EP4177561B1 - Wärmeübertrager, wärmepumpe und verfahren zur forstsicherung eines wärmeübertragers - Google Patents

Wärmeübertrager, wärmepumpe und verfahren zur forstsicherung eines wärmeübertragers Download PDF

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EP4177561B1
EP4177561B1 EP22202473.9A EP22202473A EP4177561B1 EP 4177561 B1 EP4177561 B1 EP 4177561B1 EP 22202473 A EP22202473 A EP 22202473A EP 4177561 B1 EP4177561 B1 EP 4177561B1
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EP
European Patent Office
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heat exchanger
heat
discharge
condensate
heat pump
Prior art date
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EP22202473.9A
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English (en)
French (fr)
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EP4177561A1 (de
EP4177561C0 (de
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Arnold Wohlfeil
Johann Wienen
Andreas Veiser
Thomas Reinertz
Birgit Reckhaus
Tobias Grünwald
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Vaillant GmbH
Original Assignee
Vaillant GmbH
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Publication date
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Definitions

  • the invention relates to a heat exchanger, a heat pump and a method for frost protection of a heat exchanger.
  • a heat pump is used to absorb heat from a heat source, such as groundwater, geothermal energy or outside air, and release it at a desired location.
  • a heat source such as groundwater, geothermal energy or outside air
  • heat exchangers are often used, which transfer heat from the ambient air to a transfer medium, such as brine or coolant, through free or, in particular, forced conditions.
  • a finned tube heat exchanger in which heat transfer tubes are partially combined in a meandering shape to form a tube package.
  • the disadvantage of such an arrangement is that condensate that forms in the heat exchanger can freeze at low temperatures and thus block the heat exchanger from circulating outside air. As a result, the heat exchanger can no longer extract heat from the environment and a complex defrosting process must be initiated.
  • the WO 2014/059 900 A1 discloses a water conduction device for a heat exchanger for draining condensate, as well as a heat exchanger.
  • the water conduction device has a comb-shaped structure and can be inserted between vertically arranged heat conduction pipes in order to lead condensate away from the pipes.
  • the water conduction device can also be V-shaped.
  • drainage devices are connected to the water conduction device, which can drain condensate downwards.
  • the disadvantage of the water conduction device there can be that it loses its functionality at low temperatures and/or when frost occurs.
  • the US 2016/ 011 3148 A1 The subject of the document is a cooling device for an electrical cabinet, comprising two chambers and a heat exchanger which divides the first chamber into an upper and a lower region and is designed to transfer heat from the first chamber to the second chamber.
  • Several fans are provided which can convey a cooling medium.
  • a heating device is proposed as frost protection which is in heat-conducting contact with a first end of a third heat exchanger. This document cannot provide any guidance regarding the design of a heat exchanger for a heat pump.
  • the US 4,041,727 A describes a heat exchanger for an evaporator of an air conditioning system. This is designed for vertical air flow and has largely horizontally aligned heat exchanger tubes. A collecting device is provided that can lead condensate to a drain. The disadvantage is that the heat exchanger is only suitable for vertical flow and can lose its functionality completely if frost occurs.
  • the object of the invention is to propose a heat exchanger that at least partially overcomes the problems of the prior art described.
  • the heat exchanger should enable safe operation even at low temperatures and be insensitive to the formation of condensate.
  • the heat exchanger should be easy and inexpensive to manufacture. Furthermore, a method for frost protection of a heat exchanger should be specified that effectively prevents the heat exchanger from freezing and without high energy consumption.
  • a heat exchanger contributes to this, comprising a plurality of pipes which are arranged largely vertically and parallel in the intended installation state and through which a heat transfer medium can flow, which are connected via at least one connecting device, wherein the connecting device is arranged largely horizontally in the installation state and is shaped in such a way that condensate forming in the installation state flows in the direction of a discharge point of the connecting device, wherein a heating device is further provided which is adapted to introduce heat into at least one discharge point.
  • largely vertical here means that at least one section of the pipes is vertical in an area (in particular in an area in which the pipes are connected via the connecting device).
  • Very here also includes small deviations of, for example, a few degrees of angle compared to a perfectly vertical alignment.
  • Some of the heat exchangers presented can in particular be a tube bundle heat exchanger, so that the heat transfer medium supplied to the heat transfer medium is distributed over the parallel pipes.
  • a meandering routing of the pipes in the heat exchanger would also be conceivable, so that the heat transfer medium supplied flows through the parallel pipes of the heat exchanger one after the other.
  • the tubes of the heat exchanger presented here can be designed to be pressure-stable and have any cross-section, but in particular a circular one.
  • the tubes can be made of stainless steel.
  • the at least one connecting device can be connected to the pipes of the heat exchanger, which are arranged vertically in the installed state, in such a way that condensate running down the pipes is directed to the connecting device.
  • the heat exchanger is designed to be installed in a state tilted (slightly) by an angle of attack, so that due to the Condensate draining downwards by gravity drains off the side of the connecting device.
  • connecting devices there are a plurality of connecting devices that are connected to the pipes at a uniform distance one above the other and preferably parallel to each other.
  • the connecting devices can also have heat-conducting fins that increase the surface area of the connecting devices so that heat can be absorbed via the surfaces of the connecting devices, then conducted through the connecting devices to the pipes and transferred to the heat transfer medium circulating in the pipes.
  • the connecting devices are particularly preferably made of a material with good thermal conductivity (in particular a metal). It is possible for the connecting devices and the pipes to be made of the same material; however, it is also possible, for example, for the pipes to be provided with copper and the connecting devices (fins) with an aluminum alloy.
  • the connecting devices act as ribs to absorb heat and are in heat-conducting contact with the pipes, the connecting devices regularly have a temperature difference to the environment, which promotes the formation of condensate.
  • condensate that forms on the pipes is directed to the connecting device at the connection points between pipes and connecting devices. The described design of a drain point on the connecting device enables such condensate to be drained away in a targeted manner.
  • a connecting device can be a band-shaped structure that is connected to the tubes of the heat exchanger at a first longitudinal edge and has an angle to the tubes such that, due to gravity, condensate can flow from the tubes and the first longitudinal edge of the connecting device to the second longitudinal edge of the connecting device (i.e. in a direction away from the tubes).
  • the connecting device is shaped in such a way that condensate that has overflowed from the tubes of the heat exchanger onto the connecting device flows towards a drain point at the connecting device due to gravity.
  • the at least one connecting device can advantageously be U-shaped or V-shaped at least in sections.
  • the connecting device in the installed state can have a flow area for condensate which is located lower than the connection area with the pipe, so that condensate located on the connecting device (and flowing in the direction of the drain point) cannot flow back into the pipes of the heat exchanger due to gravity.
  • the designation in the installed state is to be understood in particular to mean that a heat exchanger proposed here can take up a position in the room in which the functional features mentioned apply.
  • This position can be an advantageous installation position, for example in a heat pump.
  • the connecting device can have a discharge device in the area of a discharge point, which leads the condensate flow away from the tubes of the heat exchanger.
  • the discharge device in the area of the discharge point can be an edge that projects out of the connecting device in the normal direction to the plane formed by the tubes.
  • the discharge device can advantageously be a weld seam, for example. Such an embodiment is particularly easy to implement in terms of production technology.
  • the heat exchanger has a heating device in the area of at least one discharge point and/or a discharge device. In this way, freezing of condensate can advantageously be prevented and/or already frozen condensate can be melted with very little energy expenditure.
  • connecting devices can be provided. These connecting devices can in particular be arranged in parallel and one above the other when installed. In this way, uncontrolled dripping of condensate can advantageously be prevented in operating states in which a large amount of condensate is produced.
  • the drainage points and/or discharge devices of several connecting devices arranged one above the other can also be arranged one above the other when installed.
  • the drainage points and/or drainage devices arranged one above the other can be connected by means of a drainage guide.
  • a drainage guide This advantageously prevents uncontrolled dripping of the condensate and Controlled drainage can be achieved via the drainage system.
  • This also makes it possible to collect the condensate that occurs and drain it away via a drain, for example from the housing of a heat pump.
  • the drain guide can be designed to be heatable.
  • the drain guide can be designed as a heating rod. This advantageously makes it easy to heat all or a large number of the drain points and/or discharge devices.
  • the heating of the at least one discharge point, the at least one discharge device and/or the discharge guide can be carried out electrically, for example as a resistance heater.
  • a heat pump having a heat exchanger as proposed here.
  • This is in particular an air heat pump, for example in a monoblock design.
  • the heat exchanger can be arranged in particular in an external part of a split heat pump and can be set up to absorb heat from the ambient air for transport to an internal part of the split heat pump.
  • the split heat pump can have a cooling circuit through which a heat transfer medium flows, the pipes of the heat exchanger being part of the cooling circuit.
  • the external part can have a fan that generates a flow of outside air through the heat exchanger.
  • the at least one connecting device and, connected thereto, at least one discharge device and the drainage guide can be arranged on the side of the heat exchanger facing away from the fan.
  • the flow of ambient air generated by the fan can advantageously promote drainage of the condensate in the direction of the connecting device.
  • the heat exchanger in the heat pump can be arranged (slightly) tilted by an angle of attack, so that gravity promotes the flow of the condensate in the direction of the connecting device.
  • the heat exchanger can be arranged in the heat pump in such a way that the lower area of the heat exchanger is closer to an adjacent and vertically arranged fan than the upper area of the heat exchanger.
  • the heat exchanger can, for example, be tilted by an angle of attack in a range between 1° - 5° [degrees] relative to the vertical direction.
  • steps a) and b) are carried out at least once in the specified order.
  • steps a) and b) can be carried out at regular intervals.
  • the parameter recorded according to step a) can in particular be a temperature in the area of the heat exchanger and/or a recorded pressure, for example between the heat exchanger and the fan.
  • the limit value indicates a threshold value of the parameter below which freezing of the heat exchanger is to be expected and/or indicates a reduced flow through the heat exchanger.
  • a computer program comprising instructions which, when the program is executed by a computer, cause the computer to carry out a method presented here.
  • a heat exchanger, a heat pump and a method for frost protection of a heat exchanger are specified, which meet the requirements of the current state of The problems described in the technology can be solved at least in part.
  • the heat exchanger and the heat pump at least help to ensure the safe operation of a heat pump at temperatures below the dew point.
  • the invention can be implemented with simple means and particularly cost-effectively.
  • Fig. 1 shows, by way of example and schematically, a heat exchanger 1 proposed here in the installation position, for example in an external part of a heat pump.
  • the heat exchanger 1 can have largely vertically arranged pipes 2 through which a heat transfer medium can flow.
  • the pipes 2 can be connected to one another by connecting devices 3, wherein the connecting devices 3 are slightly curved or U-shaped, so that a drainage point 11 is defined at the lowest point of the connecting device 3 with respect to the installation position.
  • a drainage guide 4 can be arranged largely vertically, which connects the drainage points 11. The condensate can thus be fed from the drainage points 11 to the drainage guide 4 due to gravity.
  • Fig. 2 shows, by way of example and schematically, a sectional view of an external part of a heat pump 5.
  • the external part of the heat pump 5 stands vertically on the ground 8 and has a fan 6 that is also aligned vertically.
  • the fan 6 conveys ambient air through the heat exchanger 1 in a flow direction 10.
  • the heat exchanger 1 can be tilted by an angle of attack 7, based on the vertical direction and/or the fan 6.
  • the angle of attack 7 can be 5° [degrees], for example.
  • condensate forming on the pipes 2 of the heat exchanger 1 can flow off on the side facing away from the fan 6 in the direction of the ground 8 and can thus reach the connecting devices 3, then the drain points 11 of the connecting devices 3 and then fed to the drain line 4.
  • an outlet for the condensate can be provided in the housing of the outdoor part of the heat pump 5.
  • a temperature sensor 9 can also be provided on the heat exchanger 1, with which a temperature is recorded in accordance with step a) of the method proposed here for frost protection of the heat exchanger 1.
  • the temperature sensor 9 can be connected to a control and regulating device 12 that carries out a method proposed here.
  • the drain guide 4 can have a heating device or be designed as a heating rod.
  • step b) of the method proposed here after a limit value is undershot, which can indicate a forest hazard and can be stored in a memory of the control and regulating device 12, the heating device of the drain line 4 can be switched on and thus prevent the condensate from freezing or cause it to thaw.
  • the control and regulating device 12 can also be electrically connected to the drain line 4 or a heating device arranged there.

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Description

  • Die Erfindung betrifft einen Wärmeübertrager, eine Wärmepumpe und ein Verfahren zur Frostsicherung eines Wärmeübertragers.
  • Mittels einer Wärmepumpe wird Wärme von einer Wärmequelle, wie beispielsweise Grundwasser, Erdwärme oder Außenluft, aufgenommen und an einem gewünschten Ort abgegeben. Bei der Nutzung von Umgebungsluft als Wärmequelle kommen häufig Wärmeübertrager, auch als Wärmetauscher bezeichnet, zum Einsatz, die durch freie oder insbesondere erzwungene Konditionen Wärme von der Umgebungsluft auf ein Übertragermedium, wie beispielsweise Sole oder Kältemittel übertragen.
  • Hierzu sind verschiedene Arten von Wärmeübertragern bekannt. Beispielsweise in der DE 103 03 595 A1 wird ein Wärmeübertrager vorgeschlagen, aufweisend koaxial angeordnete Rohre. Eine derartige Anordnung erscheint jedoch für eine Wärmepumpe zur Wärmeversorgung eines Gebäudes ungeeignet.
  • In der DE 282 945 6 A1 wird ein Rippenrohrwärmetauscher vorgeschlagen bei dem Wärmeübertragungsrohre teils mäanderförmig zu einem Rohrpaket zusammengefasst werden. Nachteilig kann bei einer derartigen Anordnung im Wärmetauscher entstehendes Kondensat bei tiefen Temperaturen gefrieren und so den Wärmetauscher für eine Zirkulation von Außenluft blockieren. In Folge kann der Wärmetauscher der Umgebung keine Wärme mehr entziehen und ein aufwendiger Abtauvorgang muss eingeleitet werden.
  • Die WO 2014/059 900 A1 offenbart eine Wasserleiteinrichtung für einen Wärmetauscher zur Ableitung von Kondensat sowie einen Wärmetauscher. Die Wasserleiteinrichtung hat eine kammförmige Struktur und kann zwischen senkrecht angeordneten Wärmeleitrohren eingebracht werden, um Kondensat von den Rohren wegzuführen. Die Wasserleiteinrichtung kann auch v-förmig ausgebildet sein. Zudem sind Ableiteinrichtungen mit der Wasserleiteinrichtung verbunden, die Kondensat nach unten ableiten können. Nachteilig kann die dortige Wasserleiteinrichtung bei niedrigen Temperaturen und/oder auftretendem Frost die Funktionalität einbüßen.
  • Die US 2016/ 011 3148 A1 hat eine Kühleinrichtung für einen Elektroschrank zum Gegenstand, aufweisend zwei Kammern und einen Wärmetauscher, der die erste Kammer in einem oberen und einen unteren Bereich unterteilt, und dazu eingerichtet ist, Wärme von der ersten Kammer in die zweite Kammer zu übertragen. Es sind mehrere Gebläse vorgesehen, die ein Kühlmedium fördern können. Es wird eine Heizeinrichtung als Frostsicherung vorgeschlagen, die in wärmeleitendem Kontakt mit einem ersten Ende eines dritten Wärmetauschers steht. Hinsichtlich der Ausgestaltung eines Wärmetauschers für eine Wärmepumpe kann dieses Dokument keine Anhaltspunkte liefern.
  • Die US 4,041,727 A beschreibt einen Wärmeübertrager für einen Verdampfer einer Klimaanlage. Dieser ist für eine vertikal ausgerichtete Luftströmung eingerichtet und weist weitestgehend horizontal ausgerichtete Wärmeübertragerrohre auf. Es ist eine Sammeleinrichtung vorgesehen, die Kondensat einem Abfluss zuführen kann. Nachteilig ist der Wärmeübertrager nur für eine vertikale Durchströmung geeignet und kann bei auftretendem Frost seine Funktionalität vollständig einbüßen.
  • Hiervon ausgehend ist es Aufgabe der Erfindung, einen Wärmeübertrager vorzuschlagen, der die geschilderten Probleme des Standes der Technik zumindest teilweise überwindet. Insbesondere soll der Wärmeübertrager einen sicheren Betrieb auch bei tiefen Temperaturen ermöglichen und eine Unempfindlichkeit gegenüber entstehendem Kondensat aufweisen.
  • Zudem soll der Wärmeübertrager einfach und kostengünstig herzustellen sein. Des Weiteren soll ein Verfahren zur Frostsicherung eines Wärmeübertragers angegeben werden, das ein Einfrieren des Wärmeübertragers wirkungsvoll und ohne hohen Energieaufwand verhindert.
  • Diese Aufgaben werden gelöst durch die Merkmale der unabhängigen Patentansprüche. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der hier vorgeschlagenen Lösung sind in den unabhängigen Patentansprüchen angegeben. Es wird darauf hingewiesen, dass die in den abhängigen Patentansprüchen aufgeführten Merkmale in beliebiger, technologisch sinnvoller, Weise miteinander kombiniert werden können und weitere Ausgestaltungen der Erfindung definieren. Darüber hinaus werden die in den Patentansprüchen angegebenen Merkmale in der Beschreibung näher präzisiert und erläutert, wobei weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung dargestellt werden.
  • Hierzu trägt ein Wärmeübertrager bei, aufweisend eine Vielzahl von im vorgesehenen Einbauzustand weitestgehend senkrecht und parallel angeordneter und von einem Wärmeträgermedium durchströmbarer Rohre, die über mindestens eine Verbindungseinrichtung verbunden sind, wobei die Verbindungseinrichtung in Einbauzustand weitestgehend waagerecht angeordnet und derart geformt ist, dass im Einbauzustand sich bildendes Kondensat in Richtung eines Ablaufpunktes der Verbindungeinrichtung fließt, wobei weiter eine Heizeinrichtung vorgesehen ist, die dazu eingerichtet ist, Wärme in mindestens einen Ablaufpunkt einzubringen.
  • Mit dem Begriff "weitestgehend senkrecht" ist hier gemeint, dass zumindest ein Abschnitt der Rohre in einem Bereich (insbesondere in einem Bereich, in dem das Rohr über die Verbindungseinrichtung verbunden sind) senkrecht sind. Mit "senkrecht" sind hier auch geringe Abweichungen von bspw. wenigen Winkelgrad gegenüber einer perfekt senkrechten Ausrichtung umfasst.
  • Einige vorgestellte Wärmeübertrager kann insbesondere ein Rohrbündelwärmeübertrager sein, sodass dem Wärmeträger zugeführtes Wärmeträgermedium auf die parallel geführten Rohre verteilt wird. Denkbar wäre jedoch auch eine mäanderförmige Führung der Rohre im Wärmeübertrager, sodass zugeführtes Wärmeträgermedium die parallel geführten Rohre des Wärmeübertragers nacheinander durchströmt.
  • Die Rohre des hier vorgestellten Wärmeübertragers können druckstabil ausgeführt und einen beliebigen, insbesondere jedoch einen kreisrunden, Querschnitt aufweisen. Beispielsweise können die Rohre aus Edelstahl gefertigt sein.
  • Die mindestens eine Verbindungseinrichtung kann mit den im Einbauzustand senkrecht angeordneten Rohren des Wärmeübertragers derart verbunden sein, dass an den Rohren nach unten ablaufendes Kondensat auf die Verbindungseinrichtung geleitet wird. Hierzu ist es besonders vorteilhaft, wenn der Wärmeübertrager dazu eingerichtet ist, in einem um einen Anstellwinkel (leicht) gekippten Zustand eingebaut zu werden, sodass aufgrund der Schwerkraft nach unten ablaufendes Kondensat auf der Seite der Verbindungseinrichtung abläuft.
  • Bevorzugt existieren eine Mehrzahl von Verbindungseinrichtungen, die in einem gleichmäßigen Abstand jeweils übereinander und bevorzugt parallel zueinander mit den Rohren verbunden sind. Bevorzugt existieren stoffschlüssige Verbindungen zwischen den Verbindungseinrichtungen und den Rohren, die einen guten Wärmeübergang zwischen den Verbindungseinrichtungen und den Rohren bieten. Die Verbindungseinrichtungen können zudem Wärmeleitrippen aufweisen, die die Oberfläche der Verbindungseinrichtungen vergrößern, so dass über die Oberflächen der Verbindungseinrichtungen Wärme aufgenommen, dann durch die Verbindungseinrichtungen zu den Rohren geleitet und auf das in den Rohren zirkulierende Wärmeübertragermedium übertragen werden kann. Besonders bevorzugt sind die Verbindungseinrichtungen aus einem gut wärmeleitfähigen Material (insbesondere aus einem Metall) gefertigt. Es ist möglich, dass die Verbindungseinrichtungen und die Rohre aus demselben Material bestehen; es ist aber beispielsweise auch möglich, dass die Rohre mit Kupfer und die Verbindungseinrichtungen (Rippen) mit einer Aluminiumlegierung bereitgestellt sind.
  • Insbesondere, weil die Verbindungseinrichtungen als Rippen zur Aufnahme von Wärme wirken und in wärmeleitendem Kontakt mit den Rohren stehen, haben die Verbindungseinrichtungen regelmäßig einen Temperaturunterschied zur Umgebung durch welchen hier eine Kondensatbildung begünstigt wird. Zudem wird an den Rohren entstehendes Kondensat an den Verbindungspunkten von Rohren und Verbindungseinrichtungen auf die Verbindungseinrichtung geleitet. Durch die beschriebene Ausbildung eines Ablaufpunktes der Verbindungseinrichtung gelingt eine zielgerichtete Ableitung von solchem Kondensat.
  • Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung kann eine Verbindungseinrichtung ein bandförmiges Gebilde sein, dass an einer ersten Längskante mit den Rohren des Wärmeübertragers verbunden ist und einen Winkel zu den Rohren aufweist, dass aufgrund der Schwerkraft Kondensat von den Rohren und der ersten Längskante der Verbindungseinrichtung zur zweiten Längskante der Verbindungseinrichtung (also ein einer Richtung von den Rohren weg) fließen kann.
  • Zudem ist die Verbindungseinrichtung derart geformt, dass von den Rohren des Wärmeübertragers auf die Verbindungseinrichtung übergelaufenes Kondensat an der Verbindungseinrichtung aufgrund der Schwerkraft in Richtung eines Ablaufpunktes fließt. Vorteilhaft kann die mindestens eine Verbindungseinrichtung hierzu zumindest abschnittsweise u-förmig oder v-förmig ausgebildet sein.
  • Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung kann die Verbindungseinrichtung im Einbauzustand einen Fließbereich für Kondensat aufweisen, der tiefer gelegen ist, als der Verbindungsbereich mit dem Rohr angeordnet ist, sodass an der Verbindungseinrichtung befindliches (und in Richtung des Ablaufpunktes fließendes) Kondensat schwerkraftbedingt nicht in die Rohre des Wärmeübertrager zurückfließen kann.
  • Die Bezeichnung im Einbauzustand ist insbesondere dahingehend zu verstehen, dass ein hier vorgeschlagenen Wärmeübertrager eine Position im Raum einnehmen kann, in der die genannten funktionalen Merkmale zutreffen. Diese Position kann eine vorteilhafte Einbauposition beispielsweise in einer Wärmepumpe sein.
  • Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann die Verbindungseinrichtung im Bereich eines Ablaufpunktes eine Ableiteinrichtung aufweisen, die den Kondensatfluss von den Rohren des Wärmeübertrager wegführt. Hierzu kann die Ableiteinrichtung im Bereich des Ablaufpunktes eine aus der Verbindungseinrichtung in Normalenrichtung zu der von den Rohren gebildeten Ebene auskragende Kante sein. Vorteilhaft kann die Ableiteinrichtung beispielsweise eine Schweißnaht sein. Eine derartige Ausgestaltung ist besonders einfach produktionstechnisch umsetzbar.
  • Jedenfalls weist der Wärmeübertrager im Bereich mindestens eines Ablaufpunktes und/oder einer Ableiteinrichtung eine Heizeinrichtung auf. In vorteilhafter Weise kann so mittels sehr geringer Energieaufwendung ein Einfrieren von Kondensat verhindert und/oder bereits gefrorenes Kondensat geschmolzen werden.
  • Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung, die insbesondere für großflächige Wärmeübertrager geeignet ist, können mehrere Verbindungseinrichtungen vorgesehen sein. Diese Verbindungseinrichtungen können insbesondere parallel und im Einbauzustand übereinander angeordnet sein. In vorteilhafter Weise kann so ein unkontrolliertes Abtropfen von Kondensat in Betriebszuständen, bei denen eine große Menge Kondensat anfällt, verhindert werden. Insbesondere können die Ablaufpunkte und/oder Ableiteinrichtungen mehrere übereinander angeordneter Verbindungseinrichtungen im Einbauzustand gleichfalls übereinander angeordnet sein.
  • Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung können die übereinander angeordneten Ablaufpunkte und/oder Ableiteinrichtungen mittels eine Ablaufführung verbunden sein. Vorteilhaft kann so ein unkontrolliertes Abtropfen des Kondensats vermieden und ein kontrolliertes Ablaufen über die Ablaufführung erreicht werden. Vorteilhaft wird so auch ermöglicht, das anfallende Kondensat zu sammeln und über einen Ablauf, beispielsweise aus dem Gehäuse einer Wärmepumpe, abzuführen.
  • Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann die Ablaufführung beheizbar ausgestaltet sein. Insbesondere kann die Ablaufführung als Heizstab ausgeführt sein. Vorteilhaft können so auf einfache Art und Weise alle bzw. eine Vielzahl der Ablaufpunkte und/oder Ableiteinrichtungen beheizt werden.
  • Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann das Beheizen des mindestens einen Ablaufpunktes, der mindestens einen Ableiteinrichtung und/oder der Ablaufführung elektrisch erfolgen, beispielsweise als Widerstandsheizung.
  • Nach einem weiteren Aspekt wird eine Wärmepumpe vorgeschlagen, aufweisend einen hier vorgeschlagenen Wärmeübertrager. Hierbei handelt es sich insbesondere um eine Luft-Wärmepumpe, beispielsweise in Monoblock-Bauweise. Der Wärmeübertrager kann dabei insbesondere in einem Außenteil einer Split-Wärmepumpe angeordnet und zur Aufnahme von Wärme aus der Umgebungsluft zum Transport an einen Innenteil der Split-Wärmepumpe eingerichtet sein. Zum Transport der Wärme kann die Split-Wärmepumpe einen von einem Wärmeträgermedium durchströmten Kältekreis aufweisen, wobei die Rohre des Wärmeübertragers ein Teil des Kältekreises sind. Der Außenteil kann ein Gebläse aufweisen, das eine Strömung von Außenluft durch den Wärmeübertrager erzeugt.
  • Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung kann die mindestens eine Verbindungseinrichtung, und damit verbunden, mindestens eine Ableiteinrichtung sowie die Ablaufführung auf der, dem Gebläse abgewandten, Seite des Wärmeübertragers angeordnet sein. In vorteilhafter Weise kann die vom Gebläse erzeugte Strömung der Umgebungsluft ein Ablaufen des Kondensats in Richtung der Verbindungseinrichtung begünstigen.
  • Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung oder auch unabhängig vom konkreten Aufbau der Wärmepumpe kann der Wärmeübertrager in der Wärmepumpe (leicht) um einen Anstellwinkel gekippt angeordnet sein, sodass bedingt durch die Schwerkraft ein Abfließen des Kondensats in Richtung der Verbindungseinrichtung gefördert wird. Mit anderen Worten kann der Wärmeübertrager derart in der Wärmepumpe angeordnet sein, dass der untere Bereich des Wärmeübertragers einem benachbart und senkrecht angeordneten Gebläse näher ist als der obere Bereich des Wärmeübertragers. Der Wärmeübertrager kann beispielsweise um einen Anstellwinkel in einem Bereich zwischen 1° - 5° [Grad] gegenüber der Lotrichtung gekippt sein.
  • Nach einem weiteren Aspekt wird ein Verfahren zur Frostsicherung eines hier vorgeschlagenen Wärmeübertragers (eines Außenteils einer Wärmepumpe) vorgeschlagen, umfassend zumindest die folgenden Schritte:
    1. a) Erfassen eines Parameters der einen Rückschluss auf ein Einfrieren oder eine verminderte Durchströmbarkeit des Wärmetauschers zulässt,
    2. b) Inbetriebnahme einer Heizeinrichtung oder eines Heizstabes, die Wärme in mindestens einen Ablaufpunkt einbringt, wenn der in Schritt A erfasste Parameter unter einem Grenzwert liegt.
  • Die Schritte a) und b) werden bei einem regulären Betriebsablauf mindestens einmal in der vorgegebenen Reihenfolge durchgeführt. Insbesondere können die Schritte a) und b) in regelmäßigen zeitlichen Abständen durchgeführt werden.
  • Der gemäß Schritt a) erfasste Parameter kann dabei insbesondere eine Temperatur im Bereich des Wärmeübertragers und/ oder ein erfasster Druck, beispielsweise zwischen Wärmeübertrager und Gebläse, sein.
  • Es möglich, eine Temperaturdifferenz von Kältemittel und Außenluft (in Abhängigkeit des Betriebszustandes) zu betrachten bzw. zu messen: Steigt diese an, kann auf eine Vereisung (oder Verschmutzung) des Wärmeübertragers geschlossen werden.
  • Es ist möglich, eine Leistung des Gebläses/Lüfters in Abhängigkeit des Betriebszustandes zu betrachten bzw. zu messen: Nimmt die Leistung zu, so ist der Strömungswiderstand erhöht, was auf eine Vereisung (oder Verschmutzung) schließen lässt.
  • Der Grenzwert kennzeichnet einen Schwellwert des Parameters unterhalb dessen ein Einfrieren des Wärmeübertragers zu erwarten ist und/oder eine geminderte Durchströmbarkeit des Wärmeübertragers anzeigt.
  • Nach einem weiteren Aspekt wird ein Computerprogramm vorgeschlagen, umfassend Befehle, die bei der Ausführung des Programms durch einen Computer diesen veranlassen, eines hier vorgestellten Verfahrens auszuführen.
  • Hier werden somit ein Wärmeübertrager, eine Wärmepumpe und ein Verfahren zur Frostsicherung eines Wärmeübertragers angegeben, welche die mit Bezug auf den Stand der Technik geschilderten Probleme zumindest teilweise lösen. Insbesondere tragen der Wärmeübertrager und die Wärmepumpe zumindest dazu bei, einen sicheren Betrieb einer Wärmepumpe bei Temperaturen unterhalb des Taupunktes zu gewährleisten.
  • Zudem kann die Erfindung mit einfachen Mitteln und besonders kostengünstig umgesetzt werden.
  • Die im Zusammenhang mit dem Wärmeübertrager erforderten Details, Merkmale und vorteilhaften Ausgestaltungen können entsprechend auch bei der hier vorgestellten Wärmepumpe, den Verfahren zur Frostsicherung sowie dem Computerprogramm auftreten und umgekehrt. Insoweit wird auf die dortigen Ausführungen zur näheren Charakterisierung der Merkmale vollumfänglich Bezug genommen.
  • Die Erfindung sowie das technische Umfeld werden nachfolgend anhand der beiliegenden Figuren näher erläutert. Es ist darauf hinzuweisen, dass die Erfindung durch die angeführten Ausführungsbeispiele nicht beschränkt werden soll. Insbesondere ist es, soweit nicht explizit anders dargestellt, auch möglich, Teilaspekte der in den Figuren erläuterten Sachverhalte zu extrahieren und mit anderen Bestandteilen und Erkenntnissen aus der vorliegenden Beschreibung zu kombinieren. Insbesondere ist darauf hinzuweisen, dass die Figuren und insbesondere die dargestellten Größenverhältnisse nur schematisch sind. Es zeigen:
    • Fig. 1:
    einen hier vorgeschlagenen Wärmeübertrager, und
    Fig. 2:
    einen Außenteil einer hier vorgeschlagenen Wärmepumpe.
  • Fig. 1 zeigt beispielhaft und schematisch einen hier vorgeschlagenen Wärmeübertrager 1 in Einbauposition, beispielsweise in einen Außenteil einer Wärmepumpe. Der Wärmeübertrager 1 kann weitestgehend senkrecht angeordnete Rohre 2 aufweisen, die von einem Wärmeträgermedium durchströmbar sind. Die Rohre 2 können durch Verbindungseinrichtungen 3 miteinander verbunden sein, wobei die Verbindungseinrichtungen 3 leicht gebogen bzw. u-förmig ausgebildet sind, sodass sich bezüglich der Einbauposition am jeweils tiefsten Punkt der Verbindungseinrichtung 3 ein Ablaufpunkt 11 definiert. Bedingt durch die Einbauposition und die leicht gebogene bzw. u-förmige Ausbildung der Verbindungseinrichtungen 3 fließt aufgrund der Schwerkraft sich im Bereich der Rohre 2 bildendes Kondensat von den Rohren 2 über? die Verbindungseinrichtungen 3 zu den jeweiligen Ablaufpunkten 11. Im Bereich der Ablaufpunkte 11 kann weitestgehend senkrecht eine Ablaufführung 4 angeordnet sein, die die Ablaufpunkte 11 verbindet. Somit kann das Kondensat aufgrund der Schwerkraft von den Ablaufpunkten 11 der Ablaufführung 4 zugeführt werden.
  • Fig. 2 zeigt beispielhaft und schematisch eine Schnittdarstellung eines Außenteils einer Wärmepumpe 5. Der Außenteil der Wärmepumpe 5 steht in Lotrichtung auf dem Erdboden 8 und weist ein gleichfalls in Lotrichtung ausgerichtetes Gebläse 6 auf. Das Gebläse 6 fördert in einer Durchströmungsrichtung 10 Umgebungsluft durch den Wärmeübertrager 1. Der Wärmeübertrager 1 kann um einen Anstellwinkel 7 gekippt, bezogen auf die Lotrichtung und/ oder das Gebläse 6, angeordnet sein. Der Anstellwinkel 7 kann beispielsweise 5° [Grad] betragen. Dadurch kann sich an den Rohren 2 des Wärmeübertragers 1 bildendes Kondensat auf der dem Gebläse 6 abgewandten Seite in Richtung des Erdbodens 8 abfließen und kann so den Verbindungseinrichtungen 3, anschließend den Ablaufpunkten 11 der Verbindungseinrichtungen 3 und weiter der Ablaufführung 4 zugeführt werden. Im Bereich des unteren Endes der Ablaufführung 4 kann im Gehäuse des Außenteils der Wärmepumpe 5 ein Auslauf für das Kondensat vorgesehen sein.
  • Am Wärmeübertrager 1 kann zudem ein Temperatursensor 9 vorgesehen sein, mit dem gemäß des Schrittes a) des hier vorgeschlagenen Verfahrens zur Frostsicherung des Wärmeübertragers 1 eine Temperatur erfasst werden. Der Temperatursensor 9 kann mit einem, ein hier vorgeschlagenes Verfahren durchführenden, Regel- und Steuergerät 12 verbunden sein. Die Ablaufführung 4 kann eine Heizeinrichtung aufweisen oder als Heizstab ausgeführt sein.
  • Gemäß Schritt b) des hier vorgeschlagenen Verfahrens kann nach einem Unterschreiten eines Grenzwertes, der eine Forstgefahr anzeigen und auf einem Speicher des Regel- und Steuergerätes 12 hinterlegt sein kann, die Heizeinrichtung der Ablaufführung 4 einschalten und so ein Einfrieren des Kondensats verhindern bzw. ein Auftauen bewirken. Hierzu kann das Regel- und Steuergerät 12 auch mit der Ablaufführung 4 bzw. einer dort angeordneten Heizeinrichtung elektrisch verbunden sein.
    • Bezugszeichenliste
    • 1
    Wärmeübertrager
    2
    Rohr
    3
    Verbindungseinrichtung
    4
    Ablaufführung
    5
    Wärmepumpe
    6
    Gebläse
    7
    Anstellwinkel
    8
    Erdboden
    9
    Temperatursensor
    10
    Durchströmungsrichtung
    11
    Ablaufpunkt
    12
    Regel- und Steuergerät

Claims (13)

  1. Wärmeübertrager (1) für eine Wärmepumpe (5), aufweisend eine Vielzahl von im vorgesehenen Einbauzustand weitestgehend senkrecht und parallel angeordneter und von einem Wärmeträgermedium durchströmbarer Rohre (2), die über mindestens eine Verbindungseinrichtung (3) verbunden sind, wobei die mindestens eine Verbindungseinrichtung (3) im Einbauzustand weitestgehend waagerecht angeordnet und derart geformt ist, dass im Einbauzustand sich an den Rohren (2) bildendes und nach unten ablaufendes Kondensat auf die Verbindungseinrichtung (3) geleitet wird und in Richtung eines Ablaufpunktes (11) der Verbindungeinrichtung (3) fließt, dadurch gekennzeichnet, dass eine Heizeinrichtung vorgesehen ist, die dazu eingerichtet ist, Wärme in den mindestens einen Ablaufpunkt (11) einzubringen.
  2. Wärmeübertrager (1) nach Anspruch 1, wobei zumindest ein Abschnitt der mindestens einen Verbindungseinrichtung (3) u-förmig oder v-förmig ausgebildet ist.
  3. Wärmeübertrager (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der mindestens eine Ablaufpunkt (11) eine Ableiteinrichtung aufweist, die dazu eingerichtet ist von den Rohren (2) ablaufendes Kondensat von den Rohren (2) des Wärmeübertragers (1) wegzuführen.
  4. Wärmeübertrager (1) nach Anspruch 3, wobei die Ableiteinrichtung eine Schweißnaht ist.
  5. Wärmeübertrager (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei mehrere Verbindungseinrichtungen (3) parallel angeordnet sind.
  6. Wärmeübertrager (1) nach Anspruch 5, aufweisend mindestens eine Ablaufführung (4), die die Ablaufpunkte (11) der Verbindungseinrichtungen (3) miteinander verbindet.
  7. Wärmeübertrager nach Anspruch 6, wobei die Ablaufführung (4) beheizbar ist.
  8. Wärmeübertrager nach Anspruch 7, wobei die Ablaufführung (4) ein Heizstab ist.
  9. Wärmepumpe (5), aufweisend einen Wärmeübertrager (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche.
  10. Wärmepumpe (1) nach Anspruch 9, wobei der Wärmeübertrager (1) in der Wärmepumpe (5) um einen Anstellwinkel (7) gekippt angeordnet ist, dass ein Ablaufen von Kondensat in Richtung der Verbindungseinrichtung (3) aufgrund der Schwerkraft begünstigt wird.
  11. Verfahren zur Frostsicherung eines Wärmeübertragers (1) nach einem der Ansprüche 1, 7 oder 8, umfassend zumindest die folgenden Schritte:
    a) Erfassen eines Parameters der einen Rückschluss auf ein Einfrieren oder eine verminderte Durchströmbarkeit des Wärmetauschers (1) zulässt,
    b) Inbetriebnahme einer Heizeinrichtung oder eines Heizstabes, die/der Wärme in mindestens einen Ablaufpunkt (11) einbringt, wenn der in Schritt a) erfasste Parameter unter einem Grenzwert liegt.
  12. Computerprogramm, umfassend Befehle, die bei der Ausführung des Programms durch einen Computer diesen veranlassen, das Verfahren nach Anspruch 11 auszuführen.
  13. Wärmepumpe (5) nach Anspruch 9 oder 10 mit einem Regel- und Steuergerät (12) eingerichtet zur Durchführung eines Verfahrens nach Anspruch 11.
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