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Die Erfindung betrifft eine Wärmepumpe, die vorzugsweise mit Kohlendioxid betrieben wird. Alternativ können jedoch auch in der Nähe des kritischen Punktes betriebene Arbeitsstoffe mit ähnlichen Eigenschaften zum Einsatz kommen. Die Wärmepumpe zeichnet sich gegenüber den herkömmlichen, mit Kohlendioxid betriebenen Wärmepumpen, durch ein nachhaltig verbessertes Pufferverhalten aus, ohne dass hierzu Sammelbehälter mit sehr großen Sammelvolumen erforderlich sind.
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Aus dem Stand der Technik sind bereits mit Kohlendioxid (R744) als Arbeitsmittel betriebene Wärmepumpen bekannt, bei denen zur Verbesserung des Pufferverhaltens im Arbeitsmittelkreislauf sog. Arbeitsstoffsammler enthalten sind.
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So wird im Artikel
"Transkritische Prozesse" von Armin Hafner (SINTEF), Jostein Pettersen (NTNU), Trondheim Norwegen, in der
4 eine aus einem Verdichter, einem Gaskühler, einem Hochdruckregelventil, einem Arbeitsstoffsammler, einem Expansionsventil und einem Verdampfer bestehende, mit Kohlendioxid als Arbeitsmittel betriebene Wärmepumpe beschrieben, bei der der Arbeitsstoffsammler zwischen dem Hochdruckregelventil und dem Expansionsventil (im Mitteldruckniveau) eingebracht ist.
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Da bei derartigen Anlagen das Mitteldruckniveau stark schwankt, herrschen im Arbeitsstoffsammler zeitweise Temperaturen und Drücke (nahe des kritischen Punkts von Kohlendioxid), bei denen nur sehr kleine spezifische Speicherdichten erreicht werden. Das führt dazu, dass sich das Druckniveau im Arbeitsstoffsammler während des Betriebs der Anlage sehr stark ändern kann, es sei denn, es sind Arbeitsstoffsammler mit sehr großen Speichervolumen eingesetzt. Arbeitsstoffsammler mit sehr großem Volumen sind allerdings sehr kostspielig und werden deshalb selten verwendet.
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Die Änderungen des Druckniveaus wirken sich nachteilig auf das Regelverhalten der beiden Ventile (Hochdruckregelventil, Expansionsventil) aus, da der Durchfluss durch die Ventile, neben dem Grad der Ventilöffnung, auch wesentlich von der an den Ventilen herrschenden Druckdifferenz abhängt.
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Folglich kann es vorkommen, dass bei ungünstigen Bedingungen der Arbeitsstoffsammler keinen Arbeitsstoff mehr aufnehmen kann und der Hochdruck seinen Maximalwert überschreitet, wodurch eine Notabschaltung der Anlage durch den Hochdruckwächter ausgelöst wird.
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Umgekehrt kann der Druck im Arbeitsstoffsammler so weit absinken, dass er keinen Arbeitsstoff mehr in den Arbeitsstoffkreislauf abgeben kann. Aufgrund des hierdurch verursachten Arbeitsstoffmangels wird die Druckdifferenz über dem Expansionsventil so klein, dass der Durchfluss durch das Expansionsventil trotz vollständiger Öffnung nicht ausreicht, um genügend Arbeitsstoff einzuspritzen, d.h. die erforderliche Überhitzung einzustellen. Als Folge sinkt der Saugdruck, wodurch sich insbesondere die Leistungszahl verschlechtert.
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Des Weiteren sind Wärmepumpen (Kohlendioxid) bekannt, bei denen der Arbeitsstoffsammler parallel zum Expansionsventil geschaltet ist, in den Zu- und Rücklauf des Arbeitsstoffsammler jeweils ein Magnetventil eingebracht ist und das Hochdruckregelventil entfällt (s.
"Transkritische Prozesse", Armin Hafner (SINTEF), Jostein Pettersen (NTNU), Trondheim Norwegen, Fig. 4). Da der Arbeitsstoffsammler mittels der Magnetventile vom aktiven Arbeitsstoffkreislauf getrennt werden kann, können in ihm prinzipiell günstigere Drücke und Temperaturen eingestellt und folglich höhere spezifische Speicherdichten erreicht werden. Die Wärmepumpe hat jedoch den Nachteil, dass kurzfristige Druckschwankungen aufgrund der Trägheit der Magnetventile nur ungenügend ausgeglichen werden können.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine mit Kohlendioxid (oder mit Arbeitsstoffen mit ähnlichen Eigenschaften in der Nähe des kritischen Punktes) betriebene Wärmepumpe zu finden, die sich im Vergleich zu herkömmlichen, mit Kohlendioxid betriebenen Wärmepumpen durch ein nachhaltig verbessertes Pufferverhalten auszeichnet. Die Wärmepumpe soll ohne Sammelbehälter mit sehr großen Sammelvolumen auskommen.
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Die Aufgabe der Erfindung wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausführungen der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen 2 bis 10.
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Ausgegangen wird von einer Wärmepumpe mit einem Verdichter, einem Gaskühler, einem Hochdruckregelventil, einem Expansionsventil, einem Arbeitsstoffsammler, dessen Einlass mit dem Ausgang des Hochdruckregelventils und dessen Auslass mit dem Eingang des Expansionsventils verbunden ist (Mitteldrucksammler), und einem Verdampfer. Die Wärmepumpe wird bevorzugt mit Kohlendioxid als Arbeitsstoff und, wie bei mit Kohlendioxid betriebenen allgemein üblich, in der Nähe des kritischen Punkts des Kohlendioxids betrieben. Alternativ zu Kohlendioxid können jedoch auch andere Arbeitsstoffe, die, wie Kohlendioxid, beim Betrieb der Wärmepumpe in der Nähe des kritischen Punkts vorliegen, eingesetzt sein.
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Entsprechend wird, da sich im von Arbeitsstoff durchströmten Arbeitsstoffsammler stark fluktuierende Temperaturen und Drücke ausbilden, der Arbeitsstoff im Arbeitsstoffsammler zeitweise bei Drücken und/oder Temperaturen unterhalb des kritischen Punkts, also zweiphasig (flüssigen und gasförmig) vorliegen. Da sich generell die Dichteunterschiede zwischen der flüssigen und festen Phase bei der Annäherung an den kritischen Punkt immer mehr verringern (und schließlich gegen Null gehen), sind die Dichteunterschiede zwischen der flüssigen und der festen Phase im Arbeitsstoffsammler sehr gering. Als Obergrenze wird ein Faktor 5 angenommen, typischerweise unterscheiden sich die Dichten um einen Faktor von 2 bis 5 (zum Vergleich ist bei Wasser unter Atmosphärendruck das Verhältnis der Dichte von Wasser zu Wasserdampf größer als 1000).
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Nach Maßgabe der Erfindung ist die Wärmepumpe, zusätzlich zu dem üblichen Arbeitsstoffsammler, mit einem Zusatzsammler ausgestattet, dessen Einlass mit der Hochdruckseite (z. B. mit dem Ausgang des Gaskühlers) und dessen Auslass mit der Saugdruckseite (z. B. mit dem Eingang des Verdampfers) des Arbeitsstoffkreislaufs verbunden ist. Der Zusatzsammler verfügt über technische Mittel, mit denen die Aufnahme von Arbeitsstoff in den und die Abgabe von Arbeitsstoff aus dem Zusatzsammler sowie der Druck und die Temperatur des Arbeitsstoffs im Zusatzsammler steuerbar sind. Im Zusatzsammler werden Temperaturen und Drücke eingestellt, die so weit unterhalb des kritischen Punkts des Arbeitsstoffs liegen, dass sich die Dichten der flüssigen und der gasförmigen Phase um mindestens einen Faktor 5 (typischerweise 15 bis 500) voneinander unterscheiden.
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Im Gegensatz zum ständig mit Arbeitsstoff durchströmten Arbeitsstoffsammler können, da nur gelegentlich Arbeitsstoff in den Zusatzsammler geleitet bzw. Arbeitsstoff aus diesem entnommen wird, im erfindungsgemäßen Zusatzsammler die entsprechenden Temperaturen/Drücke (hoher Dichteunterschied zwischen flüssiger und gasförmiger Phase) quasi stationär, ohne großen Energieaufwand eingestellt und folglich hohe volumetrische Speicherdichten erreicht werden. Prinzipiell könnten zwar diese Drücke/Temperaturen auch im Arbeitsstoffsammler eingestellt werden, hierzu wäre jedoch ein sehr hoher Energieaufwand erforderlich.
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Bei mit Kohlendioxid betriebenen Wärmepumpen liegt typischerweise die Temperatur im Zusatzsammler bei 0 bis 50 °C (bevorzugt 30 °C) und der Druck bei 60 bis 80 bar (bevorzugt ca. 70 bar).
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Aufgrund der im Zusatzsammler erreichten hohen Speicherdichte, können mit relativ kleinen Speichervolumina größere, längerfristige Druckschwankungen in der Wärmepumpe durch Entnahme/Zugabe von Arbeitsstoff aus/in den aktiven Arbeitsstoffkreislauf der Wärmepumpe sicher vermieden werden. Zum Ausgleich der kleineren, kurzfristigeren Druckschwankungen ist ein Arbeitsstoffsammler, der jedoch lediglich ein vergleichsweise kleines Speichervolumen haben muss, nach wie vor erforderlich. Die erfindungsgemäße Wärmepumpe zeichnet sich demgemäß durch ein verbessertes Pufferfalten, eine höhere Betriebssicherheit und durch konstant hohe Leistungszahlen aus.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform sind zur Steuerung der Aufnahme von Arbeitsstoff in den sowie der Abgabe von Arbeitsstoff aus dem Zusatzsammler und zur Regelung der Temperatur und des Drucks ein Magnetventil, das in der Leitung vor dem Einlass (Zulauf) eingesetzt ist, und ein zweites Magnetventil, das hinter dem Auslass (Rücklauf) des Zusatzsammlers eingebracht ist. Zudem ist der Zusatzsammler mit einen Heizer und einen Kühler ausgestattet, die beide mit dem Arbeitsstoff (im Zusatzsammler) in thermischem Kontakt stehen. Mithilfe des Heizers und des Kühlers wird der Druck des Arbeitsstoffs im Zusatzsammler auf einem Wert, der zwischen dem Hochdruckwert und dem Saugdruckwert liegt, gehalten. Aufgrund der im Zusatzsammler vorherrschenden Druckverhältnisse kann dann durch Öffnen des Magnetventils im Zulauf Arbeitsstoff in den Zusatzsammler geleitet und durch Öffnen des Ventils im Rücklauf Arbeitsstoff aus diesem entnommen werden.
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Es hat sich gezeigt, dass, da der Zusatzsammler bereits durch die Zuführung von Arbeitsstoff aus dem aktiven Arbeitsstoffkreislauf der Wärmepumpe stark gekühlt wird, bei den meisten Anwendungen kein separater Kühler erforderlich ist, sondern eine thermische Isolation des Zusatzsammlers ausreicht, um eine zu starke Erwärmung des Arbeitsstoffs im Zusatzsammler zu vermeiden. Auf diesem Prinzip basiert eine weitere Ausführungsform (thermische Isolation statt Kühler), die ansonsten wie die vorgenannte Ausführungsform aufgebaut ist und bei der die Steuerung des Heizers und der zwei Magnetventile analog erfolgt.
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In einer alternativen Ausführungsform, die ganz ohne Heizer und Kühler auskommt, sind die beiden Magnetventile durch jeweils eine Pumpe oder einen Verdichter ersetzt, mit denen der Arbeitsstoff auch gegen eine Druckdifferenz in den Zusatzsammler einbzw. zurückgespeist werden kann. Die Regelung des Drucks und der Temperatur im Zusatzsammler erfolgt durch ein gezieltes Ein- bzw. Zurückspeisen von Arbeitsstoff aus dem aktiven Arbeitsstoffkreislauf der Wärmepumpe.
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Zur Messung der im Zusatzsammler gepufferten Arbeitsstoffmenge kann dieser mit einem Druckmessgerät zur Bestimmung des im Zusatzsammler vorherrschenden Drucks ausgestattet sein. Da, wenn der Arbeitsstoff zweiphasig vorliegt, der Druck im Zusatzsammler unabhängig von der gepuffertem Menge an Arbeitsstoff ist (Sättigungsdampfdruck), wird die Temperatur des Arbeitsstoffs vor der Messung der Arbeitsstoffmenge auf eine Temperatur oberhalb seines kritischen Punkts angehoben. Der Arbeitsstoff liegt dann in der superkritischen Phase vor und die gespeicherte Menge kann mit Hilfe der thermodynamischen Zustandsgleichung des Arbeitsstoffs aus dem Druck, der Temperatur und dem Behältervolumen bestimmt werden.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert; hierzu zeigen:
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1: ein Schaltbild einer herkömmlichen, mit Kohlenwasserstoff betriebenen Wärmepumpe,
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2: ein Schaltbild einer mit Kohlenwasserstoff betriebenen Wärmepumpe mit Zusatzsammler,
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3: ein Diagramm des Dichteverhältnisses von flüssigem Kohlendioxid (nicht unterkühlt) und Kohlendioxid in Form von gesättigtem Dampf als Funktion der Sättigungstemperatur.
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Die in 1 dargestellte herkömmliche Wärmepumpe besteht im Wesentlichen aus dem Verdichter 1, dem Gaskühler 2, dem Hochdruckregelventil 3, dem Arbeitsstoffsammler 4, dem Expansionsventil 5 und dem Verdampfer 6.
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Der Verdichter 1 saugt den Arbeitsstoff aus dem Verdampfer 6 (Niederdruckseite) und fördert ihn zum Gaskühler 2 (Hochdruckseite), wobei er den Druck des Arbeitsstoffs vom Niederdruck/Saugdruckniveau (ca. 35–50 bar bei Kohlendioxid) auf das Hochdruckniveau (ca. 100 bar bei Kohlendioxid) anhebt. Mit Hilfe des Hochdruckregelventils 3 wird der Druck auf der Hochdruckseite auf einen gewünschten Sollwert geregelt, wobei, da bei steigendem Druck auch die Gastemperatur am Verdichteraustritt ansteigt, auch die Temperatur auf der Hochdruckseite beeinflusst wird. Beim Durchfluss durch das Hochdruckregelventil 3 wird der Arbeitsstoff vom Hochdruckniveau auf ein Zwischendruckniveau entspannt und gelangt in den Arbeitsstoffsammler 4, der ebenfalls auf dem Zwischendruckniveau liegt. Vom Sammler 4 strömt der Arbeitsstoff zum Expansionsventil 5 und wird schließlich in den Verdampfer 6 eingespritzt. Beim Durchlaufen des Expansionsventils 5 wird der Arbeitsstoff schließlich vom Mitteldruckniveau auf das Saugdruckniveau entspannt.
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Die Menge an Arbeitsstoff, die sich in den einzelnen Komponenten der Wärmepumpe befindet, schwankt stark in Abhängigkeit von den dort vorherrschenden thermodynamischen Bedingungen (u.a. Druck, Temperatur, Massenstrom, thermische Leistung). Um überschüssigen Arbeitsstoff aufzunehmen bzw. bei Bedarf wieder abgeben zu können, wird deshalb der Arbeitsstoffsammler 4 eingesetzt. Die Entspannung des Arbeitsstoffs in den Sammler 4 erfolgt üblicherweise ins Zwei-Phasen-Gebiet. Die Menge an Arbeitsstoff, die vom Arbeitsstoffsammler 4 aufgenommen werden kann, hängt neben dem Speichervolumen des Sammlers 4 auch von den Dichteunterschieden der Gas- und Flüssigphase und vom sich im Sammler 4 einstellenden Druckniveau ab.
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Wird Kohlendioxid/R744 (oder andere Arbeitsstoffe, bei denen die Wärmepumpen nahe des kritischen Punkts betrieben wird) als Arbeitsstoff eingesetzt, treten im Arbeitsstoffsammler 4 zeitweise Drücke und Temperaturen auf, die sehr nahe am kritischen Punkt liegen; die Dichteunterschiede zwischen dem flüssigen und dem festen Kohlendioxid (bzw. dem flüssigen und dem festen Arbeitsstoff) und entsprechend die spezifische Speicherdichte können folglich sehr klein werden.
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Zur Verbesserung des Pufferverhaltens (ohne Einsatz eines sehr großer Arbeitsstoffsammlers 4) wird der mit einem Heizer und einem Kühler (beide nicht dargestellt) ausgestattete Zusatzsammler 7, dessen Einlass 7.1 (Zulauf) über das Magnetventil 8 mit dem Ausgang 2.1 des Gaskühlers 2 und dessen Auslass 7.2 (Rücklauf) über das Magnetventil 9 mit dem Eingang 6.1 des Verdampfers 6 verbunden ist, an den aktiven Arbeitsstoffkreislauf der Wärmepumpe angebunden (2). Der Zusatzsammler 7 kann vergleichsweise klein ausgeführt werden, da in ihm, anders als im Arbeitsstoffsammler 4, der Druck (ca. 70 bar bei Kohlendioxid) und die vom Druck abhängige Temperatur (15 bis 20 °C) ohne großen Energieaufwand auf einem Wert gehalten werden kann, bei dem hohe volumetrische Speicherdichten von ca. 0,8 kg/l (bei 15 °C; typische Temperatur in einer Werkshalle) möglich sind.
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In weiteren Varianten kann der Kühler durch eine thermische Isolation ersetzt werden oder die Magnetventile werden durch Pumpen bzw. Verdichter ersetzt, wobei der Heizer und der Kühler entfallen kann.
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Wie aus 3 ersichtlich, fällt das Dichteverhältnis von flüssigem Kohlendioxid (nicht unterkühlt) zu Kohlendioxid in Form von gesättigtem Dampf mit steigender Sättigungstemperatur von größer 6 (bei 10 °C) auf vergleichsweise sehr kleine Werte von ca. 2 (bei 30 °C) ab.
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Die unten stehende Tabelle zeigt einen Vergleich der der entsprechenden Dichteunterschiede von Kohlendioxid und dem häufig verwendeten Kältemittel R134a. Da das Verhältnis von Flüssigkeit zu gesättigtem Dampf bei R134a vergleichsweise hoch ist (16,7), können in mit R134a betriebenen Wärmepumpen mit Sammlern im Kältemittelkreislauf hohe Speichervermögen erreicht werden, wohingegen, wenn Kohlendioxid als Kältemittel eingesetzt wird, aufgrund der vergleichsweise niedrigen Verhältnisse von Flüssigkeit zu gesättigtem Dampf (abhängig von der Sättigungstemperatur: 6,3 bis 2,1) das Speichervermögen solcher Sammler wesentlich geringer ist.
| Arbeitsstoff | CO2 | CO2 | CO2 | R134a |
| Druck/bar | 45 | 65 | 70 | 13,2 |
| Sättigungstemperatur | 10 | 25,5 | 29 | 50 |
| ρ‘/kg/m3 | 847,5 | 709,2 | 637 | 1.103 |
| ρ“/kg/m3 | 134,8 | 246,3 | 302,1 | 66,6 |
| ρ‘/ρ“/- | 6,3 | 2,9 | 2,1 | 16,7 |
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Verdichter
- 2
- Gaskühler
- 2.1
- Ausgang des Gaskühlers
- 3
- Hochdruckregelventil
- 4
- Arbeitsstoffsammler
- 5
- Expansionsventil
- 6
- Verdampfer
- 6.1
- Eingang des Verdampfers
- 7
- Zusatzsammler
- 7.1
- Einlass des Zusatzsammlers
- 7.2
- Auslass des Zusatzsammlers
- 8
- Magnetventil im Zulauf
- 9
- Magnetventil im Rücklauf
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- "Transkritische Prozesse" von Armin Hafner (SINTEF), Jostein Pettersen (NTNU), Trondheim Norwegen [0003]
- "Transkritische Prozesse", Armin Hafner (SINTEF), Jostein Pettersen (NTNU), Trondheim Norwegen, Fig. 4 [0008]
