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Patent Searching and Data


Title:
METHOD FOR CONTROL OF A CARNOT CYCLE PROCESS AND PLANT FOR CARRYING OUT THE SAME
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2003/106900
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to a method for control of a carnot cycle process in a plant in which at least the following are arranged in a working medium circuit: a compressor (16), a condenser (18), an expansion valve (20) and an evaporator (12) as well as an internal heat exchanger (14). The condensed working medium, flowing from the condenser (18) and the working medium (12), flowing from the evaporator (12), flow through the latter. The gaseous working medium is superheated and the condensed working medium supercooled in the internal heat exchanger, whereby the superheating of the working medium is regulated by means of the expansion valve (20). In order to improve the capacity, for example, 10 to 30 % of the total evaporation of the working medium is carried out in the internal heat exchanger embodied as a multi-pass additional evaporator (14).

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Inventors:
KALBERER FELIX (CH)
Application Number:
PCT/CH2003/000361
Publication Date:
December 24, 2003
Filing Date:
June 06, 2003
Export Citation:
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Assignee:
KALBERER FELIX (CH)
International Classes:
F25B5/04; F25B29/00; F25B40/00; F25B49/02; (IPC1-7): F25B40/00; F25B5/04; F25B29/00
Domestic Patent References:
WO2001022011A12001-03-29
Foreign References:
GB849158A1960-09-21
DE1231728B1967-01-05
DE19631914A11997-02-13
DE3442169A11986-05-28
EP1014013A12000-06-28
DE4001525A11990-08-02
US3264837A1966-08-09
DE2451361A11976-05-06
US5092138A1992-03-03
Attorney, Agent or Firm:
SCHMAUDER & PARTNER AG (Zürich, CH)
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Claims:
Patentansprüche
1. Verfahren zum Regeln eines CarnotKreisprozesses einer Anlage, wobei in einem Arbeitsmittelkreislauf mindestens Folgendes angeordnet ist : ein Verdichter (16), ein Kondensator (18), ein Expansionsventil (20,20a, 20b, 20c) und ein Ver dampfer (12) sowie ein innerer Wärmetauscher (14), der von dem aus dem Kon densator (18) austretenden kondensierten Arbeitsmittel und von dem aus dem Verdampfer (12) austretenden Arbeitsmittel durchströmt wird und in dem das gas förmige Arbeitsmittel überhitzt und das kondensierte Arbeitsmittel unterkühlt wer den, wobei die Überhitzung des Arbeitsmittels mittels des Expansionsventils (20,20a, 20b, 20c) geregelt wird, dadurch gekennzeichnet, dass man einen Teil der gesamten Verdampfung des Arbeitsmittels in dem als mehrpassigen Zusatzver dampfer (14) ausgebildeten inneren Wärmetauscher durchführt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass man 10 bis 30%, vorzugsweise 15 bis 25 % der gesamten Verdampfung des Arbeitsmittels im Zusatzverdampfer (14) durchführt.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass man das kondensierte Arbeitsmittel in dem Zusatzverdampfer (14) bis ungefähr auf seine Verdampfungstemperatur abkühlt.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass man ein thermostatisches Expansionsventil (20,20a, 20b) verwendet und die ses anhand des Druckes des Arbeitsmittels vor oder nach dem Zusatzverdampfer (14) und der Temperatur des Arbeitsmittels zwischen dem Zusatzverdampfer (14) und dem Verdichter (16) regelt.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass man ein durch eine Regeleinheit (50) geregeltes Expansionsventil (20c) ver wendet, wobei man die Regeleinheit mindestens anhand eines Druckfühlers (74,74a) vor oder nach dem Zusatzverdampfer (14) sowie der Temperatur des Arbeitsmittels zwischen dem Zusatzverdampfer (14) und dem Verdichter (16) re gelt.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass man die Regel einheit (50) zusätzlich anhand der Temperatur und/oder des Druckes des Ar beitsmittels zwischen dem Verdampfer (12) und dem Zusatzverdampfer (14) re gelt.
7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass man die Regeleinheit (50) zusätzlich anhand der Temperatur und/oder des Druckes des Arbeitsmittels zwischen dem Verdichter (16) und dem Kondensator (18) regelt.
8. Anlage zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7, mit einem Arbeitsmittelkreislauf, in dem mindestens Folgendes angeordnet ist : ein Verdichter (16), ein Kondensator (18), ein Expansionsventil (20,20a, 20b, 20c) und ein Verdampfer (12), sowie ein innerer Wärmetauscher (14), der von dem aus dem Kondensator (18) austretenden kondensierten Arbeitsmittel und von dem aus dem Verdampfer (12) austretenden Arbeitsmitteldurchströmt wird und in dem das gasförmige Arbeitsmittel überhitzt und das kondensierte Arbeitsmittel gekühlt werden, wobei die Überhitzung des Arbeitsmittels mittels des Expansionsventils (20,20a, 20b, 20c) regelbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass der innere Wärme tauscher als mehrpassiger Zusatzverdampfer (14) ausgebildet ist.
9. Anlage nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Zusatzver dampfer (14) 10 bis 30%, vorzugsweise 15 bis 25 % der Wärmetauscherfläche des Verdampfers (12) aufweist.
10. Anlage nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Ex pansionsventil (20,20a, 20b) thermostatisch ausgebildet und mittels eines zwi schen dem Zusatzverdampfer (14) und dem Verdichter (16) angeordneten Tempe raturfühlers (32) und einer vor oder nach dem Zusatzverdampfer (14) angeschlos senen Druckleitung (34,34a) regelbar ist.
11. Anlage nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass parallel zum Expansionsventil (20) ein zweites Expansionsventil (20a) angeordnet ist, welches von einer Druckleitung (40) und einem Temperaturfühler (38) regelbar ist, die zwischen dem Verdampfer (12) und dem Zusatzverdampfer (14) angeord net sind, wobei das erste Expansionsventil (20) von einer Druckleitung (34) und einem Temperaturfühler (32) regelbar ist, die zwischen dem Zusatzverdampfer (14) und dem Verdichter (16) angeordnet sind (Figur 4).
12. Anlage nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich zum Expansionsventil (20) ein zweites Expansionsventil (20b) angeord net ist, dessen Ausgang mittels einer Leitung (42) zwischen dem Verdampfer (12) und dem Zusatzverdampfer (14) verbunden ist und welches von einer Drucklei tung (34a) und einem Temperaturfühler (32) regelbar ist, die zwischen dem Zu satzverdampfer (14) und dem Verdichter (16) angeordnet sind, wobei das erste Expansionsventil (20) von einer Druckleitung (48) und einem Temperaturfühler (46) regelbar ist, die zwischen dem Verdampfer (12) und dem Zusatzverdampfer (14) angeordnet sind (Figur 5).
13. Anlage nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Ex pansionsventil (20c) mittels einer elektronischen Regeleinheit (50) regelbar ist, an der mindestens ein zwischen dem Zusatzverdampfer (14) und dem Verdichter (16) angeordneter Temperaturfühler (54) sowie ein vor und/oder nach dem Zusatzver dampfer (14) angeordneter Druckfühler (74,74a) angeschlossen sind.
14. Anlage nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass an der Regeln heit (50) mindestens einer der folgenden Druckund/oder Temperaturfühler (58,70) angeschlossen sind/ist : a) zwischen Verdichter (16) und Kondensator (18) ; b) zwischen Verdampfer (12) und Zusatzverdampfer (14).
15. Anlage nach einem der Ansprüche 8 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass sie als Wärmepumpe ausgebildet ist.
Description:
Verfahren zum Regeln eines Carnot-Kreisprozesses sowie Anlage zu seiner Durchführung Technisches Gebiet Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Regeln eines Carnot-Kreisprozesses ge- mäss Oberbegriff des Anspruches 1 sowie eine Anlage zur Durchführung des Ver- fahrens gemäss Oberbegriff des Anspruches 8.

Carnot-Kreisprozesse dienen zur Erzeugung von Wärme höherer Temperatur aus Wärme niederer Temperatur und umgekehrt. Die hierzu erforderlichen Anlagen sind als Wärmepumpen und Kältemaschinen bekannt. Bekannte Energiequellen sind beispielsweise : Kühl-Tiefkühlräume, Aussenluft, Erdsonden, Grundwasser usw.

Stand der Technik Ein Verfahren zum Regeln eines Carnot-Kreisprozesses für eine Wärmepumpe sowie eine Kältemaschine sind z. B. aus der DE 34 42 169 A bekannt. Das aus dem Verdampfer austretende gasförmige Kältemittel (Arbeitsmittel) durchströmt einen inneren Wärmeaustauscher, in dem das gasförmige Kältemittel überhitzt und das Kondensat unterkühit werden. Der Verdampfer und der Kondensator und vor allem der innere Wärmetauscher werden dabei derart ausgelegt, dass die Ü- berhitzung ausschliesslich und die Unterkühlung nahezu ausschliesslich in dem inneren Wärmetauscher erfolgen. Die Überhitzung wird dabei so gross gehalten, dass die Temperatur des Kältemittels nach dem Verdichten einen vorgegebenen Maximalwert erreicht. Hierzu wird der Öffnungsquerschnitt des Expansionsventils in Abhängigkeit von der Temperatur des Kältemittels nach dem Verdichter und/oder nach dem Zustand des Kältemittels am Verdampfer-Austritt geregelt.

Nachteilig ist es, dass mit dieser Einrichtung die angestrebte Unterkühlung eine massive Überhitzung des Sauggases im inneren Wärmetauscher verursacht, wo- durch das Verdichterschmieröl bei zu hohen Temperaturen zur Verkokung neigt und je nach Verdichterbauart die Wicklungskühlung des Antriebsmotors nicht

mehr vollständig gewährleistet werden kann. Eine optimale Leistungssteigerung ist nicht möglich.

Darstellung der Erfindung Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zum Regeln eines Carnot- Kreisprozesses sowie eine Anlage zu dessen Durchführung weiter zu verbessern.

Die gestellte Aufgabe wird erfindungsgemäss gelöst : a) bei dem eingangs genannten Verfahren durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruches 1 ; b) bei der eingangs genannten Anlage durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruches 8.

Man hat in überraschender Weise herausgefunden, dass sich die Leistung des Carnot-Kreisprozesses und der Anlage zu dessen Durchführung wesentlich verbessern lässt und dies bei gleichzeitig stabilen Kreislaufverhältnissen, wenn der innere Wärmetauscher als mehrpassiger Zusatzverdampfer ausgebildet ist, in dem ein Tei ! dP-r gGsamten VF ! rdampfung dss Arbeitsmitte ! s stattf3ndet. Dadurch kann die Wärmemenge des aus dem Kondensator austretenden kondensierten Arbeitsmittels wesentlich besser genutzt werden, als dies bei einem ausschliess- lich auf die Überhitzung ausgelegten inneren Wärmetauscher möglich ist. Dies führt dazu, dass einerseits der Verdampfungsprozess wesentlich verbessert wird und andererseits das kondensierte Arbeitsmittel sehr weit, d. h. praktisch bis auf die Verdampfungstemperatur abgekühlt werden kann, so dass es im Verdampfer sofort zur Wärmeaufnahme zur Verfügung steht. Dies hat wiederum zur Folge, dass das Niveau der Temperatur und des Druckes des Arbeitsmittels beim Ver- dampfen gegenüber der Lösung nach dem Stand der Technik angehoben werden kann, ohne eine grosse Überhitzung des Sauggases in Kauf nehmen zu müssen.

Die Überhitzung kann auf einem Minimum gehalten werden, wodurch stabile Ver- hältnisse des Carnot-Kreisprozesses beibehalten werden können. Der merkliche

Niveau-Anstieg der Temperatur und des Druckes des Dampfes einerseits und die Abkühlung des Arbeitsmittels vor dessen Eintritt in den Verdampfer anderer- seits ermöglichen eine wesentliche Leistungssteigerung des Carnot- Kreisprozesses, da mehr Arbeitsmittel verdampft und der Verdichter weniger Druckunterschiede zwischen Verdampfen und Kondensieren überwinden muss.

Es wird also soviel Energie wie möglich durch den Verdampfungsprozess aus dem Verdampfer und dem Nachverdampfer herausgeholt, um sowenig wie möglich An- triebsenergie für den Verdichter zu benötigen. Damit benötigt der Verdichter weni- ger Strom obwohl mehr Sauggas gefördert wird. Je nach den im Einzelfall vorlie- genden Bedingungen kann die Leistungssteigerung 10 bis 30 % betragen kann.

Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens sind in den Ansprüchen 2 bis 7 und bezüglich der Anlage in den Ansprüchen 9 bis 15 angegeben.

Besonders vorteilhafte Ergebnisse erhält man, wenn gemäss Anspruch 2 im Zu- satzverdampfer 10 bis 30 %, vorzugsweise 15 bis 25 %, insbesondere 20 % der gesamten Verdampfung des Arbeitsmittels stattfindet.

Jede Abkühlung des kondensierten Arbeitsmittels bringt eine Verbesserung der Leistung der Anlage besonders vorteilhaft ist es jedoch, wenn gemäss Anspruch 2 das kondensierte Arbeitsmittel in dem Zusatzverdampfer bis ungefähr auf die Ver- dampfungstemperatur abgekühlt wird.

Eine besonders einfache Lösung der Regelung des Carnot-Kreisprozesses be- schreibt Anspruch 4, wonach man ein thermostatisches Expansionsventil verwen- det und dieses anhand des Druckes des Arbeitsmittels vor oder nach dem Zusatz- verdampfer und der Temperatur des Arbeitsmittels zwischen dem Zusatzverdamp- fer und dem Verdichter regelt. Diese Daten können dann unmittelbar an das ther- mostatische Expansionsventil weiter gegeben werden und den Carnot- Kreisprozess regeln. Eine subtilere Regelung ist möglich, wenn nach Anspruch 5 eine Regeleinheit verwendet wird, die ein elektronisches Expansionsventil regelt, wobei man die Regeleinheit mindestens anhand eines Druckfühlers vor oder nach

dem Zusatzverdampfer sowie der Temperatur des Arbeitsmittels zwischen dem Zusatzverdampfer und dem Verdichter regelt. Diese Regelung lässt sich verfei- nern, wenn man gemäss Anspruch 6 die Regeleinheit zusätzlich anhand der Tem- peratur und/oder des Druckes des Arbeitsmittels zwischen dem Verdampfer und dem Zusatzverdampfer regelt. Vorteilhaft ist auch eine Weiterbildung nach An- spruch 7, wonach man die Regeleinheit zusätzlich anhand der Temperatur des Arbeitsmittels zwischen dem Verdichter und dem Kondensator regelt.

Die oben beschriebenen regelungstechnischen Merkmale lassen sich bei einer Anlage zur Durchführung des Verfahrens, insbesondere einer Wärmepumpe durch konstruktive Merkmale erzielen. Eine anteilige Verdampfung des Arbeitsmit- tels im mehrpassigen Zusatzverdampfer erzielt man, in dem der Zusatzverdampfer eine entsprechend grosse Wärmetauscherfläche aufweist. Bevorzugt ist die Aus- bildung nach Anspruch 9, wonach der Zusatzverdampfer 10 bis 30 %, vorzugs- weise 15 bis 25 %, insbesondere 20 % der Wärmetauscherfläche des Verdamp- fers aufweist.

Die einfachste Regelung der Anlage ist nach Anspruch 10 dadurch gegeben, dass das Expansionsventil thermostatisch ausgebildet ist und mittels eines zwischen dem Zusatzverdampfer und dem Verdichter angeordneten Temperaturfühlers ei- nerseits und einer vor oder nach dem Zusatzverdampfer angeordneten Druckes- tung andererseits geregelt wird. Eine zweckmässige Ausgestaltung der Anlage beschreibt Anspruch 11, wonach parallel zum Expansionsventil ein zweites Ex- pansionsventil angeordnet ist, welches von einer Druckleitung und einem Tempe- raturfühler regelbar ist, die zwischen dem Verdampfer und dem Zusatzverdampfer angeordnet sind, wobei das erste Expansionsventil von einer Druckleitung und einem Temperaturfühler regelbar ist, die zwischen dem Zusatzverdampfer und dem Verdichter angeordnet sind. Es kann weiter zweckmässig sein, die Anlage nach Anspruch 12 auszugestalten, wonach zusätzlich zum Expansionsventil ein zweites Expansionsventil angeordnet ist, dessen Ausgang mit einer Leitung zwi- schen dem Verdampfer und dem Zusatzverdampfer verbunden ist und welches von einer Druckleitung und einem Temperaturfühler regelbar ist, die zwischen dem

Zusatzverdampfer und dem Verdichter angeordnet sind, wobei das erste Expansi- onsventil von einer Druckleitung und einem Temperaturfühler regelbar ist, die zwi- schen dem Verdampfer und dem Zusatzverdampfer angeordnet sind. Durch diese Ausgestaltung ist es möglich, eine Teilmenge des kondensierten Arbeitsmittels unter Umgehung des Verdampfers direkt dem Zusatzverdampfer zuzuführen.

Eine subtilere Regelung lässt sich erzielen, wenn die Anlage nach Anspruch 13 mit einer elektronischen Regeleinheit versehen ist, die vorzugsweise rechnerge- steuert ist. Dies erfordert ein ebenfalls elektronisch steuerbares Expansionsventil.

An der Regeleinheit ist ein Temperaturfühler angeschlossen, der zwischen dem Zusatzverdampfer und dem Verdichter liegt. Ferner kann ein vor und/oder nach dem Zusatzverdampfer angeordneter Druckfühler die Regeleigenschaften der Re- geleinheit verbessern. Eine weitere Verfeinerung des Regelsystems ergibt sich, wenn an der Regeleinheit nach Anspruch 14 mindestens einer der folgenden Druck-und/oder Temperaturfühler angeschlossen sind/ist : a) zwischen dem Verdichter und dem Kondensator b) zwischen dem Verdampfer und dem Zusatzverdampfer.

Das erfindungsgemässe optimierte Regel-Verfahren eines Carnot-Kreisprozesses entfaltet seine Vorteile generell bei Kältemaschinen wie bei Wärmepumpen, wobei letztere gemäss Anspruch 15 besonders bevorzugt sind.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen Als Wärmepumpen ausgestaltete Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnungen näher beschrieben, dabei zeigen : Figur 1 das Blockschema einer ersten Wärmepumpe ; Figur 2 das Temperatur-Diagramm der Wärmepumpe der Figur 1 ; Figur 3 das Druck-Diagramm der Wärmepumpe der Figur 1 ; Figur 4 das Blockschema einer zweiten Wärmepumpe ; Figur 5 das Blockschema einer dritten Wärmepumpe ; Figur 6 das Blockschema einer vierten Wärmepumpe.

Wege zur Ausführung der Erfindung Die in den Figuren 1,4, 5 und 6 dargestellten Wärmepumpen enthalten jeweils einen Arbeitsmittelkreislauf 10, in dem ein Verdampfer 12, ein Zusatzverdampfer 14, ein Verdichter 16, ein Kondensator 18 sowie ein Expansionsventil 20 über Lei- tungen 10a, 10b, 10c, 10d, 10e und 1 Of miteinander verbunden sind. Die Leitungen 10f, 10a, 10b bilden die Sauggasseite des Kreisprozesses mit Niederdruck und die Leitungen 10c, 10d, 10e bilden die Heissgasseite, die unter Hochdruck steht. Die Primärseiten des Verdampfers 12, des Zusatzverdampfers 14 und des Kondensa- tors 18 sind jeweils mit P bezeichnet und die Sekundärseiten mit S, die als Zusatz zum jeweiligen Bezugszeichen verwendet werden.

An der Primärseite 12P des Verdampfers 12 sind die Zuleitung 22 und die Ablei- tung 24 einer nicht näher dargestellten Wärmequelle angeschlossen. Eine solche Wärmequelle kann als Wärmeträger ein Fluid, wie beispielsweise Wasser, oder ein Gas, wie beispielsweise Luft, aufweisen. Es kommen die verschiedensten Wärmequellen in Frage, wie z. B. die Abluft eines Gebäudes oder das Wasser ei- ner Erdsonde und dergleichen. Die Sekundärseite 12S des Verdampfers 12 ist über die Leitung 10a mit der Sekundärseite 14S des Zusatzverdampfers 14 ver- bunden, die ihrerseits über die Leitung 10b an den Verdichter 16 angeschlossen ist. Die Leitung 10c führt zur Primärseite 18P des Kondensators 18, dessen Se- kundärseite 18S über die Zuleitung 26 und die Ableitung 28 mit einem nicht näher dargestellten Wärmeverbraucher beispielsweise einer Heizanlage verbunden ist.

Die Primärseite 18P des Kondensators 18 ist über die Leitung 1 Oa an die Primär- seite 14P des Zusatzverdampfers 14 angeschlossen. Von dort führt die Leitung 10e zum Expansionsventil 20, das wiederum über die Leitung 10f mit der Sekun- därseite 12S des Verdampfers 12 verbunden ist.

Zum Regeln des Carnot-Kreisprozesses dieser Wärmepumpe ist gemäss dem Ausführungsbeispiel der Figur 1 das Expansionsventil 20 als thermostatisches Expansionsventil ausgebildet und über eine Leitung 30 mit einem Temperaturfüh- ler 32 verbunden, der nach dem Zusatzverdampfer 14 in der Leitung 10b zum Ver- dichter 16 angeordnet ist. An der Leitung 10b ist auch eine Druckleitung 34

angeschlossen, die zum Expansionsventil 20 führt und zum Steuern einer Memb- rane des Expansionsventils dient. Da der Druck vor und nach dem Zusatzver- dampfer 14 annähernd gleich ist, kann die Druckleitung 34 auch an die Leitung 1 Oa vor dem Zusatzverdampfer 14 angeschlossen werden, wie dies die gestrichel- te Leitung 34a andeutet. Der Zusatzverdampfer 14 ist als mehrpassiger, zum Bei- spiel mehrkanaliger Zusatzverdampfer ausgestaltet und so dimensioniert, dass er 10 bis 30 %, vorzugsweise 15 bis 25 % der gesamten Verdampfung des Arbeits- mittels bewerkstelligt. Der Verdampfer und der Zusatzverdampfer sind zweckmäs- siger Weise gleich als mehrpassige Verdampfer ausgestaltet, wobei der Zusatz- verdampfer 14 entsprechend der zu erstellenden Verdampfung 10 bis 30 %, vor- zugsweise 15 bis 25 % der Wärmetauscherfläche des Verdampfers 12 aufweist.

Die Wirkungsweise und die Regelung des Carnot-Kreisprozesses der Wärme- pumpe der Figur 1 wird nachfolgend anhand der Zustanddiagramme 1 a-1-2-3a-3- 4-1 des Temperatur-Diagramms der Figur 2 und des Druck-Diagramms der Figur 3 näher beschrieben. Als Wärmequelle für die Wärmepumpe der Figur 1 dient z. B.

Grundwasser, das mit der Temperatur T1 = 10° C in die Primärseite 12P des Ver- dampfers 12 eintritt und diesen mit der Temperatur T2 = 6° C verlässt. Auf der Se- kundärseite 12S des Verdampfers 12 tritt ein Arbeitsmittel, das z. B. das Mehrstoff- <BR> <BR> <BR> <BR> Käitemitte ! R407c ist, mit einer Temperatur von T3 == 2° C ein und wird dort auf die Temperatur T4 = 3° C erwärmt. Im Zusatzverdampfer 14 wird das im Verdampfer 12 teilweise verdampfte Arbeitsmittel vollständig verdampft und von der Tempera- tur T4 = 3° C auf die Temperatur T5 = 7° C angehoben. Diese Temperaturerhö- hung wird durch das aus der Primärseite 18P des Kondensators 18 mit der Tem- peratur T7 = 31° C austretende kondensierte Arbeitsmittel erreicht, welches in der Primärseite 14P des Zusatzverdampfer 14 auf die Temperatur T8 = 12° C abge- kühlt wird. Durch die Expansion des kondensierten Arbeitsmittels am Expansions- ventil 20 kühlt das Arbeitsmittel weiter von T8 = 12° C auf T3 = 2° C ab, die der Verdampfungstemperatur entspricht. Damit nimmt das Kältemittel sofort Wärme aus der Quelle auf. Falls der Temperaturfühler 32 eine zu grosse Überhitzung feststellt, die mit keinem Druckanstieg verbunden ist, so wird das Expansionsventil 12 über die Druckleitung 34 angesteuert und geöffnet, wodurch mehr Arbeitsmittel

in den Verdampfer 12 eintritt und die Temperatur des verdampften Arbeitsmittels absenkt bis der eingestellte Wert an der Sauggasseite der Leitungen 10a, 10b bis zum Verdichter 16 erreicht ist. Dadurch wird eine übermässige Überhitzung des Sauggases und damit des Verdichters 16 vermieden, das heisst, die Überhitzung des Sauggases kann auf einem minimalen Wert von 6 bis 7 K gehalten werden.

Die Eckdaten der Wärmepumpe der Figuren 1 bis 3 sind beispielsweise : Arbeitsmittel R 407c Fläche des Verdampfers 12 5 m2 Fläche des Zusatzverdampfers 14 1 m2 Leistung des Verdampfers 12 16,3 kW Leistung des Zusatzverdampfers 14 2,8 kW Temperatur des Quellwassers T1 10 °C T2 6 °C Temperatur des Arbeitsmittels T3 2 °C T4 3 °C T5 7 °C T6 65 °C T7 31 °C T8 12 °C Temperatur des Wärmeverbrauchers T9 30 °C T10 37 °C Beim Ausführungsbeispiel der Figur 4 ist neben dem ersten Expansionsventil 20 parallel dazu ein zweites Expansionsventil 20a angeordnet, das über eine Leitung 36 mit einem Temperaturfühler 38 in der Leitung 1 Oa zwischen dem Verdampfer 12 und dem Zusatzverdampfer 14 angeschlossen ist. Eine Druckleitung 40 verbin- det die Leitung 10a mit dem Expansionsventil 20a. Dieses zusätzliche Expansi- onsventil 20a dient zur zusätzlichen Steuerung der Wärmepumpe anhand der Da- ten des Verdampfers 12, wobei dann gleichzeitig auch die Zuführung des Arbeits- mittels zum Verdampfer 12 gesteuert wird.

Beim Ausführungsbeispiel der Figur 5 ist zusätzlich zum Expansionsventil 20 ein weiteres Expansionsventil 20b parallel geschaltet, dessen Ausgang über die Lei- tung 42 nicht mit dem Verdampfer 12 verbunden ist, sondern mit der Verbindungs- leitung 10a zwischen dem Verdampfer 12 und dem Zusatzverdampfer 14. Dieses

Expansionsventil 20b wird über die Leitung 30a vom Temperaturfühler 32 nach dem Zusatzverdampfer 14 und der Druckleitung 34a, die ebenfalls nach dem Zu- satzverdampfer 14 angeschlossen ist, gesteuert. Bei einer zu starken Überhitzung des verdampften Arbeitsmittels in der Leitung 10b öffnet das Expansionsventil 20b und führt Arbeitsmittel direkt in die Verbindungsleitung 1 Oa zum Zusatzverdampfer 14, um die Überhitzungs-Temperaturzu senken. Das erste Expansionsventil 20 steuert den Arbeitsmittelzulauf zur Sekundärseite 12S des Verdampfers 12 über die Leitung 10f. Zur Steuerung ist das Expansionsventil 20 über eine Leitung 44 mit einem Temperaturfühler 46 in der Leitung 10a vom Verdampfer 12 zum Zu- satzverdampfer 14 verbunden. Eine Druckleitung 48 stellt die Verbindung von der Leitung 1 Oa zum Expansionsventil 20 her, so dass das Expansionsventil 20 auf den Betriebszustand in der Leitung 10a, also unmittelbar nach dem Verdampfer 12 anspricht.

Die Figur 6 zeigt eine Wärmepumpe mit einer elektronischen Regeleinheit 50, die vorzugsweise Computer gesteuert ist. Diese Regeleinheit steuert das Expansions- ventil 20c über die Leitung 52. Die zur Regelung erforderlichen Daten erhält die Regeleinheit 50 über einen Temperaturfühler 54 in der Leitung 1 Ob nach dem Zu- satzverdampfer 14 über die Leitung 56. Nach dem Verdichter 16 ist ein weiterer <BR> <BR> <BR> Temperaturfühter 58 über die Leitung 60 an der Regeteinheit 50 angeschlossen. ! n der Leitung 10d zwischen dem Kondensator 18 und dem Zusatzverdampfer 14 ist ein weiterer Temperaturfühler 62 angeordnet, der über die Leitung 64 mit der Re- geleinheit 50 verbunden ist. In der Leitung 10e zwischen dem Zusatzverdampfer 14 und dem Expansionsventil 20c ist schliesslich ein weiterer Temperaturfühler 66 angeordnet und über die Leitung 68 mit der Regeleinheit 50 verbunden. In der Lei- tung 10a zwischen dem Verdampfer 12 und dem Zusatzverdampfer 14 ist wieder- um ein Temperaturfühler 70 angeschlossen, der über die Leitung 72 mit der Re- geleinheit 50 verbunden ist. Ferner ist ein Druckfühler 74 und/oder 74a in der Lei- tung 1 Oa und/oder der Leitung 10b, das heisst also vor und/oder nach dem Zu- satzverdampfer 14 vorhanden, der über die Leitung 76 und/oder 76a mit der Re- geleinheit 50 verbunden ist. Dadurch ist eine subtile Regelung der Wärmepumpe anhand zahlreicher Parameter längs des Arbeitsmittelkreislaufs möglich, die ei-

nerseits eine Regelung in engen Grenzen gestattet und sich andererseits sehr schnell an veränderte Daten anpasst. Dies ist insbesondere bei Wärmequellen von Bedeutung, die starke Schwankungen und/oder einen geringen Energiegehalt aufweisen, wie dies beispielsweise für Luft der Fall ist.

Die Temperatur-und Druckverhältnisse bei den Ausführungsbeispielen gemäss den Figuren 4 bis 6 entsprechen jenen des Ausführungsbeispieles der Figuren 1 bis 3. Im Gegensatz zur thermostatischen Regelung des Expansionsventils ge- mäss den Figuren 1 bis 5, bei denen die Überhitzung des Sauggases auf 6 bis 7 K gehalten werden kann, ist mit der elektronischen Regelung gemäss dem Ausfüh- rungsbeispiel der Figur 6 eine subtilere Regelung möglich, die eine Reduzierung der Überhitzung auf 4 K ermöglicht. Andererseits gestattet die elektronische Rege- lung auch eine Anhebung der Überhitzung beispielsweise von 4 K auf 15 K, wenn beim Verbraucher heisseres Wasser von beispielsweise 60° C aus einer Quelle von 10° C gewünscht wird und dabei die höheren Heissgastemperaturen nutzbrin- gend bei einer Speicher-Schichtladung Verwendung finden, in dem die Wasser- temperatur aus dem Kondensator um 8 K höher liegen als die Kondensationstem- peratur.

Mit der erfindungsgemässen Regelung des Carnot-Kreisprozesses ist es mögi'ch, das Arbeitsmittel im Zusatzverdampfer bis an die Verdampfungstemperatur abzu- kühlen, das heisst beispielsweise um mindestens 20 K, was einer Steigerung der Leistung um mindestens 12 bis 15% entspricht. Das bis nahe an die Verdamp- fungstemperatur abgekühlte Arbeitsmittel bringt keine Energie in den Verdampfer, sondern die gesamte Verdampferfläche holt die notwendige Verdampfungsenergie von der zur Verfügung stehenden Wärmequelle. Dies steht ganz im Gegensatz zu dem aus der DE 34 42 169 A bekannten Sauggaserhitzer, der das Arbeitsmittel bestenfalls um 3 bis 8 K abkühlen kann, was bestenfalls einer Steigerung der Leis- tung um 2 bis 4 % entspricht. Daraus resultiert eine Leistungssteigerung der erfin- dungsgemässen Regelung beziehungsweise Anlage von mindestens 12 bis 15 % gegenüber der Lösung nach dem Stand der Technik.

Bezugszeichenliste 10 Arbeitskreislauf 10a Leitung 10b Leitung 10c Leitung 10d Leitung 10e Leitung 10f Leitung 12 Verdampfer 14 Zusatzverdampfer 16 Verdichter 18 Kondensator 20 Expansionsventil 20a Expansionsventil 20b Expansionsventil 20c Expansionsventil 22 Zuleitung 24 Ableitung 26 Zuleitung 28 Ableitung 30 Leitung 30a Leitung 32 Temperaturfühler 34 Druckleitung 34a Druckleitung 36 Leitung 38 Temperaturfühler 40 Druckleitung 42 Leitung 44 Leitung 46 Temperatur 48 Druckleitung 50 Regeleinheit 52 Leitung 54 Temperaturfühler 56 Leitung 58 Temperaturfühler 60 Leitung 62 Temperaturfühler 64 Leitung 66 Temperaturfühler 68 Leitung 70 Temperaturfühler 72 Leitung 74 Druckfühler 74a Druckfühler 76 Leitung 76a Leitung