Wärmepumpenanlage

Abstract

 Zum Betrieb einer Wärmepumpenanlage mit Wasser als Kältemittel wird als Kompressor eine Vakuumpumpe (1) eingesetzt. Bei Verwendung einer Flüssigkeitsringpumpe wird deren Verlustwärme in den Heizkreislauf eingespeist. Hierzu liegt die Wärmeabgabeseite des dem Kreislauf (2) der Sperrflüssigkeit zugeordneten Wärmeaustauschers (3) im primären oder sekundären Wärmeträgerkreislauf des dem Kältemittelkreislauf zugeordneten Wärmeverbrauchers (17, 19).

Beschreibung

[0001] Die Erfindung liegt auf dem Gebiet der Wärmeerzeugung mittels Wärmepumpen und ist bei der systemtechnischen Ausgestaltung einer Wärmepumpenanlage anzuwenden.

[0002] Die heute gebräuchlichen Wärmepumpenanlagen arbeiten in aller Regel mit drei Kreisläufen: einem Solekreislauf auf der Wärmequellenseite, einem Kältemittelkreislauf beim Kompressionsprozeß und einem Heizmediumkreislauf auf der Verbraucherseite. Während vor allem auf der Verbraucherseite Wasser als Heizmedium eingesetzt wird, werden beim Kompressionsprozeß vorzugsweise Fluorkohlenwasserstoffe verwendet. Diese sind jedoch bei Temperaturen von etwa über 90 °C im Grenzbereich ihrer Anwendungsmöglichkeit und somit bei Hochtemperaturwärmepumpen mit Heiztemperaturen von 100 bis 120 °C nicht zu verwenden. Weiterhin werden bei den bekannten Anlagen zur Trennung der verschiedenen Kreisläufe mindestens zwei Wärmetauscher benötigt (DE-AS 26 26 468).

[0003] Ausgehend von einer Wärmepumpenanlage, bei der ein als Verdampfer ausgebildeter Wärmekollektor, ein Kompressor und wenigstens ein Wärmeverbraucher in einem offenen oder geschlossenen Kältemittelkreislauf angeordnet sind,. liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, die Wärmepumpenanlage systemtechnisch so auszugestalten, daß sie bei geringem apparativen Aufwand mit einem den Drei-Kreis-Wärmepumpenanlagen vergleichbaren Wirkungsgrad arbeitet und auch für die Erzeugung von Heiztemperaturen über 90 °C einsetzbar ist.

[0004] Zur Lösung dieser Aufgabe ist gemäß der Erfindunq vorgesehen, daß bei Verwendung von Wasser als Kältemittel der Kompressor aus einer Vakuumpumpe besteht.

[0005] Bei einer derartiqen Ausgestaltung der Wärmepumpenanlage wird durch die Verwendung von Wasser ein Kältemittel einqesetzt, dessen Druckbereich um eine Größenordnung niedriger liegt als bei den üblicherweise verwendeten Fluorkohlenwasserstoffen. Die sicherheitstechnische Ausgestaltung und die Anforderungen an Bedienung und Wartung der Anlage werden dadurch reduziert. Auch kann der Steuerungsaufwand vermindert werden. Da sich Wasser durch Anwendung von Unterdruck im Niedervakuumbereich verdampfen läßt, hält sich auch der Aufwand für Verdampfer und Vakuumpumpe in engen Grenzen. Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung der Wärmepumpenanlage ist gegeben, wenn als Vakuumpumpe eine Flüssigkeitsringpumpe mit einem Thermo-Öl als Sperrflüssigkeit eingesetzt wird. Dabei kann im Kreislauf der Sperrflüssigkeit ein Wärmeaustauscher angeordnet sein und die Wärmeabgabeseite des Wärmeaustauschers im primären oder sekundären Wärmeträgerkreislauf des Wärmeverbrauchers liegen.

[0006] Mit der an sich seit Jahrzehnten bekannten Flüssigkeitsringpumpe, die bisher entweder als Vakuumpumpe zum Absaugen von Gasen und Dämpfen oder als Kompressor zum Verdichten von Gasen überwiegend in der chemischen Industrie eingesetzt wurde (Prospekt "Elmo-Gaspumpen" der Siemens AG, Juli 1964), wird in die Wärmepumpenanlage ein bewährtes, verschleißarmes;;, Aggregat eingeführt, das bei einer relativ geringen Drucksteigerung eine relativ große volumetrische Leistung erbringt. Sie kann dabei auf der Druckseite auch im Temperaturbereich von 100 bis 120 °C arbeiten. Die an sich relativ große Verlustleistung dieser Pumpe wird dabei über den der Sperrflüssigkeit zugeordneten Wärmeaustauscher als zusätzliche Heizleistunq in den Heizkreislauf eingespeist.

[0007] Wesentlich für den Einsatz der Flüssigkeitsringpumpe ist dabei, daß anstelle der bisher üblichen Sperrflüssigkeit in Form von Wasser ein Thermo-öl eingesetzt wird, das sich durch einen hohen Siedepunkt und durch niedrige Viskosität bei den vorgesehenen Verdampfungstemperaturen auszeichnet. Ein geeignetes Thermo-Öl wird beispielsweise von der Firma BP unter der Bezeichnung "Transcal LT" vertrieben.

[0008] Die neue Wärmepumpenanlage kann je nach Ausgangstemperatur der Wärmequelle sowohl im Niedertemperaturbereich als auch im Hochtemperaturbereich eingesetzt werden. Wird beispielsweise als Wärmequelle Flußwasser verwendet, kann im Unterdruckbereich Wasserdampf mit Temperaturen von etwa 50 bis 70 °C erzeugt werden. Mit dem Wasserdampf lassen sich Heizkörper direkt speisen, wobei der Wasserdampf im Heizkörper kondensiert. In diesen Fällen wird die Anlage so ausgestaltet, daß an die Dampfleitung zwischen der Vakuumpumpe und dem Wärmeverbraucher eine Vorvakuumpumpe angeschlossen ist und daß dem Wärmeverbraucher ein steuerbares Ventil zur Steuerung der Kondensatmenge im Wärmeverbraucher nachgeschaltet ist.

[0009] Wird als Wärmequelle beispielsweise der Rücklauf eines Fernheiznetzes mit einer Temperatur von ca. 50 ⁰C verwendet, läßt sich Wasserdampf im überdruckbereich mit Temperaturen von 110 bis 120 °C erzeugen. Der mit geringem überdruck verdichtete Wasserdampf kann seine Wärme direkt oder indirekt in einem offenen oder geschlossenen Kondensator abgeben. Besonders zweckmäßig ist eine Anlage, bei der zwischen der Vakuumpumpe und dem Wärmeverbraucher ein direkter Flüssigkeitskondensator angeordnet ist, dessen Flüssigkeitszulauf mit dem Ausgang des Wärmeverbrauchers verbunden ist. Sofern hierbei als Vakuumpumpe eine Flüssigkeitsringpumpe eingesetzt ist, empfiehlt es sich, zur Verbesserung des Wirkungsgrades der Anlage und zur Erhöhung der Heiztemperatur des Kon- densats den Wärmeaustauscher der Flüssigkeitsringpumpe zwischen dem Kondensator und dem Wärmeverbraucher anzuordnen.

[0010] Bei Verwendung des Rücklaufes eines Fernheiznetzes als Wärmequelle kann man den verdichteten Wasserdampf aber auch einem Wärmetauscher zuführen, in dessen sekundärem Kreislauf der eigentliche Wärmeverbraucher liegt. Bei Einsatz einer Ringpumpe als Vakuumpumpe empfiehlt es sich in diesem Fall, die Wärmeabgabeseite des im Kreislauf der Sperrflüssigkeit der Ringpumpe angeordneten Wärmeaustauschers im sekundären Kreislauf des Wärmetauschers anzuordnen.

[0011] Die neue Wärmepumpenanlage eignet sich besonders für industrielle Prozesse im höheren Temperaturbereich undkann dort gleichzeitig für Kühl- und Heizzwecke eingesetzt werden. Sofern die Vakuumpumpe von einem wassergekühlten Verbrennungsmotor angetrieben wird, führt mari zweckmäßig das Kühlwasser des Verbrennungsmotors dem Wärmekollektor der Wärmepumpenanlage als zusätzliche Wärmequelle zu. Dadurch kann vor allem bei niedrigen Temperaturen der Wärmequelle im Verdampfer ein Verdampfungsdruck erreicht werden, der im Arbeitsbereich der Flüssigkeitsringpumpe liegt.

[0012] Ausführungsbeispiele der neuen Wärmepumpenanlage sind in den Figuren 1 bis 4 dargestellt..

[0013] Fig. 1 zeigt den Kreislauf einer Wärmepumpenanlage, die im Niedertemperaturbereich mit Wasser als Kältemittel arbeitet. Zur Verdichtung des erzeugten Wasserdampfes ist eine Vakuumpumpe 1 in Form einer Flüssigkeitsringpumpe vorgesehen, in deren Sperrflüssigkeitskreislauf 2 der Wärmeaustauscher 3 angeordnet ist.

[0014] Einem als Verdampfer 4 ausgebildeten Wärmekollektor wird über den Zulauf 5 Wasser im Temperaturbereich von 0 bis 10 °C, beispielsweise Flußwasser, zugeführt und direkt oder indirekt verdampft. Der Wasserdampf wird über die Dampfleitung 6 der Vakuumpumpe 1 zugeführt und gelangt von dort nach Verdichtung und Temperaturerhöhung über die Zuleitung 7 und 13 zum Wärmeverbraucher 8, beispielsweise einem Heizkörper. Im Wärmeverbraucher 8 kondensiert der Wasserdampf, der Kondensatspiegel wird dabei mit Hilfe eines Ventils 10 eingestellt, das über einen Fühler 11 und eine Steuereinrichtung 12 steuerbar ist. Das Kondensat wird im übrigen über das Drosselventil 9 dem Verdampfer 4 zur erneuten Verdampfung zugeführt oder, bei Verwendung eines direkten Verdampfers, hinter dem Ventil 10 abgelassen. Bei Verwendung eines indirekten Verdampfers verläßt das als Wärmequelle verwendete Wasser den Verdampfer 4 über den Auslauf 15.

[0015] Da bei der Wärmepumpenanlage gemäß Fig. 1 Wasserdampf im Temperaturbereich von etwa 50 bis 60 °C erzeugt wird, arbeitet die Anlage auf der Verbraucherseite im Unterdruckbereich. Aus diesem Grunde ist an die Zuleitung 13 die Vorvakuumpumpe 14 angeschlossen, die den bei dieser Anlage erforderlichen Kondensationsdruck gegenüber der Atmosphäre ständig aufrechterhält. Die Vorvakuumpumpe dient gleichzeitig dazu, das gesamte System ständig luftfrei zu halten.

[0016] Bei der Wärmepumpenanlage gemäß Fig. 2 wird dem Verdampfer 16 über den Zulauf 5 der Rücklauf eines Fernheiznetzes zugeführt und verläßt den Verdampfer über den Auslauf 15. Die wiederum als Flüssigkeitsringpumpe ausgebildete Vakuumpumpe 1 erzeugt in diesem Fall Wasserdampf im Temperaturbereich von 110 bis 120 °C, der im Wärmetauscher 17 mit Hilfe eines sekundären Wärmeträgerkreislaufes kondensiert wird und über das Drosselventil 9 dem Verdampfer 16 erneut zugeführt wird. In diesem Fall ist der Wärmeaustauscher der Flüssigkeitsringpumpe 1 im Kreislauf 18 des sekundären Wärmeträgers hinter dem Wärmeaustauscher 17 angeordnet.

[0017] Bei der Wärmepumpenanlage gemäß Fig. 3 wird dem als indirektem Verdampfer 16 ausgebildeten Wärmekollektor ebenfalls warmes Wasser mit Temperaturen von 50 bis 60 °C zugeführt, so daß mit Hilfe der Flüssigkeitsringpumpe 1 Wasserdampf im Überdruckbereich erzeugt wird. In dem der Vakuumpumpe nachgeschalteten direkten Flüssigkeitskondensator 20 wird dieser Wasserdampf kondensiert, indem dessen Flüssigkeitszulauf mit dem Ausgang des Wärmeverbrauchers 19 über die Zuleitung 21 verbunden ist. Das im Kondensator 20 gebildete Kondensat wird mit Hilfe des Wärmeaustauschers 3 der Flüssigkeitsringpumpe 1 weiter erhitzt.

[0018] Gemäß Fig. 4 kann die Flüssigkeitsringpumpe 1 von einem wassergekühlten Verbrennungsmotor 23 angetrieben sein, wobei der Wasserzulauf zum indirekten Verdampfer 16 derart gestaltet ist, daß das Kühlwasser des Verbrennungsmotors dem Verdampfer 16 als zusätzliche Wärmequelle zugeführt wird.

Ansprüche

1. Wärmepumpenanlage, bei der ein als Verdampfer ausgebildeter Wärmekollektor, ein Kompressor und wenigstens ein Wärmeverbraucher in einem offenen oder geschlossenen Kältemittelkreislauf angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet , daß bei Verwendung von Wasser als Kältemittel der Kompressor aus einer Vakuumpumpe (1) besteht.

2. Wärmepumpenanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß an die Dampfleitung (13) zwischen der Vakuumpumpe (1) und dem Wärmeverbraucher (8) eine Vorvakuumpumpe (14) angeschlossen ist und daß dem Wärmeverbraucher (8) ein steuerbares Ventil (10) zur Steuerung der Kondensatmenge im Wärmeverbraucher nachgeschaltet ist.

3. Wärmepumpenanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß zwischen der Vakuumpumpe (1) und dem Wärmeverbraucher (19) ein direkter Flüssigkeitskondensator (20) angeordnet ist, dessen Flüssigkeitszulauf (22) mit dem Ausgang des Wärmeverbrauchers (19) verbunden ist.

4. Wärmepumpenanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Vakuumpumpe eine Flüssigkeitsringpumpe (1, 2, 3) mit einem Thermo-Öl als Sperrflüssigkeit eingesetzt ist.

5. Wärmepumpenanlage nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet , daß im Kreislauf der Sperrflüssigkeit ein Wärmeaustauscher (3) angeordnet ist und daß die Wärmeabgabeseite des Wärmeaustauschers (3) im primären oder sekundären Wärmeträgerkreislauf des Wärmeverbrauchers (17, 19) liegt.

6. Wärmepumpenanlage nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet , daß der Wärmeaustauscher (3) zwischen dem Kondensator (20) und dem Wärmeverbraucher (19) angeordnet ist.

7. Wärmepumpenanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet , daß die Vakuumpumpe (1) von einem wassergekühlten Verbrennungsmotor (23) angetrieben ist, dessen Kühlwasser dem Wärmekollektor (16) als zusätzliche Wärmequelle zugeführt wird.

Zeichnung