CN105358920A - 用于使用环境兼容的制冷剂的热泵 - Google Patents

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Abstract

按照本发明的热泵包括内置的热交换器和调节装置，该调节装置设计用于使压缩机出口处的工作流体的温度处于在相同压力下在露点之上的能预设的最小间距处。借助这种对热泵过程的额外介入，可以在热泵中使用新的制冷剂，所述制冷剂在温熵图中具有低于1000(kgK2)/kJ的较小冷凝曲线斜率并且其突出特点在于很好的安全性和环保性。

Description

用于使用环境兼容的制冷剂的热泵
本发明涉及一种热泵和在该热泵中的制冷剂的使用。
迄今为止在热泵中使用的制冷剂要么是毒性的要么是对环境有害的，就是说这些制冷剂具有较高的使全球暖化的可能。其它的能燃烧或者至少问题在于，至少是对健康有害的。迄今为止已知的对无毒性的环境兼容的制冷剂的使用仍未成功，因为这种工作介质不能保证热泵的相应的效率或者不能被使用在传统的热泵结构中。
在热泵中使用制冷剂的特征在于所谓的温度升高或者说温升(Temperaturlift)。所述温升是凝结温度和蒸发温度之间的差。所述温升描述了能在散热片上使用的热源在温度上的提升量。为了清楚地说明所述问题，在图1中示出合适的对环境友好的制冷剂的相界线，其特点是强烈突出的冷凝曲线。额外地还示出从蒸发温度为75℃到凝结温度为125℃的50开尔文的温升的热泵过程。为了能用这种制冷剂驱动热泵，必须保持压缩终点到冷凝曲线的最小间距，以继续保持在气相区域中。如图3中所示，要是温升例如只有20开尔文、就是说凝结温度仅为95℃左右，压缩终点就会在相界线内、也就是说在混合相区域中。这会导致在压缩机中的液体并且阻止热泵稳定运行。
迄今为止仅已知这种具有该特殊热力学性质的新的工作流体的应用的尝试，所述尝试成果在于热泵的不稳定的启动过程。在德国申请102013203243.9中对一种具有内置的热交换器的热泵，如图2所示所述热交换器通过从状态4向状态5凝结物的过冷却把这种情况下产生的热传导到状态7上并且如此在压缩前就加热吸入的气体。从状态4向状态5的距离和从状态7向状态1的距离为相同的热焓差，如压焓图1至4所示。如图3再次看到，所述用内置的热交换器的尝试并不是对每个温升都合适。例如在20开尔文的温升情况下，内置的热交换器的提供用于加热吸入的气体的热量不足并且问题在于压缩终点再次位于相界线的内部。
至此，在热泵和制冷机中使用的流体、例如R134a(1,1,1,2-四氟乙烷)根本不会有压缩终点位于中间相区域中的问题并且因此能以现有技术中已知的热泵和制冷机驱动。
因此本发明所要解决的技术问题在于，提供一种热泵和该热泵的运行方法，其允许使用对环境友好的工作流体并且确保稳定的静态运行。
该技术问题借助按照权利要求1所述的热泵和按照权利要求9所述的热泵运行方法以及通过按照本发明地应用按照权利要求8所述的新的工作流体解决。本发明的设计方案是从属权利要求的内容。
按照本发明的热泵包括压缩机、冷凝器、内部的热交换器、膨胀阀、蒸发器以及调节装置，所述调节装置设计用于使压缩机的出口处的工作流体的温度处于露点之上的能预先给定的最小间距处。所述温度最小间距涉及在压力保持不变的情况下的工作流体并且尤其是最少1开尔文、优选最少5开尔文。这样的优点在于，可以使用对环境友好的无毒性的安全介质并且实现静态的稳定的热泵运行，所述介质的特点通常是非常特殊的热力学性质，例如可能是在温熵图中的非常小的低于1000(kgK2)/kJ的冷凝曲线斜率。
在本发明的一种有利的设计方案中，调节装置是温度调节装置，其设计用于提高在压缩机的入口处的工作流体的温度。例如，该温度调节装置是管路加热装置，其如此地布置在内置热交换器和压缩机之间，使得从内置热交换器向压缩机流动的工作流体能通过管路加热装置过热。在此，温度调节装置设计为，使得其通过压缩机出口处的工作流体温度调节管路加热装置。根据由温度调节装置在压缩机出口处测量到的温度启动或者关闭管路加热装置或者使其温度变化。所述管路加热装置因此例如可以在热源或者吸热件温度波动的情况下短时间地启动或者持续运行。这样的优点在于，可以过小的温升进行补偿。对于温升的极限温度取决于所使用的制冷剂或者工作流体。所述温升取决于热泵的不同性质和参数。
在对热泵的另一种有利的实施例中，温度调节装置包括具有阀门的旁通管路，所述旁通管路如此地连接压缩机出口处的高压区域和压缩机入口处的低压区域，使得从内置的热交换器流向压缩机的工作流体能借助能通过旁通管路回流的热气过热。所述温度调节装置在此尤其设计为，使得其通过压缩机出口处的工作流体的温度调节经过旁通管路的阀门的通流。这个实施形式也具有的优点是，在这样的温升中，其在不额外地介入热泵过程中的情况下可能与压缩终点落在两相区域中，如此地调节，使热泵以所使用的工作流体稳定地在静态状态中运行。所使用的旁通阀可以例如是温度调节地或者电子调节的阀门。
在热泵的一种备选的有利实施形式中，调节装置是压力调节装置，其设计用于减小在压缩机入口处的工作流体的压力。为此，所述压力调节装置尤其包括自动的膨胀阀，其作为热泵循环中的膨胀阀安置在内置的热交换器和蒸发器之间。自动的膨胀阀是纯蒸发器压力调节阀，借助其能够调节蒸发温度并且由此调节蒸发压力。
通过蒸发器中的压力降低可以在压缩机之后的压力侧和压缩机之前的低压侧之间形成更高的压力比Pratio。因为压缩机必须实现更高的压力比Pratio，所以在压缩机出口处也形成了更高的压力气体温度。压力比Pratio越高，在压缩机之后的压力气体的温度T2也越高。
T 2 T 1 = P r a t i o κ - 1 κ
在此，κ是等熵指数，T2和T1是在压缩机之后和之前的温度并且Pratio是在压缩机之后和之前的气体压力的压力比。备选地，为了提高温度T1也可以降低在压缩机之前的压力。在这种情况中，额外的压缩机功率作为对额外的加热功率的替代对于待实现的提高的压力比是必要的。这个实施形式具有的优点在于，可以不使用额外的加热元件和温度调节装置并且通过由自动的膨胀阀替代膨胀阀，在热泵中无需额外部件以实现稳定的运行。
在热泵中使用自动膨胀阀的额外的优点在于，形成对于使用情况的调节可能性，即温升不在极限温度之下而是明显地在极限温度之上。如果温升高得太远，那么在压缩机之后的压力气体温度T2就会在需要相对于露点保持的最小间距之上很远处。由此例如在压缩机具有温度应用上限时可能产生其它的问题。压缩机的这种温度应用上限可以例如由润滑材料的热学稳定性或者由对于压缩机中的紧密配合的过高膨胀所决定。然而通过自动的膨胀阀可以如此大地提高蒸发器中的压力，使得工作流体仅微弱地过热或者甚至仅部分地蒸发。对于实现与冷凝曲线的最小间距仍然需要的过热可以借助内置的热交换器进行。在极限温度之上的温升的情况下，具有自动膨胀阀的实施形式的额外优点是基于压力提升而提高了热泵的总效率，因为通过减小蒸发器中的温度差降低了压力比并且要求更低的压缩机功率。同时，流体的密度升高并且以此提高压缩机中的功率密度。额外地，通过更低的压力气体温度确保了压缩机使用寿命的提高。
优选地，热泵为此包括工作流体，所述工作流体在温熵图中具有低于1000(kgK2)/kJ的冷凝曲线斜率。使用这种工作流体的优点在于该工作流体优异的环境性质和安全性质。作为这种工作流体例如可以使用氟化酮的族。其中尤其有利的工作流体是Novec649(Dodecafluoro-2-Methylpentan-3-one)和Novec524(Decafluoro-3-Methylbutan-2-one)。Novec649具有601(kgK2)/kJ的冷凝曲线斜率，Novec524具有630(kgK2)/kJ的冷凝曲线斜率，并且另一合适的例子是R245fa(1,1,1,3,3-Pentafluoropropan)，其在T-S图中具有1653(kgK2)/kJ的斜率，其中给出了分别针对饱和温度为75℃的斜率。
按照本发明在热泵中使用工作流体，所述工作流体在温熵图中具有低于1000(kgK2)/kJ的冷凝曲线斜率。
在按照本发明的用于运行热泵的方法中，使在压缩机之后的工作流体的温度在露点之上的能预先给定的最小间距处，所述最小间距尤其是1开尔文。
本发明的实施形式参照附图1至7以示例性的方法进行说明：
图1示出新的工作介质的对数式压焓图和以此进行的50开尔文的温升的热泵过程。
图2以对数式压焓图示出通过内置的热交换器的热传导。
图3示出如图1的工作介质的20开尔文的温升的热泵过程的对数式压焓图。
图4示出如图1的工作介质的60开尔文的温升的热泵过程的对数式压焓图。
图5示出带有管路加热装置的热泵的流程图。
图6示出带有热气旁通的热泵的流程图，和
图7示出带有自动膨胀阀的热泵的流程图。
如图1至图4示出压焓图(压力-焓-图)，其中，气体压力p记录在对数刻度上。在图表1、3和4中以点划线绘出等温线IT并且以点线绘出等熵线IE。在此，针对等温线IT的温度以摄氏度给出，针对等熵线IE的熵值以kJ/(kg·K)给出。实线绘出的曲线分别是新的工作介质的相界线PG、例如是流体Novec649。该介质在169℃具有临界点。在温熵图中冷凝曲线会倾斜601(kgK2)/kJ。对于工作介质的另一合适的例子是Novec524，其在148℃具有临界点。
在图1中额外地以虚线绘出热泵过程WP。从状态点1开始，通过压缩到达状态点2或者3，两者在纯理论的观察中重合并且在之后仅称为状态点2。借助凝结过程到达状态点4。从状态点4到状态点5进行过冷却。通过膨胀过程从状态点5到状态点6并且通过蒸发过程从状态点6到状态点7。从状态点7回到初始状态点1的路径是工作介质的过热。所示热泵过程WP具有75℃的蒸发温度和125℃的凝结温度，即50开尔文的温升。如图2所示，4向5的过冷却和7向1的过热通过内置的热交换器IHX耦合。所述热交换器利用在过冷却中释放的热量并且将其传导至状态7。在分别恒定的压力下，热焓在过冷却中减小的值和在过热中提高的值相同。在热泵过程中状态2到冷凝曲线TL的间距、也就是说状态2到其露点的温度差在相同的压力下为10开尔文。所述最小间距足以在没有由于液体撞击对压缩机11产生威胁的情况下确保热泵10的稳定运行。为了使压缩终点、即状态2可靠地处于混合相区域l+g的外部、即在相界线PG的外部，应该保持最小间距，所述最小间距必须针对工作流体和热泵10的每个系统视可能的波动参数确定。但尤其应该保持1开尔文、优选5开尔文的最小间距。
如图3和图4所示，热泵过程WP的温升改变了通过内置的热交换器IHX所交换的用于使在压缩机11之前的吸入气体过热的热量QIHX是否足够将压缩终点2定位在气相区域g中。
在图3中示出如图1所示的具有工作介质Novec649的热泵过程WP，但所述工作介质具有仅为95℃的凝结温度。20开尔文的温升位于针对该系统的极限值以下。内置的热交换器IHX在这个例子中会以0.64kW的功率工作。
在图4中所示的热泵过程WP具有到达135℃的凝结温度的60开尔文的极高温升。在该热泵过程WP中，内置的热交换器IHX例如以5.9kW的功率工作。在这种情况中压缩终点2离冷凝曲线TL很远，也就是温升明显地超过针对由热泵10和工作介质组成的系统的温升的极限值。
针对通过内置的热交换器IHX传导的热功率QIHX的示例值涉及10kW的冷凝器功率。在所述例中，在20开尔文的较小温升的情况下可能不能传导足够的热量以便为该系统保持例如5开尔文的最小间距。相反地，在60开尔文的温升情况下，内置的热交换器IHX所传导的热量QIHX对于最小间距是足够的。60开尔文的温升位于针对该系统的极限温升之上。对于此处举例所述的由具有Novec649和在蒸发温度为70℃时为10kW的冷凝器功率的热泵10组成的系统，极限温升为37开尔文。如果在其它参数相同的情况下使用例如Novec524作为工作流体，那么极限温升为31开尔文。
因此，可以相应地对于每个热泵-工作流体系统确定极限温升，在所述极限温升之上，内置的热交换器IHX需要保持用于保持从冷凝曲线TL到压缩终点2的最小间距所需的热量。如果温升在极限温升以下，就必须使用按照本申请中所述的系统进行工作，以便确保压缩终点2相对于冷凝曲线TL处于最小间距。只有这样才能在热泵10中实现具有较小冷凝曲线斜率的流体的稳定的静态运行。
图5至图7示出对于使用新的工作介质的具有不同调节可能性的热泵10。因此，具有在极限温升之下的过小温升的热泵过程WP还是能稳定地静态运行。出发点都是70℃的蒸发温度和100℃的凝结温度，也就是说30开尔文的温升，其在针对工作流体Novec649和Novec524这两种实例情况下都一样地位于极限温升之下。冷凝器功率例如为10kW。在图5和图6中示出两种备选的温度调节。在这些情况下，热泵10以传统的膨胀阀14驱动，其例如可以是温度调节或者电子调节的膨胀阀14。该膨胀阀14调节工作流体的通流和在蒸发器15之后的过热。在内置的热交换器13和压缩机11之间围绕处于内置的热交换器13和压缩机11之间的管路段安置管路加热装置20。借助该管路加热装置20可以加热在其中流动的工作介质。该管路加热装置20在状态1中对工作介质的加热强度由在状态2处的温度T2、即在压缩机11的出口的温度T2调节。为此，在该处测量温度T2并且通过补偿温度T1的最小间距开启或关闭加热装置或者降低或提高其加热功率。
在图6中所示的温度调节装置30包括热气旁通31，压缩机11的压力侧2的压力气体引回至压缩机11的吸气侧1并且由此借助热的压力气体继续加热吸气。通过旁通阀31限制吸气的温度T1的提高，所述旁通阀31又通过状态2中的温度T2调节。该阀门31可以是温度调节或者电子调节的阀门31。为该温度调节装置30额外所需的功率例如为0.58kW，其中，在此指的是在等熵地升压或升温情况下的额外的压缩功率。
最后在图7中示出对于温度调节装置30的备选实施形式，即通过吸气压力的调节：通过使用自动的膨胀阀40、即纯蒸发器压力调节阀，可以实现对蒸发压力和以此对蒸发温度的设置。通过在蒸发器15中的压力降低可以提高压缩机11必须实现的压力比并且以此也提高状态2中的压力气体温度T2。对于从70℃到100℃的温升为30开尔文的例子，压力可能从1.96bar降低到1.35bar以保持5开尔文的最小间距。为此，在通过压缩机11进行等熵升压和升温的情况下例如需要额外的0.45kW的压缩功率。
以通过如图7所示的自动膨胀阀的调节可能性能解决在新的工作介质中出现的另一问题：当温升位于极限温升之上非常远的时候。因此压缩终点2到冷凝曲线T2的距离过大会产生问题，因为压缩机11可以具有温度应用上限。然而，通过自动的膨胀阀40能实现把蒸发器15中的压力提高到使得流体在蒸发过程中仅微弱地过热或者仅部分蒸发。随即可能还需要的用于最小间距的过热可以再通过内置的热交换器13进行。以此能用该压力调节引起压力提升，其提高热泵10的总效率，因为借助在状态点1或者2处的温度降低也使压力比Pratio降低，相应地需要更小的压缩功率，同时流体的密度升高，这引起压缩机11中的功率密度提高。基于更小的压力气体温度T2还可以预期压缩机11的使用寿命的提高。

Claims (10)

1.一种热泵(10)，所述热泵(10)具有压缩机(11)、冷凝器(12)、内置的热交换器(13)、膨胀阀(14)、蒸发器(15)和调节装置(21、30、40')，其中，所述调节装置(21、30、40')设计用于使压缩机(11)的出口处的工作流体的温度与露点间隔能预设的最小间距。
2.按照权利要求1所述的热泵(10)，其中，所述调节装置(21、30、40')设计用于使所述压缩机(11)的出口处的工作流体的温度处于露点之上的能预设的最小为1开尔文的最小间距处。
3.按照权利要求1或2所述的热泵(10)，其中，所述调节装置是温度调节装置(21、30)，所述温度调节装置(21、30)设计用于提高所述压缩机(11)的入口处的工作流体的温度。
4.按照权利要求3所述的热泵(10)，其中，所述温度调节装置(21)包括管路加热装置(20)，所述管路加热装置(20)这样布置在所述内置的热交换器(13)和所述压缩机(11)之间，使得从热交换器(13)向压缩机(11)流动的工作流体能够借助所述管路加热装置(20)过热。
5.按照权利要求3所述的热泵(10)，其中，所述温度调节装置(30)包括具有阀门(31)的旁通管路，所述旁通管路如此地连接所述压缩机(11)的出口处的高压区域(2)和所述压缩机(11)的入口处的低压区域(1)，使得从热交换器(13)流向压缩机(11)的工作流体能够借助能通过所述旁通管路(31)回流的热气过热。
6.按照权利要求1或2所述的热泵(10)，其中，所述调节装置是压力调节装置(40')，所述压力调节装置(40')设计用于降低所述压缩机(11)的入口处的工作流体的压力。
7.按照权利要求6所述的热泵(10)，其中，所述压力调节装置(40')包括自动的膨胀阀(40)，所述膨胀阀(40)作为热泵循环中的膨胀阀布置在内置的热交换器(13)和蒸发器(15)之间。
8.按照前述权利要求之一所述的热泵(10)，所述热泵(10)具有工作流体，所述工作流体在温熵图中具有低于1000(kgK2)/kJ的冷凝曲线(TL)斜率。
9.一种工作流体在按照前述权利要求之一所述的热泵(10)中的应用，其中，所述工作流体在温熵图中具有低于1000(kgK2)/kJ的冷凝曲线(TL)斜率。
10.一种用于运行热泵(10)的方法，其中，工作流体的温度在压缩后处于露点之上的能预设的最小间距处，所述最小间距尤其是1开尔文。
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