DE102005044029B3

DE102005044029B3 - Wärmepumpe

Info

Publication number: DE102005044029B3
Application number: DE200510044029
Authority: DE
Inventors: Kai Dr. Schiefelbein; Michael Schaumlöffel; Steffen Smollich; Sebastian Ott
Original assignee: Stiebel Eltron GmbH and Co KG
Current assignee: Stiebel Eltron GmbH and Co KG
Priority date: 2005-09-14
Filing date: 2005-09-14
Publication date: 2007-03-22
Anticipated expiration: 2025-09-15

Abstract

Der Kältemittelkreislauf einer Wärmepumpe mit einem Enthitzer, einem Verdampfer, einem Verdichter und einem Drosselorgan wird im überkritischen Bereich betrieben. Die Wärmepumpe weist ferner eine Steuereinheit zum Steuern des Drosselorgans auf. Das Drosselorgan wird in Abhängigkeit eines ersten Druckes auf der Hochdruckseite des Kältemittelkreislaufes betrieben, wenn eine zulässige Überhitzung des Kältemittels im Kältemittelkreislauf vorhanden ist. Wenn sich das Kältemittel im Kältemittelkreislauf außerhalb der zulässigen Überhitzung befindet, wird das Drosselorgan in Abhängigkeit einer ersten Temperatur vor dem Verdichter betrieben.

Description

Die vorliegende Anmeldung betrifft eine Wärmepumpe. Wärmepumpen zur Erwärmung von Heizungswasser werden seit Jahren produziert und entsprechend vermarktet. Die Bereitstellung der Heizwärme bei Wärmepumpen erfolgt durch die Kondensation von Kältemittel unter hohem Druck und damit bei einer hohen Temperatur, während die Wärme an ein Wärmeträgermedium wie beispielsweise Heizungswasser abgegeben wird. Bei Kältemitteln, welche im überkritischen Bereich ihre Wärme abgeben, wie beispielsweise bei CO₂, wird üblicherweise eine Hochdruckregelung angewandt, da für jeden Betriebspunkt ein optimaler Hochdruck vorhanden ist, welcher eine optimale Leistungszahl liefert. Hierbei wird typischerweise im Kältekreis nach dem Verdampfer ein Flüssigkeitsabscheider eingebaut. Das gasförmige Kältemittel wird nach dem Austreten aus dem Flüssigkeitsabscheider vor dem Eintritt in den Verdichter überhitzt, wobei eine derartige Überhitzung nicht geregelt wird. Bei unterkritischer Wärmeabgabe des Kältemittels stellt sich der Hochdruck in Abhängigkeit des Kältemittels und entsprechender Medien, der Größe des Wärmetauschers und der Wärmesenkentemperatur ein. Typischerweise findet eine Regelung der Überhitzung statt, um so eine optimale Ausnutzung des Verdampfers zu gewährleisten.

DE 103 05 947 A1 zeigt ein Expansionsorgan für eine Klimaanlage, bei der zur Regelung des Hochdruckniveaus ein Schiebesitz-Ventil vorgesehen ist. Hiermit soll die Steuerung der Drosselung des Kältemittels auf der Hochdruckseite des thermodynamischen Kälteprozesses gesteuert bzw. geregelt werden, so dass die spezifische Kälteleistung der Klimaanlage variiert werden kann. Somit kann eine Abgabe von Wärme im überkritischen Bereich unabhängig von der Temperatur eingestellt werden.

DE 199 32 468 A1 zeigt einen überkritischen Kältemittelkreis, welcher mit einem zweiten Druckreduzierungsmittel versehen ist. Somit wird der Druck vom Kühlmittel in einem zweiten Verdampfer reduziert, und der überkritische Kühlkreis kann ohne Verzögerung die Druckreduzierungs-Ventile regeln.

EP 1 355 207 A1 zeigt ein Verfahren zum Betrieb einer Kompressions-Kälteanlage, wobei der Öffnungsgrad des Expansionsventils, d. h. die Drosselungsstelle, und die Leistung des Kompressors als Stellgrößen geregelt werden. Die Abweichung der Regelgrößen von ihrem Sollwert wird mit zuvor bestimmten Entkopplungsfunktionen zumindest näherungsweise kompensiert.

Aus EP 604 417 B1 ist eine Hochdruckregelung eines transkritischen Kältemittelkreislaufs bekannt mit einem Kältemittelreceiver im Kältemittelkreislauf bekannt, mit dem Kältemittel gepuffert wird und die flüssige Phase des Kältemittels abgeschieden wird um nicht den Verdichter zu schädigen. Der Kreisprozess ist dabei druckgeregelt.

Aus DE 100 61 545 A1 ist ein Verfahren zur Kältemittel-Füllmengenüberwachung bekannt. Bei der Inbetrieb-Füllmengenüberwachung wird die Kältemittelüberhitzung am Verdampfer erfasst und bei zu starker Überhitzung auf eine Unterfüllung geschlossen. Im Stillstand werden Druck und Temperatur des Kältemittels erfasst und auf eine Fehlfüllung geschlossen, wenn der Druck unter einem Mindestdruckwert liegt oder die Temperatur über einem maximalen Sättigungstemperäturwert und der Druck außerhalb eines vorgebbaren Solldruckbereiches liegen.

Aus der EP 3 44 397 A2 ist eine Klimaprüfkammer mit einem Kältemittelkreislauf bekannt. Der Kreislauf wird über ein Absperrventil eingangsseitig des Wärmetauschers geregelt. Das Absperrventil ist ein motorisch angetriebenes, quasi-stetiges Expansionsventil. Auf der Druckseite des Kompressors ist ein Kondensationsdruckmessfühler angeordnet.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Wärmepumpe vorzusehen, bei der sichergestellt wird, dass nur gasförmiges Kältemittel in den Verdichter eintritt und somit verhindert wird, dass flüssiges Kältemittel in den Verdichter eintritt.

Diese Aufgabe wird durch eine Wärmepumpe gemäß Anspruch 1 gelöst.

Somit wird eine Wärmepumpe mit einem Kältemittelkreislauf vorgesehen, welcher im überkritischen Bereich betrieben wird. In dem Kältemittelkreislauf ist ein Enthitzer, ein Verdampfer, ein Verdichter und ein Drosselorgan vorgesehen. Die Wärmepumpe weist ferner eine Steuereinheit zum Steuern des Drosselorgans in Abhängigkeit eines Druckes auf der Hochdruckseite des Kältemittelkreislaufes auf, wenn eine zulässige Überhitzung des Kältemittels vorhanden ist. Wenn sich das Kältemittel in dem Kältemittelkreislauf außerhalb der zulässigen Überhitzung befindet, steuert die Steuereinheit das Drosselorgan in Abhängigkeit einer ersten Temperatur vor dem Verdichter.

Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung steuert die Steuereinheit das Drosselorgan in Abhängigkeit der tatsächlichen Überhitzung, wenn sich das Kältemittel in dem Kältemittelkreislauf außerhalb der zulässigen Überhitzung befindet.

Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung stellt der Kältemittelkreislauf einen transkritisch betriebenen Kreislauf dar. In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung wird CO₂ als Kältemittel eingesetzt.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Nachfolgend wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert.

1 zeigt eine schematische Darstellung eines Blockdiagramms einer Wärmepumpe gemäß der vorliegenden Erfindung,
2 zeigt eine schematische Darstellung der Regelung der Wärmepumpe von 1, und
3 zeigt ein lg p,h-Diagramm der in 2 gezeigten Regelung.
1 zeigt ein Blockdiagramm einer Wärmepumpe gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel. Die Wärmepumpe WP weist dabei einen Enthitzer E, einen Verdampfer V, ein Drosselorgan DO und einen Regler R auf. Optional kann die Wärmepumpe ein Filter F zwischen dem Drosselorgan DO und dem Enthitzer E aufweisen. Zwischen dem Verdampfer V und dem Enthitzer E ist ein Verdichter bzw. ein Kompressor K vorgesehen. Zwischen dem Verdampfer V und dem Drosselorgan DO wird optional ein erster Druck p₀₁ und eine erste Temperatur T₁ erfasst. Zwischen dem Verdampfer V und dem Verdichter K wird ein zweiter Druck p₀₂ und eine zweite Temperatur T₂ erfasst. Ferner wird hinter dem Verdichter K ein dritter Druck p_e1 und eine dritte Temperatur T_v2 erfasst. Zwischen dem Enthitzer E und dem Drosselorgan DO wird ein vierter Druck p_e2 und eine vierte Temperatur T_e2 erfasst. Die Drucke und Temperaturen können mittels geeigneter Sensoren erfasst werden. Zwischen dem Verdichter K und dem Drosselorgan DO ist die Hochdruckseite des Kreislaufs vorgesehen. Der Druck hinter dem Verdichter K beträgt beispielsweise 80 bar.
Aus der zweiten Temperatur T₀₂ und dem zweiten Druck p₀₂ lässt sich eine Überhitzung ΔT_Ü (ΔT_Ü = T₀₂ – T(p₀₂)) berechnen. Anhand des gemessenen zweiten Druckes p₀₂ kann basierend auf dem in 3 gezeigten Diagramm eine Temperatur bestimmt werden, welche diesem Druck entspricht. Somit wird die Überhitzung ΔT_Ü aus der tatsächlichen Temperatur T₀₂ und der berechneten Temperatur T(p₀₂) bestimmt. Zur Regelung dieser Überhitzung kann der Querschnitt im Drosselorgan DO verändert werden. Hierbei bewirkt eine Veränderung des Querschnitts des Drosselorgans DO eine Veränderung des Kältemittel-Massenstroms m_KM, was wiederum die Überhitzung beeinflussen kann. Mit der Veränderung des Kältemittel-Massenstroms m_KM wird eine Änderung des Hochdrucks, d. h. des dritten und vierten Drucks p_e1, p_e2 bewirkt. Eine kleine Veränderung des Kältemittel-Massenstroms m_KM bewirkt eine große Änderung des Hochdrucks p_e2, d. h. des dritten und vierten Drucks, während lediglich eine geringfügige Änderung der Überhitzung ΔT_Ü bewirkt wird. Wenn eine Regelung der Überhitzung ΔT_Ü innerhalb eines Bandes toleriert wird, so kann der zweite Druck p₀₂ exakt geregelt werden.
2 zeigt eine Regelung der Wärmepumpe gemäß 1. Hierbei sind drei verschiedene Bereiche gezeigt. Der erste Bereich B1 stellt einen Bereich mit zu geringer Überhitzung dar, während der zweite Bereich B2 eine zulässige Überhitzung darstellt, in der eine Hochdruckregelung möglich ist. Der dritte Bereich B3 stellt einen Bereich mit einer zu großen Überhitzung dar. Eine Regelung des Hochdrucks ist hierbei nur in dem zweiten Bereich B2 möglich. Innerhalb dieses Bereiches findet eine Regelung des Hochdrucks durch Veränderung des Querschnitts im Drosselorgan DO statt. Wenn jedoch dieser Bereich der zulässigen Überhitzung verlassen wird, beispielsweise wenn die Überhitzung zu gering wird, so besteht die Gefahr, dass flüssiges Kältemittel in den Verdichter gelangt. Um dies zu verhindern, muss das Drosselorgan weiter geschlossen werden, um das Kältemittel wieder in den gewünschten Überhitzungsbereich zu bringen. So erfolgt eine Regelung außerhalb der zulässigen Überhitzung in Abhängigkeit der tatsächlichen Überhitzung.
Wenn das Kältemittel in den Bereich einer zu großen Überhitzung eintritt, d. h. wenn die Überhitzung den zulässigen Bereich in zu hohe Temperaturdifferenzen verlassen hat, arbeitet die Kältemaschine zunehmend unwirtschaftlicher. Um dies zu verhindern, wird die Regelung der Überhitzung und die Einstellung des Drosselorgans DO direkt entsprechend der Temperatur durchgeführt.
Somit erfolgt eine Regelung bzw. Steuerung der in 1 gezeigten Wärmepumpe durch eine Kombination einer Überhitzungsregelung durch eine Hochdruckregelung, so lange eine zulässige Überhitzung vorhanden ist, während eine Temperaturregelung durchgeführt wird, wenn der Bereich der zulässigen Überhitzung verlassen wird.
Die in 1 gezeigte Wärmepumpe weist vorzugsweise einen mit CO₂ gefüllten Kältemittelkreislauf auf, welcher im überkritischen Bereich arbeitet. Zur Regelung der Überhitzung werden zwei verschiedene Parameter herangezogen. Im Bereich einer zulässigen Überhitzung erfolgt eine Hochdruckregelung, welche beispielsweise anhand der Drucksensoren p_e1 oder p_e2 erfolgt. Wenn der Hochdruck steigt, wird das Drosselorgan DO weiter geschlossen, während das Drosselorgan weiter geöffnet wird, wenn der Hochdruck fällt. Diese Regelung bzw. Steuerung erfolgt so lange, wie sich die Überhitzung ΔT_Ü im zulässigen Bereich befindet. Innerhalb des zulässigen Bereiches erfolgt somit eine Regelung des Drosselorgans in Abhängigkeit des Drucks, so lange bestimmte Temperaturwerte eingehalten werden.
3 zeigt eine Darstellung des zulässigen Überhitzungsbandes in einem lg p,h-Diagramm. Der Bereich der geringen Überhitzung stellt hierbei den Bereich B1, der Bereich der zulässigen Überhitzung den Bereich B2, und der Bereich der zu hohen Überhitzung stellt den Bereich B3 dar. In dem Bereich B1 wird das Drosselorgan DO geschlossen, und es erfolgt eine Regelung entsprechend der Temperatur. In dem Bereich B3 ist die Überhitzung zu stark, und das Drosselorgan DO wird geöffnet, d. h. es erfolgt eine Regelung entsprechend der Temperatur. In dem Bereich B2 ist die Überhitzung jedoch in dem zulässigen Bereich, und es erfolgt eine Regelung entsprechend des Hochdrucks.

Claims

Wärmepumpe, mit einem Kältemittelkreislauf, welcher im überkritischen Bereich betrieben wird, und welcher einen Enthitzer (E), einen Verdampfer (V), einen Verdichter (K) und ein Drosselorgan (DO) aufweist, und einer Steuereinheit (R) zum Steuern des Drosselorgans (DO) in Abhängigkeit eines ersten Druckes auf der Hochdruckseite des Kältemittelkreislaufes, wenn eine zulässige Überhitzung des Kältemittels in dem Kältemittelkreislauf vorhanden ist, und zum Steuern des Drosselorgans (DO) in Abhängigkeit einer ersten Temperatur vor dem Verdichter (K), wenn sich das Kältemittel in dem Kältemittelkreislauf außerhalb der zulässigen Überhitzung befindet.
Wärmepumpe nach Anspruch 1, wobei die Steuereinheit (R) dazu ausgestaltet ist, das Drosselorgan (DO) in Abhängigkeit der tatsächlichen Überhitzung zu steuern, wenn sich das Kältemittel in dem Kältemittelkreislauf außerhalb der zulässigen Überhitzung befindet.
Wärmepumpe nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei der Kältemittelkreislauf als ein CO₂-Kältemittelkreislauf ausgestaltet ist.
Wärmepumpe nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei in dem Kältemittelkreislauf mindestens ein Drucksensor (p_e1, p_e2) zum Messen eines Hochdruckes vorgesehen ist, wobei die Steuereinheit (R) dazu ausgestaltet ist, das Drosselorgan (DO) in Abhängigkeit des durch den mindestens einen Hochdrucksensor (p_e1, p_e2) gemessenen Hochdruckes zu regeln, wenn sich das Kältemittel in dem Kältemittelkreislauf in einer zulässigen Überhitzung befindet, wobei eine Regelung in Abhängigkeit der tatsächlichen Überhitzung erfolgt, wenn sich das Kältemittel in dem Kältemittelkreislauf außerhalb der zulässigen Überhitzung befindet.
Kältemittelkreislauf, welcher im überkritischen Bereich betrieben wird, mit einem Enthitzer (E), einem Verdampfer (V), einem Verdichter (K) und einem Drosselorgan (DO), und einer Steuereinheit (R) zum Steuern des Drosselorgans (DO) in Abhängigkeit eines ersten Druckes auf der Hochdruckseite des Kältemittelkreislaufes, wenn eine zulässige Überhitzung des Kältemittels in dem Kältemittelkreislauf vorhanden ist, und zum Steuern des Drosselorgans (DO) in Abhängigkeit einer ersten Temperatur vor dem Verdichter (K), wenn sich das Kältemittel in dem Kältemittelkreislauf außerhalb der zulässigen Überhitzung befindet.
Verfahren zum Steuern einer Wärmepumpe, welche einen im überkritischen Bereich betriebenen Kältemittelkreislauf mit einem Enthitzer (E), einem Verdampfer (V), einem Verdichter (K) und einem Drosselorgan (DO) aufweist, mit den Schritten: Steuern des Drosselorgans (DO) in Abhängigkeit eines ersten Druckes auf der Hochdruckseite des Kältemittelkreislaufes, wenn das Kältemittel sich in einer zulässigen Überhitzung befindet, und Steuern des Drosselorgans (DO) in Abhängigkeit einer ersten Temperatur vor dem Verdichter (K), wenn sich das Kältemittel in dem Kältemittelkreislauf außerhalb der zulässigen Überhitzung befindet.