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Die Erfindung betrifft eine Wärmepumpe für einen Warmwasserbereiter wobei die Wärmepumpe mittels eines Kältemittelkreislaufes von in Reihenschaltung angeordnetem Kältemittelverdichter, Kältemittelkondensator und Kältemittelverdampfer Wärme von einem kalten Medium auf ein zu erwärmendes Medium überträgt. Kältemittel ist ein unter Druck zu verflüssigendes Gas.
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Es sind bereits seid langem Warmwasser-Wärmepumpen bekannt, deren Aufgabe darin besteht, als separates Gerät Brauchwasser aufzuheizen. Zur zentralen Warmwasserbereitung mit Wärmepumpe wird meist ein Speicher mit einem besonderen Wärmetauscher eingesetzt. Eine Warmwasser-Wärmepumpe als Lösung zur Warmwasserbereitung hat eindeutige Vorteile gegenüber konventionellen Varianten. Solche Wärmepumpen zur Wärmeerzeugung, insbesondere zur Erwärmung von Wasser, sind somit bereits erfolgreich in der Anwendung. Zum Erfolg hat eine Vielzahl von Lösungen beigetragen, durch die in der Praxis auftretende Probleme überwunden wurden, wodurch sich jedoch die Wärmepumpenkreisläufe zunehmend kompliziert gestalten.
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Folgende Probleme werden beschrieben:
- • die Vermeidung von zu hohem Druck- und zu hohen Temperaturen,
- • die Vermeidung von Vereisung bzw.
- • die Enteisung von mit Luft beaufschlagten Kältemittelverdampfern,
- • Fehlregulation im Kältemittelkreislauf,
- • die zu langsame Erwärmung des Wassers im oberen Teil von Warmwasserspeichern (Boilern)
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In
DE 10 19 792 B ist eine Wärmepumpe mit Heißwasserwasser-Druckspeicher beschrieben. Bei ungenügender Wärmeaufnahme im Heißwasserspeicher kann es zu unerwünschtem Temperatur- und Druckanstieg im Kältemittelkondensator kommen, der den Kältemittelverdichter gefährdet. Zur Vermeidung des Temperaturanstieges wird ein vom Verflüssigungsdruck des Kältemittelkondensators gesteuertes Ventil verwendet, durch welches bei zu hohem Kondensationsdruck Warmwasser aus dem Heißwasserspeicher abgelassen wird.
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In
DE 10 31 326 A1 ist eine ähnliche Vorrichtung zur Vermeidung von zu hohem Druck im Kältemittelkondensator beschrieben. Auch hier wird ein zu hoher Kondensationsdruck u.a. durch Ablassen von heißem Wasser vermieden. In
DE 100 62 764 A1 wird ein zusätzlicher Wärmetauscher vorgeschlagen, um eine Überhitzung des Kältemittelverdichters zu vermeiden.
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Eine andere technische Lösung zur Vermeidung von zu hohen Kondensationsdrücken ist in
DE 102 43 170 A1 beschrieben. Durch ausreichend groß dimensionierten Inhalt des Kältemittelkondensators wird bei ungenügender Wärmeabführung der Temperaturanstieg auf eine Zeit von mehr als 5 Minuten verlangsamt. Damit ist genügend Zeit vorhanden, um eine sichere Abschaltung des Kältemittelverdichters vornehmen zu können.
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Eine Vielzahl von Veröffentlichungen bezieht sich auf die Enteisung von Kältemittelverdampfern, insbesondere von Kältemittelverdampfern, die mit Luft beaufschlagt sind. Vereisungen bei mit Luft beaufschlagten Kältemittelverdampfern können auch bereits bei Temperaturen über dem Gefrierpunkt auftreten. Zur Beseitigung der Eisbildungen wurden komplizierte technische Lösungen beschrieben.
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DE 29 54 402 C2 beschreibt einen mit Luft beaufschlagter Kältemittelverdampfer, der mehrere hintereinander liegende Register aufweist. Ein vom Kältemittelverdichter erhitztes zusätzliches Wärmespeichermedium wird bei Vereisung zum Kältemittelverdampfer geführt, um diesen zu erwärmen und von Eis zu befreien.
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Besonders komplizierte Maßnahmen zur Regelung der Enteisung von mit Luft beaufschlagten Kältemittelverdampfern werden in
EP 1 837 611 A2 und
DE 20 2006 010 412 U1 beschrieben. Die Enteisung arbeitet mittels einer „Kältemittelkreisumkehr“, die von entsprechenden Umkehrventilen mit Hilfe komplizierter Steuerungstechnik gesteuert wird. Durch Umkehr der normalen Strömungsrichtung des Kältemittelkreislaufes werden warme Kältemitteldämpfe zum Kältemittelverdampfer geführt und die Vereisung beseitigt.
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Aus der Druckschrift
DE 10 2006 013 587 A1 ist ebenfalls eine Wärmepumpe für eine Heizungsanlage bekannt, die einen Kältemittelkreislauf mit Reihenschaltung von Kältemittelverdichter, Kältemittelkondensator und Kältemittelverdampfer, der mit einem Kältemittel bestehend aus verflüssigbarem Gas arbeitet aufweist.
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Mit dieser Lösung soll eine Wärmepumpe und ein Verfahren zu deren Betreiben zur Verfügung gestellt werden, bei dem der Abtauzyklus gezielt gesteuert wird. Dazu wird das Ende des Abtauens der Wärmepumpe mittels einer Kältemittelkreisumkehr durch einen Drucksensor detektiert, der zwischen einem Expansionsventil und einer Vorrichtung zur Kältemittelkreisumkehr angeordnet ist. Der Drucksensor ist dazu mit einer Schalteinrichtung oder einer Regelung der Wärmepumpe verbunden, die wiederum an die Vorrichtung zur Kältemittelkreisumkehr angeschlossen ist. Die Steuerung und Regelung ist auch mit dem Verdichter und dem Expansionsventil verbunden. Sobald der Drucksensor die Überschreitung eines vorgegebenen Wertes während des Abtauens detektiert, wird das Abtauende eingeleitet. Das Expansionsventil ist mit einem Sensor verbunden, der in Kältemittel-Fließrichtung bei Heizbetrieb hinter dem Verdampfer angeordnet ist. Dieser Sensor soll vorzugsweise ein Temperatursensor sein.
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Es wird bei dieser Lösung somit bei Heizbetrieb der Druck im Verdampfer und nicht im Kondensator geregelt.
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Eine besondere Problematik wird in
DE 20 2006 010 412 U1 beschrieben. Die Regelung des Expansionsventils und damit des Druckes im Kältemittelverdampfer erfolgt in Abhängigkeit von der Temperatur am Austritt des Kältemittels aus dem Kältemittelverdampfer. Es kann auf Grund dieser Regelung und ungünstiger äußerer Bedingungen dazu kommen, dass das Expansionsventil schließt und der Kältemittelverdichter einen hohen Sog erzeugt. Diese Fehlsteuerung soll durch zusätzliche Einspeisung von Kältemittel durch ein mittels Magnetventil gesteuertes Kapillarrohr vermieden werden. Bei diesem komplexen System besteht die Gefahr, dass z.B. bei beginnender Vereisung durch verringerte Leistung des Verdampfers das Kältemittel unvollständig verdampft. Um eine Zerstörung des Verdichters zu vermeiden ist dem Verdichter ein Abscheider vorgeschaltet. Dieser Abscheider enthält im Normalfall kein flüssiges Kältemittel, da dies im Verdampfer vollständig verdampft und sich das Kältemittel im Zustand des Trockendampfes befindet. Die Reglung des Expansionsventils in Abhängigkeit von der Temperatur nach dem Verdampfer über die beschriebene Impulsleitung dient der Aufrechterhaltung des Trockendampfzustandes. Der Abscheider hat somit keinerlei thermodynamische Funktion, er stellt einen Sicherheitsbehälter dar, der bei unkontrollierbaren Zuständen eine Zerstörung des Verdichters durch Flüssigkeit verhindern soll und wird im Heizbetrieb von Trockendampf durchströmt. Weiterhin ist bei dieser Lösung das Expansionsventil mit einem Sensor verbunden, der in Kältemittel-Fließrichtung bei Heizbetrieb hinter dem Verdampfer angeordnet ist. Der Sensor soll vorzugsweise ein Temperatursensor sein. Damit wird also die Verdampfertemperatur geregelt.
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Die bevorzugte Erwärmung des Wassers im oberen Teil eines Warmwasserspeichers wird in
DE 28 51 511 A2 durch 2 Kältemittelkondensatoren gelöst, von denen sich einer im oberen Teil des Warmwasserspeichers und einer im unteren Teil befindet. Mit dieser Lösung soll gleichzeitig die Häufigkeit des Ein- und Ausschaltens verringert werden, da die Inbetriebnahme des Kältemittelverdichters gegen den Verdichtungsdruck dessen Lebensdauer negativ beeinflusst.
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Aus der Druckschrift
DE 10 2006 003 827 A1 ist ein Warmwasserbereiter eines Wärmepumpentyps mit einem Kältemittelverdampfer bekannt, bei welchem zur Detektierung der Vereisung eines Kältemittels die Temperatur des Kältemittels mittels eines Temperaturmessgerätes erfasst wird, wobei dann zur Enteisung des Kältemittelverdampfers die Druckregeleinrichtung deaktiviert wird. Der Kältemittelkreislauf wird mit einem überkritischen Kältemittel beschrieben. In diesen Kreisläufen kommt es im Kältemittelkondensator zu keiner Kondensation von Flüssigkeit. Dazu werden Druck und Temperatur des Kältemittels so gesteuert, dass alle Arbeitspunkte im überkritischen Bereich liegen, es tritt somit keine Phasenveränderung auf. Das Problem liegt hier in der Steuerung des Verdichter- und des Entspannungsdruckes um Sieden des Wassers zu vermeiden und eine ausreichend hohe Temperatur für die Enteisung zu erreichen.
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Auch die Druckschriften
DE 10 2005 028 405 A1 und
DE 199 55 339 A1 beschreiben einen Kältemittelkreislauf, der generell üblich bei Wärmepumpen ist. Bei diesen Lösungen wird ebenfalls der Kältemittelkreislauf mit überkritischem Kältemittel betrieben. Die thermodynamischen Verhältnisse sind stark abweichend von einem verflüssigbaren Kältemittel. Bei überkritischem Kältemittel ist der Druck nach dem Verdichter und im Kältemittelkühler höher als der kritische Druck des Kältemittels. Bei der Abkühlung des Kältemittels kommt es zu keiner Verflüssigung des Kältemittels. Dieser Apparat wird deshalb als Kältemittelkühler und nicht als Kältemittelkondensator bezeichnet. Die Wärmeabgabe erfolgt dabei gleichmäßig, was offensichtlich bei der Erwärmung von Luft für die Beheizung des Innenraumes eines Fahrzeuges von Vorteil ist (
DE 10 2005 028 405 A1 ). Die Strömungsrichtung des Kältemittels ist bei überkritischem Betrieb ohne Bedeutung. Der Druck im Kältemittelkühler ist nicht konstant, sondern wird als „Sollsteuerdruck Ph“ berechnet und daraus folgt der Schritt der „Ventilöffnungsgrad steuern“. Der Druck des Kältemittels ist somit nicht im Wesentlichen konstant, sondern wird durch eine Vielzahl von Einflussgrößen verändert.
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US 2001/0 010 157 A1 beschreibt eine Klimaanlage für Fahrzeuge, die mit überkritischem Kältemittel betrieben wird. In diesem Kältemittelkreislauf wird ein spezielles Regelventil beschrieben, welches den Druck im Kältemittelverdampfer konstant hält. Für die gesamte Regelung des Kreislaufes ist eine Vielzahl von Einflussfaktoren zu berücksichtigen. Der Einsatz dieser Klimaanlage für einen Warmwasserbereiter ist nicht möglich und auch nicht vorgesehen.
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Der technische Aufwand zur Steuerung des Kältemittelkreislaufes bei den vorgenannten Lösungen ist enorm.
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Es wird weiterhin in der Druckschrift
US 2 575 325 A eine Wärmepumpe beschrieben, bei welcher Expansionsventile verwendet werden. Diese Expansionsventile sind jedoch bezüglich der Durchflussmenge nicht regelbar. Die vor den Expansionsventilen befindlichen Magnetventile haben lediglich die Funktionen auf/zu. Damit kann dieses System nicht auf unterschiedliche Umgebungstemperaturen reagieren. Die Verwendung von Expansionsventilen erfordert die Anordnung eines Sammlers für flüssiges Kältemittel nach dem Kondensator, dabei wird sich im unteren Teil des Verdampfers kondensiertes Kältemittel sammeln. Das ist bei jedem Verdampfer der Fall. Bei ungeregelten Expansionsventilen wird sich auch ein Druck selbsttätig einstellen. Am Austritt des Verdampfers liegt das Kältemittel als Trockendampf vor. Bei geregeltem Expansionsventil stellt sich der Druck nicht selbsttätig ein, sondern wird durch die Reglung erzwungen. Auch in diesem Fall liegt das Kältemittel am Austritt des Verdampfers als Trockendampf vor, da die Reglung so konfiguriert wird.
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine Wärmepumpe für einen Warmwasserbereiter zu entwickeln und einen Kältemittelkreislauf einer Wärmepumpe so zu gestalten, dass die Steuerung des Kältemittelkreislaufes vereinfacht wird und technische Probleme bei Unregelmäßigkeiten vermindert werden. Die vereinfachte Steuerung des Kältemittelkreislaufes soll weiterhin die Voraussetzung schaffen, Wärmepumpen auch in sehr kleinen Anlagen zur Erzeugung von Warmwasser einzusetzen und somit jetzt noch übliche Elektroboiler zu ersetzen.
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Gelöst wird diese Aufgabe mit den Merkmalen des ersten Patentanspruchs. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Die Wärmepumpe für einen Warmwasserbereiter weist dabei einen Kältemittelkreislauf mit Reihenschaltung von Kältemittelverdichter, Kältemittelkondensator und Kältemittelverdampfer, der mit einem Kältemittel bestehend aus verflüssigbarem Gas arbeitet, und mit einer Druckregeleinrichtung und einem Kältemittelspeicher, wobei die Strömungsrichtung des Kältemittels im Kältemittelkondensator von oben nach unten gerichtet sowie die Strömungsrichtung im Kältemittelverdampfer von unten nach oben gerichtet ist, wobei erfindungsgemäß, durch die Druckregeleinrichtung der Druck im Kältemittelkondensator im Wesentlichen konstant gehalten wird, und sich kondensiertes Kältemittel im unteren Teil des Kältemittelkondensators sammelt, während sich der Druck im Kältemittelverdampfer im Wesentlichen selbstständig einstellt, wobei sich der Kältemittelspeicher in Strömungsrichtung hinter dem Kältemittelverdampfer befindet und die den Kältemittelverdampfer verlassenden Kältemitteldämpfe mit dem sich im Kältemittelspeicher befindenden flüssigem Kältemittel in Phasenkontakt gebracht werden und wobei die Druckregeleinrichtung ein den Druck nach dem Kältemittelverdichter überwachendes Druckmessgerät und ein den Druck nach dem Kältemittelverdichter auf einen konstanten Wert einstellendes Druckregelventil aufweist.
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Mit dieser Anordnung treten die folgend beschriebenen Effekte ein:
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Schutz vor zu hohem Verdichtungsdruck:
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Bei ungenügender Wärmeabnahme im Kältemittelkondensator durch das Medium kommt es zunächst zu einem Temperaturanstieg im Kältemittelkondensator. Mit steigender Temperatur vermindert sich die Menge an kondensiertem Kältemittel. Die maximale Temperatur ist die Kondensationstemperatur entsprechend des mittels der Druckregelung eingestellten Druckes. Bei weiterer Erwärmung kommt die Kondensation vollständig zum Erliegen, den Kältemittelkondensator verläßt nur dampfförmiges Kältemittel. Im Kältemittelverdampfer erfolgt deshalb auch keine Verdampfung und keine Wärmeaufnahme mehr. Der Wärmekreislauf kommt somit zum Erliegen, ohne daß eine Gefährdung des Kältemittelverdichters durch Anstieg des Verdichtungsdruckes oder der Verdichtungstemperatur besteht. Selbstverständlich muß dann in einem solchen Betriebsfall der Kältemittelverdichter abgeschaltet werden, z.B. über das Temperaturmeßgerät.
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Gleichmäßige Temperaturverteilung im Kältemittelverdampfer, Verminderung der Gefahr von Vereisung:
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Hinter dem Druckregelventil expandiert das Kältemittel auf den Saugdruck des Verdichters und wird im Kältemittelverdampfer durch Wärmeaufnahme von einem sich abkühlenden Medium verdampft. Dieser Saugdruck ist nicht geregelt. Der Druck des im Kältemittelverdampfer verdampfenden Kältemittels stellt sich auf Grund physikalischer Zusammenhänge selbsttätig ein. Physikalische Grundlage ist die allgemeine Gleichung für die Wärmeübertragung: Q = F·k·dTm
- Q
- = übertragene Wärmemenge
- F
- = wirksame Fläche des Wärmeüberträgers
- k
- = Wärmedurchgangsfaktor
- dTm
- = mittlere Temperaturdifferenz zwischen der Verdampfungstemperatur des Kältemittels und der Temperatur des Mediums.
Bei gleicher zu übertragender Wärmemenge sind alle Werte dieser Gleichung konstant, das betrifft auch die Temperaturdifferenz dTm. Wenn also die Temperatur des Mediums (z.B. Luft) höher oder tiefer ist, so ist auch die Verdampfungstemperatur des Kältemittels und damit der Verdampfungsdruck höher oder tiefer. Der Kältemittelverdichter arbeitet demnach mit variablem Saugdruck. Damit wird erreicht, daß sich die notwendige Leistung des Kältemittelverdichters bei hohen Lufttemperaturen selbsttätig verringert. Ein besonderes Problem stellt die gleichmäßige Temperaturverteilung im Kältemittelverdampfer dar. Im Idealfall ist die Temperatur des verdampfenden Kältemittels über den gesamten Kältemittelverdampfer konstant. Dies ist nur dann der Fall, wenn die Verdampfung des Kältemittels erst am Ende des Kältemittelverdampfers abgeschlossen ist. Andernfalls steigt die Temperatur des Kältemittels am Ende des Kältemittelverdampfers an. Eine ungleichmäßige Temperaturverteilung führt zu schnellerer Vereisung, beginnend vom Eintritt des Kältemittels in den Kältemittelverdampfer. Erfindungsgemäß wird die gleichmäßige Temperaturverteilung dadurch erreicht, daß das Kältemittel den Kältemittelverdampfer von unten nach oben durchströmt und nach Verlassen des Kältemittelverdampfers im Kältemittelspeicher ins Phasengleichgewicht mit flüssigem Kältemittel gebracht wird. Dazu wird das verdampfte Kältemittel durch das flüssige Kältemittel im Kältemittelspeicher geleitet. Dem Kältemittelverdichter strömen die Kältemitteldämpfe mit tiefster möglicher Temperatur zu. Wichtig ist ein genügend großer freier Raum im Kältemittelspeicher, um Mitreißen von Flüssigkeit in den Kältemittelverdichter zu vermeiden.
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Fehlregulation im Kältemittelkreislauf
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Eine Fehlregulation des Expansionsventils kann entstehen im Zusammenwirken von Temperaturregelung des Kältemittelverdampfers, Expansionsventil und plötzlicher Veränderung der Wärmeaufnahme. Eine derartige Fehlregulation ist im erfindungsgemäßen Kältemittelkreislauf ausgeschlossen. Dadurch, dass die Strömungsrichtung des Kältemittels im Kältemittelkondensator bevorzugt von oben nach unten und im Kältemittelverdampfer insbesondere von unten nach oben gerichtet ist wird erreicht, dass im Kältemittelkondensator die Wärmeabgabe im oberen Teil beginnt. Das kondensierte Kältemittel sammelt sich im unteren Teil des Kältemittelkondensators, der als Rohrbündel oder Rohrschlage ausgeführt sein kann. Die Kondensation des Kältemittels erfolgt deshalb zunächst ausschließlich im oberen Teil des Kältemittelkondensators und erwärmt diesen oben. Mit fortschreitender Erwärmung findet die Kondensation zunehmend im unteren Teil des Kältemittelkondensators statt, wodurch das verflüssigte Kältemittel zunehmend aus dem Kältemittelkondensators verdrängt wird. Die nach oben gerichtete Strömung im Kältemittelverdampfer verhindert die schnelle Abscheidung von flüssigem Kältemittel im Kältemittelspeicher und sichert damit eine gleichmäßige Temperaturverteilung im Kältemittelverdampfer.
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Für die Detektierung der Vereisung des Kältemittelverdampfers wird z.B. der Druck des Kältemittels im Verdampfer mittels eines Druckmessgerätes und/oder die Temperatur des Kältemittels mittels eines Temperaturmessgerätes nach dem Kältemittelverdampfer erfasst.
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Zur Enteisung des Kältemittelverdampfers nach Anspruch 2 wird bevorzugt die Druckregeleinrichtung außer Kraft gesetzt, während gleichzeitig ein eventuell vorhandenes Gebläse zur Beaufschlagung des Kältemittelverdampfers mit Luft abgeschaltet wird. Zu diesem Zweck wird das Druckregelventil oder ein parallel geschaltetes Magnetventil (nicht gezeichnet) geöffnet. Der Druck im Kältemittelkondensator sinkt und der Druck im Kältemittelverdampfer erhöht sich. Es findet keine Kondensation im Kältemittelkondensator mehr statt. Den Kältemittelkondensator verlassen warme Kühlmitteldämpfe in der normalen Strömungsrichtung und führen zur Erwärmung und Enteisung des Kältemittelverdampfers. Nach Beseitigung der Vereisung steigt der Druck vor dem Kältemittelverdichter schnell an, was insbesondere mittels eines Druckmeßgerätes erfaßt wird. Durch die Inbetriebnahme der Druckregelung mittels des Druckregelventils und durch die Abschaltung der Heizung wird der Vorgang der Enteisung beendet.
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Gemäß Anspruch 2 wird der Effekt der Enteisung des Kältemittelverdampfers vorteilhafter Weise durch eine zusätzliche Heizung des flüssigen Kältemittels im Kältemittelspeicher erhöht. Diese Verdampfung von Kältemittel führt zu einer erhöhten Wärmeabgabe im Kältemittelverdampfer durch Kondensation der gleichen Kühlmittelmenge, die mittels der Heizung verdampft wird.
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Selbstverständlich können in schwierigen Situationen zusätzliche Maßnahmen zur Enteisung wie z.B. Zusatz-Heizregister u.a. angewendet werden.
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Weiterhin ist es nach Anspruch 4 möglich, bei Anlagen, die intermittierend betrieben werden, wie z.B. Speicher für ein zu erwärmendes Fluid (Warmwasserspeicher), parallel zum Druckregelventil ein Kapillarrohr angeordnet wird, dessen Kapazität kleiner ist als der Strom des zirkulierendem Kältemittel. Damit wird die erneute Inbetriebnahme des Kältemittelverdichters erleichtert. Nach der Abschaltung des Kältemittelverdichters kann der Kältemittelkondensator im Warmwasserspeicher leer laufen und auf den Druck des Kältemittelverdampfers entspannen, wodurch der Kältemittelverdichter ohne Gegendruck in Betrieb genommen werden kann.
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Dabei ist vorteilhafter Weise der sich erwärmende der Bereich des Kältemittelkreislaufes der Wärmepumpe im Warmwasserspeicher angeordnet, so dass die Wärme direkt auf die zu erwärmende Flüssigkeit übertragen wird. Diese Anordnung ist insbesondere für kleine Anlagen sinnvoll und erleichtert die Errichtung als Kompaktanlage, da dann Kältemittelverdichter, Kältemittelkondensator und Warmwasserspeicher zu einer Einheit vereinigt werden können.
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Dabei überträgt bevorzugt der sich erwärmende Bereich des Kältemittelkreislaufes der Wärmepumpe über einen Wärmetauscher die Wärme auf die zu erwärmende Flüssigkeit. Die Zwischenschaltung eines Wärmetausches ist bei größeren Anlagen sinnvoll, wenn mehrere Wärmeverbraucher durch die Wärmepumpe mit Wärme versorgt werden sollen. In diesem Falle ist das Medium mit Zuführung und Abführung ein Wärmeträgermedium zwischen Wärmepumpe und nachgeschalteten Verbrauchern. Insbesondere ist dazu gem. Anspruch 9 der Kältemittelkondensator im inneren des Wärmetauschers angeordnet, welcher von dem zu erwärmendem Medium (bevorzugt Wasser) durchströmt wird. Verfahrensgemäß erfolgt das Betreiben der Wärmepumpe einer Heizungsanlage, unter Verwendung eines Kältemittelkreislaufes mit Reihenschaltung von Kältemittelverdichter, Kältemittelkondensator und Kältemittelverdampfer, der mit einem Kältemittel bestehend aus verflüssigbarem Gas arbeitet, und mit einer Druckregeleinrichtung und einem Kältemittelspeicher, wobei die Strömungsrichtung des Kältemittels im Kältemittelkondensator von oben nach unten gerichtet sowie die Strömungsrichtung im Kältemittelverdampfer von unten nach oben gerichtet ist, wobei erfindungsgemäß im Kältemittelkondensator ein im Wesentlichen konstanter Druck erzeugt wird und der Druck im Kältemittelverdampfer im Wesentlichen ungeregelt ist (sich im Wesentlichen selbst einstellt) und sich kondensiertes Kältemittel im unteren Teil des Kältemittelverdampfers (6) sammelt wobei der Kältemittelspeicher (7) so hinter dem Kältemittelverdampfer (6) angeordnet ist, dass die den Kältemittelverdampfer verlassenden Kältemitteldämpfe zu dem sich in Strömungsrichtung hinter dem Kältemittelverdampfer befindlichen Kältemittelspeicher geleitet und mit dem sich im Kältemittelspeicher befindenden flüssigem Kältemittel in Phasenkontakt gebracht werden und wobei die Druckregeleinrichtung ein Druckmessgerät und eine Druckregelventil aufweist und der Druck nach dem Kältemittelverdichter mittels des Druckmessgerätes überwacht und mittels des Druckregelventils auf einen konstanten Wert eingestellt wird, so dass der Druck nach dem Kältemittelverdichter und im Kältemittelkondensator konstant ist.
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Dabei durchströmt das Kältemittel den Kältemittelkondensator mit einer von oben nach unten gerichteten Strömungsrichtung und den Kältemittelverdampfer mit einer von unten nach oben gerichteten Strömungsrichtung.
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Zur Detektierung von Vereisungen des Kältemittelverdampfers erfolgt eine Druckmessung und/oder eine Temperaturmessung des Kältemittels (Anspruch 14).
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Die Enteisung des Kältemittelverdampfers erfolgt bevorzugt durch außer Kraftsetzung der Druckregeleinrichtung (s. Anspruch 11), während gleichzeitig ein eventuell vorhandenes Gebläse zur Beaufschlagung des Kältemittelverdampfers mit Luft abgeschaltet wird.
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Die Enteisung des Kältemittelverdampfers kann unter Beaufschlagung einer zusätzlichen Beheizung des flüssigen Kältemittels im Kältemittelspeicher erfolgen.
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Es ist möglich, die Heizungsanlage intermittierend zu betreiben, die dann z.B. in Form eines Warmwasserspeichers ausgebildet ist, wobei parallel zum Druckregelventil ein Kapillarrohr geschaltet ist, welches eine geringere Kapazität als der Strom des zirkulierenden Kältemittels aufweist.
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Die Übertragung der Temperatur von dem sich erwärmende Bereich des Kältemittelkreislaufes der Wärmepumpe erfolgt entweder direkt auf die zu erwärmende Flüssigkeit oder über einen Wärmetauscher (20).
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen und zugehörigen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
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1: Prinzipdarstellung des Kältemittelkreislaufes einer Wärmepumpe,
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2: die Anwendung in einem Warmwasserspeicher.
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Der in 1 gezeigte Kältemittelkreislauf einer Wärmepumpe besteht in der Anordnung eines Kältemittelverdichters 1, eines Kältemittelkondensators 2 eines Kältemittelverdampfers 6 und eines Kältemittelspeichers 7, die in Reihe geschaltet sind. Alle Apparate sind mit einer Rohrleitung R verbunden, in der ein Wärmetransportmittel, Kältemittel genannt, strömt. Als Kältemittel werden im Allgemeinen unter Druck verflüssigbare Gase verwendet. In der Rohrleitung befinden sich Armaturen zur Steuerung des Kältemittelkreislaufes sowie Meßgeräte zur Überwachung des physikalischen Zustandes des Kältemittels. Weitere Meßgeräte sind zur Überwachung der Wärmeabgabe im Kältemittelkondensator und zur Überwachung der Wärmeaufnahme im Kältemittelverdampfer vorhanden. Der in 1 gezeigte Kältemittelkreislauf soll als Heizeinrichtung dienen. Das durch den Kältemittelverdichter 1 verdichtete Kältemittel wird durch die Rohrleitung R dem Kältemittelkondensator 2 zugeführt und durchströmt den Kältemittelkondensator 2 von oben nach unten. Der Kältemittelkondensator 2 befindet sich im inneren eines Wärmetauschers 20. Im Kältemittelkondensator 2 verflüssigt sich das Kältemittel und gibt Wärme an ein zu erwärmendes Medium 1 ab. Dieses Medium 1 ist im allgemeinen Wasser, welches durch die Zuleitung 14 dem Wärmetauscher 20 mit niedriger Temperatur zugeführt wird und den Wärmetauscher 20 durch die Ableitung 15 mit höherer Temperatur verläßt. Der Druck nach dem Kältemittelverdichter 1 wird mittels eines Druckmeßgerätes 3 überwacht und erfindungsgemäß mittels eines Druckregelventils 4 auf einen konstanten Wert eingestellt. Eine Druckregeleinrichtung, bestehend aus Druckmeßgerät 3 und Druckregelventil 4 läßt soviel Kältemittel aus dem Kältemittelkondensator 2 zum Kältemittelverdampfer 6 ab, daß der Druck nach dem Kältemittelverdichter 1 und im Kältemittelkondensator 2 konstant ist. Die Höhe des Druckes kann gewählt werden und bestimmt die Kondensationstemperatur. Die Höhe des Druckes kann auch in Abhängigkeit von der gewünschten Temperatur am Ausgang 15 des Wärmetauschers 20 eingestellt werden. Dazu notwendige übliche weitere Temperaturmeßgeräte sind hier nicht dargestellt. Hinter dem Druckregelventil 4 expandiert das Kältemittel auf den Saugdruck des Kältemittelverdichters 1 und wird im Kältemittelverdampfer 6 durch Wärmeaufnahme von einem sich abkühlenden Medium 2 verdampft. Dieses Medium2 wird dem Verdampfer 6 mittels eines Ventilators 18 aus dem Raum 16 zugeführt. Das abgekühlte Medium 2 strömt in den Raum 17. Die den Kältemittelverdampfer 6 verlassenden Kältemitteldämpfe durchströmen das flüssige Kältemittel im Kältemittelspeicher 7 und werden somit gemeinsam in Phasenkontakt gebracht. Vom Kältemittelspeicher 7 strömen die Kätemitteldämpfe dann erneut dem Kältemittelverdichter 1 zu. Bei Detektierung von Vereisung im Kältemittelverdampfer 6 mittels der Messgeräte 11/12 wird das Druckregelventil 4 geöffnet, der Ventilator 18 außer Betrieb genommen und die Heizung 10 im Kältemittelspeicher 7 eingeschalten. Bei Druck-/Temperaturanstieg an den Meßgeräten 11, 12 ist die Enteisung beendet, die Druckregelung 4 und der Ventilator 18 werden wieder in Betrieb genommen, sowie die Heizung 10 abgeschaltet.
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Die in 2 dargestellte Variante des erfindungsgemäßen Kältemittelkreislaufes stellt die Anwendung zur Erwärmung von Wasser in einem Warmwasserspeicher 19 dar. Der Warmwasserspeicher 19 weist eine Zuleitung 14 und eine Ableitung 15 für das Wasser (Wärmeträgermedium) auf. In dem Warmwasserspeicher 19 ist der als Rohrschlage ausgeführte Kältemittelkondensator 2 angeordnet. Infolge der Regelung des Druckes im Kondenstor 2 mittels des Druckregelventils 4 findet die Erwärmung des Wassers grundsätzlich von oben nach unten statt. In einer einfachen Ausführung kann die Druckregelung mittels eines federbelasteten Druckregelventils 4 erfolgen. Die Höhe des Druckes kann auch in Abhängigkeit von der gewünschten Temperatur an der Ableitung 15 des Wärmetauschers 20 eingestellt werden. Das Kältemittel, welches eine Temperatur von insbesondere 60 bis 90°C (in Abhängigkeit vom Verdichterdruck) aufweist, kondensiert im oberen Teil des als Rohrschlage ausgeführten Kältemittelkondensators 2 im Warmwasserspeicher 19, kondensiertes Kältemittel (punktiert dargestellt) sammelt sich im unteren kalten Teil des Kältemittelkondensators 2 und gibt dort seine Restwärme ab. Wenn das Wasser im oberen Teil des Warmwasserspeichers 19 erwärmt ist, findet die Kondensation auch im unteren Teil des Warmwasserspeichers 19 statt und führt dann zur Erwärmung des gesamten Warmwasserspeichers 19. Wenn am Temperaturmessgerät 13/1 die vorgegebenen Temperatur erreicht ist, werden der Kältemittelverdichter 1 und der Ventilator 18 ausgeschaltet. Die Inbetriebnahme erfolgt, wenn die Temperatur am Temperaturmeßgerät 13/2 einen bestimmten Wert unterschreitet. Die Temperaturmeßgeräte 13/2 werden im oberen und unteren Drittel des Warmwasserspeichers 19 angeordnet. Damit die erneute Inbetriebnahme des Kältemittelverdichters 1 erleichtert wird, ist parallel zum Druckregelventil 4 die Kapillare 5 angeordnet. Nach der Abschaltung des Kältemittelverdichters 1 kann so die im inneren des Warmwasserspeichers 19 befindliche Rohrschlange 2 leer laufen und auf den Druck des Kältemittelverdampfers 6 entspannen, wodurch der Kältemittelverdichter 1 ohne Gegendruck in Betrieb genommen werden kann. Das verflüssigte Kältemittel wird im Verdampfer 6 bei niedrigem Druck verdampft. Dieser Druck ist nicht geregelt. Mittels Ventilator 18 wird dem Verdampfer 6 Luft 16 mit Umgebungstemperatur zugeführt. Die benötigte Verdampfungswärme zur Verdampfung des Kältemittels wird der Luft 16 entnommen und kühlt diese ab. Die abgekühlte Luft 17 verläßt den Verdampfer 6. Bei Detektierung von Vereisung im Verdampfer 6 mittels der Meßgeräte 11/12 wird das Druckregelventil 4 geöffnet, der Ventilator 18 außer Betrieb genommen und die Heizung 10 im Kältemittelspeicher 7 eingeschalten. Bei Druck-/Temperaturanstieg an den Meßgeräten 11, 12 ist die Enteisung beendet, die Druckregelung 4 und der Ventilator wird wieder in Betrieb genommen, sowie die Heizung 10 abgeschaltet.
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Zur Wassererwärmung im Falle von Störungen im Kältemittelkreislauf ist die Ausrüstung des Warmwasserspeichers 19 mit einer zusätzlichen elektrischen Heizung 21 zu empfehlen.
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Für den beschriebenen Kältemittelkreislauf zur Erwärmung von Wasser in einem Warmwasserspeicher 19 empfiehlt sich die Konstruktion als Kompaktanlage.
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Von besonderem Vorteil ist insgesamt, dass der Druck im Kältemittelkondensator 2 durch eine Regeleinrichtung 3 und 4 geregelt wird, während Druck und Temperatur im Kältemittelverdampfer 6 nicht geregelt werden.