CN110418927A - 热泵和用于运行热泵的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种热泵(12，26)，所述热泵具有：至少一个蒸发器(10)、在下游跟随的压缩机(7a，7b，7)、在下游跟随的液化器(8)和在下游跟随的、用于使流体膨胀的至少一个膨胀设备(9a，9b，9)，其特征在于，沿着流体循环回路在液化器(8)和蒸发器(10)之间串联地设置有至少两个膨胀设备(9a，9b)并且在蒸发器和液化器之间串联地设置有至少两个压缩机(7a，7b)，其中用于分离气相和液相的分离器(30)接入两个膨胀设备之间，用于将蒸汽导入到压缩机之间，并且设置有用于使从蒸发器流出的流体(2)过热的机构(34)。

Description

热泵和用于运行热泵的方法

技术领域

本发明涉及一种具有流体循环回路的热泵和一种用于运行热泵的方法。

背景技术

在热泵中，通过蒸发在热泵的流体循环回路中沿着工作方向循环的流体，从热源吸收热能，即热量，并且释放给热沉。在这种情况下，将具有所吸收的热能的流体借助于压缩机置于提高的压力水平上并且紧接着在与蒸发温度相比提高的液化温度下液化。为了将流体在循环回路的终点处返回到起始状态，将所述流体膨胀，由此其温度再次降低。

热泵的效率借助于性能系数(英语是：coefficient of performance；COP)来测量，其中性能系数在最好的情况下通过卡诺循环的效率的倒数给出。性能系数对应于利用与消耗的商。如果将热泵用于加热热沉，那么这对应于释放给热沉的热量Q_warm除以压缩机的功消耗W_mech。流体的蒸发温度和液化温度之间的绝对值差(温度偏移(Temperaturhub))越大，热泵的效率就越低。

热泵的流体循环回路由此包括至少一个用于将热源的热能传递到流体上的蒸发器、至少一个在下游跟随的用于压缩流体的压缩机、至少一个在下游跟随的用于将流体的热能释放给热沉的液化器——其中热沉与热源相比处于更高的温度水平上——和至少一个在下游跟随的用于使流体膨胀的膨胀设备。

本发明也涉及一种用于运行热泵的方法。在所述方法中，将热能从热源传递到蒸发器中的流体上，其中流体至少部分地蒸发。接下来将流体压缩并且紧接着为了将热量释放给热沉——与热源相比在更高的温度水平上——至少部分地液化。接下来将流体膨胀以进行冷却。

发明内容

本发明基于如下目的，提出一种开始提及类型的热泵和一种用于运行热泵的方法，所述热泵适合于热沉的至少70摄氏度的温度水平并且附加地能够实现热泵的尤其高的性能系数。

所述目的根据本发明在开始提及类型的热泵中通过如下方式实现：沿着流体循环回路在液化器和蒸发器之间串联地设置有至少两个膨胀设备和在蒸发器和液化器之间串联地设置有至少两个压缩机和/或至少两个压缩机级，其中用于分离气相和液相的分离器接入在两个膨胀设备之间，并具有在两个压缩机或者两个压缩机级之间通到循环回路中的气相输入管路，并且设置有用于使从蒸发器流出的流体在进入到第一压缩机中之前过热的机构。

由此，根据本发明提出如下特征的组合，所述特征引起热泵的性能系数的改进，并且同时能够实现在流体循环回路中使用如下流体：所述流体在温熵图中具有斜率基本上为正的冷凝曲线。

所设立的流体，例如R22、R134a和氨也如水那样在温熵图中具有钟形。在此，从饱和蒸汽开始，能够任意地被压缩，而在此不承担由于进入到湿蒸汽相而损伤压缩机的风险。

对于热泵的高温范围(关于使用温度至少为70℃，尤其>90℃)而言，由于临界温度必须使用其它流体。具有足够高的临界温度的流体例如是R1233zd和R1336mzz。然而，这些流体在温熵图中具有斜率基本上为正的冷凝曲线。借此在温熵图中表明了将液态的/气态的两相区与气态的状态区分开的线。因此，当应当避免进入到两相区中时，这些流体从饱和蒸汽开始不可任意地被压缩。

在进入到压缩机之前流体的过热能够实现使用所述高温适合的、具有斜率基本上为正的冷凝曲线的流体，因为避免在压缩机中、尤其在涡轮压缩机中通过由液滴引起的液体冲击造成的损伤。为了实现高的性能系数，过热不通过流体与热源的温度相比足够低的温度水平来实现，而是通过用于在从蒸发器离开之后使流体过热的机构来实现。

根据本发明设置的分离器也能够称为节能器。在第一膨胀设备之后减压的流体由于膨胀具有更低的温度并且部分地以气相、部分地以液相存在。通过在分离器中分离气相并且至少部分地将冷却的气体导入到上级的压缩机级中和/或导入到两个压缩机之间，得出热泵的改进的性能系数，其中气体在进入到压缩机之前的最初的过热即使在流体具有斜率为正的冷凝曲线时也能够实现在压缩期间导入冷却的气体。在进入压缩机之前的过热程度能够相应地选择。

本发明的有利的设计方案在接下来的描述和从属权利要求中给出，其特征能够单独地和在彼此的任意组合中应用。

能够有利地提出，热泵针对热沉的至少70摄氏度、尤其至少90摄氏度的温度水平来设计。

为此，根据本发明设计的热泵能够借助例如为R1233zd和R1336mzz的流体来运行。

也能够视为有利的是，热泵针对基本上等温的热源来设计。

基本上等温的热源具有小的收缩点。这能够实现流体的高的蒸发温度从而实现更高的性能系数。为了能够将蒸发压力保持得尽可能高，应当将收缩点保持得尽可能小。在例如收缩点为5开尔文并且热源为50摄氏度时，蒸发能够在45摄氏度时发生。如果考虑用热源使流体过热(这根据本发明恰好不建议)，必须将蒸发温度降低到例如40摄氏度。于是流体能够过热直至45摄氏度。然而这导致COP减小。

也能够视为有利的是，至少一个膨胀设备是节流器和/或至少一个压缩机是涡轮压缩机。

节流器具有流动路径的缩窄部，使得流体由于在穿流缩窄的部段期间降低的压力而膨胀。节流器的横截面能够是可设定的。涡轮压缩机适合于产生高的压力水平。

本发明的一个有利的设计方案能够提出，用于使从蒸发器流出的流体过热的机构包括换热器，所述换热器构成为，使得所述换热器在热学方面将从液化器流出的、在进入到膨胀设备中之前的流体与从蒸发器流出的、在进入到压缩机中之前的流体连通。

根据本发明的设计方案能够不仅实现使流体在蒸发器之后过热，而且同时也引起使流体在膨胀设备之前过冷，由此性能系数尤其在与分离器对流体在液化和蒸发之间的状态改变的作用相互作用时提高。

在压缩终点处的流体状态距冷凝曲线的距离能够根据换热器的所选择的面积来自由设定。这能够实现：换热器的面积匹配于任意压缩机类型和相对应要求的距离。

也能够视为有利的是，用于使从蒸发器流出的流体过热的机构包括可接通的加热设备，所述加热设备可借助外部的能量源加热。

本发明的该设计方案尤其能够在热泵运行的开始阶段中实现流体的充分的过热。

本发明的另一有利的设计方案能够提出，分离器包括用于分离气相和液相的压力容器。

在压力容器中在上部的区域中聚集流体的气相，其中在该区域中气态的流体能够经由输入管路由至少一个压缩机抽吸。

本发明的另一目的是，提出一种开始提及类型的用于运行热泵的方法，所述方法适合于热沉的至少70摄氏度的温度水平并且所述方法附加地能够实现热泵的尤其高的性能系数。

为此，使流体在传递热能之后并且在压缩之前过热，并且在至少两个压缩步骤中进行压缩并且在至少两个膨胀步骤中进行膨胀，其中至少在两个膨胀步骤之间将流体的气相与流体的液相分离，并且将气态的流体至少部分地在至少两个压缩步骤之间输送给流体。

因此，根据本发明提出如下特征的组合，所述特征引起热泵的性能系数的改进并且同时能够实现在流体循环回路中使用如下流体，所述流体在温熵图中具有斜率基本上为正的冷凝曲线。

关于根据本发明的方法，类似地也参照在对权利要求1的描述中的实施方案。

也能够视为有利的是，热泵在热沉的至少70摄氏度的、尤其热沉的至少90摄氏度的高温区域中运行。

对于方法的根据本发明的设计方案，热泵的运行能够借助例如R1233zd和R1336mzz的流体进行。

此外也能够有利地提出，能够使用如下流体，所述流体在温熵图中具有斜率基本上为正的冷凝曲线。

也能够有利地提出，为了使离开蒸发器的流体过热，在运行状态中在膨胀之前提取离开液化器的流体的热能并且在压缩之前传递到离开蒸发器的流体上。

根据本发明的设计方案能够不仅实现流体在蒸发之后的过热，而且同时也引起流体在膨胀之前的过冷，由此性能系数尤其在与所述方法步骤——至少在两个膨胀步骤之间将流体的气相与流体的液相分离，并且在至少两个压缩步骤之间将气态的流体至少部分地输送给流体——相互作用时通过流体在液化和蒸发之间的状态改变来提高。

也能够视为有利的是，将过度加热选择为，使得距冷凝曲线的距离在压缩结束时至少为10开尔文，尤其为10开尔文至20开尔文。

针对这些条件能够计算，在压缩之前何种程度的过热是需要的，以便在压缩结束时遵循距冷凝曲线的所要求的距离。

也能够视为有利的是，在热泵运行的开始阶段中为了使流体过热而接通加热设备。

所述方法的一个有利的设计方案能够提出，作为热源，使用基本上等温的热源。

基本上等温的热源具有小的收缩点。这能够实现流体的高的蒸发温度从而实现更高的性能系数。

附图说明

本发明的其它适宜的设计方案和优点是参照附图的图对本发明的实施例的描述的主题，其中相同的附图标记表示起相同作用的构件。

在此示出：

图1示意性地示出根据现有技术的热泵的流体循环回路，

图2示意性地示出在根据现有技术的热泵在图1中示出的流体循环期间具有所绘制的状态变化曲线的流体R134a的温熵图，

图3示出流体的温熵图，其中示出斜率基本上为正的冷凝曲线和流体在穿流根据现有技术的热泵的在图1中所示出的流体循环回路时所绘制的状态变化曲线，

图4示意性地示出根据本发明的第一实施例的热泵的流体循环回路，

图5示意性地示出流体的压焓图，其中示出斜率基本上为正的冷凝曲线和流体在穿流在图4中所示出的热泵的流体循环回路时所绘制的状态变化曲线，以及

图6示意性地示出根据本发明的第二实施例的方法的流程图。

具体实施方式

图1示意性地示出根据现有技术的热泵12的流体循环回路21。流体2沿着流动方向11被运送穿过热泵12。蒸发器10在吸收热源4的热能的情况下蒸发流体，使得所述流体具有蒸汽态1。在该蒸汽态1中，流体2进入到压缩机7中并且被压缩到压缩态3。在压缩态3中，所述流体在将热能释放给热沉20的情况下流入到液化器8中并且转化为冷凝态5，并且最后在膨胀设备9中膨胀。由此，流体2具有膨胀态6，其中所述流体在该状态中被再次输送给蒸发器10。也就是说，流体在热泵12运行期间连续地根据流动方向11被运送穿过热泵12并且在这种情况下在蒸发器10中蒸发时吸收热源4的热量并且在液化器8中液化期间将热能在与热源4的温度水平相比更高的温度水平上释放给热沉20。

图2示出温熵图23，所述图表对应于绘图平面向右，即在横坐标上示出熵14，并且在绘图平面上向上，即在纵坐标上示出温度13。温熵图23示出流体的冷凝曲线18、沸点曲线19以及不同的集聚态。冷凝曲线18将气相15与两相区16分开，其中在两相区16中，流体不仅以液态存在而且以气态存在。沸点曲线19将两相区16与液相17区分开。所示出的温熵图23示出流体的斜率基本上为负的冷凝区线18。

同样在图2中示意性示出流体的不同的热力学状态，流体在穿流根据现有技术的热泵的在图1中所示出的流体循环回路时具有所述热力学状态。从蒸汽态1开始，对应于流动方向11通过压缩实现压缩态3。压缩态3位于气相15之内，由此压缩机7不会通过由于在流体中形成液滴所引起的液体冲击受损。所示出的在各个状态之间的连接线在图2、图3和图5中作为直的连接线示出，然而也能够偏离于这些理想的变化曲线。从压缩态3开始，通过液化器8设定冷凝态5，所述冷凝态位于沸点曲线上。从冷凝态5开始，通过流体穿流膨胀设备9实现膨胀态6并且紧接着在蒸发器10中输送能量再次实现流体的蒸发状态1。由此热泵12的循环回路是闭合的。

图3类似于图2示出温熵图24，然而针对另一流体。流体的沸点曲线19以及冷凝曲线18的变化曲线限定出极其凸出的两相区16，使得冷凝曲线18具有基本上为正的斜率。如果这种流体经受根据现有技术的在图1中所示出的热泵的流体循环回路，那么压缩态3位于两相区16之内。由此在压缩机7中会出现因液体冲击造成的损伤。

图4示意性地示出根据本发明的第一实施例的热泵26的流体循环回路28。在流体循环回路28中沿着流动方向在蒸发器10之后设置有两个压缩机7a、7b。压缩机7a和7b串联地设置并且能够分别包括多个压缩机级。在压缩机7a、7b下游，流体循环回路28包括液化器8并且紧接着包括两个串联地设置的膨胀设备9a、9b。膨胀设备9a和/或9b能够构成为节流器35a、35b或者例如构成为膨胀阀。热泵26的流体循环回路28此外为了使从蒸发器10流出的流体过热而包括具有换热器32的机构34。换热器32构成为，使得所述换热器在热学方面将从液化器8流出的、在进入到膨胀设备9a、9b中之前的流体与从蒸发器10流出的、在进入到压缩机7a、7b中之前的流体连通。附加地，用于分离气相和液相的分离器30接入两个膨胀设备9a和9b之间，所述分离器具有在两个压缩机7a和7b之间通到流体循环回路28中的气相输入管路36。为了在开始阶段期间确保从蒸发器10流出的流体的充分的过热，机构34附加地包括可接通的加热设备38，所述加热设备可通过外部的能量源40加热。热源4是等温热源。该热源例如能够处于54摄氏度的温度水平上，其中在该温度水平上热源侧上的饱和蒸汽流入到蒸发器10中并且作为相同温度的饱和液体离开该蒸发器。热沉20例如能够是加热循环回路，在消耗侧上从所述加热循环回路中提取热量，并且所述加热循环回路作为过冷的、温度例如为80摄氏度的液体在热沉侧上进入到液化器8中并且作为过热的、温度例如为125摄氏度的蒸汽离开所述液化器。

与在图1中示出的流体循环回路不同，根据本发明的热泵26能够实现使用在温熵图中具有斜率为正的冷凝曲线的高温流体与高性能系数的组合。通过相应地设计换热器32的面积的尺寸，可以使流体充分过热，使得尽管在膨胀态6a中将膨胀的流体的气相导入到两个压缩机7a、7b之间，但是仍可靠地避免在压缩期间形成湿蒸汽。

图5示出在温熵图中具有斜率为正的冷凝曲线18的高温流体的压焓图42，所述压焓图适合于在图4中示出的热泵26的高温运行，并且在所示出的实例中在压焓图中也具有斜率为正的冷凝曲线18。如果流体经受在图4中示出的流体循环回路28，那么在当前的图表中得出所示出的状态变化曲线，所述状态变化曲线沿着箭头方向伸展。在离开蒸发器10时，流体处于蒸汽态1a中并且借助于换热器32转化为过热的蒸汽态1b。在第一压缩机7a中压缩之后，流体处于压缩态3a中。通过将出自分离器30的气相导入到流体循环回路中、导入到两个压缩机之间，流体转化为压缩态3b，并且在紧接着通过压缩机7b压缩之后转化为压缩态3c。在液化器8中的液化引起冷凝态5a，其中换热器32附加地使流体过冷并且转化为冷凝态5b。节流器35a使流体膨胀为膨胀态6a，其中流体通过在分离器30中分离气相而进入膨胀态6b。流体在节流器35b中的紧接着的膨胀引起膨胀态6c，在所述膨胀态中流体重新到达蒸发器10。热泵的COP能够直接作为焓差比在图表中的h轴上读取。其对应于(h3c-h5a)/(h3c-h3b+h3a-h1b)。

图6示意性地在流程图中示出根据本发明的方法的一个实施例，其中在用于运行热泵的准备的方法步骤VS1中选择和使用在温熵图中具有斜率基本上为正的冷凝曲线的流体。

在准备的方法步骤VS2中，使流体循环回路中的流体过热选择为——例如借助于换热器面积的设计——使得在压缩机终点处距冷凝曲线的距离至少为10K，尤其为10K至20K。

在准备的方法步骤S3中，选择基本上等温的热源作为热源。在方法步骤VS4中在热泵运行的开始阶段中为了使流体过热而接通加热设备。在方法步骤VS5中，热能从热源传递到蒸发器中的流体上，其中流体至少部分地蒸发。在方法步骤VS6中，使流体在传递热能之后并且在压缩之前过热，并且在这种情况下从离开液化器的、在膨胀之前的流体中提取热能并且传递到离开蒸发器的、在压缩之前的流体上。

在方法步骤VS7中，流体接下来在第一压缩步骤中被压缩。

在方法步骤VS8中，被压缩的流体在第二压缩步骤中被压缩。

在方法步骤VS9中，流体为了将热能释放给与热源相比处于更高的温度水平上的热沉至少部分地液化。在方法步骤VS10中，流体为了冷却在第一膨胀步骤中膨胀。在方法步骤VS11中，将流体的气相与流体的液相分离，并且将气态的流体至少部分地输送给在至少两个压缩步骤之间的流体。在方法步骤VS12中，流体在第二膨胀步骤中膨胀，并且重新输送给蒸发器，并且在热泵的流体循环回路中循环的流体连续地经过步骤VS5至VS12，其中热泵在热沉的至少70摄氏度的、尤其热沉的至少90摄氏度的高温区域中运行。

Claims (15)

1.一种具有流体循环回路(21，28)的热泵(12，26)，所述热泵具有：用于将热源(4)的热能传递到流体(2)上的至少一个蒸发器(10)；在下游跟随的、用于压缩所述流体的至少一个压缩机(7a，7b，7)；在下游跟随的、用于将所述流体的热能释放给与所述热源(4)相比处于更高的温度水平上的热沉(20)的至少一个液化器(8)；和在下游跟随的、用于使所述流体膨胀的至少一个膨胀设备(9a，9b，9)，

其特征在于，

沿着所述流体循环回路在液化器(8)和蒸发器(10)之间串联地设置有至少两个膨胀设备(9a，9b)，并且在蒸发器和液化器之间串联地设置有至少两个压缩机(7a，7b)和/或至少两个压缩机级，其中用于分离气相和液相的分离器(30)接入在两个膨胀设备(9a，9b)之间，所述分离器具有在两个压缩机或两个压缩机级之间通到所述流体循环回路中的气相输入管路(36)，并且设置有在进入到所述至少一个压缩机中之前用于使从所述蒸发器流出的流体(2)过热的机构(34)。

2.根据权利要求1所述的热泵，

其特征在于，

所述热泵(12，26)针对所述热沉的至少为70摄氏度、尤其至少为90摄氏度的温度水平来设计。

3.根据权利要求1或2所述的热泵，

其特征在于，

所述流体(2)在温熵图(42)中具有斜率基本上为正的冷凝曲线(18)。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的热泵，

其特征在于，

所述热泵(12，26)针对基本上等温的热源(4)来设计。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的热泵，

其特征在于，

至少一个膨胀设备(9a，9b，9)是节流器(35a，35b)和/或至少一个压缩机(7a，7b，7)是涡轮压缩机。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的热泵，

其特征在于，

所述用于使从所述蒸发器流出的流体(2)过热的机构(34)包括换热器(32)，所述换热器构成为，使得所述换热器在热学方面将从所述液化器(8)流出的、在进入到所述膨胀设备(9)中之前的流体与从所述蒸发器(10)流出的、在进入到所述压缩机(7)中之前的流体连通。

7.根据权利要求6所述的热泵，

其特征在于，

所述用于使从所述蒸发器流出的流体过热的机构包括可接通的加热设备(38)，所述加热设备能够通过外部的能量源(40)加热。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的热泵，

其特征在于，

所述分离器(30)包括用于将气相与液相分离的压力容器。

9.一种用于运行热泵的方法，其中将流体连续地在流体循环回路中引导并且在此将热源的热能传递到蒸发器中的流体上，其中所述流体至少部分地蒸发(VS5)，并且将所述流体紧接着压缩(VS7，VS8)，并且接下来为了将热能释放给与所述热源相比处于更高的温度水平上的热沉而至少部分地液化(VS9)，并且接下来为了冷却而膨胀(VS10，VS12)，

其特征在于，

使所述流体在传递热能之后并且在压缩之前过热(VS6)，并且所述压缩在至少两个压缩步骤中进行，并且所述膨胀在至少两个膨胀步骤中进行，其中至少在两个膨胀步骤之间将所述流体的气相与所述流体的液相分离，并且将气态的流体在至少两个压缩步骤之间至少部分地输送(VS11)给所述流体。

10.根据权利要求9所述的方法，

其特征在于，

将所述热泵在所述热沉的至少为70摄氏度的、尤其在所述热沉的至少为90摄氏度的高温区域中运行。

11.根据权利要求9或10所述的方法，

其特征在于，

使用(VS1)在温熵图中具有斜率基本上为正的冷凝曲线的流体。

12.根据权利要求9至11中任一项所述的方法，

其特征在于，

为了使离开所述蒸发器的流体过热，在运行状态中从离开所述液化器的、在膨胀之前的流体中提取热能，并且传递(VS6)到离开所述蒸发器的、在压缩之前的流体上。

13.根据权利要求9至12中任一项所述的方法，

其特征在于，

将所述过热选择(VS2)为，使得在压缩机终点处距所述冷凝曲线的距离至少为10K，尤其为10K至20K。

14.根据权利要求9至13中任一项所述的方法，

其特征在于，

在所述运行的开始阶段中为了使所述流体过热，接通(VS4)加热设备。

15.根据权利要求9至14中任一项所述的方法，

其特征在于，

使用(VS3)基本上等温的热源作为热源。