DE3039596A1

DE3039596A1 - Heizaggregat fuer heizanlagen, brauchwasser o.dgl.

Info

Publication number: DE3039596A1
Application number: DE19803039596
Authority: DE
Inventors: Siegfried 7640 Kehl Kühl
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1980-10-21
Filing date: 1980-10-21
Publication date: 1982-05-27

Description

7640 Kehl-Bodersweier

Heizaggregat für Heizanlagen, Brauchwasser od. dgl

Die Erfindung betrifft ein Heizaggregat zum Erwärmen eines Mediums, insbesondere von Wasser einer Heizanlage, von Brauchwasser od. dgl., wobei in einem Kreislauf ein Kompressor vorgesehen ist, der ein Medium komprimiert und dadurch erwärmt, und wobei ein Wärmetauscher vorgesehen ist, der die Kompressionswärme an das zu erwärmende Medium überführt.

Derartige Heizaggregate sind unter der Bezeichnung "Wärmepumpe" an sich bekannt. Die mit dem Kompressor bei einer Wärmepumpe erreichbare Temperatur ist jedoch beschränkt, .so daß auch der Wärmetransport selbst begrenzt ist. Entsprechend große Leistungen der Antriebsmaschine sind erforderlich, um mit einer solchen Wärmepumpe bisher eine . ausreichende Beheizung beispielsweise eines Einfamilienhauses od. dgl. durchführen zu können.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein lleizaggregat der eingangs erwähnten Art zu schaffen, bei welchem vor allem eine höhere Temperatur des komprimierten Mediums bei möglichst wirtschaftlicher Betriebsweise möglich ist. Gleichzeitig soll die gesamte Heizanlage möglichst platzsparend und von der Installation her möglichst einfach sein.

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Die Löi-.urif; dieser Aufgabe besteht im wesentlichen darin, daß in dem Kompressor-Kreislauf wenigstens zwei Medien unterschiedlicher Siedetemperaturen gemeinsam vorgesehen sind, wobei das erste Medium bei Umgebungsbedingung gasförmig und das zweite Medium flüssig ist oder sich geringfügig über seinem Siedepunkt befindet.

Dadurch wird erreicht, daß der Kompressor zunächst das gasförmige Medium komprimiert und so weit erhitzt, daß nun das bisher im wesentlichen flüssige Medium auch in den gasförmigen Aggregatzustand übertritt. Da es eine höhere Siedetemperatur hat, kann es auch bei der anschließenden' Kompression selbst unter höheren Druck gesetzt werden und eine größere Kompressionswärme transportieren. Nach Abgabe clLor.er Wärme im Wärmetauscher und der daraus resultierenden Verflüssigung des höher siedenden Mediums wird es dennoch im Kreislauf weiter befördert, so daß nach einer Druckminderung wieder ein übergang in gasförmigen Zustand vor dem Eintritt in den Kompressor möglich ist. Das gasförmige Medium sorgt also vor allem auch dafür, daß der gesamte Prozeß auch bei relativ hohem Druck, der für eine entsprechend starke Erwärmung vorteilhaft ist, in Gang kommen kann und auch aufrecht erhalten bleibt, selbst wenn vor· dom Anlaufen da:; (rosarate Ileizaggregat eine verhältnismäßig niedrige Temperatur haben sollte.

Die· Siedetemperatur des ersten Mediums kann bei Normaldruck unter dem Nullpunkt, vorzugsweise bei 30 bis mehr als 40° Celsius unter 0 und die des zweiten Mediums etwa bei Umgebungstemperatur oder wenig darüber, insbesondere bei ca. 20° Celsius oder 24° Celsius bis eventuell mehr als 30° Celius liegen. Selbst unter dem Druck des Kompressors bleibt in einem solchen Fall das niedriger siedende Medium weitgehend gasförmig und kann die 'erste Erwärmung zum Verdampfen auch des zweiten Mediums selbst bei höherem Druck bewirken, so daß dann auf einem relativ hohen Druck- und Temperaturniveau in erwünschter Weise der Heizbetrieb ablaufen kann.

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Die durch das höher siedende Medium ertnönlichtt: hohe Ausgangstemperatur am Kompressor erlaubt eine entsprechend starke Erwärmung eines Mediums, beispielsweise des Wassers einer Heizanlage oder auch von Brauchwasser.

Als Medien in dem Kompressor-Kreislauf können wenigstens zwei verschiedene fluorierte und chlorierte Kohlenwasserstoff verbindungen unterschiedlicher Siedetemperaturen, z. unter dem Handelsnamen "Frigen 11" und "Frigen R 22" bekannte Kohlenwasserstoffverbindungen, vorgesehen sein. Beispielsweise befindet sich unter der Bezeichnung "Frigen 11" ein Medium im Handel, welches einen Siedepunkt von 23,8 Celsius hat. Unter dem Handelsnamen "Frigen R 22" ist ein Kältemittel erhältlich, welches bei Normaldruck eine Siedetemperatur von - 41° Celsius hat. Die Mischung aus diesen beiden Medien erlaubt die schon vorerwähnte Verfahrensweise, das niedriger siedende, in dem erfindungsgemäßen Heizaggregat gasförmige Medium durch Druck so stark zu erhitzen, daß auch das andere Medium selbst bei dem erhöhten Druckniveau verdampft und danach komprimiert werden kann, was zu einer großen Wärmeentwicklung und demgemäß zu einer effektvollen Aufheizung führt. Dabei ist bei einer verhältnismäßig geringen Antriebsleistung eine überraschend hohe Wärmeausbeute möglich, obwohl das gesamte Heizaggregat sehr platzsparend sein kann. Eine Versuchsanordnung ergab ein Heizaggregat für ein Einfamilienhaus, welches auf weniger als 1 qm Grundfläche Platz findet.

Zweckmäßig ist es also, wenn der Kompressor für einen Betriebsdruck ausgelegt ist, bei welchem das niedriger siedende Medium gasförmig bleibt und das höher siedende Medium nach der Erhitzung durch die Kompression den ersten Mediums gasförmig, nach der Abkühlung hinter dem Wärmetauscher aber flüssig und hinter einer zwischen Wärmetauscher und Kompressor vorgesehenen Druckminderung' bei der noch erhöhten Temperatur wieder gasförmig "¹St. Es kann dann gut von dem Kompressor wieder angesaugt und erneut komprimiert und dadurch erwärmt werden.

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Die Druckdifferenz an der Druckminderung, vorzugsweise einem Druckminderventil, kann so eingestellt und insbesondere geregelt sein, daß auf der Seite niedrigeren Drukkes bei Normalbetrieb beide Medien gasförmig sind. Beispielsweise kann die Druckdifferenz zwischen dem Eintritt in den Kompressor und dem Austritt aus dem Kompressor vorzugsweise etwa 5 bar betragen. Der Druck innerhalb des Kompressor-Kreislaufes kann dabei am Ausgang des Kompressors wenigstens 20 bar, vorzugsweise 25 bar, gegebenenfalls 30 bar oder mehr betragen. Dies ergibt eine entsprechend hohe Kompressionswärme. Das zwischen dem Wärmetauscher und dem Kompressor vorgesehene Druckminderventil od. dgl. kann dabei selbsttätig die gewünschte Druckdifferenz aufrecht erhalten, wenn ein entsprechend geregeltes Ventil vorgesehen ist.

Da eines der beiden Medien des Kompressor-Kreislaufes hinter dem Wärmetauscher zweckmäßigerweise aufgrund der darin erfolgten Abkühlung verflüssigt ist, kann im Anschluß an den Wärmetauscher für das Medium-Gemisch des Kompressors eine im Querschnitt verminderte Leitung vorgesehen sein.

Eine Ausgestaltung der Erfindung von besonderer Bedeutung besteht darin, daß das vom Wärmetauscher zu dem Kompressor beförderte Medium-Gemisch für den Kompressor-Kreislauf zur Kühlung des - insbesondere elektrischen - Antriebsmotors des Kompressors dient und vorzugsweise durch entsprechende um den Motor gelegte Kühlkammern, Kühlkanäle, Kühlschlangen, Kühlwindungen od. dgl. geführt ist. Auf diese Weise wird die Abwärme des Motors zur Verdampfung des höher siedenden Mediumanteiles- mit herangezogen. Dabei ist es vorteilhaft, wenn das Druckminderventil zwischen der Motorkühlung und dem Eintritt in den Kompressor angeordnet ist. Das durch die Kühlung des Motors vorgewärmte Medium wird "durch die dabei erzeugte Druckverminderung sicher in den gasförmigen Zustand übergeführt, in dem anschließend die erwünschte Kompression möglich ist. Es wird also nicht nur die an der Abtriebswelle

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des Motors verfügbare Leistung in dem Kompressor ausgenutzt, sondern auch die ohnehin notwendige Kühlung des Motors zur Rückgewinnung von dessen Abwärme herangezogen. Entsprechend hoch ist der Wirkungsgrad des gesamten Aggregates.

Um Druckstöße u. dgl. innerhalb des Kompressor-Kreislaufes sicher beherrschen zu können, kann insbesondere zwischen dem Wärmetauscher und dem Druckminderventil wenigstens ein {gasgefüllter Druckspeicher und -puffer angeordnet sein.

Es hat sich gezeigt, daß ein Kompressor mit einem Antriebsmotor vorteilhaft ist, dessen Aufnahmeleistung vorzugsweise weniger als 400 Watt beträgt. Versuche haben gezeigt, daß damit ein Einfamilienhaus, welches mit einer Fußbodenheizung ausgestattet ist, ausreichend beheizt werden kann. Dabei kann das Medium nach der Kompression eine Temperatur von ca. 100 bis 150° Celsius oder bei erhöhtem Druck gegebenenfalls noch mehr aufweisen.

Als Wärmetauscher kann beispielsweise eine Rohrschlange mit Innenrohr dienen, wobei das zu erwärmende Medium, insbesondere Wasser, vorzugsweise durch das innere Rohr geführt und das Medium des Kompressor-Kreislaufes insbesondere im Gegenstrom durch den Außenmantel geführt sind. Die hohe Eintrittstemperatur des Kompressor-Mediums ergibt dabei eine entsprechende Erwärmung des Wassers in dem Wärmetauscher.

Nachstehend ist die Erfindung mit ihren ihr als wesentlich zugehörenden Einzelheiten anhand der Zeichnung noch näher beschrieben. Die einzige Figur zeigt in schematischer Darstellung ein erfindungsgemäßes Heizaggregat.

Ein im ganzen mit 1 bezeichnetes Heizaggregat weist einen von den Leitungen 2, 3 und k gebildeten Kreislauf auf, in welchem ein Kompressor ^r:· angeordnet ii;t, der ein in dem Kreislauf umlaufendes Meuium komprimiert und dadurch erwärmt.

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FiM-ricr ist in diesem Kreislauf ein Wärmetauscher 6 vorgesehen, der die Kompressionswärme an ein zu erwärmendes Medium, in der Regel an Wasser einer Heizungsanlage oder an Brauchwasser überführt: Man erkennt deutlich an dem Wärmetauscher an dessen in der Zeichnung rechtem Ende 6 a den Austritt einer Warmwaoservorlaufleitung 7, die beispielsweise zu einer Umwälzpumpe 8 führt. Am entgegengesetzten Ende 6 b des Wärmetauschers 6 tritt die Warmwasserrücklaufleitung 9 ein. Dabei kann an dieser Stelle noch ein Thermoregler 10 angeordnet sein, In bekannter Weise ist ferner eine Beipaßregelung 11 vorgesehen.

In dem Kompressor-Kreislauf .sind wenigstens zwei Medien unterschiedlicher Siedetemperaturen gemeinsam vorgesehen, wobei ein erstes Medium bei Umgebungsbedingungen gasförmig und das zweite Medium etwa flüssig ist. Die Siedetemperatur des ersten Mediums liegt dabei bei Normaldruck weit unter dem Nullpunkt bei beispielsweise 40 Celsius unter Null. Die des zweiten Mediums beträgt vorzugsweise etwa Umgebungstemperatur oder liegt geringfügig darüber. Gute Arbeitsergebnisse wurden mit einem zweiten Medium erzielt, dessen Siedepunkt 23,8° Celsius, beträgt.

Dur· Koiiiprvr..".(H· 0 ist für einen Betriebsdruck ausgelegt, bei welchem das niedriger siedende Medium gasförmig bleibt und das höher siedende Medium nach der Erhitzung durch die Kompression des ersten Mediums gasförmig wird, nach der Abkühlung im Wärmetauscher 6 aber in den flüssigen Aggregatzustand übertritt, und hinter einer zwischen dem Wärmetauscher 6 und dem Kompressor 5 vorgesehenen Druckminderung, im Ausführungsbeispiel einem Druckminderventil 12, bei der nun schon erhöhten Temperatur wieder gasförmig wird. Das Druckminderventil 12 kann rlnbci selbsttätig die gewünschte Druckdifferenz aufriß hl. i'fh.-iLLon, diti ·/,. B. [> bar betragen kann. Es wird also zweckmäßigerweise ein selbsttätig sich regelndes Druckminderventil 12 verwendet.

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Jn der Zeichnung erkennt m;ui , Λ;\\\. di-r l,i> ί ι niif',::,ib:u.hri ι tt Λ in eine Kühlschlange 13 übergeht, die um den Antriebsmotor 14 des Kompressors 5 gelegt ist und zu dessen Kühlung dient. Auf diese Weise wird die Abwärme dieses Motors 14 dem Medium in dem Kompressor-Kreislauf zugeführt. Es wird also nicht nur die mechanische Arbeit des Motors im Kompressor in Wärme umgesetzt, sondern auch seine dabei entstehende Abwärme ausgenutzt. Entsprechend günstig ist der Wirkungsgrad des Heizaggregates 1 .

Das Durckminderventil 12 befindet sich hinter der Kühlschlange 13 vor dem Eintritt in den Kompressor 5. Das durch die Aufnahme der Abwärme des Motors 14 schon vorgewärmte und gegebenenfalls auch teilweise wieder in gasförmigen Zustand übergeführte Medium wird nun hinter dem Druckminderventil vollständig gasförmig, so daß es im Kompressor 5 wieder durch die Kompression erhitzt werden kann.

Man erkennt noch innerhalb der Leitung 3 vor dem übergang in den Leitungsabschnitt 4 ein Druckgefäß, we.Lchos als Druckspeicher 15 dient und mit Gas gefüllt ist. Die Leitungen 3 und 4 haben dabei gegenüber der Leitung 2 einen verminderten Querschnitt, weil im Leitungsteil 2 auch das höher siedende Medium gasförmig ist, während es spätestens nach dem Austritt aus dem Wärmetauscher 6 in der Leitung 3 flüssig sein soll.

Als Wärmetauscher 6 ist im Ausführungsbeispiel eine Rohrschlange mit Innenrohr 16 vorgesehen, wobei das zu erwärmende Wasser im Ausführungsbeispiel durch das Innenrohr 16 und das Medium des Kompressor-Kreislaufes im Gegenstrom durch den Außenmantel geführt sind. Dies ergibt einen intensiven und wirkungsvollen Wärmeaustausch. Bei einer Versuchsanlage wurde die Leitung 2 mit einem Durchmesser von 12 mm ausgestattet, während die Leitung 3'bzw. 4 einen Durchmesser von etwa 6 mm hatte.

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Dü:-j hoher siedende Medium innerhalb des Kompressor-Kreislaufes hat den Vorteil, hohe Kompressionswärme zu erlauben. Bei den dafür erforderlichen Drücken würde es jedoch normalerweise noch flüssig sein. Durch die Hinzunahme eines niedriger siedenden Mediums wird dieses jedoch in die Lage versetzt, vor allem bei Arbeitsbeginn ein ausreichend hohes Temperaturniveau auch zur Verdampfung des höher siedenden Mediums zu·schaffen. Insgesamt ergibt sich dadurch eine überraschend hohe Wärmermnbeute bei relativ geringer Antriebsleistung. Beispielsweise wurde mit einem Kompressor, dessen Antriebsmotor 370 Watt aufnimmt, in der Heizleitung 2 eine Temperatur von 110 bis 150 Celsius erreicht. Dabei konnte das gesamte Heizaggreagt auf einer Grundfläche von weniger als 1 qm untergebracht werden und genügte dennoch zur Beheizung eines Einfamilienhauses. Der Kompressor-Kreislauf stand dabei unter einem·Druck von 25 bar am Ausgang des Kompressors und etwa 20 bar am Ausgang des Druckminderventiler. Λ?. Als günstip, wirkt sich bei dem Betrieb aus, daß die Abwärme des Antrio.bsmotors rückgewonnen und insbesondere mit dazu verwendet werden kann, das höher siedende Medium zu verdampfen. Dabei transportiert vor allem das niedriger siedende Medium auch in beträchtlichem Umfange die Motorwärme in den Kompressor-Kreislauf. In erster Linie dient also das niedriger siedende Medium vor allem gewissermaßen als "Zündung" für das höher siedende Medium, d·. h. in Wirklichkeit zu dessen Verdampfung, um dann dessen hohe Kompression mit entsprechend starker Erwärmung zu ermöglichen.

Alle in der Beschreibung, den Ansprüchen und der Zeichnung dargestellten Merkmale und Konstruktionsdetails können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination miteinander wesentliche Bedeutung haben.

Patentanwalt

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Claims

Ansprüche

Heizaggregat zum Erwärmen eines Mediums, insbesondere von Wasser einer Heizanlage, von Brauchwasser od. dgl., wobei in einem Kreislauf ein Kompressor vorgesehen ist, der ein Medium komprimiert und dadurch erwärmt, und wobei ein Wärmetauscher vorgesehen ist, der die Kompressionswärme an das zu erwärmende Medium überführt, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Kompressor-Kreislauf (2, 3, A) wenigstens zwei Medien unterschiedlicher Siedetemperaturen gemeinsam vorgesehen sind, wobei das erste Medium bei Unißebungstt-dingungen gasförmig und dan zwei tu Medium nü:-.:Ug i.U, oder sich geringfügig über seinem Sic'dppwnkt b<-n ruh-t.
2. Heizaggregat nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Siedetemperatur des ersten Mediums bei Normaldruck unter dem Nullpunkt, vorzugsweise bei 30 Celsius bis mehr als AO Celsius unter Null und die des zweiten Mediums etwa bei Umgebungstemperatur oder wenig darüber, insbesondere bei ca. 20 Celsius oder 2A Celsius bis mehr als 30 Celsius liegt.
3. Heizaggregat nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als h-diuri in dam Koiiiprvi-.sop-KrOiiilrinr wenigstens zwei verschiedene, fluorierte oder chlorierte Kohlenwasserstoffverbindungen unterschiedlicher j

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SiedoLemperaturen,· ζ. B. unter dem Handelsnamen "Frigen 11" und "Frigen R 22" bekannte Kohlenwasserstoffverbindungen , vorgesehen sind.
4. Heizaggregat nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Kompressor (5) für einen Betriebsdruck ausgelegt ist, bei welchem das niedriger siedende Medium gasförmig bleibt und das höher siedende Medium nach der F.rwärrnung durch die Kompression des ersten Mediums gasförmig, nach der Abkühlung im Wärmetaucher (6) aber flüssig und hinter einer zwischen Wärmetauscher (6) und Kompressor (5) vorgesehenen Druckminderung (12) bei der noch erhöhten Temperatur wieder gasförmig ist.
5. Heizaggregat nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckdifferenz an der Druckminderung, vorzugsweise einem Druckminderventil (12) so eingestellt und insbesondere geregelt ist, daß auf der Seite niedrigeren Druckes bei Normalbetrieb beide Medien gasförmig sind.
6. Heizaggregat nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckdifferenz zwischen dem Eintritt in den Kompressor (5) und dem Austritt aus dem Kompressor (5) vorzugsweise etwa 5 bar beträgt.
7. Heizaggregat nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Druck innerhalb des Kompressor-Kreislaufes am Ausgang¹des Kompressors(5) wenigstens 20 bar, vorzugsweise 25 bar, gegebenenfalls 30 bar oder mehr beträgt.
8. Heizaggregat nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das zwischen dem Wärmetauscher (6) und dem Kompressor (5) vorgesehene Druckminderventil (12) od. dgl. Druckminderung selbsttätig die gewünschte Druckdifferenz aufrecht erhält.

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9. Heizaggregat nach -einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß im Anschluß an den Wärmetauscher (6) für das Mediumgemisch des Kompressor·:.! (L>) eint· im Querschnitt verminderte Leitung (3, 4) vorgesehen ist, in der das höher siedende Medium flüssig ist.
10. Heizaggregat insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das vom Wärmetauscher zu dem Kompressor beförderte Gemisch von wenigstens zwei Medien unterschiedlicher Siedetemperaturen zur Kühlung des - insbesondere elektrischen - Antriebsmotors MM

*"■* des Kompressors (5) dient und vorzugsweise durch ent

sprechende um den Motor (14) gelegte Kühlkammern, Kühlkanäle, Kühlschlangen (13), Kühlwindunfien od. dgl. geführt ist. ■
11. Heizaggregat nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Druckminderventil (12) zwischen der Motorkühlung und dem Eintritt in den Kompressor (5) angeordnet ist.
12. Heizaggregat nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß insbesondere zwischen dem Wärmetauscher (6) und dem Druckminderventil (12) wenigstens ein gasgefüllter Druckspeicher (15) und -puffer angeordnet ist.
13. Heizaggregat nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Kompressor (5) mit einem Antriebsmotor (14) versehen ist, dessen Aufnahmeleistung vorzugsweise weniger als 400 Watt beträgt.
14. Heizaggregat nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß das Medium de.^c; Kompreosor-Krt-i :·. I aufes nach der Kompression oine Temperatur von cn. 100 bis 150 Celsius oder bei erhöhtem Druck gegebenenfalls noch mehr aufweist.

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\U'i :::\i^T,f^rj'oi^r,:it nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,'daß als Wärmetauscher (6) eine Rohrschlange od. dgl. mit Innenrohr (16) dient, wobei das zu erwärmende Medium, insbesondere Wasser, vorzugsweise durch das Innenrohr (16) und das Mediumgemisch des Kompressor-Kreislaufes insbesondere im Gegenstrom durch den Außenmantel geführt sind.

- Beschreibung -

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