DE3638107C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Wärmepumpe, wie sie im Oberbegriff des Anspruchs 1 beschrieben ist.

Bekanntlich werden derartige Wärmepumpen mit Son­ nenkollektoren oder als Kühlvorrichtung eingesetzt, wobei für die erste Verwendungsart die Beheizung von Schwimmbä­ dern oder die Warmwasserbereitung und für die zweite Verwen­ dungsart die Herstellung von Kunsteisbahnen typische Anwen­ dungsbeispiele sind. Bei einem Wärmeaustauscher kann als erstes Trägermedium beispielsweise Wasser verwendet werden. Dagegen wird bei einem Kältetauscher als erstes Trägerme­ dium beispielsweise Sole verwendet.

Für die Strömungskanäle des ersten Kreislaufes verwendet man Rohr-, Schlauch- oder Matten-Wärmetauscher, die auch als Absorber bezeichnet werden, die gemeinsam an der Zu­ leitung und der Ableitung angeschlossen sind. Diese beiden Leitungen führen zu einer Kältemaschine, welche den zweiten Kreislauf enthält. Insbesondere ist bei den bekannten Vor­ richtungen der Verdampfer in der Kältemaschine angeordnet. Er muß bei den herkömmlichen Maschinen relativ voluminös und aufwendig ausgebildet sein, um die Funktion der gesam­ ten Anlage zu gewährleisten. Die Herstellung ist damit mit vergleichsweise hohen Kosten verbunden.

In der Literaturstelle H. L. von Cube, Lehrbuch der Kältetechnik, 3. Auflage 1981, S. 463, 464, sind für eine gattungsgemäße Wärmepumpe verschiedene Strangschemata für die Flüssigkeitsleitung des flüssigen Kältemittels beschrieben. Eine hierbei vorgeschlagene Anordnung würde beispielsweise bei Solaranlagen oder Kunsteisbahnen nur zu einer relativ geringen spezifischen Wärmetauscher-Flächenbelastung führen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine möglichst platzsparende Bauweise für einen Verdampfer einer Kälteanlage zu finden, welcher zum indirekten Kühlen einer Kunsteisbahn, eines Sonnenkollektors oder dergleichen geeignet ist.

Diese Aufgabe wird gemäß dem kennzeichnenden Teil des Hauptanspruchs gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.

Der Erfindung liegt also der Gedanke zugrunde, den Verdampfer nicht mehr in der Kältemaschine, sondern in unmittelbarer Nähe des Absorbers anzuordnen. Das Kältemittel verdampft im Rohrbündel und nimmt die Wärme direkt von dem im Sammelrohr strömenden Wärmeträgermedium auf. Ein Gehäuse für den Verdampfer ist daher nicht mehr erforderlich. Die Verbindung zwischen dem Absorber und der Kältemaschine erfolgt nicht mehr über die Rohre des Wärmeträgermediums, sondern über die Kältemittelrohre, welche dünner und billiger sind. Insgesamt können durch diese Maßnahmen die Herstellungskosten gesenkt werden. Eine weitere Kostenersparnis wird auch dadurch erreicht, daß sich eine Isolierung der Verbindungsleitungen für Absorber und Kältemaschine erübrigt, da die Kälte erst nach dem Expansionsventil entsteht, das direkt vor dem Absorber liegt.

Außerdem ist die Verdampfungstemperatur höher, da die Wärmeverluste des Wärmeträgermediums vom Wärmetauscher bis zur Kältemaschine entfallen und die Wärmeaufnahme gleichmäßig im Sammelrohr des Absorbers erfolgt.

Die Länge des Verdampferrohrbündels hängt von der Kälte­ leistung der Kältemaschine und dem K-Wert des verwendeten Rohrbündels ab. Es ist besonders vorteilhaft, daß das Rohrbündel die gleiche Länge hat wie das Sammel­ rohr. Das hat den Vorteil, daß der Wärmeaustausch gleich­ mäßig über die gesamte Sammelrohrlänge des Wärmetauschers erfolgt. Die sich ergebende höhere Verdampfertemperatur erhöht den Wirkungsgrad der Kältemaschine.

Ein weiterer Vorteil der Erfindung liegt darin, daß die im ersten Kreislauf angeordnete Wärmeträgermediumpumpe gegenüber herkömmlichen Anlagen kleiner ausgelegt werden kann, da sie das Wärmeträgermedium nur noch durch den Wär­ metauscher, nicht jedoch zur Kältemaschine und zurück pumpen muß. Die in der Regel als Wärmeträgermedium verwendeten Ethylen- und Propylenglykolmischungen haben besonders bei Minus-Temperaturen eine hohe Viskosität und Dichte, was bei langen Rohrleitungen hohe Druckverluste bewirkt, die durch stärkere Pumpen ausgeglichen werden müssen.

Es ist besonders vorteilhaft, daß der Verdampfer als Rohr­ bündelverdampfer ausgebildet ist.

Eine weitere bevorzugte Ausführungsform der Erfindung be­ steht darin, daß das Rohrbündel aus glattwandigem Rohr be­ steht.

Es kann auch vorteilhaft sein, daß das Rohrbündel aus Rippen­ rohr besteht. Das hat den Vorteil, daß die Rohroberfläche ver­ größert und damit der Wärmeaustausch verbessert wird. Bei der Anordnung der Rippen wird darauf geachtet, daß die Strömung des Wärmeträgermediums nicht behindert wird. Es kann zur Ver­ größerung der Oberfläche auch vorteilhaft sein, daß das Rohr­ bündel spiralförmig im Sammelrohr verläuft.

Eine andere Weiterbildung der Erfindung besteht darin, daß die Rohre des Rohrbündelverdampfers im Sammelrohr weitgehend mit ihrer gesamten Außenfläche dem im Sammelrohr fließenden Wärmeträgermedium ausgesetzt sind. Durch diese Maßnahme wird eine optimale Wärmeübertragung auf den Rohrbündelverdampfer sichergestellt. Eine Wärmeabgabe vom Rohrbündelverdampfer un­ mittelbar auf das Sammelrohr wird verhindert.

Des weiteren ist vorteilhaft daß der Rohrbündelverdampfer mindestens nach der strömungstechnischen Zuleitung des ge­ samten Wärmeträgermediums in das Sammelrohr in einem Längs­ bereich des Sammelrohrs vorgesehen ist. Da dieser Bereich des Sammelrohrs das gesamte erwärmte Wärmeträgermedium enthält, und noch keine zuleitungsbedingte Abkühlung erfolgt ist, sind hier sehr hohe Temperaturen des Wärmeträgermediums zu erwarten.

Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung besteht dar­ in, daß der gesamte Rohrbündelverdampfer als separate Baugruppe, insbesondere selbsttragend, in das expansionsventilseitige Ende des Sammelrohres einbaubar ist. Dies hat den Vorteil einer ein­ fachen Montage und Wartung. Unter Umständen können auf diese Weise auch bereits installierte Sammelrohre nachgerüstet werden. Des weiteren ist es vorteilhaft, daß der Rohrbündelverdampfer mindestens ein zurückgeführtes Rohr, insbesondere jedoch eine Vielzahl einzelner Rohre, aufweist.

Besonders vorteilhaft ist es, daß die Rohre des Rohrbündelver­ dampfers im Querschnitt des Sammelrohres symmetrisch, insbe­ sondere symmetrisch bezüglich einer gleichförmigen Strömungs­ geschwindigkeit des Wärmeübertragungsmediums, angeordnet sind. Diese Maßnahme hat den Vorteil, daß die Strömung des Wärmeüber­ tragungsmediums vom Rohrbündelverdampfer möglichst wenig ge­ stört wird.

Im folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungs­ beispieles weiter beschrieben:

Fig. 1 zeigt schematisch einen Wärme-/Kältetauscher und

Fig. 2 zeigt schematisch einen Querschnitt durch einen Sammelrohrverdampfer

In Fig. 1 ist ein mattenförmiger Wärme-/Kältetauscher 10 veranschaulicht, der aus einer Vielzahl von U-förmigen Strömungskanälen 11 besteht. Die Strömungskanäle 11 sind eingangsseitig mit einem gemeinsamen Zuleitungsrohr 12 und ausgangsseitig mit einem gemeinsamen Sammelrohr 13, das einen Rohrbündelverdampfer (Fig. 2) enthält, verbunden. Zu­ leitungsrohr 12 und Sammelrohr 13 sind unter Zwischenschaltung einer Umwälzpumpe 14 in der kürzestmöglichen Weise mitein­ ander verbunden. Der Rohrbündelverdampfer kann als separate Baueinheit ausgeführt sein, die in das Sammelrohr 13 einge­ bracht ist.

In den Strömungskanälen 11, dem Zuleitungsrohr 12 und dem Sammelrohr 13 zirkuliert ein Wärmeträgermedium, was bezüg­ lich eines einzigen U-förmigen Strömungskanals 11′ durch Pfeile veranschaulicht ist. In diesem ersten Kreislauf wird das Wärmeträgermedium von der Umwälzpumpe 14 über das Zu­ leitungsrohr 12 in den einen Schenkel der Strömungskanäle 11 gepumpt. Beim Durchströmen der Strömungskanäle 11 nimmt es von der Umgebung Wärme auf, die im Rohrbündelverdampfer des Sammelrohres 13 unter Abkühlung an einen zweiten Kreislauf abgegeben wird.

Im zweiten Kreislauf zirkuliert ein Kältemittel, das über eine Kältemittelzuleitung 15 von einer Kältemaschine 16 herangeleitet und über eine Kältemittelableitung 17 zur Käl­ temaschine 16 zurückgeführt wird. Die Kältemittelzuleitung 15 und die Kältemittelableitung sind in der Kältemaschine 16 über einen Verdichter 18 mit einem Kondensator 19 verbunden.

Die Ausdehnung des komprimierten Kältemittels erfolgt durch ein Expansionsventil 20 in der Kältemittelzuleitung unmittel­ bar bevor die Kältemittelzuleitung 15 in den Rohrbündelver­ dampfer des Sammelrohrs 13 mündet.

In Fig. 2 ist der Querschnitt des Rohrbündelverdampfers dar­ gestellt. In dem hier gezeigten Beispiel besteht er aus einem aus einem Kältemittelzuleitungsrohr 15′ und einem Kältemittelableitungsrohr 17′ bestehenden Rohr­ bündel, welches im Inneren des Sammelrohrs 13 angeordnet und vom Wärmeträgermedium 21 umgeben ist. Das Rohrbündel kann sich über die gesamte Länge des Sammel­ rohrs 13 erstrecken. Es kann aber auch ausreichend sein, wenn das Rohrbündel lediglich in einem Bereich des Sammelrohrs 13 verläuft, beispielsweise im Anschluß an das Expansionsventil 20.

In der Fig. 2 sind das Kältemittelzuleitungsrohr 15′ und das Kältemittelableitungsrohr 17′ auf Abstand zur Innenwand des Sammelrohrs 13 gehalten, um eine möglichst vollständige Um­ strömung zu erreichen.

In den beiden Kältemittelrohren zirkuliert das Kältemittel 22, wobei die Strömungsrichtungen senkrecht zur Zeichenebene verlaufen und durch die Pfeilsymbole "x" und "·" gekenn­ zeichnet sind. Selbstverständlich können an Stelle des hier gezeigten Rohrbündels für das Kältemittel 22 auch mehr als zwei Rohre verwendet werden.

Im folgenden wird anhand der beiden Figuren die Funktion der gesamten Vorrichtung beschrieben. Das Wärmeträgerme­ dium 21 wird durch die Umwälzpumpe 14 nach der Aufnahme von Wärme aus den Strömungskanälen 11 in das Sammelrohr 13 gepumpt, wo es das Kältemittel 22 enthaltende Rohrbündel 15′, 17′ umströmt. Durch die Wärme, die vom Wärmeträger­ medium 21 unmittelbar an das Kältemittel 22 abgegeben wird, verdampft das Kältemittel 22. Es wird dann zur Kältema­ schine 16 gepumpt, wo ihm die Wärme wieder entzogen wird.

Claims (8)

1. Wärmepumpe zum Heizen oder Kühlen, mit einem ersten Kreislauf, in welchem ein flüssiges Wärmeträgermedium zirkuliert, und in welchem ein Nutzwärmetauscher angeordnet ist, bestehend aus einer Vielzahl von parallelen, U-förmig verlaufenden Rohren sowie je einem gemeinsamen Verteilungsrohr und einem gemeinsamen Sammelrohr für das Wärmeträgermedium, und mit einem zweiten Kreislauf, in welchem das Kältemittel zirkuliert, mit je einem Kältemittel-Zuleitungsrohr und einem Kältemittel-Ableitungsrohr, mit einem dazwischen liegenden Verdampfer, einem Expansionsventil, einem Verdichter und einem Kondensator, dadurch gekennzeichnet,
daß der Verdampfer im Sammelrohr (13) des ersten Kreislaufs angeordnet ist und sich im wesentlichen über dessen gesamte Länge erstreckt,
daß das Expansionsventil (20) in Strömungsrichtung in der Weise unmittelbar vor dem Sammelrohr (13) liegt, daß die bei der Ausdehnung entstehende Kälte den Verdampfer unmittelbar beaufschlagt, und
daß der Verdampfer stromabwärts mit dem Kältemittel-Ableitungsrohr (17) verbunden ist.

2. Wärmepumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Verdampfer aus einem Rohrbündel besteht.

3. Wärmepumpe nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Rohrbündel aus glattwandigem Rohr besteht.

4. Wärmepumpe nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Rohrbündel aus Rippenrohr besteht.

5. Wärmepumpe nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Rohrbündel spiralförmig im Sammelrohr (13) verläuft.

6. Wärmepumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der gesamte Rohrbündelverdampfer (15′, 17′) als separate Baugruppe, insbesondere selbsttragend, in das expansionsventilseitige Ende des Sammelrohrs (13) einbaubar ist.

7. Wärmepumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Rohrbündelverdampfer mindestens ein zurückgeführtes Rohr (15′, 17′), insbesondere jedoch eine Vielzahl einzelner Rohre, aufweist.

8. Wärmepumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Rohre des Rohrbündelverdampfers im Querschnitt des Sammelrohres (13) symmetrisch, insbesondere symmetrisch bezüglich einer gleichförmigen Strömungsgeschwindigkeit des Wärbeübertragungsmediums, angeordnet sind.