensoren ein funktionssicheres Abtauen des Verdampfers mit minimalem Energieaufwand gewährleistet.

Diese Aufgabe wird entsprechend der Erfindung dadurch gelöst, daß die Einleitung des Abtauvorgangs durch Vergleich der Lufteintritts-Temperatur des Verdampfers und der Verdampfungs-Temperatur bei einer vorgegebenen Temperaturdifferenz in Abhängigkeit der Verdichterdrehzahl und des Kondensatorzustandes mit in einem Rechner der Regeleinrichtung gespeicherten Sollwerten des Kennfeldes erfolgt, während der Abtauvorgang bei einer vorgegebenen Verdampfer-Temperatur oder einer vorgegebenen Abtauzeit beendet wi rd.

Dementsprechend erfolgt die Abtaueinleitung bei Überschreiten einer vorgegebenen Temperaturdifferenz, die aus der Lufttemperatur am Verdampfer und einer Verdampfungs-Temperatur des Arbeitsmittels repräsentierenden Temperatur gebildet wird. Die vorgegebene Temperaturdtfferenz ist als Kennfeld in dem Programmspeicher des mit der Regeleinrichtung verbundenen Rechners abgelegt, wobei auch der Kältemittelmassenstrom, der aus der Messung der Drehzahl des Verdichters ermittelt wird, berücksichtigt ist. Weiterhin berücksichtigt werden die Druckverhältnisse des Kondensators durch Messung der Kondensator-Austrittstemperatur. Anstelle des die Verdampfungs-Temperatur messenden Temperaturfühlers kann alternativ hierzu ein Drucksensor verwendet werden, dessen Meßwerte im Rechner entsprechend umgewandelt werden. Ein solcher Druckfühler kann gleichzeitig die Aufgabe eines Niederdruckpressostaten übernehmen und dementsprechend als Sicherheitseinrichtung gegen Kaitemittelverlust dienen. Durch dieses Abtauverfahren wird gewährleistet, daß das Abtauen des Verdampfers nur bei einer Reihe von Randbedingungen vorgenommen wird und dementsprechend auch nur ein minimaler Energieaufwand hierzu erforderlich ist. Hierfür ist ein Temperatur- oder Drucksensor zur Messung der Verdampfungs-Temperatur und ein Temperatursensor zur Messung der Lüfteintritts-Temperatur sowie zur Messung der Drehzahl des Verdichters ein Drehzahlgeber erforderlich. Bedingt durch die wenigen zur Steuerung des Abtauvorganges benötigten Sensoren, wird eine Kostenmiηimierung und Funktionssicherheit der Anlage erhalten, wobei die angesprochenen Sensoren noch weitere Funktionen übernehmen.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird zur Verkürzung des Abtauvorganges die vorgegebene Verdampfungs-Temperatur bei Hefßgasabtauung zusätzlich das Signal eines Heiznetzrücklauf-Temperaturfühlers im Rechner der Regeleinrichtung verarbeitet, wodurch gegebenenfalls durch Zuschalten einer Boilerladepumpe ein Mindestdruck im Kondensator aufrechterhalten wird. Hierdurch wird der Druck im Kondensator auf einem Wert gehalten, der so groß Ist, daß bei geöffnetem Ventil in der Umgehungsleitung zumindest nahezu die vom Verdichter geförderte heiße Gasmenge dem Verdampfer zugeführt wird.

Eine weitere Ausführungsform wird entsprechend der Erfindung dadurch erhalten, daß zur Verkürzung des Abtauvorganges ein in der zum Kondensator führenden Druckleitung angeordnetes Absperrventil geschlossen wird. In diesem Fall strömt kein gefördertes Heißgas In den Kondensator, sondern die gesamte Heißgasmenge strömt über das geöffnete Ventil in der Umgehungsleitung direkt In den Verdampfer und heizt diesen sehr schnell auf, so daß der Abtauvorgang nach kurzer Zeit beendet ist.

Bei bestimmten Randbedingungen Ist eine Heißabgastauung nicht erforderlich und würde einen unnötigen Energieaufwand bedeuten. Insbesondere, wenn die Verdampfungs-Temperatur größer als 3⁰C oder die Lufttemperatur größer als 5°C ist, wird über die Regeleinrichtung bei Wärmepumpenstillstand der im Verdampfer angeordnete Ventilator zur Luftabtauung eingeschaltet, wobei das Abtauende erreicht ist, wenn die Verdampfer-Temperatur in etwa die LufteintrItts-Temperatur annimmt oder die maximal vorgegebene Abtauzeit überschritten wird.

Das Verfahren zum automatischen Abtauen eines luftbeaufschlagten Verdampfers kann prinzipiell auch bei HeIßgasabtauung Im Umkehrbetrieb angewendet werden, denn es ist nur der Verdampfer zu betrachten und die für das Verfahren aufgezeigten Randbedingungen für die Abtaueinleitung und Abtaubeendigung.

Anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele wird nachfolgend die Erfindung näher erläutert. Es zeigt:

Figur 1 eine Wärmepumpenanlage in schematischer Darstellung;

Figur 2 die schematische Darstellung der Wärmepumpenanlage, wobei in der zu einem Kondensator führenden Druckleitung ein Absperrventil angeordnet, ist.

Die in den Figuren gezeigte Wärmepumpenanlage weist einen Verdichter 1 auf, der von einem Antriebsmotor 2, welcher vorzugsweise als Brennkraftmaschine ausgebildet ist, angetrieben wird. Die Druckseite des Verdichters 1 ist. über eine Druckleitung 8 mit einem Kondensator 3 verbunden, in welchem die Wärme des Kaitemittelkreisi aufs an einen Heizkreislauf abgegeben wird. Über eine Verbindungsleitung 7 steht der Kondensator 3 mit einem Verdampfer *f in Verbindung, wobei das aus dem Kondensator kommende flüssige Kältemittel über ein Expansionsventil in den Verdampfer 4 strömt. Zum besseren Wärmeübergang des luftbeaufschlagten Verdampfers *+ ist ein Ventilator 5 angeordnet. Über eine Saugleitung 18 steht der Ausgang des Verdampfers k mit der Saugseite des Verdichters 1 in Verbindung. Eine, die Druckleitung 8 verbindende Umgehungsleitung 6 mündet nach dem Expansionsventil in den Verdampfer *f. In dieser Umgehungsleitung 6 ist ein Ventil 9 vorgesehen, welches beispielsweise als Magnetventil ausgebildet ist. Im Heizkreislauf ist eine Boilerladepumpe 15 sowie eine Heizungsumlaufpumpe 16 angeordnet, welche bei Bedarf zugeschaltet werden können. Eine Steuer- und Regeleinrichtung 17 steht mit einem Lufteintritts-Temperaturfüh1 er und einem Verdampfer-Temperaturfühler 11 sowie einem Drehzahlgeber 13 und einem Heiznetzrücklauf-Temperaturfühler 14 in Verbindung. Der Lufte intritts-Temperaturfühler 10, der gleichzeitig als Außenfühler für die witterungsgeführte Regelung der gesamten Heizungs- und Wärmepumpenanlage dient, sitzt in der Lufteintrittsseite des Verdampfers 4 und ist gegen direkte Sonnenbestrahlung geschützt. Der Verdampfer-Temperaturfühler 11 ist in einem überhitzungsfreien Bereich des Verdampfers 4 angeordnet.

Die Ausführungsform nach Figur 2 unterscheidet sich von der nach Figur 1 im wesentlichen dadurch, daß in der Druckleitung 8 nach der Abzweigung der Umgehungsleitung 6 ein Absperrventil 19 vorgesehen ist. Außerdem ist anstelle des Verdampfer-Temperaturfühlers ein Saugdruckfühler 12 vorgesehen, dessen Meßwerte in der Steuer- und Regeleinrichtung 17 mit einem kennfeidabhängigen Sollwert verglichen werden.

Das Verfahren zum automatischen Abtauen des luftbeaufschlagten Verdampfers 4 wird im wesentlichen mittels des Lufteintritts-Temperaturfühlers 10 des Verdampfungs-Temperaturfühlers 11, des Drehzahlgebers 13 und des Kondensatoraustrittsfühlers 20 von der Steuer- und Regeleinrichtung 17 gesteuert. Dabei enthält diese Steuer- und Regeleinrichtung 17 einen Rechner mit Programmspeicher, wobei die entsprechenden Grenzwerte für die LuftelntrItts-Temperatur, die Verdampfer-Temperatur, die Temperaturdifferenz zwischen Lüfteintritts-Temperatur und Verdampfungs-Temperatur in Abhängigkeit des Kaitemlttelmassenstromes kennfeldmäßig abgelegt ist. Die Abtaueinleitung erfolgt bei Überschreiten der vorgegebenen Grenzwerte in oder - Verknüpfung. Ist die vom Lufteintrittsfühler 10 gemessene Temperatur kleiner als 12°C oder die Verdampfer-Temperatur kleiner 0⁰C so wird der Abtauvorgang dann eingeleitet, wenn die vom Lufteintrittsfühler und dem Saugtemperaturfühler 11 ermittelte Temperaturdifferenz in Abhängigkeit der Verdichterdrehzahl den kennfeidmäßIg Im Rechner abgespeicherten Sollwert überschreitet. Das Abtauende ist erreicht, wenn die vom Saugtemperaturfühler 11 abgenommene Verdampfer-Temperatur größer 13°C ist oder eine maximale Abtauzeit, die als Funktion der Rücklauftemperatur und des Abtauverfahrens in der Regeleinrichtung 17 eingespeichert ist, überschritten wird. Beim Einleiten des Abtauvorganges wird von der Steuer- und Regeleinrichtung 17 das Ventil 9 geöffnet, so daß das vom Verdichter 1 geförderte heiße Ks1temittelgas über die Umgehungsleitung 6 durch den Verdampfer 4 gefördert wird und über die Saugleitung 18 zum Verdichter 1 gelangt.

Um zu vermeiden, daß dem Kondensator 3 eine größere Menge Kältemitteldampf zugeführt wird, wird durch Zuschalten der Boilerladepumpe 15 und Abschalten der Heizungsumlaufpumpe 16 das Temperaturniveau im Kondensator 3 angehoben, so daß in diesem Kondensator ein Mindestdruck für den Kältemittelkreislauf erhalten bleibt, welcher dafür sorgt, daß das heiße Kaitemittelgas im wesentlichen über die Umgehungsleitung 6 dem Verdampfer 4 zugeführt wird.

Bei der Ausführungsform nach Figur 2 wird während des Heißgasabtauvorganges das Absperrventil 19 über die Steuer- und Regeleinrichtung 17 geschlossen und, wie vorbeschrieben, das Ventil 9 geöffnet. Der Abtauvorgang verläuft dann wie vorbeschrieben, wobei der Heiznetzrücklauf-Temperaturfühler 14 keine Einwirkung auf den Abtauvorgang ausübt.

Zur Abtaueinleitung muß das Signal der erforderlIchen Temperaturdifferenz des Saugdruckes über eine feste Zeitspanne bei laufender Wärmepumpe anstehen, z. B. zwei Minuten, um sicherzustellen, daß sporadisch auftretende Signale nicht zur Abtaueinleitung führen.

Bei Verdampfungs-Temperaturen größer 0⁰C oder Lufttemperaturen größer 12°C ist eine Abtaueinleitung verboten. Ist die momentane Heizleistung der Wärmepumpe größer als der momentane Wärmebedarf, d.h. die Wärmepumpe läuft Im taktenden Betrieb, so wird zusätzlich als vorbeugende Abtaumaßnahme die Lüfterabtauung eingeleitet. Diese Abtauung durch den Ventilator 5 ist nur im Wärmepumpenstillstand und bei Verdampfer-Temperaturen kleiner 0⁰C und Lufttemperaturen größer 5°C zugelassen. Das Abschalten des Ventilators 5 erfolgt, wenn die vom Verdampfer-Temperaturfühler 11 gemessene Verdampfungs-Temperatur sich auf einen vorbestimmten Wert an die vom Lufteintrittsfühler 10 gemessene Temperatur angenähert hat oder die maximal vorgegebene Abtauzeit überschritten wird. In Figur 2 wird hierbei der vom Saugdruckfühler 12 gemessene Saugdruck als Bezugsgröße verwendet, wobei die Verdampfungs-Temperatur durch den Saugdruck dargestellt werden kann.

FRP-I Be/Br
09.11.1984

Claims (4)

1. PATENTANSPRÖCHE

   flJ Verfahren zum automatischen Abtauen eines luftbeaufschlagten Verdampfers einer Wärmepumpe, insbesondere einer verbrennungsmotorisch angetriebenen Wärmepumpe, welche einen Verdichter aufweist, dessen Druckleitung mit einem Kondensator verbunden ist, während eine Verbindungsleitung vom Kondensator über ein Expansionsventil zu dem einen Ventilator aufweisenden Verdampfer führt und der Verdampferausgang mittels einer Saugleitung mit dem Verdichter in Verbindung steht, wobei zur Heißgasabtauung des Verdampfers eine mittels eines Ventils absperrbare, den Verdampfer mit der Druckleitung verbindende Umgehungsleitung vorgesehen ist und in einer Steuer- und Regeleinrichtung von Meßaufnehmern übermittelte Daten verarbeitet und als Stellbefehle weitergeleitet werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Einleitung des Abtauvorganges durch Vergleich der LufteintrItts-Temperatur des Verdampfers CLufteintritts-Temperaturfühler 10) und der Verdampfungs-Temperatur (Verdampfer-Temperaturfühler 11, Saugdruckfühler 12) bei einer vorgegebenen Temperaturdifferenz in Abhängigkeit der Verdichterdrehzahl (Drehzahlgeberl3) und der Kondensatoraustritts-Temperatur (Kondensatoraustrittsfühler 20) mit in einem Rechner der Regeleinrichtung (17) gespeicherten Sollwerten des Kennfeldes erfolgt, während der Abtauvorgang bei einer vorgegebenen Verdampfer-Temperatur (Verdampfer-Temperaturfühler 12, Saugdruckfühler 12) oder einer vorgegebenen Abtauzeit beendet wird.
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Verkürzung des Abtauvorganges die vorgegebene Verdampfungs-Temperatur (Verdampfer-Temperaturfühler 11, Saugdruckfühler 12) bei Heißgasabtauung zusätzlich das Signal eines Heiznetzrücklauf-Temperaturfühlers (14) Im Rechner der Regeleinrichtung (17) verarbeitet wird und gegebenenfalls durch Zuschalten einer Boilerladepumpe (15) ein Mindestdruck im Kondensator (3) aufrechterhalten wird.
3. 3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Verkürzung des Abtauvorganges ein in der zum Kondensator (3) führenden Druckleitung (8) angeordnetes Absperrventil C19D geschiossen wi rd.
4. 4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Einleitung des Abtauvorganges mittels des im Verdampfer (¹O angeordneten Ventilators (5) bei Wärmepumpenstillstand die Verdampfer-Temperatur (Verdampfer-Temperaturfühler 11, Saugdruckfühler 12) kleiner als O⁰C und die Lufttemperatur (Lufteint r i tts-Temperaturfühl er 10) größer als 5⁰C Ist, während das Abtauende erreicht Ist, wenn die Verdampfer-Temperatur (Verdampfer-Temperaturfühler 11, Saugdruckfühler 12) etwa die Lufteint ritts-Temperatur (Lufte I ntritts-Temperaturfüh1 er 10) annimmt oder die maximal vorgegebene Abtauzeit überschritten wI rd.

   FRP-I Be/Br
   09. 11.1984