DE3508624A1

DE3508624A1 - Waermepumpe

Info

Publication number: DE3508624A1
Application number: DE19853508624
Authority: DE
Inventors: Heinrich Dr.rer.nat. 8551 Röttenbach Gutbier
Original assignee: Siemens AG; Siemens Corp
Current assignee: Siemens AG; Siemens Corp
Priority date: 1985-03-11
Filing date: 1985-03-11
Publication date: 1986-09-11
Also published as: DE3508624C2

Description

Wärmepumpe
Die Erfindung bezieht sich auf eine Wärmepumpe, deren Kältemittelkreislauf ein binäres nichtazeotropes Kältemittelgemisch enthält, mit einem Rekuperator, in dem das Kondensat durch Verdampfung von Kältemittel unterkühlt wird.
Bei der Optimierung von Wärmepumpenanlagen spielt die Erhöhung der Leistungszahl der Wärmepumpe, d.h. des Verhältnisses aus Nutzenergie in Form von Wärme und aufgewendeter Energie in Form von geleisteter Arbeit, eine wesentliche Rolle. Der Einsatz von nichtazeotropen Kältemittelgemischen in einer konventionellen Wärmepumpe, deren Kältemittelkreislauf im wesentlichen einen Verdichter, einen Verdampfer, ein Expansionsventil und einen Kondensator enthält, führt zu einem Anstieg der Leistungszahl, wenn man beispielsweise das Temperaturprofil des Kältemittelgemisches zwischen Eingang und Ausgang des Verdampfers durch geeignete Wahl der Gemischzusammensetzung und der Gemischkomponenten dem Temperaturprofil des Wärmequellenstromes weitgehend anpaßt. Der damit verbundene Anstieg der Leistungszahl ist jedoch verhältnismäßig gering.
Es ist eine Wärmepumpenanlage bekannt (ORC.-HP-Technology, Tagung Zürich 10. - 12.9.1984, VDI-Berichte 539, VDI-Verlag Düsseldorf 1984, Seiten 791 bis 805), bei der in Verbindung mit einem nichtazeotropen Kältemittelgemisch, das aus den Kältemitteln R 22 und R 114 besteht, eine Erhöhung der Leistungszahl gegenüber einem Betrieb der Anlage mit dem reinen Kältemittel R22 um bis zu 18 % ermöglicht wird. Der Quotient aus dem jeweils bei 273 K herrschenden Dampfdruck des Kältemittels R22 und dem Dampfdruck des Kältemittels R114 beträgt 5,7. Die hohe Steigerung der Leistungszahl kann dadurch erreicht werden, daß mit Hilfe eines Rekuperators das Kondensat im Kältemittelkreislauf zwischen Expansionsventil und Kondensator durch Verdampfung von Kältemittel, das dem Rekuperator als Flüssigkeits-Dampf-Gemisch zugeführt wird, unterkühlt wird. Der optimale molare Anteil x der leichter siedenden Komponente R22 im Gemisch liegt dabei in Abhängigkeit von der Temperatur des Herzwassers etwa in den Grenzen 0,7 c x t 0,8. Es ist jedoch nicht bekannt, welche Kriterien bei der Auswahl anderer binärer nichtazeotroper Kältemittelgemische anzuwenden sind und unter welchen Bedingungen man eine Steigerung der Leistungszahl um mehr als 18 % erhalten kann.
Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, Auswahlkriterien für die Zusammensetzung von binären nichtazeotropen Kältemittelgemischen anzugeben, mit denen man eine Verbesserung der Leistungszahl erreichen kann.
Der Erfindung liegt nun die Erkenntnis zugrunde, daß sich der Quotient aus der Leistungszahl einer Wärmepumpe, deren Kältemittel aus einem binären nichtazeotropen Kältemittelgemisch besteht, und der Leistungszahl einer Wärmepumpe, die als Kältemittel nur die leichter siedende Komponente dieses Kältemittelgemisches enthält, durch den molaren Anteil x der leichter siedenden Komponente im Gemisch und dem Quotienten i aus dem Dampfdruck der leichter siedenden Komponente und dem Dampfdruck der schwerer siedenden Komponente bei einer festen Temperatur beschreiben läßt.
Die genannte Aufgabe wird nun erfindungsgemäß gelöst mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1. Ein für den Betrieb in einer Wärmepumpenanlage, die im Kältemittelkreislauf zwischen Kondensator und Expansionsventil einen Rekuperator zur Unterkühlung des Kondensators enthält, vorteilhaft geeignetes binäres nichtazeotropes Kältemittelgemisch kann damit einfach gefunden werden. Aus der Vielzahl von Kältemitteln, die miteinander eine nichtazeotrope Mischung ergeben, sind besonders diejenigen Kombinationen vorteilhaft, bei denen der aus dem jeweiligen Dampfdruck bei 273 K gebildete Quotient 2 die Bedingung 6 Z oL ~ 100 erfüllt. Für ein auf diese Weise ausgewähltes Gemisch kann dann aufgrund der Erfindung der molare Anteil x der leichter siedenden Komponente, bei dem die Steigerung der Leistungszahl maximal ist, einfach ermittelt werden.
Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Zeichnung Bezug genommen, in deren Figur 1 die Schaltung einer Wärmepumpe, bei der binäre nichtazeotrope Kältemittelgemische eingesetzt werden können, schematisch dargestellt ist. In Figur 2 ist die Abhängigkeit des Maximums ( ex/ g1)M der relativen Leistungszahl vom Logarithmus des Quotienten o( aus dem jeweiligen Dampfdruck der Gemischkomponenten bei 273 K in einem Diagramm dargestellt.
Figur 3 zeigt die Abhängigkeit des molaren Anteiles xM der leichter siedenden Komponente, bei dem die relative Leistungszahl Ex/ &1 ein Maximum aufweist, vom Logarithmus des Dampfdruckquotienten j, ebenfalls in einem Diagramm.
In der Ausführungsform einer Wärmepumpe nach Figur 1 gemäß dem Stand der Technik, die für den Betrieb mit binären nichtazeotropen Kältemittelgemischen vorgesehen ist, wird in einem Verdichter 2 das Kältemittelgemisch komprimiert und einem Kondensator 4, der sich im thermischen Kontakt mit einer Wärmesenke befindet, zugeführt. Von dort aus gelangt es zu einem Rekuperator 6 und über ein Expansionsventil 8 in den Verdampfer 10.
Vom Verdampfer 10, der in thermischem Kontakt mit einer Wärmequelle steht, wird das als Flüssigkeits-Dampf-Gemisch vorliegende Kältemittel zum Rekuperator 6 geführt, wo es vollständig verdampft und das zwischen Kondensator 4 und Expansionsventil 8 strömende Kondensat unterkühlt.
In Figur 2 ist die Abhängigkeit der Höhe des Maximums ( x 61) 1 des Quotienten aus der Leistungszahl des Gemisches und der Leistungszahl der reinen, leichter siedenden Komponente vom Logarithmus des Quotienten aus dem Dampfdruck der leichter siedenden Komponente und dem Dampfdruck der schwerer siedenden Komponente jeweils bei 273 K, wie sie sich mit einer Wärmepumpenanlage gemäß Figur 1 ergibt, in einem Diagramm dargestellt. Die Wärmequelleneingangstemperaur beträgt 273 K und die Wärmesenkeneingangstemperatur 308 K. Die Temperaturdifferenz zwischen Wärmequelleneingang und Wärmequellenausgang am Verdampfer 10 und die Temperaturdifferenz zwischen Wärmesenkenausgang und Wärmesenkeneingang am Kondensator 4 ist gleich und beträgt 5 K. Der graphischen Darstellung ist zu entnehmen, daß die Höhe des Maximums ( ( Ex/ g1)M mit wachsendem < zunimmt. Bei ln o( ss 4,6, d.h. bei < sa 100 beträgt der Anstieg der Leistungszahl gegenüber der reinen Komponente bereits etwa 30 %.
In Figur 3 ist der molare Anteil XM, bei dem das Maximum der relativen Leistungszahl ( £ &1)M liegt, in Abhängigkeit vom natürlichen Logarithmus des Dampfdruckquotienten i aufgetragen. Diese Schwerpunktkurve ist für die gleichen Wärmequellen- und Wärmesenken-Temperaturverhältnisse ermittelt, wie sie auch für die in Figur 2 dargestellte Kurve zugrundegelegt sind. Der Kurve ist zu entnehmen, daß sich mit zunehmenden Werten für den Dampfdruckquotienten < der Wert für den optimalen molaren Anteil xM der leichter siedenden Komponente immer mehr dem Wert 1 annähert, daß also der Anteil der schwerer siedenden Komponente bei optimaler Gemischzusammensetzung immer geringer wird. Die Schwerpunktkurve ist von einem schraffierten Gebiet A umgeben, das den Bereich darstellt, in dem bei Veränderung des molaren Anteils der leichter siedenden Komponente der relative Leistungszuwachs um nicht mehr als 10 %, bezogen auf den maximalen relativen Leistungszuwachs, abnimmt. Es ist zu erkennen, daß mit wachsendem Dampfdruckquotienten d die Höhe des Gebietes A, d.h. seine Breite in senkrechter Richtung und parallel zur Ordinate, und somit der zur Steigerung der Leistungszahl ausnutzbare Variationsbereich für den molaren Anteil der leichter siedenden Komponente stetig abnimmt.
Sie beträgt beispielsweise bei ln 4 = 4 noch etwa 1/6 des Betrages von ln i = 2, wie es im Diagramm gestrichelt angedeutet ist.
Auf diesen Sachverhalt ist zurückzuführen, daß der Einsatz eines Gemisches, dessen Dampfdruckquotient größer als 100 ist, in der Praxis nicht mehr vorteilhaft ist. Bei sehr hohen Werten des Dampfdruckquotienten X ist zwar ein hoher Zuwachs der Leistungszahl möglich, jedoch erfordert der Einsatz eines solchen Gemisches eine in der Praxis nur schwer einzuhaltende Genauigkeit und Konstanz der Zusammensetzung, da geringfügige Abweichungen in der Gemischzusammensetzung vom optimalen Wert xM bereits den Zuwachs der Leistungszahl weitgehend rückgängig machen.
Den Figuren 2 und 3 ist somit zu entnehmen, nach welchen Gesichtspnkten die Auswahl der Kältemittel für ein binäres nichtazeotropes Gemisch und die Auswahl ihrer molaren Zusammensetzung zu erfolgen hat. Ein besonders vorteilhaftes Gemisch liegt dann vor, wenn der Dampfdruckquotient < größer als 6 und kleiner als 100 ist. Nach Auswahl einer entsprechenden Kältemittelkombination und Ermittlung des zugehörigen Dampfdruckquotienten ot kann die optimale molare Zusammenstzung aus Figur 3 entnommen werden.
In der nachfolgenden Tabelle sind die Bereiche für den molaren Anteil der leichter siedenden Komponente, innerhalb derer sich der relative Leistungszuwachs um weniger als 10 % gegenüber dem maximalen relativen Leistungszuwachs ändert, für einige Gemischbeispiele aufgeführt: Gemisch zu ( K) x/El)M molarer Anteil der leichter siedenden Komponente R22/Rll 12,4 1,15 0,945 t x ~ 0,975 R12/R113 21 1,19 0,97 t x r 0,985 R13/Rll 49 1,25 0,985 = x = 0,992 Die Bereiche der Gemischzusammensetzung, wie sie sich aus Figur 3 ergeben, sind nur geringfügig von den Temperaturverhältnissen am Kondensator bzw. Verdampfer abhängig. Um diese unter praktischen Betriebsbedingungen auftretenden verschiedenen Temperaturbedingungen zu be- rücksichtigen, ist der vorteilhafte, mit einer Steigerung der Leistungszahl, verbundene Bereich der Gemischzusammensetzung etwas größer als der in der Tabelle angegebene Bereich.
1 Patentanspruch 3 Figuren - Leerseite -

Claims

Patentanspruch W Wärmepumpe, deren Kältemittelkreislauf ein nichtazeotropes binäres Kältemittelgemisch enthält, mit einem Rekuperator (6), in dem das Kondensat durch Verdampfung von Kältemittel unterkühlt wird, g e k e n n z e i c h n e t durch ein Kältemittelgemisch, bei dem für den Quotienten # aus dem Dampfdruck bei 273 K der leichter siedenden Komponente und aus dem Dampfdruck bei 273 K der schwerer siedenden Komponente die Bedingung 6 # α # 100 erfüllt ist und bei dem der molare Anteil x der leichter siedenden Komponente im Bereich 6 # α # 20 die Beziehung 0,058 . lnα T 0,79 ~ x -£ 0,012 . ln#+ 0,95 und im Bereich 20 # x ~ 100 die Beziehung 0,014.1n α+ 0,922 # x # 0,0068 . lnα + 0,966 erfüllt.