Patent DE-102015008045-B4 (DE)
Title: Kombination von Wärmetauschern bestehend aus Kondensator und Unterkühler für eine hocheffiziente Wärmepumpe, welche zum Heizen und Kühlen geeignet ist.
Inventor: HÖCKER HANS PETER
IPC: F25B40/04
Filed: 2015-06-19
Granted: 2019-09-05
Abstract: Die erfindungsgemäße hocheffiziente Wärmepumpe verfügt mindestens über eine Kombination von zwei in Reihe geschalteten Wärmetauschern (4 + 6), einem Kältemittel (1a), einem Wärmespeicher (11) mit einem flüssigen Speichermedium (10), einer hocheffizienten drehzahlgeregelten Ladepumpe (13), einem regelbaren Mischventil (22) mit einem integrierten drehbaren Teilungselement (32), einem regelbaren Expansionsventil (9), einem Kältemittelverdampfer (1), einem drehzahlgeregelten Kältemittelkompressor (2) und einer programmierbaren elektronischen Steuerung (14), mit den Merkmalen,
 1.a) dass das im Kältemittelkreislauf der Wärmepumpe befindliche Kältemittel (1a), mittels eines drehzahlgeregelten Kältemittelkompressors (2) durch den geschlossenen Primärkreis der Wärmepumpe gepumpt wird, wobei sich das Kältemittel (1a) zunächst im Kältemittelverdampfer (1) erwärmt und dabei verdampft, sich im nachgeschalteten drehzahlgeregelten Kältemittelkompressor (2) durch starke Kompression nochmals erhitzt und anschließend über die Heißgasleitung (3) von oben in den ersten Wärmetauscher = Kondensator (4) gelangt, wobei das heiße Kältemittel (1a) in den Kondensator (4) hineinströmt, diesen durchströmt, sich dabei stark abkühlt, sich bei diesem Vorgang sowohl enthitzt als auch vollständig kondensiert und den Kondensator (4) als verflüssigtes Kältemittel (1a) am unteren Ausgang wieder verlässt,
 1.b) wobei das im Kondensator (4) bereits verflüssigte Kältemittel (1a) anschließend über die Verbindungsleitung (5) von oben in einen zweiten Wärmetauscher = Unterkühler (6) gepumpt wird, worin das bereits verflüssigte Kältemittel (1a) in den Unterkühler (6) hineinströmt, diesen durchströmt, sich dabei nochmals stark abkühlt und dabei gleichzeitig vollständig unterkühlt, den Unterkühler (6) über die unten angeschlossene Kondensatleitung (7) wieder verlässt, anschließend durch das regelbare Expansionsventil (9) gedrückt wird, sich dabei stark entspannt und stark abgekühlt, um anschließend im Kältemittelverdampfer (1) durch zuströmende Umweltwärme wieder erwärmt zu werden,
 1.c) wobei ein im Gegenstrom fließendes Speichermedium (10), welches sich im Wärmespeicher (11) befindet, mittels einer hocheffizienten drehzahlgeregelten Ladepumpe (13) aus dem Wärmespeicher (11) herausgesaugt wird, durch die untere Einströmungsleitung (30) von unten in den Wärmetauscher = Unterkühler (6) hinein gepumpt wird, diesen von unten nach oben durchströmt, den Unterkühler (6) an der obersten Stelle wieder verlässt um in das regelbare Mischventil (22) hinein zu strömen, wobei das Speichermedium (10) durch das im regelbaren Mischventil (22) integrierten drehbaren Teilungselement (32) geteilt wird, wobei ein Teil des Speichermediums (10) durch die mittlere Ausströmungsleitung (26) direkt in den Wärmespeicher (11) fließt und gleichzeitig ein zweiter Teil des Speichermediums (10) durch den Wärmetauscher = Kondensator (4) gepumpt wird, um anschließend über die obere Ausströmungsleitung (25) ebenfalls in den Wärmespeicher (11) zu fließen,
 1.d) wobei das Speichermedium (10), welches im Sekundärkreis mittels der hocheffizienten drehzahlgeregelten Ladepumpe (13) von unten nach oben durch den Unterkühler (6) gepumpt wird, die in der Unterkühlungsphase vorhandene Wärmeenergie des gegenströmenden Kältemittels (1a) nahezu vollständig aufnimmt, sich dabei stark erwärmt und den Unterkühler (6) in Richtung des regelbaren Mischventils (22) wieder verlässt,
 1.e) wobei das Speichermedium (10) nach dem Eintritt in das regelbare Mischventil (22) durch das integrierte drehbare Teilungselement (32) in zwei verschiedene Volumenströme geteilt wird,
 1 .f) wobei gleichzeitig ein gewisser einstellbarer Anteil des Speichermediums (10) direkt über die mittlere Ausströmungsleitung (26) in den Wärmespeicher (11) gepumpt wird und gleichzeitig ein zweiter einstellbarer Anteil des Speichermediums (10) in den nachgeschalteten Wärmetauscher = Kondensator (4) gepumpt wird,
 1.g) wobei sich das Speichermedium (10) beim Durchströmen des Kondensators (4) durch das gegenströmende Kältemittel (1a) stark aufheizt, dabei sowohl die Wärmeenergie der Enthitzungsphase als auch die Wärmeenergie der Kondensationsphase des Kältemittels (1a) nahezu vollständig aufnimmt und den Kondensator (4) über die obere Ausströmungsleitung (25) wieder verlässt, um anschließend in den Wärmespeicher (11) gepumpt zu werden,
 1.h) wobei insgesamt in den Wärmetauschern (4 + 6) sowohl eine vollständige Kondensation, als auch eine nahezu vollständige Unterkühlung des Kältemittels (1a), und gleichzeitig im Gegenstrom eine nahezu vollständige Aufheizung des Speichermediums (10) erzielt wird,
 1.i) wobei die nahezu vollständige Unterkühlung des Kältemittels (1a) zu einem nahezu vollständigen Temperaturausgleich zwischen dem in der unteren Einströmungsleitung (30) einströmenden Speichermedium (10) und dem in der Kondensatleitung (7) ausströmenden Kältemittels (1a) führt,
 1.j)wobei gleichzeitig der messbare Temperaturunterschied zwischen den beiden Leitungen (30 + 7), gemessen mit den Temperaturfühlern (24 + 21), gegen Null Kelvin geht, wobei gleichzeitig die durch die Wärmetauscher (4 +6) übertragene Wärmemenge gegen 100% geht,
 1.k) wobei gleichzeitig die physikalisch maximal mögliche Wärmeübertragung der beiden Wärmetauscher (4 + 6) erreicht wird,
 1.1) wobei gleichzeitig die gewünschte bzw. voreingestellte Vorlauftemperatur in der oberen Ausströmungsleitung (25), gemessen am Übergangstemperaturfühler oben (17), erreicht und gehalten wird, 
 1.m) wobei gleichzeitig sowohl das regelbare Expansionsventil (9), der drehzahlgeregelte Kältemittelkompressor (2), die hocheffiziente drehzahlgeregelte Ladepumpe (13) als auch das regelbare Mischventil (22) mit dem integrierten drehbaren Teilungselement (32) mittels der eingebauten programmierbaren elektronischen Steuerung (14) so angesteuert und geregelt wird,
 1.n) dass das regelbare Expansionsventil (9) durch die programmierbare elektronische Steuerung (14) möglichst weit geöffnet wird um möglichst viel unterkühltes Kältemittel (1a) hindurchströmen zu lassen, welches sich im nachgeschalteten Kältemittelverdampfer (1) durch die zugeführte Umweltwärme wieder stark erwärmen kann,
 1.o) dass gleichzeitig der drehzahlgeregelte Kältemittelkompressor (2) durch die programmierbare elektronische Steuerung (14) in kleinen Hertzstufen mit der für den momentanen Betriebspunkt kleinsten notwendigen Drehzahl angesteuert wird und dabei permanent in der Drehzahl variiert und nachgeregelt werden kann, um permanent möglichst wenig Strom zu verbrauchen,
 1.p) dass gleichzeitig die hocheffiziente drehzahlgeregelte Ladepumpe (13) durch die programmierbare elektronische Steuerung (14) in kleinen Hertzstufen mit der für den momentanen Betriebspunkt größten möglichen Drehzahl angesteuert wird, damit der Volumenstrom des Speichermediums (10) im Unterkühler (6) möglichst hoch ist um das Kältemittel (1a) möglichst stark unterkühlen zu können,
 1.q) wobei gleichzeitig die Drehzahl der Ladepumpe (13) möglichst hoch sein soll, gleichzeitig aber nur so hoch sein darf, dass gleichzeitig die gewünschte bzw. eingestellte Vorlauftemperatur in der oberen Ausströmungsleitung (25), gemessen am Übergangstemperaturfühler oben (17), erreicht und gehalten wird, 
 1.r) dass gleichzeitig das regelbare Mischventil (22) mit dem integrierten drehbaren Teilungselement (32) durch die programmierbare elektronische Steuerung (14) so geregelt bzw. eingestellt wird, dass die beiden Volumenströme des Speichermediums (10) in der oberen Ausströmungsleitung (25) und der mittleren Ausströmungsleitung (26) im optimalen Verhältnis zueinander geteilt werden,
 1.s) dass gleichzeitig die übergebene bzw. getauschte Wärmemenge der beiden Fluide (1a + 10) in den beiden Wärmetauschern (4 + 6) immer optimal hoch ist,
 1.t) dass sich gleichzeitig im Wärmespeicher (11) eine optimale Zwangsschichtung von oben nach unten ergibt, wobei sich im oberen Teil des Wärmespeichers (11) besonders heißes, im mittleren Teil warmes und im unteren Teil kühles Speichermedium (10) befindet,
 1.u) wobei die hocheffiziente Wärmepumpe bei Erreichen der eingestellten Abschalttemperatur, welche im Wärmespeicher (11) durch den eingebauten Speichertemperaturfühler unten (16) gemessen wird, durch die programmierbare elektronische Steuerung (14) abgeschaltet wird,
 1.v) und wobei sich die Wärmepumpe bei einem sich wieder abkühlenden Speichertemperaturfühler unten (16) oder einem sich wieder abkühlenden Speichertemperaturfühler oben (31) nach einer in der programmierbaren elektronischen Steuerung (14) einstellbaren Hysterese auch wieder einschaltet, um den Wärmespeicher (11) wieder von Neuem bis zur eingestellten Abschalttemperatur mit Wärme zu versorgen.