DE4026699A1

DE4026699A1 - Waermepumpensystem

Info

Publication number: DE4026699A1
Application number: DE4026699A
Authority: DE
Inventors: Shuhei Miyauchi; Toshimasa Irie; Tohru Isoda; Taizo Imoto; Yukio Fujishima; Yasuhiro Hatano; Masami Ogata; Yukitoshi Urata; Tamotsu Ishikawa; Masayuki Kawabata
Original assignee: NISHIYODO AIR CONDITIONER; Osaka Municipal Government
Current assignee: NISHIYODO AIR CONDITIONER; Osaka Municipal Government
Priority date: 1989-11-02
Filing date: 1990-08-23
Publication date: 1991-05-08
Also published as: CA2022125A1; JPH03148564A; GB9016544D0; GB2237625B; KR940009227B1; GB2237625A; KR910010139A; FR2653863A1; AU610459B1; FR2653863B1; JP2552555B2

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Wärmepumpensystem mit einem Kondensator, der es ermöglicht, ein Fluid hoher Güte abzugeben, d. h. ein Fluid extrem hoher Temperatur (z. B. Wasser) mit einer hohen Temperaturdifferenz zwischen Einlaß- und Auslaßtemperatur des Fluids. Insbesondere schafft die vorliegende Erfindung ein Wärmepumpensystem, welches durch eine Erhöhung des Überkühlungsgrades des Kältemittelkondensats im Kondensator gekennzeichnet ist, wodurch sein Nutzeffekt und die Austauschwärmemenge erhöht wird.

Es sind verschiedene Wärmepumpen bekannt, die dazu bestimmt sind, heißes Fluid oder kaltes Fluid oder beides, heißes und kaltes Fluid abzugeben.

Grundsätzlich umfaßt eine zweistufige Wärmepumpe, wie sie in Fig. 1a gezeigt ist, einen Wärmepumpenkreislauf auf der Seite mit hoher Temperatur für ein hochsiedendes Kältemittel und einen Wärmepumpenkreislauf auf der Seite mit niedriger Temperatur für ein leichtsiedendes Kältemittel, wodurch Wärme hoher Temperatur von dem Kreislauf und Wärme niedriger Temperatur von dem letzteren Kreislauf abgegeben wird.

Beispiele solcher zweistufigen Wärmepumpen sind in der japanischen Patentschrift, Erstveröffentlichungsnummer 62-52 376 (1987) und 62-52 377 (1987), sowie in den japanischen Gebrauchsmustern, Erstveröffentlichungsnummer 57-2364 (1982) und 63-2053 (1988), etc. beschrieben. Eine Wärmepumpe mit einem einzelnen Wärmepumpenkreislauf, wie in Fig. 1b gezeigt, ist ebenfalls bekannt.

In solchen Wärmepumpeneinheiten variieren gewöhnlich der Nutzeffekt (COP) und die zu erzielenden Temperaturen für das zu erhitzende Fluid bei einem gegebenen Kältemittel, in Abhängigkeit von den folgenden Faktoren:

a) Leistungsfähigkeit der Apparatur wie z. B. Kompressor, Kondensator, Verdampfer, etc.,
b) die Gegebenheiten der zwei Fluide, die wechselseitig bei der Kondensation Wärme austauschen, genauer die Kondensationstemperatur des Kältemittels und die Kondensatoreinlaßtemperatur und Durchflußrate des zu erhitzenden Fluids (z. B. Wasser),
c) Verdampferbedingungen (Durchflußraten und Temperaturen der zwei Fluide, die einen wechselseitigen Wärmeaustausch auf der Verdampferseite bewirken), etc.

Deshalb sind der Nutzeffekt (COP) einer Wärmepumpe und die zu erzielenden Temperaturen des zu erhitzenden Fluids durch die Bedingungen beim Wärmeaustausch auf der Kondensatorseite bestimmt, unter der Annahme, daß das (die) Kältemittel, der (die) Kompressor(en) und der Verdampfer vorbestimmt sind und die Verdampfungsbedingungen (Flußraten und Temperaturen) festgelegt sind.

Eine herkömmliche zweistufige Wärmepumpe wird wie ein Kältekreislauf betrieben und weist ein Temperaturgradientendiagramm auf, wie es in Fig. 5a gezeigt ist, worin ein Kältemittel auf der Seite mit hoher Temperatur, das im überhitzten gasförmigen Zustand a am Einlaß des Kondensators (Auslaßseite des Kompressors) gehalten wird, anschließend einer Temperaturänderung unterworfen wird, um b zu erreichen (Gerade des gesättigten Dampfes); das Kältemittel ändert dann seinen Zustand von dem des gesättigten Dampfes b zu dem Zustand der gesättigten Flüssigkeit c innerhalb des Kondensators (b nach c) und wird dann am Auslaß des Kondensators (Einlaß des Expansionsventils in den überkühlten flüssigen Zustand d (c nach d) überführt.

Andererseits zeigt das Mollier-Diagramm in Fig. 5b, daß das Kältemittel im Kompressor unter Druck gesetzt und komprimiert wird (f nach a) mit einer Enthalpie-Änderung von i′₆ nach i′₁; das resultierende dampfförmige Kältemittel gelangt im überhitzten Zustand von der Geraden des gesättigten Dampfes b mit einer Enthalpieänderung von i′₁ nach i′₂ und wird durch Wärmeaustausch mit dem zu erhitzenden Fluid in dem Kondensator gekühlt und unter einem konstanten Druck (b nach c) verflüssigt, wobei sich während dieses Prozesses die Enthalpie von i′₂ nach i′₃ ändert; nach dem Durchlaufen des Punktes c (i′₃) auf der Geraden der gesättigten Flüssigkeit wird das flüssige Kältemittel überkühlt (c nach d), woraus sich der Zustand i′₄ ergibt.

In Fig. 5a und Fig. 5b bezeichnen die Symbole t′_w1 und t′_w2 die Kondensatoreinlaßtemperatur und die Kondensatorauslaßtemperatur des zu erhitzenden Fluids, und die Symbole e und f bezeichnen einen Zustand am Einlaß und einen Zustand am Auslaß des Kaskadenkondensators.

Auf diese Weise wurden bis jetzt herkömmliche Kühlkreisläufe so betrieben, daß ein bestimmter Überkühlungsgrad sichergestellt war, um das Expansionventil ohne Beeinträchtigung zu betreiben und zum jetzigen Zeitpunkt wird der Überkühlungsgrad, der benötigt wird, um das Expansionsventil normal zu betreiben, in der Größenordnung von 3 bis 5°C angesehen.

Diesbezüglich hatten die Kondensatoren herkömmlicher Wärmepumpen einen maximalen Wärmeübergangskoeffizienten im Bereich der Sättigung des Kältemittels, jedoch nicht so gute Übergangscharakteristiken im Bereich der Überhitzung und der Überkühlung des Kältemittels und folglich hatten die Kondensatoren große Abmessungen, was dazu führte, daß der wirtschaftliche Wert verringert wurde. Ferner wurde eine Maßnahme, die den Überkühlungsgrad groß macht, nicht als ratsam angesehen, im Hinblick darauf, die Reduzierung des Nutzeffektes infolge des vergrößerten Druckverlustes aufgrund des großen Kondensators zu vermeiden.

Bei herkömmlichen Wärmepumpen wurden meistens Wärmetauscher, die nicht vom Typ des Gegenstromwärmetauschers waren, wie z. B. Mantel- und Rohrwärmeaustauscher, Wärmetauscher vom Typ des parallelen Durchflusses etc. verwendet. Ein Problem dieser Wärmetauscher ist, daß eine niedrigste Einlaßtemperatur des zu erhitzenden Wassers nicht erzielt werden kann, so daß die Kühlflüssigkeit nicht ausreichend gekühlt werden kann. Zum Beispiel können die Wärmetauscher vom Typ des parallelen Durchflusses, die eine Auslaßtemperatur des Wassers von 90°C vorsehen, nicht die Temperatur des flüssigen Kältemittels auf weniger als 90°C herabsetzen. Sogar bei einem Gegenstromwärmetauscher steigt die Einlaßtemperatur des Wassers zum Kühlen des Kältemittels mit der Zeit an und steigt in Richtung hoher Temperaturen, wenn ein Verfahren zum allmählichen Anheben der Temperatur des zu erhitzenden Wassers, während das Wasser zirkuliert angewandt wird. Beispielsweise kann das flüssige Kältemittel für den Fall, daß die Einlaßtemperatur des Wassers 90°C beträgt, nicht unter als 90°C gekühlt werden. Wenn die Durchflußrate des zirkulierenden Wassers bei gleicher Austauschwärmemenge vergrößert wird, kann jedoch die Temperaturdifferenz des Wassers zwischen der Einlaß- und der Auslaßtemperatur kleiner gemacht werden. Folglich besteht noch das Problem, daß die Einlaßtemperatur für die gleiche Auslaßtemperatur so hoch ist, daß das flüssige Kältemittel nicht ausreichend gekühlt werden kann.

Im Hinblick auf die verschiedenen vorhergehenden Probleme, die herkömmliche Wärmepumpen aufgeworfen haben, ist die vorliegende Erfindung so ausgelegt, diese Probleme zu lösen, besonders durch Berücksichtigung des Aufbaus des Kondensators und seiner Leistungseigenschaften.

Dementsprechend ist es eine grundlegende Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Wärmepumpensystem zu schaffen, welches einen vergrößerten Nutzeffekt (COP) aufweist. Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Wärmepumpensystem zu schaffen, welches es erlaubt, eine Energie hoher Güte, nämlich Heißdampf oder heißes Wasser, zur Verfügung zu stellen.

Die vorliegende Erfindung, welche die vorhergehenden Aufgaben löst, basiert darauf, die folgenden Erfordernisse zum Erreichen einer hohen Auslaßtemperatur des Wassers und zum Sicherstellen eines großen Überkühlungsgrades zu befriedigen:

a) Anwenden eines vollständigen Gegenstromwärmetauschsystems,
b) Vorsehen einer Kondensatoreinlaßtemperatur des zu erhitzenden Fluids (Wasser), die niedriger ist als eine gewünschte Auslaßtemperatur des flüssigen Kältemittels vom Kondensator,
c) relatives Erniedrigen der Durchflußrate des zu erhitzenden Fluids, solange dies beim Durchströmen keine Unannehmlichkeiten mit sich führt.

Die Erfindung betrifft, entsprechend einem Aspekt der vorliegenden Erfindung, ein Wärmepumpensystem, welches einen Wärmepumpenzyklus für ein Kältemittel enthält, welcher einen Kompressor, einen Kondensator, ein Expansionsventil und einen Verdampfer enthält, wobei der Kondensator einen Zwangsdurchlauf für ein zu erhitzendes Fluid enthält und als ein Gegenstromwärmetauscher zwischen dem Kältemittel und dem Fluid ausgelegt ist, wobei der Kondensator derart betrieben wird, daß, wenn das System gefahren wird, während der Wärmeabgabe an das Fluid nach dem Gegenstromprinzip das Kältemittel verflüssigt wird und kondensiert, und dann mit einem Überkühlungsgrad von nicht weniger als 20% der Temperaturdifferenz zwischen der Sättigungstemperatur des Kältemittels und der Kondensatoreinlaßtemperatur des Fluids überkühlt wird, wobei heißes Fluid von einem Auslaß des Kondensators abgegeben werden kann.

In dem oben erwähnten Wärmepumpensystem, in dem der Verdampfer ferner einen Zwangsdurchlauf für ein zu kühlendes Fluid enthält und als Gegenstromwärmetauscher zwischen dem Kältemittel und dem zu kühlenden Fluid ausgelegt ist, kann entweder nur kaltes Fluid oder sowohl heißes wie auch kaltes Fluid abgegeben werden.

Entsprechend einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein zweistufiges Wärmepumpensystem vorgesehen, welches einen Kreislauf auf der Seite mit hoher Temperatur für ein hochsiedendes Kältemittel umfaßt, welcher einen Kompressor, einen Kondensator, ein Expansionsventil und einen Akkumulator enthält, die durch Rohre in der oben genannten Reihenfolge miteinander verbunden sind, wobei der Kondensator ferner einen Zwangsdurchlauf für ein zu erhitzendes Fluid enthält, sowie einen Kreislauf auf der Seite mit niedriger Temperatur für ein leichtsiedendes Kältemittel, welcher einen Kompressor, ein Expansionsventil, einen Verdampfer und einen Akkumulator enthält, die durch Rohre miteinander in der oben genannten Reihenfolge verbunden sind, sowie einen Kaskadenkondensator, welcher den Kondensator des Kreislaufs auf der Seite mit hoher Temperatur und den Verdampfer auf der Seite des Kreislaufs mit niedriger Temperatur wärmeaustauschend miteinander verbindet, wobei der Kondensator als Gegenstromwärmetauscher zwischen dem hochsiedenden Kältemittel und dem zu erwärmenden Fluid ausgelegt ist und derart betrieben wird, daß das hochsiedende Kältemittel, wenn das System gefahren wird, während dem Gegenstromwärmeaustausch mit dem zu erhitzenden Fluid verflüssigt wird und kondensiert und dann mit einem Überkühlungsgrad von nicht weniger als 20% der Temperaturdifferenz zwischen der Sättigungstemperatur des Kältemittels und der Kondensatoreinlaßtemperatur des zu erhitzenden Fluids überkühlt wird, wobei ein Fluid hoher Temperatur abgegeben werden kann.

In dem oben genannten zweistufigen Wärmepumpensystem, in dem der Verdampfer ferner einen Zwangsdurchlauf für ein zu kühlendes Fluid enthält, kann sowohl heißes wie auch kaltes Fluid abgegeben werden.

In jedem Fall der oben erwähnten Wärmepumpeneinheiten ist der Kondensator vorzugsweise als ein Doppelrohr- oder Vielfachrohrwärmetauscher ausgelegt, der ein äußeres Rohr und ein inneres geriffeltes Rohr mit Drahtrippen enthält, in welchem das zu erhitzende Fluid durch das innere Rohr geführt wird und das Kältemittel durch den Zwischenraum zwischen dem inneren und dem äußeren Rohr nach dem Gegenstromprinzip entgegen dem zu erhitzenden Fluid geführt wird.

Im Rahmen der Beschreibung und der Ansprüche soll der Begriff "Überkühlungsgrad" eine Temperaturdifferenz zwischen der Sättigungstemperatur des Kältemittels und der Kondensatorauslaßtemperatur des flüssigen Kältemittels bezeichnen.

Erfindungsgemäß wird, wenn das Wärmepumpensystem gefahren wird, ein Kältemittel im Verdampfer abgegeben, in den Kompressor gesaugt und von dort in dem gasförmigen Zustand hoher Temperatur und hohen Drucks entladen, als flüssiges Kondensat in dem Kondensator verflüssigt, während Wärme an ein zu erhitzendes Fluid abgegeben wird, welches im Gegenstrom mit dem Kältemittel fließt, anschließend gelangt das Kältemittel durch das Expansionsventil um den flüssig-gasförmigen Mischzustand zu erreichen, und kehrt in den Verdampfer zurück. Hier wird zum Beispiel in dem Kondensator, wo das Kältemittel s-Dichlortetrafluorethan mit hohem Siedepunkt ist, dieses mit einem Überkühlungsgrad von nicht weniger als 18,6°C überkühlt, da seine Sättigungstemperatur bei ca. 112°C liegt und unter der Annahme, daß die Einlaßtemperatur des zu erwärmenden Fluids eine normale Temperatur von ca. 19,1°C ist, wird der Überkühlungsgrad berechnet durch: (112-19,1)×0,2 = 18,6 (° Celsius). Dieser Wert ist deutlich größer als der herkömmliche Überkühlungsgrad von 3 bis 5°C. Generell ist der Nutzeffekt (COP) umso größer, je größer der Überkühlungsgrad ist und folglich ermöglicht es die vorliegende Erfindung den Nutzeffekt (COP) zu verbessern.

Des weiteren ist die Temperaturdifferenz zwischen der Einlaß- und der Auslaßtemperatur des zu erwärmenden Fluids größer als die von herkömmlichen Wärmepumpen, da die Enthalpiedifferenz des Kältemittels zwischen seinem Sättigungszustand in dem Kondensator und dem Überkühlungszustand am Auslaß des Kondensators größer ist als die herkömmlicher Wärmepumpen. Als eine Folge kann Heißdampf (in der Größenordnung von 120°C) oder heißes Fluid (ca. 100°C) mit hohem Wirkungsgrad abgegeben werden. Es ist ebenfalls möglich, heißes Fluid mit einer höheren Temperatur als der Sättigungstemperatur des Kältemittels in dem Kondensator zur Verfügung zu stellen.

Das (die) Kältemittel, welche(s) für die erfindungsgemäßen Wärmepumpen verwendet werden kann (können), schließen beispielsweise ein: Fluorkohlenwasserstoffe wie z. B. 1,1,2-Trichlor-1,1,2-Trifluorethan (flon R-113), s-Dichlortetrafluorethan (flon R-114), Trichlorfluormethan (flon R-11), Dichlordifluormethan (flon R-12), Chlordifluormethan (flon R-22), etc.

Bei einem zweistufigen Wärmepumpensystem kann ein hochsiedendes Kühlmittel wie z. B. flon R-113, R-114, R-11, etc. für den Kreislauf auf der Seite mit hoher Temperatur verwendet werden, wogegen ein leichtsiedendes Kältemittel wie z. B. flon R-12, R-22 etc. für den Kreislauf auf der Seite mit niedriger Temperatur verwendet werden kann.

Nachfolgend wird die Erfindung genauer beschrieben unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen.

Fig. 1a und 1b zeigen jeweils ein Leitungsschema einer grundlegenden zweistufigen bzw. einstufigen Wärmepumpeneinheit, auf welche sich diese Erfindung bezieht.

Fig. 2a, Fig. 2b und Fig. 2c sind jeweils eine Aufsicht, eine Seitenansicht bzw. eine abgebrochene vergrößerte Ansicht eines Beispiels eines Kondensators zur Verwendung in dem erfindungsgemäßen Wärmepumpensystem,

Fig. 3a und 3b sind Arbeitsdiagramme von zweistufigen Wärmepumpensystemen, die diese Erfindung betreffen, wobei Fig. 3a ein Temperaturgradienten-Diagramm eines Beispiels eines Kältemittels ist und Fig. 3b ein Mollier-Diagramm davon ist,

Fig. 4a und 4b sind Arbeitsdiagramme eines anderen Beispiels eines erfindungsgemäßen Wärmepumpensystems, wobei Fig. 4a ein Temperaturgradienten-Diagramm eines Wärmepumpenzyklus eines anderen Beispiels eines Kältemittels ist und Fig. 4b ein Mollier-Diagramm davon ist.

Fig. 5a und 5b sind Arbeitsdiagramme eines gewöhnlichen Wärmepumpvorgangs auf der Grundlage der zweistufigen Wärmepumpeneinheit von Fig. 1a, wobei Fig. 5a ein Temperaturgradientendiagramm und Fig. 5b ein Mollier-Diagramm ist.

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf zweistufige oder einstufige Wärmepumpensysteme, was davon abhängt, was für ein Fluid abgegeben werden soll. Eine zweistufige Wärmepumpeneinheit, die in Fig. 1a gezeigt ist, umfaßt einen Kreislauf auf der Seite mit hoher Temperatur für ein hochsiedendes Kältemittel, mit einem Kompressor 1, einem Kondensator 2 mit einem Zwangsdurchlauf für ein zu erwärmendes Fluid, einem Expansionsventil 3 und einem Akkumulator 5, die in obiger Reihenfolge miteinander verbunden sind; und einen Kreislauf auf der Seite mit niedriger Temperatur für ein leichtsiedendes Kältemittel, mit einem Kompressor 11, einem Expansionsventil 13, einem Verdampfer 14 mit einem Zwangsdurchlauf für ein Fluid, das gekühlt werden soll, und einem Akkumulator 15, die in der oben genannten Reihenfolge miteinander verbunden sind, wobei der Kondensator 2 des Kreislaufs auf der Seite mit hoher Temperatur und der Verdampfer 14 des Kreislaufs auf der Seite mit niedriger Temperatur so miteinander verbunden sind, daß sie über einen Kaskadenkondensator 22 Wärme austauschen können.

Andererseits umfaßt eine einstufige Wärmepumpeneinheit gewöhnlich, wie in Fig. 1b gezeigt, einen Kompressor 1, einen Kondensator 2 mit einem Zwangsdurchlauf für ein Fluid, das erwärmt werden soll, ein Expansionsventil 3, einen Verdampfer 4 mit einem Zwangsdurchlauf für ein Fluid, das gekühlt werden soll, und einen Akkumulator 5, die in der oben genannte Reihenfolge miteinander verbunden sind.

In jedem Fall ist es nötig, daß das Fluid, das erwärmt werden soll, in einen Einlaß 6 des Kondensators 2 aus einer Fluidquelle eingeführt wird und durch den Kondensator in vollständigem Gegenstrom mit dem Kältemittel geführt wird, wobei mit diesem ein Wärmeaustausch vorgenommen wird und das Fluid aus einem Auslaß 7 des Kondensators 2 in heißem flüssigem, oder dampfförmigem Zustand abgegeben wird.

Vorzugsweise strömen das zu kühlende Fluid, das von einem Einlaß 8 oder 18 des Verdampfers 4 oder 14 zugeführt wird, und das Kältemittel nach dem Gegenstromprinzip durch den Verdampfer 4 oder 14. Für den Fall der zweistufigen Wärmepumpeneinheit ist es vorzuziehen, daß das hochsiedende Kältemittel und das leichtsiedende Kältemittel durch den Kaskadenkondensator 22 nach dem Gegenstromprinzip strömen.

Fig. 3a und Fig. 3b zeigen ein Temperaturgradientendiagramm bzw. ein Mollier-Diagramm einer zweistufigen Wärmepumpeneinheit gemäß der vorliegenden Erfindung, die Fig. mit Fig. 5a und Fig. 5b vergleichbar sind, die die Arbeitsweise einer konventionellen Wärmepumpe zeigen, wobei das hochsiedende Kältemittel s-Dichlortetrafluorethan (flon R-114) ist.

Wie aus dem Vergleich der Temperaturgradienten (Fig. 3a und Fig. 5a) in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung hervorgeht, geht das hochsiedende Kältemittel, das am Einlaß des Kondensators 2 in einem überhitzten gasförmigen Zustand (A) gehalten wird, innerhalb des Kondensators von seinem gesättigten gasförmigen Zustand zu einem gesättigten flüssigen Zustand (E bis C) über, wobei diese Zustandsänderung analog zu der der konventionellen Betriebsweise ist, die in Fig. 5a gezeigt ist. Jedoch können die signifikanten Änderungen darin gesehen werden, daß das Kältemittel in gesättigtem flüssigem Zustand am Auslaß des Kondensators 2 in den überkühlten Zustand (D) mit einem größeren Grad an Überkühlung übergeht, und daß der Temperaturunterschied auf der Wasserseite zwischen dem Auslaß (t_w2) und dem Einlaß (t_w1) des Kondensators größer ist, verglichen mit der konventionellen Betriebsweise.

Ein Wärmepumpenzyklus gemäß der vorliegenden Erfindung ist in einem Mollier-Diagramm von Fig. 3b gezeigt, wobei in dem Bereich, in dem das Kältemittel in überhitztem Zustand (A) am Einlaß 6 des Kondensators 2 in den gesättigten gasförmigen Zustand (B) übergeht, die Enthalpie sich von i₁ nach i₂ ändert; in dem Zyklus, in dem das Kältemittel ferner durch Wärmeaustausch mit Wasser (zu erhitzendes Fluid) gekühlt und verflüssigt wird und unter konstantem Druck innerhalb des Kondensators 2 zu einer gesättigten Flüssigkeit (B bis C) kondensiert, ändert sich die Enthalpie auf den Wert i₃ und wenn sich das Kältemittel im überkühlten Zustand (D) am Auslaß 7 des Kondensators 2 befindet, ist eine Enthalpie von i₄ erreicht. Die Enthalpiedifferenz zwischen i₃ und i₄ ist in Fig. 3b dieser Erfindung somit stark vergrößert, oder verglichen mit der von Fig. 5b, was eine Vergrößerung des Grades an Überkühlung zeigt. Dann fließt das Kältemittel im Verlauf der gedrosselten Expansion von (D) nach (E) durch das Expansionsventil 3 in den Kaskadenkondensator 22 mit derselben Enthalpie von i₄ = i₅ und dort wird das Kühlmittel vollständig verdampft (E bis F), um den Zustand i₆ zu erreichen. Das Kältemittel hat eine Enthalpie von i₆ und wird in den Kompressor 1 gesaugt.

Die Fig. 2a bis 2c verdeutlichen Details eines Beispiels eines Kondensators, der für das vorliegende Wärmepumpensystem verwendet wurde, wobei dieser Kondensator durch ein Doppelrohr 30 gebildet wird, welches ein geriffeltes inneres Rohr 32 mit Drahtrippen sowie ein äußeres Rohr 31 hat. Das Kältemittel kann durch die Hohlräume zwischen dem inneren Rohr 32 und dem äußeren Rohr 31 von der Oberseite her fließen, wobei das zu erhitzende Fluid durch das innere Rohr 32 von der unteren Seite her fließen kann.

Auf diese Weise kann gemäß dem erfindungsgemäßen Wärmepumpensystem hochwertiges heißes Wasser oder Dampf mit einer extrem hohen Temperatur in der Größenordnung von 120°C mit einer großen Temperaturdifferenz von 30 bis 100°C, üblicherweise 50 bis 90°C zwischen dem Kondensatoreinlaß und -auslaß abgegeben werden. Kaltes Wasser in der Größenordnung von 7°C kann entweder allein oder zusammen mit heißem Wasser zur Verfügung stehen. Verschiedene Beispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend gezeigt.

Beispiel 1

Eine zweistufige Wärmepumpeneinheit, wie in Fig. 1a gezeigt wurde, unter Verwendung eines Kondensators betrieben, der eine Konstruktion aufweist, die in Tabelle 1 unten erläutert ist. Als zu erhitzendes und zu kühlendes Fluid wurde Wasser verwendet, als Kältemittel flon R-114 und R-22 für den Zyklus auf der Seite mit der hohen Temperatur bzw. für den Zyklus auf der Seite mit der niedrigen Temperatur unter den Bedingungen, die in Tabelle 2 unten gezeigt sind. Weitere physikalische Angaben sind ebenfalls aus Tabelle 2 ersichtlich.

Wärmeübergangsrohr
mit Drahtrippen versehenes geriffeltes Rohr
Form
Doppelrohr
Äußeres Rohr (Durchmesser)	25,4^AD × ^D1,2 × 23,0^ID mm
Inneres Rohr (Durchmesser)	12,7^AD × ^D1,7 × 11,3^ID mm
Länge	3634 m
Wärmeübergangsfläche	0,154 m²
Riffelungsabstand	4,67 mm
Riffelungstiefe	0,21 mm
Höhe der Drahtrippen	0,8 mm
Abstand der Drahtrippen	0,48 mm

Tabelle 2

Es wurden die Eigenschaften des hochsiedenden Kältemittels (flon R-114) in dem erfindungsgemäßen Wärmepumpenzyklus gemessen und die erzielten Werte des Mollier-Diagramms sind in Tabelle 3 unten gezeigt, verglichen mit denen eines konventionellen Wärmepumpenzyklus.

Tabelle 3

Aus Tabelle 3 ist ersichtlich, daß die Enthalpiedifferenz der Kälteflüssigkeit beim Überkühlen bei der vorliegenden Erfindung größer ist als beim konventionellen Wärmepumpenbetrieb.

Ferner wurde die Beziehung zwischen dem Überkühlungsgrad des Kältemittels (R-114) im Kondensator und dem Nutzeffekt (COP) untersucht, und die erzielten Ergebnisse sind in Tabelle 4 unten gezeigt. Die Meßbedingungen waren wie folgt:

Sättigungsdruck
18,2 kgf/cm²
Sättigungstemperatur (T_c)	112,0°C
Kondensatoreinlaßtemperatur des Wassers (T-_w1)	19,1°C
Enthalpie am Kompressoreinlaß (i₆)	145,4 kcal/kg
Enthalpie am Kompressorauslaß (i₁)	148,8 kcal/kg

Tabelle 4

Am Auslaß 7 des Kondensators 2 wurde ca. 99°C heißes Wasser mit einer Temperaturdifferenz von ca. 80°C abgegeben, wobei am Auslaß 19 des Verdampfers 14 7°C kaltes Wasser abgegeben wurde, das eine Einlaßtemperatur von 12°C entladen wurde.

Beispiel 2

Eine Wärmepumpeneinheit, wie sie in Fig. 1b gezeigt ist, wurde unter Verwendung von Dichlordifluormethan (R-12) als Kältemittel betrieben, wobei ein Kondensator von der Konstruktion wie in Tabelle 5 unten und Wasser als zu erhitzendes und zu kühlendes Fluid unter den Bedingungen in Tabelle 6 unten verwendet wurde. Die erzielten Daten sind ebenso in Tabelle 6 gezeigt.

Wärmeübergangsrohr
mit Drahtrippen versehenes geriffeltes Rohr (Doppelrohr)
äußeres Rohr (Durchmesser)
31,8^AD × ^D1,6 × 30,2^ID mm
inneres Rohr (Durchmesser)	19,05^AD × ^D0,95 × 17,15^ID mm
Länge	3520 m × 4
Wärmeübergangsfläche	0,84 m²
Riffelungsabstand	7,2 mm
Riffelungstiefe	0,31 mm
Höhe der Drahtrippen	0,8 mm
Abstand d. Drahtrippen	0,48 mm

Tabelle 6

Das Temperaturgradienten- und Mollier-Diagramm dieses Wärmepumpenzyklus sind schematisch in Fig. 4a bzw. Fig. 4b gezeigt. Die Eigenschaften von R-12 im Wärmepumpenzyklus, die das Mollier-Diagramm (Fig. 4b) zeigt, sind in Tabelle 7 im Vergleich zu denen eines konventionellen Wärmepumpenzyklus gezeigt.

Tabelle 7

Auf diese Weise stand ca. 96° heißes Wasser bei einer Temperaturdifferenz von ca. 76°C und 7°C kaltes Wasser bei einer Temperaturdifferenz von 5°C zur Verfügung.

Soweit beschrieben, schafft die vorliegende Erfindung ein Wärmepumpensystem mit einem derartigen Wärmepumpenzyklus, daß das Kältemittel im Kondensator einem Wärmeaustausch nach dem Gegenstromprinzip mit dem zu erhitzenden Fluid ausgesetzt ist und daß das Kältemittelkondensat mit einem Überkühlungsgrad von nicht weniger als 20% der Temperaturdifferenz zwischen der Kältemittelsättigungstemperatur und der Kondensatoreinlaßtemperatur des Fluids überkühlt wird, wobei die Enthalpiedifferenz des flüssigen Kältemittels beim Überkühlen vergrößert ist und die Temperaturdifferenz des Fluids zwischen Einlaß- und Auslaßtemperatur vergrößert ist. Entsprechend ist die Austauschwärmemenge, die in Abhängigkeit von der Durchflußrate des Fluids und der Differenz zwischen der Einlaß- und Auslaßtemperatur des Fluids bestimmt wird, sogar bei einer kleinen Durchflußrate des Fluids vergrößert. Somit ist es möglich, die Auslaßtemperatur des Fluids, wie z. B. Wasser, stark zu erhöhen ebenso wie den Wärmeaustauschwirkungsgrad.

Ein so großer Überkühlungsgrad und eine vergrößerte Enthalpiedifferenz im Bereich der Überkühlung, was durch den Gegenstromprozeß erzielt wird, erlauben den Nutzeffekt (COP) zu vergrößern und ein heißes Wasser hoher Güte mit einer extrem hohen Temperatur von 120°C sofort zur Verfügung zu stellen. Des weiteren ist es möglich, die Kapazität des Kompressors zu verkleinern, da die Flußrate des Kältemittels verringert werden kann, wodurch die Installations- und Betriebskosten verringert werden.

Claims

1. Wärmepumpensystem mit einem Wärmepumpenzyklus eines Kältemittels, welches einen Kompressor, einen Kondensator, ein Expansionsventil und einen Verdampfer enthält, die alle in der oben angeführten Reihenfolge miteinander verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß der Kondensator (2) ferner einen Zwangsdurchlauf für ein zu erhitzendes Fluid enthält, wobei der Kondensator (2) nach dem Prinzip eines Gegenstrom-Wärmetauschers zwischen dem Kältemittel und dem Fluid konstruiert ist, wobei der Kondensator (2) , während das System gefahren wird, derart betrieben wird, daß das Kältemittel, währenddem der Wärmeaustausch mit dem Fluid nach dem Gegenstromprinzip vorgenommen wird, verflüssigt und kondensiert wird und anschließend mit einem Überkühlungsgrad von nicht weniger als 20% der Differenz zwischen der Sättigungstemperatur des Kältemittels und der Einlaßtemperatur des Fluids überkühlt wird, wobei heißes Fluid von einem Auslaß (7) des Kondensators (2) abgegeben werden kann.

2. Wärmepumpensystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Verdampfer (14) ferner einen Zwangsdurchlauf für ein zu kühlendes Fluid enthält, wodurch kaltes Fluid oder heißes Fluid und kaltes Fluid abgegeben werden können.

3. Wärmepumpensystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Verdampfer (14) nach dem Prinzip des Gegenstromwärmetauschers zwischen dem Kältemittel und dem zu kühlenden Fluid konstruiert ist.

4. Wärmepumpensystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kondensator (2) es ermöglicht, heißes Fluid mit einer Auslaßtemperatur abzugeben, die um 30 bis 100°C höher ist als die Einlaßtemperatur des Fluids.

5. Wärmepumpensystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kondensator (2) es ermöglicht, heißes Fluid mit einer Auslaßtemperatur abzugeben, die um ca. 50 bis 90°C höher ist als die Einlaßtemperatur des Fluids.

6. Wärmepumpensystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmetauscher ein Doppelrohr- oder Vielfachrohr-Wärmetauscher ist.

7. Wärmepumpensystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kondensator (2) derart betrieben wird, daß die Auslaßtemperatur des Fluids höher ist als die Sättigungstemperatur des Kältemittels.

8. Wärmepumpensystem mit

- einem Wärmepumpenkreislauf auf der Seite mit hoher Temperatur mit einem hochsiedenden Kältemittel, welcher einen Kompressor (1), einen Kondensator (2) und ein Expansionsventil (3) enthält;
- einem Wärmepumpenkreislauf auf der Seite mit niedriger Temperatur mit einem leichtsiedenden Kältemittel, umfassend einen Kompressor (11), ein Expansionsventil (13) und einen Verdampfer (14);
- einem Kaskadenkondensator (22), der beide Kreisläufe miteinander verbindet und zwischen dem Kompressor (1) und dem Expansionsventil (3) des ersteren Kreislaufs und zwischen dem Kompressor (11) und dem Expansionsventil (13) des letzteren Kreislaufs angeordnet ist;
- wobei der Kondensator ferner einen Zwangsdurchlauf für ein zu erhitzendes Fluid enthält und als Gegenstrom-Wärmetauscher zwischen dem hochsiedenden Kältemittel und dem Fluid ausgelegt ist, wobei der Kondensator, wenn das System gefahren wird, derart betrieben wird, daß während dem Gegenstrom-Wärmeaustausch das hochsiedende Kältemittel verflüssigt wird und kondensiert und dann mit einem Überkühlungsgrad von nicht weniger als 20% der Differenz zwischen der Sättigungstemperatur des hochsiedenden Kältemittels und der Kondensatoreinlaßtemperatur des Fluids überkühlt wird, wobei heißes Fluid von einem Auslaß (7) des Kondensators (2) abgegeben werden kann.

9. Wärmepumpensystem nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Verdampfer (14) ferner einen Zwangsdurchlauf für ein zu kühlendes Fluid enthält, wodurch heißes Fluid und kaltes Fluid gleichzeitig abgegeben werden können.

10. Wärmepumpensystem nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Verdampfer (14) ein Gegenstrom-Wärmetauscher zwischen dem leichtsiedenden Kältemittel und dem zu kühlenden Fluid ist, und daß der Kaskadenkondensator (22) ein Gegenstromwärmetauscher zwischen beiden Kältemitteln ist.

11. Wärmepumpensystem nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmetauscher ein Doppelrohr- oder Vielfachrohr-Wärmetauscher ist.

12. Wärmepumpensystem nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Kondensator (2) es ermöglicht, heißes Fluid mit einer Auslaßtemperatur abzugeben, die um 30 bis 100°C höher ist als die Einlaßtemperatur des Fluids.

13. Wärmepumpensystem nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Kondensator (2) es ermöglicht, heißes Fluid mit einer Auslaßtemperatur abzugeben, die um 50 bis 90°C höher ist als die Einlaßtemperatur des Fluids.

14. Wärmepumpensystem nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß es der Kondensator (2) ermöglicht, heißes Fluid mit einer Auslaßtemperatur abzugeben, die um 50 bis 90°C höher ist als die Einlaßtemperatur des zu erwärmenden Fluids.