DE3622743A1 - Waermepumpe - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Wärmepumpe deren Kälte­ mittelkreislauf einen Verdichter, einen Kondensator, eine Expansionseinrichtung und einen Verdampfer enthält. Eine der­ artige Wärmepumpe ist bekanntlich bei prinzipiell gleichem gerätetechnischen Aufbau auch als Kältemaschine verwendbar.

In herkömmlichen Wärmepumpensystemen ist der Expansionsein­ richtung in der Regel eine Drossel derart zugeordnet, daß die Arbeitsfähigkeit (Exergie) des Kältemitteldampfes bzw. -kon­ densates in dem Kondensator bzw. der Expansionseinrichtung verloren geht.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Wirkungsgrad der Wärmepumpe zu erhöhen und insbesondere die Arbeitsfähigkeit des Kältemittels im Prozeßkreislauf besser nutzbar zu machen.

Ausgehend von einer Wärmepumpe der eingangs genannten Art, ist erfindungsgemäß zur Lösung dieser Aufgabe vorgesehen, daß dem einen Kondensator die Ejektordüse eines Strahlapparats nachge­ schaltet ist, daß der Strahlapparat in ein Separatorgefäß mündet, daß das Separatorgefäß einen mit dem Verdampfer ver­ bundenen Ablauf und einen mit dem Sauganschluß des Verdichters verbundenen Abzug aufweist und daß das im Verdampfer verdampf­ te Kältemittel dem Strahlapparat als Sauggas zugeführt wird. Der Einsatz eines Ejektors in Zuordnung zu einem Sammelgefäß, aus dem der Verdichter dampfförmiges Kältemittel ansaugt und flüssiges Kältemittel dem Verdampfer zugeführt wird, hat eine Reihe von Vorteilen:

• Verdichters wird erhöht, so daß die Verdichterleistung entsprechend verrringert werden kann;
• die Kältemittelzirkulation im Verdampfer stellt sich ge­ ringer ein, während die Verdampferleistung höhere Werte erreichen kann;
• die Kältemitteltemperatur vor dem Verdampfer liegt ca. 5°C über der Verdampfertemperatur, wodurch sich eine weitere Leistungssteigerung ergibt;
• das Sauggas ist trocken, wodurch die Sauggasüberhitzung wesentlich kleiner gemacht werden kann. Hierdurch wird der Liefergrad (λ-Wert) verbessert.

Der Ejektorwirkungsgrad läßt sich in Weiterbildung der Erfin­ dung dadurch steigern und eine Prozeßverbesserung erreichen, daß zwischen dem Verdampfer und dem Strahlapparat ein Wärme­ tauscher zum Aufheizen des Sauggases angeordnet ist. Vorzugs­ weise wird dabei der Wärmetauscher zum Aufheizen des Sauggases mit sonst verlorener Abgaswärme beispielsweise einer den Ver­ dichter antreibenden Brennkraftmaschine beaufschlagt. Diese Aufheizung des Sauggases bewirkt eine gewollt stärkere Expan­ sion und damit eine höhere Absaugung und Verdichtung des Saug­ gases im Strahlapparat.

Eine besonders einfache und wirksame Regelung des Phasenzu­ standes (Gas/Flüssigkeitsverhältnis) des in die Ejektordüse eintretenden Kältemittels läßt sich in bevorzugter Weiterbil­ dung der Erfindung dadurch erreichen, daß zwischen dem Konden­ sator und der Ejektordüse ein den Phasenzustand des Treibmit­ tels steuernder Wärmetauscher angeordnet ist. Dieser Wärme­ tauscher kann ebenfalls mit der Abgaswärme beaufschlagt sein.

Insbesondere bei Anordnung des Wärmetauschers zwischen Konden­ satoraustritt und Ejektordüse ist vorzugsweise an die Ejektor­ düse über ein Regelventil eine Heißgasleitung angeschaltet, durch die Heißgas als Treibmittel der Ejektordüse zuführbar ist. Die Heißgasleitung kann als Beipaßleitung zum Kondensator und zu dem diesem nachgeschalteten, abgasbeaufschlagten Wärme­ tauscher angeordnet sein. Das als Treibmittel dienende Heißgas erhöht die Strömungsgeschwindigkeit in der Ejektordüse soweit, daß eine zuverlässige Ansaugwirkung auf das den Verdampfer über die Saugleitung verlassende dampfförmige Kältemittel ausgeübt wird und letzteres in das Separatorgefäß eingesaugt wird. Die über Heißgasleitung der Ejektordüse zugeführte Heiß­ gasmenge ist mittels des Regelventils in Abhängigkeit von dem Druckverhältnis in der Saugleitung und dem Separatorgefäß steuerbar.

Die Phasenaufteilung des Kältemittels im Separatorgefäß schafft eine Voraussetzung dafür, daß das Sauggas zum Verdich­ ter trockengehalten werden kann. Dies geschieht gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung dadurch, daß dem Saugan­ schluß des Verdichters ein Tropfenabscheider vorgeschaltet ist.

Eine Weiterbildung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß dem Verdampfer ein Tropfenabscheider nachgeschaltet ist, durch den flüssiges Kältemittel mit hoher Ölkonzentration abgeschieden wird. Dieses abgeschiedene Öl-Kältemittel-Gemisch wird mittels einer Pumpe auf höheren Druck gebracht und durch einen Wärmetauscher geleitet und erwärmt. Durch eine Verbin­ dungsleitung zwischen dem Wärmetauscher und einer Verdichter­ -Zwischenstufe wird das durch Erwärmung ausdampfte Kältemittel in den Kältemittelkreislauf zurückgeführt. Die Rückführung des Kältemittels auf einem relativ hohen Druck in die Verdichter­ -Zwischenstufe vermindert die im Kreislauf benötigte Leistung.

Das Öl aus dem Wärmetauscher enthält nur einen relativ gerin­ gen Kältemittelanteil. Dadurch wird auch der Liefergrad des Verdichters verbessert.

Um die Stoßverluste im Strahlapparat zu minimieren, ist in Weiterbildung der Erfindung ferner vorgesehen, daß die Saug­ leitung tangential in den Strahlapparat mündet. Dabei kann die Saugleitung über wenigstens einen Strömungsbeschleuniger, beispielsweise in Form eines Venturirohrs o.dgl. an den Strahlapparat angeschlossen sein. Der Strömungsbeschleuniger kann einen rechteckigen Querschnitt haben. Durch die tangen­ tiale Einführung des Sauggases in den Strahlapparat wird dem Sauggas im Eintrittsbereich eine schraubenlinienförmige Bewe­ gung aufgezwungen, bei der die Umlenkverluste, insbesondere die Stoßverluste minimiert sind.

Zur besseren Exergienutzung des Verdichterdruckgases ist fer­ ner vorgesehen, daß der Kondensator aus wenigstens zwei hin­ tereinander angeordneten Wärmetauschstufen besteht, von denen eine erste mit dem Verdichter-Druckgas beaufschlagt und dem Auslaß des im Kondensator aufgeheizten Heizmediums und die zweite mit dem Kondensatauslaß und dem Heizmediumeinlaß ver­ bunden ist. Dadurch wird es möglich, daß das in der Regel aus Heizwasser bestehende Heizmedium den Kondensator mit einer höheren Temperatur als die Kondensationstemperatur des Kälte­ mittels verläßt.

Ist zwischen dem Druckanschluß des Verdichters und dem Konden­ sator ein Ölabscheider angeordnet, so läßt sich die Prozeßwär­ me auch auf der Ölkreislaufseite dadurch nutzen, daß der Öl­ kreislauf vom Ablauf des Ölabscheiders über einen Ölkühler zum Kompressor geschlossen ist und die Ölwärme im Ölkühler auf Heizmedium und/oder Brauchwasser übertragen wird. Die Heizme­ dium- oder Brauchwassertemperaturen am Wärmetauscherausgang liegen dabei im Bereich der Öltemperaturen, also auf einem relativ hohen Temperaturniveau. Das Heizmedium zur Ölkühlung wird hinter dem Kondensator abgezapft und hinter dem Abgaswär­ metauscher zugeführt.

Die Erfindung erreicht eine Steigerung der Leistungsziffer von mehr als 15% gegenüber Wärmepumpen bekannter Bauart. Die Ener­ gieeinsparungen werden dabei ohne wesentlichen baulichen Mehr­ aufwand erreicht und ohne Erhöhung der Wartungskosten der Anlage.

Im folgenden wird die Erfindung anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Ausführungs­ beispiels der Wärmempumpe;

Fig. 2 eine schematische Radialschnittansicht durch den Strahlapparat mit zwei tangentialen Saugleitungs­ stutzen;

Fig. 3 eine schematische Darstellung des Aufbaus eines bei der Wärmepumpe gemäß Fig. 1 mit besonderem Vorteil verwendbaren zweistufigen Kondensators; und

Fig. 4 eine schematische Darstellung eines bei der Wär­ mepumpe gemäß Fig. 1 verwendbaren Ölkreislaufs, mit dem die Ölwärme weitgehend zur Aufheizung von Brauch- oder Heizwasser nutzbar gemacht werden kann.

Die in Fig. 1 schematisch dargestellte Wärmepumpe arbeitet nach dem Kompressionsprinzip. Sie weist einen Verdichter 1 auf, der im beschriebenen Ausführungsbeispiel von einem Ver­ brennungsmotor 2 angetrieben wird. Das Verdichterdruckgas wird einem Kondensator 3 zugeführt, in welchem dem zunächst gas­ förmigen Kältemittel Wärme entzogen wird. In dem beschriebenen Ausführungsbeispiel wird die am Kondensator 3 zur Verfügung stehende Wärme in einem Heizwasserkreislauf zum Aufheizen des Heizwassers genutzt.

Das Kondensat strömt über einen Wärmetauscher 5 in einen als Ejektor ausgebildeten Strahlapparat 9 und saugt durch die Ejektorwirkung über die Leitung 20 von einem Verdampfer 16 kommendes Kältemittelgas in ein Separatorgefäß 11, in das der Strahlapparat 9 mündet.

Im Separatorgefäß wird der Kältemittelkreislauf entsprechend dem Phasenzustand in zwei Zweige geteilt: Das Kondensat geht über einen unteren Gefäßablauf 13 und ein Rückschlagventil 14 zum Verdampfer 16, wo es dann in bekannter Weise verdampft und nach Vorwärmung in einem weiteren Wärmetauscher 19 in der Gasphase von der Ejektordüse 10 des Strahlapparats 9 angesaugt wird; die Gasphase wird aus dem Separatorgefäß 11 über die Saugleitung (Sauganschluß) 22 des Verdichters 1 angesaugt. Am Kopfende des Separatorgefäßes 11 ist im Bereich des mit dem Verdichter 1 verbundenen Abzugs ein Tropfenabscheider 12 ange­ ordnet. Ein weiterer Tropfenabscheider 18 ist dem Verdampfer 16 nachgeschaltet. Das vom Saugstrom des Verdampfers 16 im Tropfenabschneider 18 abgeschiedene Öl/Kältemittel-Gemisch wird mittels einer Pumpe 24 in einem weiteren Wärmetauscher 25 soweit erwärmt, daß das Kältemittel ausdampft. Das ausgedampf­ te Kältemittel wird über eine Leitung 27 aus dem Wärmetauscher 25 in den Kältemittelkreislauf, und zwar in die Zwischenstufe des Verdichters 1 zurückgeführt. Das Öl wird über eine Leitung 26 zum Verdichter als Einspritzöl gefördert.

Der dem Verdampfer 16 zugeordnete Tropfenabscheider liegt auf einem höheren geodätischen Niveau als der Kältemittelspiegel im Separatorgefäß 11. Diese geodätische Höhendifferenz Δ H ist in Fig. 1 schematisch dargestellt.

Der aus dem Ölabscheider austretende Kältemitteldampf wird im Wärmetauscher 19 überhitzt. Diese Dampfüberhitzung ermöglicht eine verstärkte Expansion des vom Ejektor 9 angesaugten Kälte­ mittelgases. Die Saugleitung 20 mündet gemäß Darstellung in Fig. 2 tangential in den Strahlapparat 9, wodurch das ange­ saugte Kältemittelgas eine spiral- oder wendelförmige Strö­ mungsrichtung um die zentrale Ejektordüse 10 erhält und Stoß­ verluste im Strahlapparat minimiert werden. In Fig. 2 sind zwei diametral gegenüberliegende Saugleitungsstutzen 20, 21 mit jeweils tangentialen Einläufen in den Strahlapparat 9 dargestellt. Die beiden Mündungstutzen 20 und 21 sind als Strömungsbeschleuniger mit verengtem Durchtrittsquerschnitt ausgebildet. Die beiden Beschleuniger 20 und 21 haben vorzugs­ weise einen viereckigen Querschnitt. Die beiden Saugleitungen können zwei verschiedenen in denselben Kältemittelkreislauf eingebundenen Verdampfern nachgeschaltet sein. Die Wärme so­ wohl des Wärmetauschers 5 als auch der Wärmetauscher 19 und 25 wird vorzugsweise dem Abgas einer Brennkraftmaschine, bei­ spielsweise des Verbrennungsmotors 2 entnommen. Parallel zum Kondensator 3 und dem Wärmetauscher 5 ist eine Heißgasleitung 6 mit einem die Heißgasmenge steuernden Regelventil 7 angeord­ net. Durch geeignete Steuerung der Abgasmenge bzw. Abgastempe­ ratur im Wärmetauscher 5 und der über die Heißgasleitung 6 und das Regelventil 7 zugeführten Heißgasmenge kann der Phasenzu­ stand des die Ejektordüse 10 erreichenden Treibmittels auf die günstigsten Verhältnisse eingestellt werden. Die Heißgaslei­ tung 6 ist an einer Stelle 8 zwischen Wärmetauscher 5 und der Ejektordüse 10 in den Kältemittelkreislauf eingebunden.

In Fig. 3 ist ein besonders vorteilhaftes Ausführungsbeispiel des Kondensators 3 der Wärmepumpe gemäß Fig. 1 schematisch dargestellt. Der Kondensator 3 ist zweistufig. Zu einer ersten Kondensatorstufe 31 gehören ein Eintrittsstutzen 32 des Kälte­ mittels und der Heizungswasseraustrittsstutzen 33. Eine zwei­ ten Kondensatorstufe 34 ist von der ersten Stufe 31 durch eine Trennwand 35 mit Durchtrittsöffnung 36 abgeteilt. Zur zweiten Kondensatorstufe gehören der Heizungswassereintritt 37 und der Kondensatauslaßstutzen 38. Das Heizungswasser durchströmt die beiden Stufen des Kondensators und wird an endseitigen Samm­ lern umgelenkt. Diese stufige Ausbildung verbessert die Exer­ gienutzung des Kompressordruckgases und ermöglicht die Erzie­ lung einer Heizwasseraustrittstemperatur oberhalb der Konden­ sationstemperatur des Kältemittels.

In Fig. 4 ist eine Verbesserung des Energiepotentials der Ölkreislaufwärme durch die verbesserte Wasserschaltung veran­ schaulicht. Der Ölkreislauf enthält einen auf der Druckgassei­ te des Verdichters 1 vor dem Kondensator 3 angeordneten Ölab­ scheider 28, aus dem das Öl über eine Pumpe 29 durch einen Ölkühler 30 im Kreislauf zurück zum Verdichter 1 gefördert wird. Das im Ölkühler zunächst auf einem hohen Temperaturni­ veau befindliche Öl heizt das aus dem Kondensator über eine Leitung 30 abgezweigte Heizwasser auf; das aus dem Ölkühler 30 austretende gewärmte Heizwasser wird dem im dargestellten Ausführungsbeispiel parallel zum Ölkühler 30 über den Konden­ sator 3, einen Kühlwasserwärmetauscher 40 und einen Abgaswär­ metauscher 41 aufgewärmten Heizwasser zugemischt und in den Vorlauf zurückgeführt.

Das aus dem Ölabscheider 28 austretende Kältemittelgas wird, wie zuvor anhand von Fig. 1 beschrieben, im Kondensator 3 kondensiert.

Claims (15)

1. Wärmepumpe deren Kühlmittelkreislauf einen Verdichter (1), einen Kondensator (3), eine Expansionseinrichtung (9) und einen Verdampfer (16) enthält, dadurch gekennzeichnet, daß dem Kondensator (3) die Ejektordüse (10) eines Strahlap­ parats (9) nachgeschaltet ist, daß der Strahlapparat in ein Separatorgefäß (11) mündet, daß das Separatorgefäß einen mit dem Verdampfer (16) verbundenen Ablauf (13) und einen mit dem Sauganschluß (22) des Verdichters (1) verbundenen Abzug (22) aufweist und daß das im Verdampfer verdampfte Kältemittel dem Strahlapparat (9) als Sauggas zugeführt und in das Separator­ gefäß (11) eingeleitet wird.

2. Wärmepumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Verdampfer (16) und dem Strahlapparat (9) ein Wärmetauscher (19) zum Aufheizen des Sauggases angeordnet ist.

3. Wärmepumpe nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmetauscher (19) zum Aufheizen des Sauggases mit Abgas­ wärme beaufschlagt ist.

4. Wärmepumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Kondensator (3) und der Ejek­ tordüse (10) ein Wärmetauscher (5) zur Steuerung des Phasenzu­ standes des Treibmittels angeordnet ist.

5. Wärmepumpe nach Anspruch 4 dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmetauscher (5) zur Steuerung des Phasenzustandes durch ein Regelventil (4) mit Abgaswärme beaufschlagt ist.

6. Wärmepumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß an die Ejektordüse (10) über ein Regelven­ til (7) eine Heißgasleitung (6) angegeschaltet ist, durch die Heißgas als Treibmittel der Ejektordüse (10) zuführbar ist.

7. Wärmepumpe nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Heißgasleitung (6) als Beipaßleitung zum Kondensator (3) und ggf. zum Wärmetauscher (5) angeordnet ist.

8. Wärmepumpe nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeich­ net, daß die Heißgasmenge mittels des Regelventils (7) in Abhängigkeit von dem Druckverhältnis in der Saugleitung (20) und dem Separatorgefäß (11) steuerbar ist.

9. Wärmepumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß dem Sauganschluß (22) des Verdichters (1) ein Tropfenabscheider (12) vorgeschaltet ist.

10. Wärmepumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß dem Verdampfer (16) ein Tropfenabscheider (18) nachgeschaltet ist, durch den flüssiges Kältemittel mit hoher Ölkonzentration abgeschieden wird.

11. Wärmepumpe nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das abgeschiedene Öl-Kältemittel-Gemisch mittels einer Pumpe (24) auf höheren Druck gebracht, durch einen Wärmetauscher (25) geleitet und erwärmt wird und daß eine Verbindungsleitung (27) zwischen dem Wärmetauscher (25) und einer Verdichterzwischen­ stufe zur Rückführung des durch Erwärmung ausgedampften Kälte­ mittels in den Kältmittelkreislauf vorgesehen ist.

12. Wärmepumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet daß die Saugleitung (20) einen tangential in den Strahlapparat (9) mündenden Anschlußstutzen hat.

13. Wärmepumpe nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Saugleitung (20) über wenigstens einen Strömungsbeschleu­ niger (21) an den Strahlapparat (9) angeschlossen ist.

14. Wärmepumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Kondensator (3) aus wenigstens zwei hintereinander angeordneten Wärmetauschstufen (31, 34) be­ steht, von denen eine erste mit dem Kältemitteleintrittsstut­ zen (32) und dem Auslaß (33) des im Kondensator (3) aufgeheiz­ ten Heizmediums und die zweite mit dem Kondensatauslaß (38) und dem Heizmediumeinlaß (37) verbunden ist.

15. Wärmepumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch ge­ kennzeichnet, daß zwischen dem Druckanschluß des Verdichters (1) und dem Kondensator (3) ein Ölabscheider (28) angeordnet ist, daß der Ölkreislauf vom Ablauf des Ölabscheiders (20) über einen Ölkühler (30) zum Kompressor (1) geschlossen ist und daß die Ölwärme im Ölkühler (30) auf das Heizmedium hinter dem Kondensator (3) übertragen wird.