DE2638480A1

DE2638480A1 - Waermepumpensystem

Info

Publication number: DE2638480A1
Application number: DE19762638480
Authority: DE
Inventors: James Ranck Harnish
Original assignee: Borg Warner Corp
Current assignee: Borg Warner Corp
Priority date: 1975-09-02
Filing date: 1976-08-26
Publication date: 1977-03-03
Also published as: AU1692976A; US4030315A; IT1065134B; BR7605800A; FR2323110B1; GB1508087A; JPS6039939B2; DE2638480C2; AR210155A1; AU504801B2; MX143838A; JPS5232155A; CA1034779A; FR2323110A1

Description

Patentanwälte O C ^ Q / Q Π

Dipl. Ing. H. Hauck Z O O O 4 O U Dipl. P'nys. W. Schmitz

Dipl. Ing. E. Graalfs Dipl. ing. W. Wehnert Dipl. Fhys. VV. Carstens 8 München 2 Mozartstr, 23

BORG-WARNER CORPORATION

200 South Michigan Avenue München, 26. August 1976

Chicago, 111. 60604, USA Anwaltsakte: M-4016

Wärmepumpensystem

Die Erfindung betrifft ein Wärmepumpensystem mit einem Kompressor, einer Strömungsmittel-Umlenkeinrichtung, einer Innenspule, einer Außenspule, zwei Expansionseinrichtungen, einem ersten geschlossenen Kältemittelkreis vom Kompressor durch die Umlenkeinrichtung zur Außenspule und dann durch die erste Kältemittel-Expansionseinrichtung zur Innenspule und zurück zum Kompressor, wobei die Umlenkeinrichtung so umgestellt werden kann, daß das Kältemittel in einem zweiten geschlossenen Kreis vom Kompressor zur Innenspule durch die zweite Kältemittel-Expansionseinrichtung zur Außenspule und dann zurück zum Kompressor fließen kann.

Reversible Wärmepumpen enthalten in der Saugleitung einen Wärmetauscher, der nur beim Heizzyklus arbeitet und flüssiges überschüssiges Kältemittel wieder verdampft, das vom Schmiermittel : mitgeführt wird, welches zum Saugeinlaß des Kompressors strömt.

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Im US-Patent 3 O77 086 ist ein Öl-Destilliergerät für eine reversible Wärmepumpe vorgesehen. Eine Mischung aus Kältemittel und Öl wird dabei abgezapft, die durch einen Oldestillierkolben gepumpt wird. Dieser wird vom Ausstoßgas des Kompressors erwärmt. Da zur Erzeugung der Destillationswärme Ausstoßgas anstelle von unter hohem Druck stehender Kältemittelflüssigkeit verwendet wird, wird der Wärmetauscher sowohl beim Heiz- als auch beim Kühlzyklus verwendet. Hiervon läßt sich die vorliegende Erfindung ohne weiteres unterscheiden.

Beim US-Patent 3 246 482 befindet sich ein Wärmetauscher zwischen der Leitung für flüssiges Kältemittel und der Saugleitung. Dieser arbeitet sowohl beim Heiz- als auch beim Kühlzyklus. Viele ähnliche Patente betreffen Bauweisen, bei denen absichtlich so viel Kältemittel zugegeben wird, daß sich im Akkumulator sowohl beim Heiz- als auch beim Kühlzyklus ein Flüssigkeitsspiegel erhält. Bei diesen ist entsprechend ein Wärmetausch in beiden Arbeitszyklen notwendig, damit die Flüssigkeit, die vom Akkumulator in die Saugleitung zurückkehrt, verdampft wird.

Die vorliegende Erfindung betrifft solche Wärmepumpen, bei denen ein Wärmetauscher eine Wärmeübertragung von der heißen Flüssigkeit, welche die als Kondensor arbeitende Spule verläßt, und dem Sauggas, welches die als Verdampfer wirkende Spule verläßt, herstellt. Diese Wärmeübertragung kann im wesentlichen ohne thermo- : dynamischen Verlust stattfinden. Die Führung des Kältemittels ist so, daß der Wärmetauscher automatisch umgangen wird, wenn das System vom Heizbetrieb auf den Kühlbetrieb umgestellt wird.

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Bei reversiblen Wärmepumpen vom Kapillartyp war es bisher allgemein üblich, das System so überzubeschicken, daß sich beim Heizzyklus eine beträchtliche Kältemittelmenge im Akkumulator in der Saugleitung erhielt. Dies deshalb, da die zur Kühlung erforderliche Beschickung sehr viel größer ist als diejenige, die zum Heizen erforderlich ist. Es war außerdem üblich, ein Abzugsloch in der Akkumulatorsaugleitung vorzusehen, damit alles öl zum Kompressor zurückgeführt wirö. Die Mischung aus flüssigem Kältemittel und öl führt jedoch dazu, daß sowohl Kältemittel als auch Öl zum Kompressor zurückgeführt wird. Wenn das flüssige Kältemittel nicht verdampft wird, fließt das flüssige Kältemittel zum ölsumpf des Kompressors, wo es das öl verdünnt. Dies führt zu einer schlechten Schmierwirkung und zu einer verringerten Lebensdauer des Kompressors. Die vorliegende Erfindung schafft einen Wärmeaustausch zwischen der unter hohem Druck stehenden Flüssigkeit, welche die Innenspule verläßt, und dem Sauggas. Auf diese Weise wird die unter hohem Druck stehende Flüssigkeit unterkühlt, wobei gleichzeitig etwa im Sauggas vorhandene Flüssigkeit ohne thermodynamischen Verlust verdampft wird. Beim Kühlbetrieb ar- ; beitet der Akkumulator ohne flüssiges Kältemittel unter normalen , Bedingungen. Wenn Wärme benutzt würde, würde der Kompressor bei ; hohen Belastungen überhitzt. Die Erfindung schafft eine einfache, wirtschaftliche Einrichtung zur Erwärmung des Sauggases, und zwar ^! nur während des Heizzyklus; das Sauggas wird während des Kühl-• zyklus im wesentlichen nicht erwärmt.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen ^:

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mit Bezug auf die Zeichnung näher erläutert; es zeigen:

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j Fig. 1 eine Schemadiagramm eines reversiblen Wärmepumpen-

I systems gemäß der vorliegenden Erfindung;

Fig. 2 eine Abwandlung des in Fig. 1 gezeigten Wärmepumpensystems;

Fig. 3 eine weitere Abwandlung des in Fig. 1 gezeigten Wärmepumpensystems.

Wie aus Fig. 1 zu erkennen, enthält das System einen Kompressor 10, ein Umstellventil 12, eine Außenspule 14, ein Rückschlagventil 16, eine Kapillare 18, eine Innenspule 20, einen Akkumulator 22 in der Saugleitung und einen Wärmetauscher 24. Die durchgezogenen Pfeile in Fig. 1 zeigen die Richtung der Kältemittelströmung beim Kühlbetrieb, der folgendermaßen beschrieben werden kann: Kältemittel, das im Kompressor 10 komprimiert wird, strömt durch die Heißgasleitung zum Vierwege-Umstellventil 12. In dessen mit durchgezogenen Linien dargestellter Stellung erfolgt die Strömung von der Leitung 26 zur Heißgasleitung 28, die mit der Außenspule 14 verbunden ist. Das Kältemittel kondensiert in der Spule 14 und strömt durch die Heißflüssigkeitsleitung 30, das Rückschlagventil 16 und die Kapillare 18 zur Niedrigdruck-Flüssigkeitsleitung 32. Das Kältemittel fließt weiter durch die Innenspule 20,

■ die nun als Verdampfer arbeitet, dann durch die Kaltgasleitung 34, den anderen (durchgezogen dargestellten) Durchgang im Umstellven-

j' til 12, die Leitung 36, den Akkumulator 22 in der Saugleitung und j die Leitung 40 zum Wärmetauscher 24.

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Der Wärmetauscher 24 kann von herkömmlicher Bauart sein, beispiels-

] weise aus Rohr und Umhüllung, aneinandergelöteten Rohren und ähn-

: lichem. Auf einer Seite fließt kein Strömungsmittel, so daß beim Kühlzyklus keine beträchtliche Wärmeübertragung stattfindet, wäh-

: rend das Kältemittel durch den Wärmetauscher und über die Leitung 44 zur Saugseite des Kompressors 10 strömt.

Beim Heizzyklus wird das Ventil 12 in die gestrichelt dargestellte Position gebracht. Der Fluß des Kältemittels ist durch die gestrichelt dargestellten Pfeile angegeben. Aus dem Kompressor 10 strömt das Kältemittel über die Leitung 26 durch das Ventil 12 und die Leitung 34 zur Innenspule 20, die als Kondensor arbeitet. Die Strömung geht weiter über die Leitungen 32 und 46 zum Wärmetauscher 24, wo sie in Wärmetausch mit gekühltem Gas (und flüssigem Kältemittel/Schmieröl) tritt, das durch die Leitungen 40 und 44 zurück zum Kompressor strömt. Die gekühlte Flüssigkeit strömt dann vom Wärmetauscher über die Leitung 48, welche das Rückschlag·* ventil 50 und die Kapillare 52 enthält, zur Leitung 30. Sie wird dann zur Außenspule 14 gerichtet, die als Verdampfer arbeitet.Die ; Strömung verläuft dann durch die Leitung 28, das Ventil 12, die

Leitung 36, den Akkumulator 22 in der Saugleitung und die Leitung • 40 zur anderen Seite des Wärmetauschers 24. Das flüssige Kältemittel, das vom Strom mitgeführt wird, wird von der Wärme ver- : dampft, die vom heißen Flüssigkeitsstrom (der unterkühlt wird)

herrührt. Die Mischung aus Kältemittelgas und Sckmieröl wird :

ι ;

ί zur Saugseite des Kompressors 12 über die Leitung 44 geleitet. j

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Das soeben beschriebene System wird am besten als Einheit gebaut, bei dem alle Komponenten sich in einer abgeschlossenen Anordnung befinden. Dabei kann es sich beispielsweise um Fenster- oder durch die Wand gehende Einheiten handeln. Wenn das System aufgeteilt ist, wenn also der Kompressor und die Außenspule in einer Einheit und der Verdampfer in der anderen ist, muß im System von Fig. 1 eine gewisse Abwandlung stattfinden. Der Hauptunterschied besteht in den Flüssigkeits- und Gasleitungen zu der bzw. von der Innenspule.

Ein gespaltenes System ist in Fig. 2 gezeigt. Dort sind die Einzelelemente dieselben; sie entsprechen der in Fig. 1 gezeigten Einheit. Die gleichen Bezugszeichen werden verwendet.

Das System ähnelt der in Fig. 1 gezeigten Montageeinheit stark, mit der Ausnahme, daß die Leitung 34 einen Verbxndungsabschnitt 34A und die Leitung 32 einen Verbxndungsabschnitt 32A besitzt. ^; Beim Kühlbetrieb strömt Kältemittel vom Kompressor 10 durch das ! Umstellventil 12 und die Leitung 28. Von der Spule 14 strömt

f kondensiertes Kältemittel durch das Rückschlagventil 50, die

; Leitung 32, welche den Verbxndungsabschnitt 32A und die Kapillare : 52 enthält, zur Innenspule 20. Kältemitteldampf strömt dann

ί über die Leitung 34, welche den Verbxndungsabschnitt 34A enthält, zum Umstellventil 12, der Leitung 36, dem Akkumulator 22, j dem Wärmetauscher 24 und über die Leitung 44 zurück zur Saug- ·seite des Kompressors.

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Beim Heizzyklus wird Kältemittel vom Kompressor 10 über die Heizgasleitung 26 und das ümstellventil 12 (über den gestrichelt dar-

! gestellten Weg), dann über die Leitung 34 (34A) zur Innenspule ! geleitet. Von der Innenspule 20 strömt das Kältemittel über die

ι Leitung 32, das Rückschlagventil 54,(das weniger Strömungswiderstand entgegensetzt als die Kapillare 52), den Verbindungsabschnitt 32A und dann durch die Leitung 46 zum Wärmetauscher 24. Vom Wärmetauscher 24 strömt unterkühltes Kältemittel über die Leitung 48 durch die Kapillare 56 und die Leitung 30 zur Außenspule 14. Kältemitteldampf fließt dann über die Leitung 28, das Umstellventil 12, die Leitung 36 zum Akkumulator 22 in der Saugleitung. Das Sauggas kehrt dann zum Kompressor 10 über die Leitung 40, den Wärmetauscher 24 und die Leitung 44 zurück.

Fig. 3 zeigt eine weitere Abwandlung der Erfindung, die zum Einbau als Montageeinheit geeignet ist. Wieder werden dieselben Bezugszeichen verwendet, soweit die Elemente mit solchen aus Fig.1 ; übereinstimmen. Beim Kühlzyklus gelangt Kältemittel vom Kompressor 10 durch die Heißgasleitung 26, das ümstellventil 12 und die Leitung 28 zur Außenspule 14. Das kondensierte Kältemittel strömt

] dann durch die Leitung 30, das Rückschlagventil 16 und die Lei-

' tung 60 durch einen darin befindlichen Filtertrockner. Von dort strömt das Kältemittel durch die Kapillare 70, die Leitung 72 zur Innenspule 20 über eine Leitung 32. Der Rückweg zur Kompressor-

'■

saugseite entspricht dem bei den zuvor beschriebenen Ausführungs-

j formen. Das heißt, er erfolgt über die Leitung 34, das Umstellventil 12, den Akkumulator 22 in der Saugleitung, die Leitung 40, den Wärmetauscher 24 und die Leitung 44.

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Beim Heizbetrieb strömt heißes Gas vom Kompressor 10 durch die Heißgasleitung 26 und das Umstellventil (über den gestrichelt dargestellten Weg) und die Leitung 34 zur Innenspule 20. Von der Innenspule strömt das kondensierte Kältemittel über die Leitung 32, das Rückschlagventil 74, die Leitung 60 (die den Filtertrockner 62 enthält), die Leitung 46 zum Wärmetauscher 24. Vom Wärmetauscher 24 gelangt die unterkühlte Flüssigkeit durch die Kapillare 76, die Leitung 30 zur Außenspule 14. Der Dampf kehrt zur Saugseite des Kompressors über die Leitung 28, das Umstellventil 12, den Akkumulator 22 in der Saugleitung, die Leitung 40, den Wärmetauscher 24 und die Leitung 44 zurück.

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Claims

PATENTANSPRÜCHE

1. Warmepumpensystem mit einem Kompressor, einer Umkehreinrichtung für das Strömungsmittel, einer Innenspule, einer Außenspule, zwei Expansionseinrichtungen, einem ersten geschlossenen Kältemittelkreis vom Kompressor durch die Umkehreinrichtung zur Außenspule und dann durch die erste Kältemittel-Expansionseinrichtung zur Innenspule und zurück zum Kompressor, wobei die Umkehreinrichtung so umgestellt werden kann, daß Kältemittel vom Kompressor in einem zweiten geschlossenen Kreis zur Innenspule,über die zweite Kältemittel-Expansionseinrichtung zur Außenspule und dann zurück zum Kompressor fließt, gekennzeichnet durch einen Wärmetauscher (24), der das vom Kompressor (10) zurückkehrende Strömungsmittel in Wärmeaustausch mit unter hohem Druck stehender Flüssigkeit bringt, die im zweiten geschlossenen Kreis von der Innenspule (20) kommt, und durch einen Nebenweg, auf dem der Wärmetauscher (24) bei Strömung im ersten geschlossenen Kreis umgangen wird.

2. System nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen Wärmetauscher (24), durch den auf niedrigem Druck befindlicher Kältemitteldampf auf dem Rückweg zum Kompressor (10) strömt,

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durch eine erste Leitung, welche heißes, kondensiertes Kältemittel von der Innenspule (20) durch den Wärmetauscher (24)
führt, der sich in Wärmeaustausch mit auf niedrigem Druck befindlichem Kältemitteldampf befindet, und durch eine zweite
Leitung, die heißes kondensiertes Kältemittel von der Außenspule (14) direkt zur ersten Expansionseinrichtung führt.

3. System nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch einen Akkumulator (22) in der Saugleitung stromauf vom Kompressor (10) und von dem Wärmetauscher (24).

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