DE2432893A1

DE2432893A1 - Verfahren zum betrieb einer waermepumpenanlage und anlage zur durchfuehrung des verfahrens

Info

Publication number: DE2432893A1
Application number: DE2432893A
Authority: DE
Inventors: Ernst Lamb; Robert Lamb
Original assignee: LAMB ROBERT 7503 NEUREUT
Current assignee: LAMB ROBERT 7503 NEUREUT
Priority date: 1974-07-09
Filing date: 1974-07-09
Publication date: 1976-01-29

Description

DR. INQ. HANS LICHTI · DIPL.-INQ. HEINER LICHTI

PATENTANWÄLTE

75 KARLSRUHE-DURLACH ■ QROTZINQER STRASSE 61

TELEFON (0721) 41124 Neue Anschrift: D-7500 Karlsruhe 41 (Grötzingen) · Durlacher Straße 31 (Hochhaus) · Telefon (0721) 48511 |

5. Juli 1974 2923/74

Robert Lamb, 7503 Neureut, Lindenweg 13

Verfahren zum Betrieb einer Wärmepumpenanlage und Anlage zur Durchführung des Verfahrens.

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Betrieb einer Wärmepumpenanlage für die Erhitzung eines flüssigen Wärmeträgers, insbesondere von Warmwasser in Wohn- und Geschäftsgebäuden, sowie auf eine Wärmepumpenanlage zur Durchführung des Verfahrens.

Das Prinzip der Wärmepumpe besteht im wesentlichen darin, daß Wärme aus einem in größerer Menge zur Verfügung stehenden

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Wärmeträger niedrigen Temperaturniveaus entnommen, auf höhere Temperatur gebracht und auf einen anderen Wärmeträger höheren Temperaturniveaus weitervermittelt wird. Dabei entstammt der weitaus größere Teil der auf diese •Art und Weise transponierten Wärme dem ersten Wärmeträger, dem die Wärme unmittelbar entnommen wird, der kleinere Teil der mechanischen Leistung des hierzu notwendigen Kompressors.

In neuerer Zeit finden Wärmepumpenanlagen mehr und mehr Eingang in den praktischen Gebrauch, insbesondere solche zur Beheizung von Wohnräumen und zur Erwärmung von Kaltwasser für die Warmwasserbereitung. Es ist bekannt, daß die Erwärmung von Wasser mittels Wärmepumpen durchaus zu wirtschaftlichen Bedingungen betrieben werden kann. Es gelingt dabei allerdings im allgemeinen nicht, eine maximale Temperatur von 30 bis 35 Grad zu überschreiten. Solche Temperaturen sind zur Benutzung des Wassers in Haushaltungen, z.B. als Badewasser oder zum Geschirrspülen nicht ausreichend, zumal die Gebrauchstemperatur bei der Benutzung noch um einige Wärmegrade absinkt. Eine Anlage solcher Art kann also nur als Vorstufe der eigentlichen Warmwasserbereitung angesehen werden. Der Erfindung ist nun die Aufgabe gestellt, eine Wärmepumpenanlage vorzuschlagen, die zufolge ihrer Ausbildung eine besondere Betriebsweise erlaubt, welche es ermöglicht, wesentlich höhere und für durchschnittliche Zwecke durchaus ausreichende Warmwassertemperaturen zu erreichen. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Wärmeaustauscher bzw. Verflüssiger der Wärmepumpenanlage auf der Außenseite mit einem flüssigen Austauschermedium, vorzugsweise unmittelbar dem zu erhitzenden

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Wärmeträger, z.B. Wasser, in zwei unabhängig voneinander im Kreislauf umgewälzten Flüssigkeitsströmen derart bespült wird, daß der erste Flüssigkeitsstrom die Wärme der Spitzentemperaturen an der Eintrittsseite des gasförmigen, zu verflüssigenden Wärmepumpenmediums, der zweite Flüssigkeitsstrom die Restwärme an der Austrittsseite des verflüssigten Mediums aufnimmt. Durch die solchermaßen vorgenommene Aufteilung der Wärmeabgabe an zwei unabhängig voneinander umgewälzte, getrennt geführte Flüssigkeitsströme wird bewirkt, daß einerseits der im oberen Teil des Verflüssigers der Wärmepumpe umgewälzte Flüssigkeitsstrom auf relativ hohe Temperatur erwärmt wird, da er die Spitzentemperaturen des in den Verflüssiger eintretenden Wärmepumpenmediums aufnimmt, während andererseits der im unteren Teil des Verflüssigers umgewälzte, verhältnismäßig kühl bleibende Flüssigkeitsstrom des Wärmeträgers die Restwärme aus dem Wärmepumpenmedium so vollständig wie möglich abführt und damit eine optimale Ausnutzung der fühlbaren Wärme bewirkt.

In bevorzugter Ausbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, daß beide Flüssigkeitsströme in einen gemeinsamen Wärmeträgerspeicher arbeiten, wobei vorzugsweise der erste Flüssigkeitsstrom an der Eintrittsseite des Wärmepumpenmediums in den Wärmeaustauscher bzw. Verflüssiger in dessen Außenseite, der zweite Flüssigkeitsstrom an der Austrittsseite des Wärmepumpenmediums aus dem Wärmeaustauscher in dessen Außenseite eintritt und beide Flüssigkeitsströme aus dem Wärmeaustauscher bzw. Verflüssiger etwa in dessen Mitte austreten. Die beiden Flüssigkeitsströme sind also im Wärmeaustauscher bzw. Verflüssiger von dessen beiden Ende eintretend einander entgegen gerichtet, so daß in dessen mittlerem Bereich

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- sofern nicht eine Scheidewand vorgesehen ist — sich eine gewisse Mischzone ausbildet. Je nach den Umständen im einzelnen kann dies erwünscht oder auch weniger erwünscht sein. Im allgemeinen wird bei streng getrennter Führung beider Flüssigkeitsströme, etwa bei Vorhandensein einer Scheidewand im Wärmeaustauscher eine etwas höhere Grenztemperatur bei gleichzeitig etwas besserer Wärmeausnutzung möglich sein, jedoch steht diesem Vorteil ein höherer apparativer Aufwand gegenüber.

Eine zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignete Wärmepumpenanlage besteht in an sich bekannter Weise im wesentlichen aus einem Kompressor, einem Wärmeaustauscher bzw. Verflüssiger, einem Drosselorgan, einem Verdampfer und einem Wärmeträgerbehälter; abweichend von der üblichen Ausbildung besitzt sie jedoch einen Wärmeaustauscher bzw. Verflüssiger, dessen von dem flüssigen Wärmeträger durchströmtes Mattelgefäß über mindestens eine annähernd mittig abgezweigte Leitung und über an beiden Endenangeschlossene Leitungen mit dem Wärmeträgerbehälter verbunden ist. Durch diese Ausbildung des Mantelgefässes des Verflüssigers wird es ermöglicht,den Wärmeträger in zwei Flüssigkeitsströmen unabhängig voneinander im Kreislauf umzuwälzen.

Falls, wie erfindungsgemäß vorgesehen, beide Flüssigkeitsströme auf einen gemeinsamen Wärmeträgerbehälter, z.B. einen Druckspeicher für Warmwasser arbeiten, ist dieser zweckmäßig analog zu dem Mantelgefäß des Verflüssigers ausgebildet, derart, daß er an seiner Eintrittsseite für das Frischwasser und der Austrittsseite für das Warmwasser über zwei endständige Leitungen und über mindestens eine annähernd in seiner Mitte angreifende Leitung mit dem Mantelgefäß des

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Wärmeaustauschers bzw. Verflüssigers verbunden ist.

Je nach dem, ob eine strenge oder weniger strenge Trennung der beiden Flüssigkeitsströme erwünscht ist, kann im Mantelgefäß des Verflüssigers eine Scheidewand vorgesehen sein; im Wärmeträgerbehälter könnte ebenfalls zur Verhinderung der Ausbildung von Wirbelzonen im Grenzbereich zwischen den beiden Flüssigkeitsströmen eine teilweise durchlässige Scheidewand angeordnet sein.

Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorzüge des Gegenstandes der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung der Zeichnungen, in denen Ausführungsformen einer erfindungsgemäßen Wärmepumpenanlage dargestellt sind. In den Zeichnungen zeigen jeweils in streng schematischem Grundriß:

Fig. 1 eine vollständige Wärmepumpenanlage gemäß Erfindung, einschließlich der für die Wärmeentnahme vorgesehenen Anlagenteile, für die Warmwasserbereitung eines Wohnhauses;

Fig. 2 eine geringfügig geänderte Ausführungsform der Wärmepumpenahlage - ohne die zur Wärmeentnahme dienenden Anlagenteile.

Die in Fig. 1 dargestellte Wärmepumpenanlage ist für die Warmwasserbereitung in einem Wohnhaus vorgesehen, wobei die Entnahme der Wärme mittels einer besonders hierfür entwickelten SpezialVorrichtung aus den Hausabwässern vor deren Ableitung in die Kanalisation erfolgt. Die gesamte Anlage besteht im wesentlichen aus dem eigentlichen Wärmepumpenteil 1, dem Wärmespeichersystem 2 und dem Wärmeentnahmeteil 3.

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Im einzelnen besteht der Wärmepumpenteil 1 aus einem Kompressor 10, einem Drosselorgan 11, die zweckmäßig als Einbaueinheit ausgebildet auf eine gemeinsame Grundplatte montiert und mit den erforderlichen vier Anschlüssen versehen •sind, einem Verdampfer 12 und einem Wärmeaustauscher bzw. Verflüssiger 13. Dieser (13) besteht seinerseits aus einem lotrecht stehenden langen Mantelgefäß 14, das etwa in seiner Mitte von einer Scheidewand 14a durchsetzt ist,und einem in dieses eingebauten Austauschregister 15, das über Leitung mit dem Kompressor 10 und über Leitung 17 mit dem Drosselorgan 11 verbunden ist. Das Drosselorgan kann eine einstellbare Drossel, z.B. ein Nadelventil, oder eine fest eingestellte nicht regelbare Drossel, z.B. ein= Kapillarrohrstrecke sein.

Der Verdampfer 12 ist im vorliegenden Fall ein selbständiges Wärmeaustauschregister, z.B. eine Kupferrohrschlange, die über Leitungen 18 und deinerseits mit dem Kompressor 10, andererseits mit dem Drosselorgan 11 verbunden ist.

Das Wärmespeichersystem 2 besteht aus dem Warmwasserspeicher 20, der über das Ventil 21 mit der Frischwasserleitung (Kaltwasserleitung) des Hauses, über Ventil 22 mit der Warmwasserleitung des Hauses und über die vor den Ventilen 21 und 22 angreifenden Leitungen 23 und 24 mit den beiden Enden des Mantelgefässes 14 verbunden ist. Ferner ist er in seinem Mittelberach über Leitungen 25, 26, die je mit einer Flüssigkeitsumwälzpumpe 27 und 28 bestückt sind, mit dem mittleren Bereich des Mantelgefässes 14 des Verflüssigers, beiderseits der mittleren Scheidewand 14a verbunden.

Der Wärmeentnahmeteil 3, aus dem der Verdampfer die zu nutzende

Wärme entnimmt, ist der wirtschaftlichen Zielsetzung der Erfindung entsprechend in besonderer Weise ausgebildet. Er

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besteht im wesentlichen aus einem großen allseits geschlossenen Abwasserbehälter 30, der durch eine senkrechte Überfallwand 31 in eine Vorkammer 32 und eine Hauptkammer unterteilt ist. In letztere ist außer der Kupferrohrschlange des Verdampfers 12 eine innenseitig von kaltem Frischwasser aus der Kaltwasserleitung des Wohnhauses durchströmte Rohrschlange 34 eingebaut, die über eine Leitung 35 und Ventil an die in den Warmwasserspeicher 20 mündende Frischwasserleitung hinter deren Absperrventil 21 angeschlossen ist. An die Vorkammer 32 ist die Abwassersammelleitung 37 des Hauses, an die Hauptkammer 33 die zur Kanalisation führende Abflußleitung 38 angeschlossen.

Die gesamte Anlage arbeitet wie folgt:

Der Kompressor 10 des Wärmepumpenteils 1 saugt aus dem in den Behälter 30 eingebauten Verdampfer 12 über Leitung 18 das dort verdampfte gasförmige Wärmepumpenmedium an, bringt es auf hohen Druck unter gleichzeitiger Temperaturerhöhung und stößt es über Leitung 16 in das Austauschregister 15 des Wärmeaustauschers 14 ein, in welchem es seine fühlbare Wärme an das^Mantelgefäß 14 durchströmende kühle Wasser abgibt, wobei es selbst auf annähernd dessen Temperatur abgekühlt und unter dem herrschenden Druck verflüssigt wird. Das verflüssigte Wärmepumpenmedium tritt unten aus dem Verflüssiger 14 aus, über die Leitung 17 in das Drosselorgan 11 ein, in welchem eine Druckentlastung stattfindet und anschließend über die Leitung 19 in den Verdampfer 12 ein. Infolge der Druckentlastung und der Erwärmung in dem von warmen Wasser umspülten Verdampfer verdampft das Medium, wobei es aus der Umgebung die zur Verdampfung und Aufheizung erforderliche Wärme aufnimmt, die es dann nach erfolgter Kompression im Wärmeaustauscher 14 wieder abgibt.

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Das Mantelgefäß 14 ist durch eine Scheidewand 14a in zwei voneinander getrennte Flüssigkeitsräume unterteilt, deren oberer über Leitungen 23, 25 und Pumpe 27 mit dem oberen Teil des Warmwasserspeichers 20, deren unterer Raum über Leitungen 24, 26 und Pumpe 28 mit dem unteren Teil des Warmwasserspeichers 20 in Flüssigkeitsverbindung steht. Durch die Pumpen 27, 28 werden zwei Flüssigkeitsströme unabhängig voneinander im Kreislauf umgepumpt, die im Mantelgefäß des Verflüssigers durch die Scheidewand 14a voneinander getrennt sind, während im Warmwasserspeicher 20 sich eine Mischzone ausbilden kann. Durch die Aufteilung der Wärmeabgabe an zwei unabhängig voneinander umgewälzte, getrennt geführte Flüssigkeitsströme wird bewirkt, daß einerseits der im oberen Teil des Warmwasserspeichers 20 umgewälzte Flüssigkeitsstrom auf relativ hohe Temperatur erwärmt wird, da er die Spitzentemperaturen des in den Verflüssiger 13 eintretenden Wärmepumpenmediums aufnimmt, das andererseits der im unteren Teil umgewälzte relativ kühle Flüssigkeitsstrom die fühlbare Rest-

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wärme aus dem Verflüssiger austretenden Wärmemediums vollständig aufnimmt. Es tritt dadurch also eine sehr gute Wärmeausnutzung unter Erreichung relativ hoher Endtemperaturen des warmen Wassers ein·

Bei der beschriebenen in Fig. 1 dargestellten Anlage wird die Wärme den gesammelten Abwässern des Wohngebäudes entnommen, die über die Abwasser-Sammelleitung 37 in die Vorkammer 32 des Abwasserbehälters 30 eintreten und über die Überfallwand 31 in die Hauptkammer 33 einfallen, wo sie ihre fühlbare Wärme zusätzlich über die Rohrschlange 34 an Frischwasser und ihre Restwärme an den eingebauten Verdampfer des Wärmepumpensystems abgeben.

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Die in Fig. 2 dargestellte etwas einfachere Ausführungsform unterscheidet sich von der vorbeschriebenen lediglich dadurch, daß das Mantelgefäß 14 des Verflüssigers ohne Scheidewand ausgebildet ist und nur eine gemeinsame mittlere Rücklaufleitung 25 und eine Umwälzpumpe 27 für beide Flüssigkeitssröme vom Mantelgefäß 14 des Verflüssigers zum Warmwasserspeicher vorgesehen ist. Infolge dessen sind die beiden Flüssigkeitsströme nicht streng voneinander getrennt und es kann nicht nur im Warmwasserspeicher 20, sondern auch im Mantelgefäß des Verflüssigers sich eine Mischzone ausbilden bzw. allgemein Vermischung eintreten. Die dadurch zu erwartende Minderung der erreichbaren Spitzentemperaturen und der Wärmeausnutzung dürfte jedoch gering sein.

Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 2 sind noch Einrichtungen zur selbsttätigen Steuerung bzw. Regelung der Anlage vorgesehen, nämlich ein in die vom Austauschregister 15 zum Drosselorgan 11 führende Leitung 17 eingebauter Temperaturfühler 40, der ein Thermoventil 41 in der Leitung 24 zwischen unterem Austritt des Martelgefässes 14 und unterem Eintritt in den Warmwasserspeicher 20 in Abhängigkeit von der Austrittstemperatur des Wärmepumpenmediums steuert, sowie ein Temperaturfühler 42 am unteren Wassereintritt in den Warmwasserspeicher 20, der bei Überschreiten einer vorgewählten Grenztemperatur, z.B. infolge mangelnder Warmwasser-Entnahme die Wärmepumpe stillsetzt.

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(JLy Verfahren zum Betrieb einer Wärmepumpen anlage für die Erhitzung eines flüssigen Wärmeträgers, insbesondere von Warmwasser in Wohn- und Geschaftεgebäuden, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmeaustauscher bzw. Verflüssiger der Wärmepumpenanlage auf der Außenseite mit einem einheitlichen flüssigen Austauschermedium, vorzugsweise unmittelbar dem zu erhitzenden Wärmeträger, in zwei unabhängig voneinander im Kreislauf umgewälzten Flüssigkeiten strömen derart bespült wird, daß der erste Flüssigkeitsstrom die Wärme der Spitzentemperaturen an der Eintrittsseite des gasförmigen, zu verflüssigenden Wärmepumpenmediums, der zweite Flüssigkeitsstrom die Restwärme an der Austrittsseite des verflüssigten Mediums aufnimmt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,daß beide Flüssigkeitsäröme in einen gemeinsamen Wärmeträgerspeicher arbeiten, wobei vorzugsweise der erste Flüssigkeitsstrom an der Eintrittseite des Wärmepumpenmediums in den Wärmeaustauscher bzw. Verflüssiger in dessen Außenseite, der zweite Flüssigkeitsstrom an der Ausbrittsseite des Wärmepumpenmediums aus dem Wärmeaustauscher in dessen Außenseite eintritt und beide Flüssigkeitsströme aus dem Wärmeaustauscher bzw. Verflüssiger etwa in dessen Mitte austreten.
3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß beide Flüssigkeitsströme im Wärmeaustauscher ohne Scheidewand geführt sind, so daß sich zwischen ihnen eine Mischzone ausbildet.

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4. Wärmepumpenanlage, bestehend im wesentlichen aus einem Kompressor, einem Wärmeaustauscher bzw· Verflüssiger, einem Drosselorgan, einem Verdampfer und

behälter
einem Wärmeträger/zur Durchführung des Verfahrens gemäß Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen Wärmeaustauscher bzw. Verflüssiger (13), dessen von dem flüssigen Wärmeträger durchströmtes Mantelgefäß (14) über mindestens eine annähernd mittig abgezweigte Leitung (25) und über an beiden Enden angeschlossene Leitungen (23, 24) mit dem Wärmeträgerbehälter (20) verbunden ist.
5. Anlage nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der als Druckspeicher für Warmwasser ausgebildete Wärmeträgerbehälter (20) am einen Ende mit der Kaltwasserleitung, am anderen Ende mit der Warmwasserleitung des Gebäudes in ständig offener Verbindung steht und in analoger Ausbildung zum Wärmeaustauscher (14) mit diesem über zwei endständige Leitungen (23, 24) und mindestens eine annähernd in seiner Mitte angreifende Leitung (25) verbunden ist.

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