Kompressionswärmepumpe oder Kompressionskältemaschine und Regelungsverfahren dafür

Abstract

 Kompressionswärmepumpe oder Kompressionskältemaschine mit einem Kältemittelkreislauf, der einen Verdampfer (1), einen Verdichter (2), einen Kondensator (3) und ein regelbares Expansionsventil (4) umfaßt, welches von einer Regeleinrichtung (8) angesteuert wird, die mit einem im Bereich (12) zwischen Verdichter (2) und Kondensator (3) angeordneten Temperaturfühler (9) und einem zweiten Fühler (10) verbunden ist, wobei der zweite Fühler (10) einen Wert erfaßt, der ein direktes Maß für die Kondensationstemperatur im Kondensator (3) darstellt.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft eine Kompressionswärmepumpe oder Kompressionskältemaschine nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Weiters betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Regelung einer solchen Kompressionswärmepumpe oder Kompressionskältemaschine.

[0002] Bei bekannten Kompressionswärmepumpen oder Kompressionskältemaschinen, welche ein regelbares Expansionsventil aufweisen, wird dieses in Abhängigkeit von der Verdampfungs-Überhitzungstemperatur geregelt, welche von einem Temperaturfühler im Bereich zwischen Verdampfer und Verdichter erfaßt wird.

[0003] Einrichtungen gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sind aus der DE-OS 43 03 533 und der WO 96/24016 bekannt. Bei diesen wird zwar die Regelung primär ebenfalls anhand der Verdampfer-Überhitzungstemperatur durchgeführt, als sekundärer Regelparameter wird aber zusätzlich die Heißgastemperatur, d.h. die Temperatur des Kältemittels im Bereich zwischen Verdichter und Kondensator gemessen, wobei bei einer unzulässig hohen Heißgastemperatur das Expansionsventil weiter geöffnet wird und die Heißgastemperatur dadurch abgesenkt wird.

[0004] Nachteilig an der bekannten Regelung des Expansionsventils anhand der Verdampfer-Überhitzungstemperatur ist es, daß die für die Regelung herangezogenen Temperaturunterschiede nur sehr gering sind, sodaß die Regelung normalerweise nur sehr grob erfolgt, da eine genauere Regelung zu einer zu starken Verteuerung der Einrichtung führen würde.

[0005] Aufgabe der Erfindung ist es, eine Kompressionswärmepumpe oder Kompressionskältemaschine der eingangs genannten Art bereitzustellen, welche ohne Verteuerung der Apparatur eine wesentlich genauere Regelung des Expansionsventils ermöglicht. Erfindungsgemäß gelingt dies durch eine Kompressionswärmepumpe oder Kompressionskältemaschine mit den Merkmalen des Anspruchs 1.

[0006] Bei der erfindungsgemäßen Einrichtung ist also zur Regelung des Expansionsventils neben dem ersten im Bereich zwischen Verdichter und Kondensator angeordneten Temperaturfühler ein zweiter Fühler vorgesehen, der einen Wert erfaßt, der ein direktes Maß für die Kondensationstemperatur darstellt. Unter einem direkten Maß für die Kondensationstemperatur wird dabei verstanden, daß bei gegebener apperativer Anordnung aus dem vom zweiten Fühler erfaßten Wert ohne Hinzuziehung von weiteren den momentanen Zustand des Systems wiedergebenden Meßgrößen zumindest annähernd die Kondensationstemperatur ermittelbar ist.

[0007] In einem ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist der zweite Fühler als Druckaufnehmer ausgebildet und im Hochdruckbereich des Kältemittelkreislaufs also im Bereich zwischen Verdichter und Expansionsventil angeordnet. Aus dem vom Fühler aufgenommenen Druck wird direkt die Kondensationstemperatur erhalten.

[0008] Denkbar und möglich wäre es auch, den zweiten Fühler als Temperaturfühler auszubilden und direkt am Kondensator anzuordnen, und zwar in einem Bereich desselben, in dem möglichst unter allen Betriebsbedingungen eine etwa der Kondensationstemperatur entsprechende Temperatur vorliegt.

[0009] In einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung, wenn es sich bei der erfindungsgemäßen Einrichtung um eine Wärmepumpe handelt, bei der der Kondensator als Wärmetauscher ausgebildet ist, ist der zweite Fühler ein in der Verlaufleitung des Heizkreises angeordneter Temperaturfühler. Die von diesem Fühler aufgenommene Temperatur weicht nur um wenige Grad Kelvin von der Kondensationstemperatur ab und kann über einen Korrekturfaktor in die Kondensationstemperatur umgerechnet werden.

[0010] Da bei einer Regelung des Expansionsventils anhand der Heißgastemperatur und der Kondensationstemperatur die Regelgröße wesentlich stärker variiert als bei einer Regelung anhand der Verdampfer-Überhitzungstemperatur kann die Regelung des Expansionsventils bei der erfindungsgemäßen Einrichtung ohne großen apparativen Mehraufwand wesentlich genauer durchgeführt werden. Vorteilhafterweise wird als Regelgröße die Differenz zwischen den beiden über die beiden Fühler ermittelten Temperaturwerten verwendet.

[0011] Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung werden im folgenden anhand der beiliegenden Zeichnung erläutert.

[0012] In dieser zeigt

die Fig. 1

eine schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispieles einer erfindungsgemäßen Kompressionswärmepumpe und

die Fig. 2

eine schematische Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispieles einer erfindungsgemäßen Kompressionswärmepumpe.

[0013] Der Kältemittelkreislauf der in der Fig. 1 schematisch dargestellten Kompressionswärmepumpe umfaßt einen Verdampfer 1, einen Verdichter 2, einen Kondensator 3 und ein Expansionsventil 4. Im Verdampfer wird das Kältemittel verdampft, wobei eine Wärmemenge 5 von der Umgebung aufgenommen wird. Das vom Verdichter 2 komprimierte Heißgas kondensiert in dem als Wärmetauscher ausgebildeten Kondensator, wobei eine Wärmemenge 6 an den Heizkreislauf 7 abgegeben wird.

[0014] Ein optimaler Wirkungsgrad der Kompressionswärmepumpe wird erreicht, wenn das Kältemittel im Verdampfer 1 möglichst wenig überhitzt wird. Eine geringe Menge von nichtverdampftem Kältemittel ist dabei unerheblich, da der Verdichter als sauggasgekühlter Kompressor ausgebildet ist, d.h. Motorwärme wird an das angesaugte Gas abgegeben, wobei Reste von Kühlmittel verdampft werden. Das Kältemittel wird aber zuwenig erwärmt, wenn flüssiges Kältemittel in das Öl des Kompressors gelangt und das Öl im Kompressor aufzuschäumen beginnt. In diesem Fall muß die Zufuhr von Kältemittel in den Verdampfer 1 durch Drosselung des Expansionsventils 4 verringert werden.

[0015] Zur exakten Regelung des Expansionsventils 4 ist eine Regeleinrichtung 8 vorgesehen, die mit einem Temperaturfühler 9 und einem zweiten Fühler 10 verbunden ist. Der erste Fühler 9 dient zur Erfassung der Heißgastemperatur des Kältemittels im Bereich zwischen Verdichter 2 und Kondensator 3. Der zweite Fühler 10 ist im Hochdruckbereich, der vom Verdichter 2 bis zum Expansionsventil 4 reicht, angeordnet und ist als Druckaufnehmer ausgebildet. Der vom zweiten Fühler 10 erfaßte Wert des Druckes entspricht dem Kondensationsdruck des Kältemittels im Kondensator 3 und kann direkt in die Kondensationstemperatur im Kondensator umgewandelt werden. Der Istwert der Regelgröße wird in der Regeleinrichtung 8 aus der Differenz zwischen den von den beiden Fühlern ermittelten Temperaturen bestimmt. Liegt dieser Istwert beispielsweise über einem vorgegebenen Sollwert, so wird das Expansionsventil 4 von der Regeleinrichtung 8 weiter geöffnet. Dadurch strömt mehr Kältemittel durch den Verdampfer, was eine geringere Verdampfungs-Überhitzungstemperatur des gasförmigen Kältemittels in der Sauggasleitung 11 und damit auch eine geringere Heißgastemperatur des Kältemittels im Bereich zwischen Verdichter 2 und Kondensator 3 zur Folge hat, wobei die Änderung der Verdampfungs-Überhitzungstemperatur wesentlich geringer ist als die Änderung der Heißgastemperatur.

[0016] Der Sollwert der Differenz zwischen der vom ersten Fühler 9 ermittelten Heißgastemperatur und der über den zweiten Fühler 10 ermittelten Kondensationstemperatur wird dabei in Abhängigkeit von der über den zweiten Fühler 10 ermittelten Kondensationstemperatur eingestellt, vorzugsweise proportional zu dieser. Beispielsweise beträgt der Sollwert der Temperaturdifferenz bei einer Kondensationstemperatur von 25°C 17 K, während er bei einer Kondensationstemperatur von 50°C 25 K beträgt. Der Grund für die Einführung einer solchen Abhängigkeit sind die unterschiedlichen Wärmemengen, die bei unterschiedlichen Kondensationstemperaturen im Kondensator 3 abgeführt werden müssen und die daraus folgenden unterschiedlichen Anforderungen an den Kondensator. Im Kondensator wird ja das Heißgas zunächst in einer ersten Enthitzungszone enthitzt (z.B. von 70 auf 50°C), anschließend in einer Kondensationszone kondensiert (z.B. bei 50°C) und schließlich in einer Unterkühlungszone unterkühlt (z.B. von 50 auf 46°C). Bei niedrigen Temperaturen liegt eine hohe Leistung am Kondensator 3 an und durch einen geringeren Sollwert der Temperaturdifferenz wird die Kondensationszone vergrößert (auf Kosten der Enthitzungszone), während sie bei höheren Temperaturen, bei denen eine niedrigere Leistung anliegt, mittels eines größeren Sollwertes der Temperaturdifferenz verkleinert wird (und die Enthitzungszone vergrößert).

[0017] Der einzige Unterschied des Ausführungsbeispieles nach Fig. 2 besteht darin, daß der zweite Fühler 10 als Temperaturfühler ausgebildet ist und in der Vorlaufleitung 13 des Heizkreises 7 im Bereich des Wärmetauscherausgangs angeordnet ist. Die vom zweiten Fühler 10 aufgenommene Temperatur unterscheidet sich von der Kondensationstemperatur nur um wenige Grad Kelvin und kann in diese mittels eines konstanten Korrekturfaktors (der im wesentlichen vom verwendeten Kältemittel und von der Dimensionierung des Wärmetauschers abhängt) umgerechnet werden.

Ansprüche

1. Kompressionswärmepumpe oder Kompressionskältemaschine mit einem Kältemittelkreislauf, der einen Verdampfer (1), einen Verdichter (2), einen Kondensator (3) und ein regelbares Expansionsventil (4) umfaßt, welches von einer Regeleinrichtung (8) angesteuert wird, die mit einem im Bereich (12) zwischen Verdichter (2) und Kondensator (3) angeordneten Temperaturfühler (9) und einem zweiten Fühler (10) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Fühler (10) einen Wert erfaßt, der ein direktes Maß für die Kondensationstemperatur im Kondensator (3) darstellt.

2. Kompressionswärmepumpe oder Kompressionskältemaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Fühler (10) ein Druckaufnehmer ist und im Hochdruckbereich des Kältemittelkreislaufes zwischen Verdichter (2) und Expansionsventil (4) angeordnet ist.

3. Kompressionswärmepumpe oder Kompressionskältemaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kondensator (3) der Kompressionswärmepumpe als Wärmetauscher zur Übertragung der vom Kältemittel abgegebenen Wärme (6) auf ein Heizmittel eines Heizkreises (7) ausgebildet ist und der zweite Fühler (10) als Temperaturfühler ausgebildet ist, der in der Vorlaufleitung (13) des Heizkörpers, vorzugsweise im Bereich des Wärmetauscherausganges angeordnet ist.

4. Kompressionswärmepumpe oder Kompressionskältemaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Fühler (10) ein Temperaturfühler ist und am Kondensator (3) angeordnet ist.

5. Verfahren zur Regelung einer Kompressionswärmepumpe oder Kompressionskältemaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Regelgroße aus der Differenz zwischen der vom ersten Fühler (9) erfaßten Temperatur und einer Temperatur, die dem vom zweiten Fühler erfaßten Wert entspricht und ein direktes Maß für die Kondensationstemperatur im Kondensator darstellt, gebildet wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Sollwert der Regelgröße von dem vom zweiten Fühler (10) erfaßten Wert abhängig ist, vorzugsweise mit steigendem vom zweiten Fühler erfaßten Wert zunimmt.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Sollwert der Regelgröße etwa proportional zu dem vom zweiten Fühler (10) ermittelten Wert ist.

Zeichnung