CN109228818A - 用于运行机动车的空调设施的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于运行机动车的空调设施(1)的方法，所述方法的特征尤其在于，水循环回路(3)以低的体积流和高的温度差穿流冷凝器/气体冷却器(5)，使得水循环回路(3)将加热换热器(9)中的热量在类似温度范围内传输给空气(10)，其中将制冷剂循环回路(2)从65℃至70℃冷却至‑10℃至+30℃而将水循环回路(3)升高至55℃至65℃，并且利用制冷剂的温度滑移在冷凝器/气体冷却器(5)中使水循环回路(3)的温度变化曲线匹配于制冷剂循环回路(2)的温度变化曲线，其中制冷剂很大程度地被冷却。

Description

用于运行机动车的空调设施的方法
技术领域
本发明涉及一种用于运行机动车的空调设施的方法。空调设施就广泛的意义而言被理解为调节机动车的乘客室中的空气的设备。由此，空气在空调设施中被加热或冷却并且必要时也调整空气湿度。
背景技术
就狭义而言，根据本发明的空调设施专门借助于电动机驱动的或电化学的驱动器来匹配未来的车辆应用并且尤其包含加热系统。这是特别重要的，因为相对于具有内燃发动机的传统的车辆，现代车辆具有这种驱动器的热管理的区别在于，在现代的驱动器中在各种情况下都不以内燃机的废热的高的温度水平来提供用于加热乘客室的废热。由此，就本发明而言，包含制冷剂循环回路，作为热泵、作为空调设施的开关变型方案或部件。
在未来的空调设施中，还在制冷剂循环回路中借助于超临界和亚临界的过程增强地使用制冷剂如R1234yf或R744，以便满足环境限制。所提到的制冷剂原则上适合于根据在用于冷却和加热车辆的循环回路中的应用来使用，然而需注意物质特定的特性。
例如，R744、二氧化碳尤其适合于在大的温度滑移上加热介质。在此，将用作为载热体的介质例如从10℃加热到60℃，从20℃加热到50℃或者也可以从30℃加热到60℃。对于在具有二氧化碳作为制冷剂的循环回路中的功率和效率决定性的是，在降低压力之前二氧化碳的温度。如果该温度高于40℃，那么系统的工作能力下降，效率明显降低。
制冷剂循环回路中的温度决定性地由气体冷却器或冷凝器确定，所述气体冷却器或冷凝器在冷却运行中设置在冷却组件的第一排中或在空调设备中设置作为附加的加热器，并且所述气体冷却器或冷凝器通过冷的环境空气加载和冷却。具有R744作为制冷剂的循环回路从其其边界条件起也能够常规地近似最优地运行。
另一重要的方面在于，在不同的车辆模型中，制冷剂循环回路的气体冷却器/冷凝器不再设置在用于冷却的换热器的第一排中，以便例如能够在电动车中更好地冷却功率电子装置或在具有内燃发动机的一些车辆中更好地冷却增压空气。由此，气体冷却器/冷凝器移置到换热器的第二排中并且制冷剂的冷却不再是最佳的。这尤其对于R744而言在效率和功率方面具有大的影响并且即使在制冷剂R1234yf的情况下也在工作压力和功率方面造成不利影响。
在现有技术中，考虑到如下情况：使用水冷的冷凝器/气体冷却器，所述冷凝器/气体冷却器以并行被穿流的方式与功率电子装置相比获得相同的冷却水或增压空气。这在电动车中是特别令人感兴趣的，因为存在仅一个与周围环境接触的换热器。将不同热源的所有的余热在车辆中收集并且在过量时散发给周围环境。在其它情况下，所述余热能够用于加热内部空间或用作为热泵的热源。
此外，从现有技术中已知的是，即使在电动车中，在一些情况下，也不直接借助于制冷剂加热，而是继续借助于加热换热器加热，所述加热换热器在水循环回路中借助于水-乙二醇-混合物运行。在此，水以高的体积流和小的温差穿流加热换热器。温度范围在水循环回路的加热阶段之后位于50℃至60℃的最佳范围内。这对于热泵的运行意味着，制冷剂的温度在加热水之后连同温差大约位于所提到的温度范围中。由此，对于制冷剂R744而言效率特别差。
发明内容
本发明的目的是，提供一种用于运行空调设施的方法，所述空调设施能够实现制冷剂循环回路的高的效率。由此，本发明的目的是改进循环回路，使得制冷剂循环回路的，尤其热泵的有效的运行是可行的。
所述目的通过一种用于运行机动车的空调设施的方法实现，其中所述空调设施具有制冷剂循环回路和水循环回路，所述制冷剂循环回路和水循环回路经由冷凝器/气体冷却器彼此热耦联，并且所述水循环回路在泵旁边具有加热换热器以加热用于车辆的车辆驾驶室的空气，并且所述制冷剂循环回路具有压缩机、膨胀机构和蒸发器，其特征在于，所述水循环回路以低的体积流和高的温度差穿流所述冷凝器/气体冷却器，使得所述水循环回路将所述加热换热器中的热量在类似温度范围内传输给空气，其中将所述制冷剂循环回路从65℃至70℃冷却至-10℃至+30℃而将所述水循环回路升高至55℃至65℃，并且利用所述制冷剂的温度滑移在所述冷凝器/气体冷却器中使所述水循环回路的温度变化曲线匹配于所述制冷剂循环回路的温度变化曲线，其中所述制冷剂大程度地被冷却。改进方案在下文中给出。
本发明的设计思想在于，在降低压力之前制冷剂的温度为-20℃至+30℃进而明显低于通常+30℃至50℃的温度范围。虽然所选择的温度范围原则上可借助于用于冷却的冷空气达到，然而这在现有技术中在具有水循环回路的常规的空调设施中难以实现或不能实现。在蒸发之前的温度范围例如对于在R744的情况下的跨临界的循环过程的压力水平的也具有显著影响。
本发明的另一基本认知在于，通过使水循环回路的温度变化曲线匹配于制冷剂循环回路的温度变化曲线，明显的效率改进是可行的。这通过如下方式实现：加热换热器在温度差小的情况下不再以高的体积流运行，而是随着高的温度差以小的体积流运行。由此能够将制冷剂，尤其R744或还有R1234yf冷却至相应的温度。空气-水-换热器进而加热换热器，同样如制冷剂-水-换热器、冷凝器/气体冷却器那样，优选逆流地或交叉逆流地设计和运行。
在水循环回路的空气-水-换热器，即加热换热器中，空气能够流经水的多个依次连接的换热器区段。
在制冷剂循环回路中，此外能够与所使用的制冷剂相关地设置有内部的换热器，必要时设有多个压缩机、多个冷凝器/气体冷却器、止回阀、截流阀、热膨胀阀和电膨胀阀、孔口和串联或并联连接的蒸发器。
优选地，能够液压地调整水循环回路以减少阀。
另一优选的设计方案在于，水泵和制冷剂压缩机的转速以受控的方式设计。
本发明尤其通过一种用于运行机动车的空调设施的方法实现，其中空调设施具有制冷剂循环回路和水循环回路。
制冷剂循环回路和水循环回路经由流体/流体换热器、冷凝器/气体冷却器彼此热耦联，其中制冷剂在一侧上将热量传输到水上，即从制冷剂传输到水循环回路上。
水循环回路除了泵以外还具有用于加热车辆的车辆驾驶室的空气的加热换热器。制冷剂循环回路还具有用于冷蒸汽过程的常用部件，如压缩机、膨胀机构和蒸发器。
现在，本发明的特征尤其在于，水循环回路以低的体积流和高的温度差穿流冷凝器/气体冷却器，使得水循环回路将加热换热器中的热量传输给处于类似的温度范围中的空气。制冷剂循环回路从65℃至70℃冷却至-10℃至+30℃而水循环回路升高至55℃至65℃的温度，其中利用制冷剂的温度滑移使冷凝器/气体冷却器中的水循环回路的温度变化曲线匹配于制冷剂循环回路的温度变化曲线。
优选地，以1kg每小时至540kg每小时的流率运行水循环回路。
特别优选地，借助于制冷剂R744、二氧化碳，或替选地借助于制冷剂R1234yf运行制冷剂循环回路。
有利地，在制冷剂R744的情况下，以10kg每小时至300kg每小时的制冷剂质量流运行制冷剂循环回路。
在此，连续地根据环境温度和热泵的待提供的功率来调节水循环回路的泵的转速。
有利地，借助于水-乙二醇-混合物运行水循环回路。
本发明的有利的设计方案在于，借助于内部的换热器和必要时多个压缩机和/或多个冷凝器/气体冷却器以及多个蒸发器运行制冷剂循环回路。
加热换热器和/或冷凝器/气体冷却器优选以逆流或交叉流的方式被穿流。
加热换热器有利地构成为，使得待加热的空气经由多个依次连接的换热器区段输送。在这种多排的实施方案中，待加热的空气加热至高的温度并且制冷剂另一方面优选能够以逆流和交叉流冷却至相对低的温度。
根据本发明的一个有利的设计方案，使用水的高压以及体积流作为关于热泵的在加热功率方面然而还有热源功率方面的功率的设定参数。
本发明的突出优点在于，显著地改进循环回路的效率，尤其在热泵应用中。在将R744作为制冷剂时，尤其可感觉到所述优点，然而即使在R1234yf和具有类似的热动力学特性的制冷剂的情况下也能实现所述优点。
附图说明
本发明的设计方案的其他细节、特征和优点参照附图从对实施例的下述描述中得出。附图示出：
图1示出根据本发明的空调设施的原理线路图；
图2a示出在跨临界的过程控制中借助于R744作为制冷剂的传统的制冷过程的Log(p)、h图表；
图2b示出在跨临界的过程控制中按照借助于R744作为制冷剂的根据本发明的方法的Log(p)、h图表；
图3示出多功能空调设施的原理线路图；
图4a示出针对R744的Log(p)、h图表；
图4b示出针对制冷剂R744的T-S图表；
图5a示出针对制冷剂R1234yf的Log(p)、h图表；
图5b示出针对制冷剂R1234yf的T-S图表；
图6示出空调设施的一个实施方式的原理线路图；以及
图7示出空调设施的控制和调节装置。
具体实施方式
在图1中示出空调设施，所述空调设施主要由两个主部件，即制冷剂循环回路2和水循环回路3构成。
制冷剂回路2具有至少一个压缩机4、冷凝器/气体冷却器5、膨胀机构6以及蒸发器7作为循环回路的基本部件，如常见的和在现有技术中已知的那样。此外，根据所使用的制冷剂和必要时附加的要求，原则上可使用和补充多个压缩机4、膨胀机构6或还有蒸发器7，其中气体冷却器/冷凝器5在功能上是至水循环回路3的热耦联。
水循环回路3具有用于使循环回路环流的泵8和加热换热器9，所述加热换热器集成在车辆的通风设施中，并且经由所述加热换热器进行乘客室的空气10的加热。制冷剂循环回路2和水循环回路3的热耦联经由换热器进行，所述换热器根据其功能在制冷剂循环回路2中称作为冷凝器/气体冷却器5。出自制冷剂循环回路2的热量经由冷凝器/气体冷却器5散发给水循环回路3，据此在加热换热器9中被加热的水将热量散发给空气10以加热车辆的乘客室。
制冷剂循环回路以附图标记11示出在压缩前的制冷剂抽吸状态作为测量点，用附图标记12示出在压缩制冷剂之后制冷剂压缩最终状态，用附图标记13示出在膨胀前的制冷剂高压状态，并且用附图标记14示出在膨胀后的制冷剂低压状态。这些点，如接下来将在其他附图中所阐述的那样，是制冷剂的状态图表中的状态点。
在图2a中示出针对R744作为制冷剂和根据现有技术的跨临界的方法的Log(p)、h图表并且接下来参照图1进行描述。t＝50℃的等温线伸展穿过点13，即，在膨胀前的制冷剂高压状态。由此，制冷剂在气体冷却器5下游具有50℃的温度并且在点14处从90bar降压至20bar的低压，点14即在膨胀之后的致冷剂低压状态。在蒸发器7中并且借助于轻微的过热，制冷剂以蒸发的方式吸收能量并且最后从点11，即在压缩前的制冷剂抽吸状态，到点12，即在压缩后的制冷剂压缩最终状态，在压缩机4中被压缩至高压。
为了比较过程控制，在图2b中示意地示出根据本发明的Log(p)、h图表。与图2a中的方法相比，相同地选择压力水平，以便能够比较所述过程。然而，温度的状态点由于在过程控制中的根据本发明的改变而与现有技术不同。特别地，点13，即在膨胀前的制冷剂高压状态，也就是说，在制冷剂在气体冷却器5下游的状态之前的制冷剂高压状态，从所述温度减少到30℃。膨胀照常在点14之后进行，即在膨胀后的制冷剂低压状态之后进行。因为与图2a相比，点14在过程中更靠左，所以在状态图表中可见从点14至点11的热焓差的提高。由此，可使用的制冷功率升高。与根据现有技术的方法类似地进行从点11至点12的压缩直至压缩最终温度，在针对制冷剂R744的实例中，所述压缩最终温度直至大约120℃。
在图3中示意地示出循环回路的略复杂的设计方案，其中以类似方式实现基本设计思想。空调设施1以类似的方式再次由制冷剂循环回路2和水循环回路3构成，所述制冷剂循环回路和水循环回路经由制冷剂循环回路2的冷凝器/气体冷却器5彼此热耦联。制冷剂循环回路2以如下方式进行扩展：在不同压力平面上并行地进行蒸发。为此，膨胀机构6分别与蒸发器7、16、17相关联，所述蒸发器一个称作为蒸发器7、一个称作为电池冷却器16并且一个称作为冷却器17。冷却器17借助于水循环回路3的环形线结合到所述水循环回路中，并且在所示出的实施方式中空调设备1能够根据对冷凝器/气体冷却器5的要求加热水循环回路3或者根据对冷却器17的要求冷却水循环回路3。为此，针对水循环回路2设有泵8。在水循环回路3中除了冷凝器/气体冷却器5以外设有加热换热器9并且附加地设有换热器作为增压空气冷却器19，例如在混合动力车辆中。通过低温换热器15对水循环回路3进行补充，经由所述低温换热器能够将在一定的运行状态中所不需要的废热散发给周围环境。水循环回路3的不同的换热器5、9、15、19的结合经由换向阀18实现。
在图4a、4b和5a、5b中定性地示出R744的和R1234yf的状态图表。图表4a和4b针对制冷剂R744示出跨临界的过程，其中在制冷设施的部件图中，换热器为了从制冷剂循环回路2中导出热量，从过程状态12至膨胀13前的制冷剂高压状态，在功能上用作为气体冷却器5，所述过程状态即在压缩之后的制冷剂压缩最终状态。与其不同，在图5a和5b中定性地示出制冷剂R1234yf，其中换热器为了将热量散发给水循环回路3而作为参照图1和3的冷凝器工作。
在图4b中示出T-S图表，所述T-S图表示出在冷凝器/气体冷却器5中从制冷剂传热水循环回路时温度滑移针对制冷剂的利用。在此，冷凝器/气体冷却器5逆流地连接，使得水在换热器中被加热至高于制冷剂排出温度的温度。类似地，在图5b中示出温度滑移针对制冷剂R1234yf的应用，所述温度滑移具有因在两相区之内的温度平台引起的略微的限制。
在图6中概要地示出线路图，所述线路图示出制冷剂循环回路2和水循环回路3，其中作为用于调节所述方法的参数，根据所述设计思想，经由制冷剂循环回路的压缩机的转速nV对压缩机4进行补充，并且用水循环回路的泵的转速nP对泵8进行补充。此外，示出温度t1，即在制冷剂循环回路2中的膨胀机构6下游的蒸发温度，并且用t2示出在水循环回路3之内在冷凝器/气体冷却器7下游进行加热之后的冷却水温度。空气10在这种情况下首先在蒸发器7中冷却，例如出于除湿的目的，并且随后经由加热换热器9升高到乘客室中的空气温度。
在图7中示出控制和调节装置20，所述控制和调节装置实施在空调设施中的调节策略，其中作为输入变量，在调节空气体积流以及制冷剂循环回路的压缩机转速nV和水循环回路的泵转速nP的条件下，以平衡蒸发温度t1、冷却水温度t2和乘客室空气温度的调节tout的方式来调节环境温度tU以及预设的目标温度tsoll。
根据环境温度和车辆乘客的设定的所需的温度，得到水的加热功率和至少待达到的始流温度。在行程开始时，假设在车辆中在极端情况下不存在余热。在热泵运行中，为此必须接受在小的温度水平上的相应的热功率。借助于制冷剂循环回路的高压和水的体积流，能够最优地设定车辆内部空间的加热然而也能够附加地设定热源的待接受的功率。热源大多数情况下通过如下方式来限制：能够引起换热器的结冰。对此重要的是，至今为止的已知的水循环回路在进料和回流之间始终具有55℃至60℃的恒定温度。这显著区别于根据本发明的运行方式。
附图标记列表
1 空调设施
2 制冷剂循环回路
3 水循环回路
4 压缩机
5 冷凝器/气体冷却器
6 膨胀机构
7 蒸发器
8 泵
9 加热换热器
10 空气
11 在压缩前的制冷剂抽吸状态
12 在压缩后的制冷剂压缩最终状态
13 在膨胀前的制冷剂高压状态
14 在膨胀后的制冷剂低压状态
15 低温换热器
16 电池冷却器
17 冷却器
18 换向阀
19 增压空气冷却器
20 控制和调节装置
tU 环境温度
tsoll 目标温度
t1 蒸发温度
t2 冷却水温度
tout 乘客室空气温度
nV 制冷剂循环回路的压缩机转速
nP 水循环回路的泵转速

Claims (10)

1.一种用于运行机动车的空调设施(1)的方法，其中所述空调设施(1)具有制冷剂循环回路(2)和水循环回路(3)，所述制冷剂循环回路和水循环回路经由冷凝器/气体冷却器(5)彼此热耦联，并且所述水循环回路(3)在泵(8)旁边具有加热换热器(9)以加热用于车辆的车辆驾驶室的空气(10)，并且所述制冷剂循环回路(2)具有压缩机(4)、膨胀机构(6)和蒸发器(7)，其特征在于，所述水循环回路(3)以低的体积流和高的温度差穿流所述冷凝器/气体冷却器(5)，使得所述水循环回路(3)将所述加热换热器(9)中的热量在类似温度范围中传输给空气(10)，其中将所述制冷剂循环回路(2)从65℃至70℃冷却至-10℃至+30℃而将所述水循环回路(3)升高至55℃至65℃，并且利用所述制冷剂的温度滑移在所述冷凝器/气体冷却器(5)中使所述水循环回路(3)的温度变化曲线匹配于所述制冷剂循环回路(2)的温度变化曲线，其中所述制冷剂大程度地被冷却。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，以1kg/h至540kg/h的流率运行所述水循环回路(3)。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，借助于制冷剂R744在超临界以及亚临界的状态中运行所述制冷剂循环回路(2)或替选地借助于R1234yf运行所述制冷剂循环回路(2)。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于，在制冷剂为R744的情况下，以10kg/h至300kg/h的制冷剂质量流运行所述制冷剂循环回路(2)。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其特征在于，连续地与周围环境相关地调节所述泵(8)的转速。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其特征在于，借助于水-乙二醇-混合物运行所述水循环回路(3)。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的方法，其特征在于，借助于内部的换热器和/或多个压缩机(4)和/或多个冷凝器/气体冷却器(5)运行所述制冷剂循环回路(2)。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的方法，其特征在于，以逆流或交叉流穿流所述加热换热器(9)和/或冷凝器/气体冷却器(5)。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的方法，其特征在于，在加热换热器(9)中经由多个依次连接的换热器区段输送空气(10)。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的方法，其特征在于，使用水的高压以及体积流作为关于热泵的在加热功率方面然而还有热源功率方面的功率的设定参数。
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