DE2946466C2

DE2946466C2 - Heizeinrichtung mit einem Kältemittelkreislauf

Info

Publication number: DE2946466C2
Application number: DE19792946466
Authority: DE
Inventors: Arnold 7312 Kirchheim Müller
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1979-11-17
Filing date: 1979-11-17
Publication date: 1985-02-21
Also published as: FR2469679A1; CH649371A5; FR2469679B3; BE886168A; DE2946466A1

Description

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Die Erfindung betrifft eine Heizeinrichtung mit einem Kältemittelkreislauf, in welchem ein Verdichter, ein von einem zu erwärmenden Heizmedium umspülter Kondensator, ein Expansionsventil und ein Verdampfer angeordnet sind, und mit einem Wärmetauscher zur Unterkühlung des am Kondensator austretenden Kältemittels, wobei der Wärmetauscher in dem Kältemittelkreislauf zwischen Kondensator und Expansionsventil eingeschaltet ist der Verdampfer luftdurchströmt ist und der Wärmetauscher dem den Verdampfer beaufschlagenden Luftstrom ausgesetzt ist.

Eine bekannte Heizeinrichtung dieser Art (US-PS 37 98 920) ist so ausgebildet daß sie zwei Betriebsarten zuläßt nämlich die Betriebsart Kühlen eines Raumes und ferner die Betriebsart Entfeuchtung mit geringerer Kühlwirkung. In der Betriebsart Kühlen ist der Wärmetauscher durch gesteuerte Ventile im Kältemittelkreislauf überbrückt und funktionslos. Soll statt dessen die Raumluft entfeuchtet werden, wobei eine reduzierte Kühlwirkung hingenommen werden muß, so wird der Wärmetauscher über die gesteuerten Ventile im Kältemittelkreislauf in Reihe zum Verdampfer zugeschaltet. Dann wird das im Verdichter verdichtete und hiernach im Kondensator unter Wärmeabgabe verflüssigte Kältemittel nicht direkt dem Verdampfer zugeführt, sondem zunächst als Gemisch aus flüssigem und gasförmigem Kältemittel dem Wärmetauscher zugeführt und hiernach über das Expansionsventil dem Verdampfer. Der Wärmetauscher ist in Luftströmungsrichtung hinter dem Verdampfer angeordnet, so daß die Frischluft zuerst den Verdampfer durchströmt, dort abgekühlt wird und dadurch Feuchtigkeit ausscheidet und erst anschließend über den Wärmetauscher streicht. Dabei nimmt die durch den Verdampfer gekühlte und durch die Kühlung mithin entfeuchtete Luft Wärme aus dem gasförmi- bo gen und flüssigen Kältemittel auf und erwärmt sich wieder, wonach diese entfeuchtete, aber wieder erwärmte, mithin wenig gekühlte Luft .sodann in den zu klimatisierenden Raum eingeleitet wird. Die im Kondensat, das den Wärmetauscher passiert, enthaltene Restwärme b5 wird nicht ausgenutzt. Sie kommt dem Kältemittelkreislauf nicht zugute, sondern geht verloren. Eine Anordnung ties Wärmetauschers in Lufisirömungsrichtung vor dem Verdampfer verbietet sich, weil dies der Zielsetzung der Wiederaufwärmung der entfeuchteten Luft zuwiderläuft denn dann würde die Luft vor dem Eintritt in den Verdampfer zusätzlich erwärmt wobei ihre Fähigkeit, Feuchtigkeit aufzunehmen, vergrößert wird, und anschließend wieder gekühlt Dann könnte eine Entfeuchtung nur so weit erfolgen, wie die Luft abgekühlt wird. Eine solche Maßnahme wäre daher sinnlos.

Bei einem anderen Klimagerät (US-PS 30 24 619), das zur Kühlung oder Heizung verwendbar ist, ist ein zusätzlicher Wärmetauscher vorgesehen, der in der Betriebsart Kühlung im Kältemittelkreislauf dem Kondensator in Reihe nachgeschaltet ist und dabei dem luftdurchströmten Kondensator, in Strömungsrichtung der Luft gesehen, vorangestellt ist. Dadurch wird das den Kondensator verlassende Kondensat im Wärmetauscher heruntergekühlt und die Kühlkapazität gesteigert Die zu kühlende Raumluft wird über einen in der Betriebsart Kühlung als Verdampfer arbeitenden Wärmetauscher in den Raum geleitet In der anderen Betriebsart Heizung dagegen arbeitet dieser Wärmetauscher als Kondensator und der andere, zwischen dem Expansionsventil und dem Verdichter im Kältemittelkreislauf angeordnete Wärmetauscher statt dessen als Verdampfer. Durch steuerbare Ventile ist hier der Kältemittelkreislauf und der Anschluß des zusätzlichen Wärmetauschers so gesteuert, daß in der Betriebsart Heizung der zusätzliche Wärmetauscher parallel zum Verdampfer im Kältemittelkreislauf und dabei zwischen dem Expansionsventil und dem Verdichter angeordnet ist. In dieser Betriebsart ist der zusätzliche Wärmetauscher mithin Teil des Verdampfers. Die am Wärmeaustausch teilnehmenden Flächen werden dadurch vergrößert, wodurch eine größere Wärmemenge aus der Abluft aufgenommen wird. Für diesen Fall ist es gleichgültig, ob der zusätzliche Wärmetauscher in Luftströmungsrichtung vor oder hinter dem Verdampfer angeordnet ist. Aus diesem Grunde und auch wegen Hinweisen darauf, daß der zusätzliche Wärmetauscher in der Betriebsart Heizung als Teil des Verdampfers und in der Betriebsart Kühlung dagegen als Rückkühler für das Kondensat arbeiten soll, verbietet sich in der Betriebsart Heizung für den zusätzlichen Wärmetauscher eine Anordnung in Reihe zwischen dem Kondensator und dem Expansionsventil.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die eingangs beschriebene Heizeinrichtung so auszubilden, daß diese auch bei niedrigen Umgebungstemperaturen der Außenluft noch wirtschaftlich betrieben werden kann.

Die Aufgabe ist bei einer Heizeinrichtung der eingangs genannten Art gemäß der Erfindung dadurch gelöst daß der Wärmetauscher in Luftströmungsrichtung vor dem Verdampfer angeordnet ist.

Dabei wird die im kondensierten Kältemittel enthaltene, nicht unbeträchtliche Restwärme an die Luft vor dem Passieren des Verdampfers abgegeben und die Kondensattemperatur weiter abgesenkt. Dadurch ergeben sich zwei überraschende Effekte. Zum einen entsteht beim Entspannen im Expansionsventil ein geringerer Gasanteil im Kältemittel, wodurch beim nachfolgenden Verdampfen im Verdampfer wesentlich niedrigere Druckverluste entstehen als bei herkömmlichen Wärmepumpen. Zum anderen geht die im Wärmetauscher an die Luft abgegebene Restwärme nicht ungenutzt verloren, sondern wird nachfolgend im Verdampfer an das Kältemittel zurückgegeben, so daß bei einer vorgegebenen Umgebungstemperatur die Temperatur im

Verdampfer höher liegt als bei einer herkömmlichen Wärmepumpe. Dadurch wird einerseits ermöglicht, daß die Heizeinrichtung mit Außenluft als Medium selbst noch bei tiefen Minustemperaturen als Wärmepumpe betrieben werden und der kalten Außeniuft Wärme entziehen kann, und daß andererseits eine beträchtliche Verbesserung des Wirkungsgrades der Wärmepumpe erzielt ist Die Heizeinrichtung kann daher selbst bei kalten Wintertagen noch wirtschaftlich betrieben werden. Dies läßt sich hier an einem Beispiel verdeutlichen. Bei einer Kondensationstemperctur des komprimierten Kältemittels im Kondensator von ca. 55°C hat das dem Wärmetauscher zugeführte Kältemittel eine Resttemperatur von ca. 40° C Bei entsprechender Zufuhr von kalten Außenluftmengen, deren Temperatur beispielsweise unter O⁰C Hegen kann, kann die Temperatur des Kältemittels im Wärmetauscher praktisch bis auf die Temperatur der den Wärmetauscher durchströmenden Außenluft heruntergekühlt werden, so daß d'.i anschließende Ausgangstemperatur des Kältemittels beim Verdampfen in dem Verdampfer (Verdampfungstemperatur) etwa gleich der Temperatur der Außenluft ist Der Vorteil bei dieser Heizeinrichtung ist somit gegenüber herkömmlichen Wärmepumpen beträchtlich. Die Heizeinrichtung arbeitet selbst bei Außentemperaturen von — 10°C noch mit Energiegewinn aus der Umgebungsluft.

Bei einer vorteilhaften Ausführungsform ist der Wärmetauscher wärmeleitend an dem Verdampfer angeordnet. Diese Anordnung ist raum- und energiesparend.

Die Erfindung ist nachfolgend anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles näher erläutert Die Zeichnung zeigt eine schematische Darstellung eines Klimagerätes als Heizeinrichtung in Gestalt einer Wärmepumpe, mit der der Umgebungsluft Wärme entzogen werden kann.

Das Klimagerät weist einen Kältemittelkreislauf 32 mit Verdichter 10, Kondensator 11, Expansionsventil 12 und Verdampfer 13 auf. Der Verdampfer 13 ist in einzelne Verdampferflächen 131, 132, 133 aufgeteilt, die im Kältemittelkreislauf 32 einander parallel geschaltet sind. Das im Expansionsventil 12 sich entspannende Kältemittel wird über einen Verteiler 33 auf die einzelnen Verdampferflächen 131 — 133 aufgeteilt und im Sammler 14 wieder zusammengeführt. Der Verdichter 10 wird von einem Elektromotor 15 angetrieben.

Im Kältemittelkreislauf ist zwischen dem Kondensator 11 und dem Expansionsventil 12 ein dem Verdampfer 13 zugeordneter, vorzugsweise in diesen integrierter Wärmetauscher 18 angeordnet, der von dem Kältemittel durchströmt ist. Die den Verdampfer 13 durchströmende Luft, in der Zeichnung durch Pfeile symbolisiert, durchströmt auch den Wärmetauscher 18. Der Wärmetauscher 18 ist hierbei in Strömungsrichtung der Luft räumlich vor dem Verdampfer 13 mit seinen Verdampferflächen 131 — 133 und vorzugsweise parallel zu den letzteren angeordnet, so daß die zu dem Verdampfer 13 gelangende Luft zunächst den Wärmetauscher 18 durchstreicht und hier von dem Kältemittel im Wärmetauscher 18 abgegebene Wärme aufnimmt.

Zwischen dem Verdichter 10 und dem Kondensator 11 ist noch ein von dem Kältemittel durchströmter Heiz-Wärmetauscher 19 angeordnet, der in einem Heizmittelreservoir 20 angeordnet und vom Heizmittel, das ein Wärmeöl, z. B. Glykol, sein kann, unmittelbar umspült ist. Das Heizmittelreservoir 20 ist Teil eines geschlossenen Heizinittelkreislaufs 22, der zum Abtauen des Verdampfers vorgesehen ist.

Dem Verdampfer 13 ist noch ein Zusatz-Wärmetauscher 27 zugeordnet, der, in Strömungsrichtung der Luft gesehen, ebenso wie der erste Wärmetauscher 18 vor dem Verdampfer 13 angeordnet ist und von einer Kühlflüssigkeit für den Elektromotor 15 durchströmt wird. Dabei sind der erste Wärmetauscher 18 und der Zusatz-Wärmetauscher 27 räumlich übereinanderliegend angeordnet und überdecken, in Strömungsrich?ung der Luft gesehen, die Vorderfläche des Verdampfers 13, liegen

ίο also unmittelbar vor der Verdampferfläche 131 und sind etwa mit dieser kongruent

Der Kondensator 11 ist in einem Flüssigkeitsreservoir, das hier als Wasserbehälter 30 ausgebildet ist angeordnet und wird unmittelbar von der Flüssigkeit, hier Wasser, umspült Der Flüssigkeitsbehälter ist an einen Wasserkreislauf 31 angeschlossen. Kaltes Wasser wird dem Wasserbehälter 30 zugeführt von dem Kondensator 11 aufgewärmt und dem Wasserbehälter 30 wieder entnommen. Das aufgewärmte Wasser kann zum Betrieb von Fußbodenheizungen oder aJs Brauchwasser verwendet werden.

Die Wirkungsweise des vorstehend beschriebenen Klimagerätes als Wärmepumpe ist wie folgt:
Das im Verdichter 10 komprimierte warme Kältemittel gelangt zunächst in den Heiz-Wärmetauscher 19. Das im Heizmittelreservoir 20 befindliche Heizmittel oder Wärmeöl ist nach kurzer Zeit auf die Temperatur des den Verdichter 10 verlassenden Kältemittels aufgeheizt, so daß letzteres an das Heizmittel keine weitere Wärme abgibt. Nach Verlassen des Heiz-Wärmetauschers 19 durchströmt das Kältemittel den Kondensator 11 und gibt einen Großteil seiner Wärmeenergie an das in den Wasserbehälter 30 einströmende Kaltwasser ab. Dadurch wird das Kältemittel beträchtlich abgekühlt und kondensiert. Die Temperatur des aus dem Kondensator U austretenden flüssigen Kältemittels beträgt aber immer noch je nach Kondensationstemperatur im Kondensator 11 ca. 35-4O⁰C. Das flüssige Kältemittel durchströmt nunmehr den Wärmetauscher 18 und gibt einen wesentlichen Teil seiner Wärme an die den Wärmetauscher 18 durchströmende Luft ab. Die Luft, die mittels Ventilatoren unmittelbar aus der freien Umgebung angesaugt wird und eine der Außentemperatur entsprechende Temperatur aufweist, erwärmt sich.

Die beim Betrieb des Verdichters 10 anfallende Überhitzungswärme und die Verlustleistung des Induktionsmotors 15 werden von der Kühlflüssigkeit oder dem Kühlöl im Elektromotor 15 und im Zylinderkopf des Verdichters 10 aufgenommen und in einem geschlossenen Kühlkreislauf dem Zusatz-Wärmetauscher 27 zugeführt.

Die durch den Wärmetauscher 18 und durch den Zusatz-Wärmetauscher 27 zusätzlich erwärmte Außenluft durchströmt den Verdampfer 13.

Das im Wärmetauscher 18 weiter abgekühlte Kältemittel wird nunmehr dem Expansionsventil 12 zugeführt. Hier wird das Kältemittel entspannt und strömt über den Verteiler 33 in die Verdampferflächen 131 — 133 des Verdampfers 13 ein. Durch die Expansion wird die Temperatur des bereits durch den Wärmetauscher 18 auf eine sehr niedrige Verdampfungstemperatur abgekühlten Kältemittels weiter abgesenkt. Das Kältemittel ist damit imstande, der den Verdampfer 13 durchströmenden Luft einen beträchtlichen Teil ihrer Wärmeenergie zu entziehen. Das Kältemittel erwärmt sich dabei und strömt als Gas in den Sammler 14. Von hier aus wird es dem Verdichter 10 zugeführt, der das gasförmige Kältemittel wieder unter beträchtlicher

Temperatursteigerung komprimiert. Der Kreislauf beginnt von neuem.

Bei diesem Klimagerät wird die Restwärme, die das den Kondensator 11 mit einer Temperatur von 35—40^cC verlassende Kältemittel aufweist, über den Wärmetauscher IS und den Verdampfer 13 dem Kältemittel wieder zugeführt. Wesentlich ist dabei, daß durch den Wärmetauscher 18 die Temperatur der zugeführten Luft und somit auch die Verdampfungstemperatur des Kältemittels angehoben wird, so daß selbst bei niedri- ι ο gen Außentemperaturen der Kältekreislauf noch einen guten Wirkungsgrad besitzt. Das als Wärmepumpe arbeitende Klimagerät kann selbst bei Minustemperaturen der Außenluft noch wirtschaftlich betrieben werden.

Das vorstehend beschriebene Klimagerät zeichnet sich durch einen hohen wirkungsgrad und große Wirtschaftlichkeit aus. Es kann selbst in unseren geographischen Breiten in Wintertagen als Wärmepumpe mit guter Effizienz betrieben werden. Dabei ist es möglich, sogar der Außenluft, deren Temperatur unter dem Gefrierpunkt liegt, noch Wärme zu entziehen und diese für Heizzwecke nutzbar zu machen. Das Klimagerät läuft vollautomatisch und bedarf keiner Überwachung und Wartung.

25 Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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Claims

Patentansprüche:

1. Heizeinrichtung mit einem Kältemitielkreislauf (32), in welchem ein Verdichter (10), ein von einem zu erwärmenden Heizmedium umspülter Kondensator (11), ein Expansionsventil (12) und ein Verdampfer (13) angeordnet sind, und mit einem Wärmetauscher (18) zur Unterkühlung des am Kondensator (Ii) austretenden Kältemittels, wobei der Wärmetauscher (18) in dem Kältemittelkreisiauf (32) zwischen Kondensator (11) und Expansionsventil (12) eingeschaltet ist der Verdampfer (13) luftdurchströmt <st und der Wärmetauscher (18) dem den Verdampfer (13) beaufschlagenden Luftstrom ausgesetzt ist dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmetauscher (18) in Luftströmungsrichtung vor dem Verdampfer (13) angeordi.et ist

2. Heizeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet daß der Wärmetauscher (18) wärmeleitend an dem Verdampfer (13) angeordnet ist.

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