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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer Wärmepumpe, sowie eine Wärmepumpe mit wenigstens zwei Verdampfern.
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In Wärmepumpen wird durch die Verdampfung eines Arbeitsfluids, welches Arbeitsfluid innerhalb der Wärmepumpe in einem gerichteten Arbeitskreislauf zirkuliert, durch die Verdampfung des Arbeitsfluids, thermische Energie, das heißt Wärme von einer Wärmequelle, aufgenommen und an eine Wärmesenke abgegeben. Hierbei wird die aufgenommene thermische Energie mittels eines Verdichters auf ein erhöhtes Druckniveau gebracht und anschließend bei einer im Vergleich zu einer Verdampfungstemperatur erhöhten Verflüssigungstemperatur verflüssigt. Je größer die betragsmäßige Differenz (Temperaturhub) zwischen der Verdampfungs- und Verflüssigungstemperatur des Arbeitsfluids, desto niedriger ist die Effizienz der Wärmepumpe. Die Effizienz einer Wärmepumpe wird mittels einer Leistungszahl (eng. Coefficient of Performance; COP) gemessen, wobei die Leistungszahl bestenfalls durch den reziproken Wirkungsgrad eines Carnot-Prozesses gegeben ist.
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Liegt beispielsweise eine Verdampfungstemperatur von 40 °C (313,15 K), sowie ein Temperaturhub von 100 °C vor, so beträgt die Leistungszahl 4,13. Hierbei erfolgt die Verflüssigung des Arbeitsfluids bei einer Verflüssigungstemperatur von 140 °C.
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Um folglich eine hohe Effizienz der Wärmepumpe zu erreichen, sollte die Verdampfungstemperatur, das heißt die Temperatur, bei der die Verdampfung des Arbeitsfluids erfolgt, möglichst hoch sein. Ferner ist es von Vorteil, wenn die Übertragung der thermischen Energie von der Wärmequelle auf das Arbeitsfluid bei einer möglichst geringen Differenz zwischen der Temperatur der Wärmequelle und der Verdampfungstemperatur erfolgt. Mit anderen Worten sollte das Arbeitsfluid bei der Temperatur der Wärmequelle verdampfen.
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Insbesondere Wärmequellen, welche höhere Temperaturen aufweisen, beispielsweise Wärmequellen aus der Industrie oder der Geothermie, können meist nicht vollständig bezüglich ihres Wärmeinhaltes genutzt werden. Der größte Teil der Wärme solcher Wärmequellen bleibt daher nach dem Stand der Technik ungenutzt. Insbesondere bei Wärmequellen deren Massenstrom begrenzt ist, beispielsweise bei Geothermiequellen, kann eine vorteilhafte thermische Nutzung der Wärmequelle nur erreicht werden, wenn die Wärmequelle stark ausgekühlt wird. Eine solche starke Auskühlung der Wärmequelle kann mittels bekannter Wärmepumpen nur durch eine Erhöhung des Massenstromes der Wärmequelle oder durch eine Erhöhung des Temperaturhubs erfolgen, wobei bei einer Erhöhung des Temperaturhubs stets die Effizienz der Wärmepumpe und somit die Leistungszahl verringert wird.
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Ein Grund für die genannte ungenügende thermische Nutzung von Wärmequellen ist, dass nach dem Stand der Technik verwendete Wärmepumpen typischerweise keinen Temperaturgleit bei der Wärmeaufnahme von der Wärmequelle (Wärmequellenseite) aufweisen. Das heißt, dass die Verdampfung des Arbeitsfluids der Wärmepumpe typischerweise isotherm und somit ohne signifikante Änderung der Verdampfungstemperatur erfolgt.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Wärmegewinnung einer Wärmepumpe aus einer Wärmequelle zu verbessern.
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Die Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruches 1, sowie durch eine Wärmepumpe mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruches 10 gelöst. In den abhängigen Patentansprüchen sind vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung angegeben.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Betrieb einer Wärmepumpe zirkuliert ein Arbeitsfluid innerhalb eines gerichteten Arbeitskreislaufes der Wärmepumpe. Das Arbeitsfluid wird mittels eines Verdichters verdichtet und mittels eines Verflüssigers verflüssigt. Erfindungsgemäß wird ein Massenstrom des Arbeitsfluids vor der Zuleitung zu wenigstens einem ersten und zweiten Verdampfer aufgeteilt und wenigstens dem ersten und zweiten Verdampfer parallel zugeführt, wobei das Arbeitsfluid bei einem ersten Verdampfungsdruck im ersten Verdampfer und bei einem gegenüber dem ersten Verdampfungsdruck verringerten zweiten Verdampfungsdruck im zweiten Verdampfer verdampft.
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Mit anderen Worten wird der Massenstrom des Arbeitsfluids erfindungsgemäß vor der Zuleitung zum ersten und zweiten Verdampfer wenigstens in einen ersten und zweiten Teilmassenstrom aufgeteilt, wobei der erste Teilmassenstrom zum ersten und der zweite Teilmassenstrom zum zweiten Verdampfer geleitet wird.
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Erfindungsgemäß erfolgt die Verdampfung des Arbeitsfluids in zwei parallelen Verfahrensschritten, das heißt die Verdampfung des Arbeitsfluids erfolgt in zwei bezüglich des Massenstromes des Arbeitsfluids parallel geschalteten Verdampfern. Hierbei weist erfindungsgemäß der erste Verdampfer einen gegenüber dem zweiten Verdampfer vergrößerten Verdampfungsdruck auf. Aufgrund des gegenüber dem ersten Verdampfungsdruck verringerten zweiten Verdampfungsdruckes erfolgt die Verdampfung des Arbeitsfluids mittels des zweiten Verdampfers bei einer zweiten Verdampfungstemperatur, die gegenüber einer ersten Verdampfungstemperatur im ersten Verdampfer verringert ist.
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Wird eine Wärmequelle zunächst zum ersten Verdampfer geführt, mit diesem thermisch gekoppelt, anschließend vom ersten zum zweiten Verdampfer geleitet und mit dem zweiten Verdampfer thermisch gekoppelt, so wird die Temperatur der Wärmequelle kaskadenartig verringert. Die Wärmequelle wird folglich in Reihe mit den Verdampfern thermisch gekoppelt, wobei die Temperatur der Wärmequelle dadurch treppen- oder stufenartig verringert wird. Es kann somit die jeweilige Verdampfungstemperatur, das heißt die Temperatur bei der die Verdampfung des Arbeitsfluids im ersten und/oder zweiten Verdampfer erfolgt, an die Temperatur der Wärmequelle angepasst werden.
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Mit anderen Worten erfolgt erfindungsgemäß eine mehrstufige, wenigstens zweistufige Verdampfung des Arbeitsfluids auf unterschiedlichen Druckniveaus. Insbesondere wird durch eine angepasste niedrigste Verdampfungstemperatur eine mehrstufige Verdampfung ermöglicht, welche dazu ausgebildet ist, die Wärmequelle annähernd beliebig tief auszukühlen.
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Durch die erfindungsgemäße mehrstufige, wenigstens zweistufige Verdampfung, wird folglich ein Temperaturgleit auf der Wärmequellenseite der Wärmepumpe ermöglicht. Somit ist das erfindungsgemäße Verfahren besonders zur Nutzung von Wärmequellen geeignet, deren Massenstrom begrenzt ist. Es werden folglich wenigstens die zwei genannten Nachteile des Standes der Technik durch die Erfindung gelöst, indem die Leistungszahl der Wärmepumpe gegenüber einer einstufigen Verdampfung mit selben Wärmeübertrag erhöht wird, ohne den Massenstrom der Wärmequelle signifikant zu erhöhen.
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Die erfindungsgemäße Wärmepumpe umfasst wenigstens einen Verdichter, einen Verflüssiger und wenigstens einen ersten und zweiten Verdampfer, wobei die Wärmepumpe einen gerichteten Arbeitskreislauf für ein zirkulierendes Arbeitsfluid aufweist. Erfindungsgemäß ist der Arbeitskreislauf der Wärmepumpe dazu ausgelegt, einen Massenstrom des Arbeitsfluids vor einer Zuleitung des Arbeitsfluids zum ersten und zweiten Verdampfer aufzuteilen und parallel dem ersten und zweiten Verdampfer zuzuführen, wobei der erste Verdampfer einen ersten Verdampfungsdruck und der zweite Verdampfer einen gegenüber dem ersten Verdampfungsdruck geringeren zweiten Verdampfungsdruck aufweist.
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Mittels der erfindungsgemäßen Wärmepumpe wird ein Rankine-Wärmepumpenprozess ermöglicht, welcher einen Temperaturgleit auf der Wärmequellenseite aufweist. Es ergeben sich zum bereits genannten erfindungsgemäßen Verfahren gleichartige und gleichwertige Vorteile.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird das Arbeitsfluid vor der Zuleitung zum ersten Verdampfer einem ersten Expansionsventil und vor der Zuleitung zum zweiten Verdampfer einem zweiten Expansionsventil parallel zugeführt.
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Mit anderen Worten findet eine Entspannung beziehungsweise eine Expansion des Arbeitsfluids mittels des ersten und zweiten Expansionsventils bevorzugt parallel statt. Hierzu wird der Massenstrom des Arbeitsfluids vor dem ersten und zweiten Verdampfer und vor dem ersten und zweiten Expansionsventil in einen ersten und zweiten Teilmassenstrom aufgeteilt, wobei der erste Teilmassenstrom zum ersten und der zweite Teilmassenstrom zum zweiten Expansionsventil geleitet wird. Mittels des ersten und zweiten Expansionsventils wird das Arbeitsfluid auf den ersten und zweiten Verdampfungsdruck gebracht. Mit anderen Worten wird mittels des ersten Expansionsventils der erste Verdampfungsdruck im ersten Verdampfer und mittels des zweiten Expansionsventils der zweite Verdampfungsdruck im zweiten Verdampfer eingestellt.
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Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird zum Verdichten des Arbeitsfluids ein erster und ein zweiter Verdichter verwendet, wobei das aus dem ersten Verdampfer ausgeleitete Arbeitsfluid dem ersten Verdichter und das aus dem zweiten Verdampfer ausgeleitete Arbeitsfluid dem zweiten Verdichter zugeführt wird.
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Mit anderen Worten erfolgt die Verdichtung des Arbeitsfluids, wie bereits die Verdampfung des Arbeitsfluids, bevorzugt parallel. Der Massenstrom des Arbeitsfluids wird aufgeteilt, zu einem ersten und zweiten Expansionsventils geleitet, anschließend einem ersten und zweiten Verdampfer zugeführt und nach dem ersten und zweiten Verdampfer in den jeweiligen Eingang des ersten und zweiten Verdichters eingeleitet. Folglich erfolgen die Expansion, die Verdampfung und die Verdichtung des Arbeitsfluids mittels der zwei Teilmassenströme parallel.
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Es ist besonders bevorzugt für den ersten und den zweiten Verdichter eine gemeinsame Motorwelle zu verwenden.
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Dadurch wird die Effizienz der Verdichtung gesteigert.
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Gemäß einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird zur Verdichtung ein gemeinsamer Verdichter verwendet, wobei das aus dem ersten und zweiten Verdampfer ausgeleitete Arbeitsfluid dem gemeinsamen Verdichter zugeführt wird.
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Mit anderen Worten erfolgt die Verdichtung des Arbeitsfluids in einem Verfahrensschritt, das heißt in einem gemeinsamen Verdichter. Als gemeinsamer Verdichter wird hierbei ein Verdichter bezeichnet, in welchem die Teilmassenströme des ersten und des zweiten Verdampfers zur Verdichtung des Arbeitsfluids eingeleitet werden. Dadurch ergibt sich eine effiziente und bevorzugte Verdichtung des Arbeitsfluids innerhalb des Arbeitskreislaufes der Wärmepumpe.
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Bevorzugt wird das aus dem ersten Verdampfer ausgeleitete Arbeitsfluid vor der Zuleitung zum gemeinsamen Verdichter zu einem ersten Rückschlagventil und das aus dem zweiten Verdampfer ausgeleitet Arbeitsfluid vor der Zuleitung zum gemeinsamen Verdichter zu einem zweiten Rückschlagventil geleitet.
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Dadurch wird vorteilhafterweise sichergestellt, dass die verschiedenen Druckniveaus im ersten und zweiten Verdampfer nicht zu einem (Druck)Rückschlag führen.
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Besonders bevorzugt ist ein gemeinsamer Verdichter, der als mehrstufiger Turboverdichter ausgebildet ist. Hierbei wird das aus dem ersten Verdampfer ausgeleitete Arbeitsfluid einer ersten Verdichterstufe des Turboverdichters und das aus dem zweiten Verdampfer ausgeleitete Arbeitsfluid einer zweiten Verdichterstufe des Turboverdichters zugeführt.
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Die Teilmassenströme des Arbeitsfluids werden somit über die Verdichterstufen des Turboverdichters wieder zu einem Massenstrom zusammengeführt. Dadurch steigt der Massenstrom des Arbeitsfluids innerhalb des Turboverdichters von Verdichterstufe zu Verdichterstufe an. Vorteilhafterweise kann dadurch auf eine Verwendung von Massenstromreglern verzichtet werden, da die Regelung des Massenstroms mittels der Verdichterstufen des Turboverdichters erfolgen kann.
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Gemäß einer zweckmäßigen Ausgestaltung der Erfindung erfolgt eine Regelung eines Teilmassenstromes des vom ersten und/oder zweiten Verdampfer ausgeleiteten Arbeitsfluids vor der Zuleitung zum gemeinsamen Verdichter.
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Dadurch wird insbesondere bei Verwendung eines gemeinsamen Verdichters sichergestellt, dass das Arbeitsfluid aus dem ersten und zweiten Verdampfer abgesaugt und dem gemeinsamen Verdichter zugeführt wird. Die Regelung kann mittels Massenstromreglern erfolgen.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird das aus dem ersten und zweiten oder dem gemeinsamen Verdichter ausgeleitete Arbeitsfluid zum Verflüssiger geleitet.
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Mit anderen Worten erfolgt die Verflüssigung des Arbeitsfluids vorteilhafterweise innerhalb des Arbeitskreislaufes der Wärmepumpe in einem gemeinsamen Verflüssiger.
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Generell kann der Arbeitskreislauf der Wärmepumpe derart ausgebildet sein, so dass das aus dem ersten Verdampfer ausgeleitete Arbeitsfluid zum ersten Verdichter und das aus dem zweiten Verdampfer ausgeleitete Arbeitsfluid zum zweiten Verdichter geleitet wird. Ferner kann der Arbeitskreislauf der Wärmepumpe dazu ausgebildet sein, dass aus dem ersten und zweiten Verdampfer ausgeleitete Arbeitsfluid zum gemeinsamen Verdichter zu leiten, wobei insbesondere für den gemeinsamen Verdichter ein mehrstufiger Turboverdichter vorgesehen ist.
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Weiterhin kann die Wärmepumpe wenigstens ein Expansionsventil und/oder wenigstens einen Massenstromregler zur Regelung des Massenstromes und/oder zur Regelung der Teilmassenströme umfassen.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus dem im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispielen sowie anhand der Zeichnungen. Dabei zeigen:
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1 ein schematisches Schaltbild einer Wärmepumpe mit fünf Verdichtern und fünf Verdampfern, wobei die Verdichter und die Verdampfer bezüglich eines Massenstromes eines Arbeitsfluids der Wärmepumpe parallel geschaltet sind;
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2 ein schematisches Schaltbild einer Wärmepumpe mit einem gemeinsamen Verdichter und fünf Verdampfern, wobei die Verdampfer bezüglich eines Massenstromes eines Arbeitsfluids der Wärmepumpe parallel geschaltet sind;
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3 ein weiteres schematisches Schaltbild einer Wärmepumpe mit einem Turboverdichter und fünf Verdampfern, wobei die Verdampfer bezüglich eines Massenstromes des Arbeitsfluids der Wärmepumpe parallel geschaltet sind; und
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4 ein Druck-Enthalpie-Diagramm des Verfahrens.
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Gleichartige oder äquivalente Elemente können in den Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen sein.
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Alle im Folgenden angegebenen Zahlenwerte und Temperaturwerte sind exemplarisch und schränken den Schutzumfang der Erfindung nicht ein.
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Generell sind relative Begriffe, wie beispielsweise nach einem Verflüssiger oder allgemein nach oder vor einem Element einer Wärmepumpe, bezüglich eines gerichteten Arbeitskreislaufes der Wärmepumpe zu verstehen. Mit anderen Worten weist der Arbeitskreislauf der Wärmepumpe eine Richtung auf, bezüglich welcher ein Verfahrensschritt nach oder vor einem Element erfolgen kann.
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In 1 ist schematisiert ein Schaltbild einer Wärmepumpe 1 dargestellt. Die Wärmepumpe 1 umfasst wenigstens fünf Verdampfer 31, ..., 35 und fünf Verdichter 21, ..., 25. Ferner weist die Wärmepumpe 1 fünf Expansionsventile 51, ..., 55 auf. Zur Verflüssigung eines innerhalb eines gerichteten Arbeitskreislaufes 100 der der Wärmepumpe 1 zirkulierenden Arbeitsfluids ist ein Verflüssiger 4 vorgesehen. Die fünf Verdichter 21, ..., 25 sind auf einer gemeinsamen Motorwelle 10 angeordnet. Mit anderen Worten werden die fünf Verdichter 21, ..., 25 mittels eines Motors betrieben.
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Vor der Zuleitung des Arbeitsfluids zu den fünf Verdampfern 31, ..., 35 wird der Massenstrom in fünf Teilmassenströme aufgeteilt (102), wobei jedem Verdampfer 31, ..., 35 genau einer der fünf Teilmassenströme zugeführt wird.
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Die fünf Verdampfer 31, ..., 35 der Wärmepumpe 1 sind jeweils thermisch mit einer Wärmequelle 12 gekoppelt. Hierbei tritt die Wärmequelle 12 mit einer Wärmequellentemperatur (Temperatur der Wärmequelle) von 95 °C zuerst mit dem ersten Verdampfer 31 in thermischen Kontakt. Hierbei verdampft wenigstens ein Teil des Arbeitsfluids im ersten Verdampfer 31 unter einer Aufnahme von thermischer Energie aus der Wärmequelle 12. Durch die Abgabe thermischer Energie verringert sich die Temperatur der Wärmequelle 12, beispielsweise auf 85 °C.
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Die thermische Energie der Wärmequelle 12 wird theoretisch ausschließlich durch die Verdampfung des Arbeitsfluids aufgenommen (latente Wärme). Bei realen Wärmepumpen 1 erfolgt jedoch eine zusätzliche leichte Temperaturerhöhung des Arbeitsfluids, beispielsweise um 5 K (Grädigkeit bei der Wärmeübertragung).
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Nach der Abkühlung der Wärmequelle 12 durch den ersten Verdampfer 31 besitzt die Wärmequelle 12 eine Temperatur von 85 °C und wird zum zweiten Verdampfer 32, welcher zweite Verdampfer 32 parallel zum ersten Verdampfer 31 geschaltet ist, geführt. Hierbei gibt die Wärmequelle 12, wiederum durch eine wenigstens teilweise Verdampfung des Arbeitsfluids, weitere thermisch Energie an das Arbeitsfluid der Wärmepumpe 1 ab. Dadurch erfolgt die Verdampfung des Arbeitsfluids bei wenigstens einer ersten und zweiten Verdampfungstemperatur, wobei die erste Verdampfungstemperatur im ersten Verdampfer 31 größer als die zweite Verdampfungstemperatur im zweiten Verdampfer 32 ist.
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Nach dem zweiten Verdampfer 32 wird die Wärmequelle 12 mit dem dritten Verdampfer 33, daran anschließend mit dem vierten Verdampfer 34 und schließlich mit dem fünften Verdampfer 35 thermisch gekoppelt. Nach der thermischen Kopplung der Wärmequelle 12 mit den fünf Verdampfern 31, ..., 35 weist diese eine Temperatur von 45 °C. Mehr als die dargestellten fünf Verdampfer 31, ..., 35, beispielsweise zur weiteren Nutzung und Auskühlung der Wärmequelle 12, können vorgesehen sein.
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Die Verdampfung des Arbeitsfluids und somit die Wärmeübertragung von der Wärmequelle 12 auf das Arbeitsfluid der Wärmepumpe 1 erfolgt somit in wenigstens fünf Verdampfungsschritten, wobei der erste Verdampfungsschritt 411 im ersten Verdampfer 31 eine Verdampfungstemperatur von 80 °C, der zweite Verdampfungsschritt 412 im zweiten Verdampfer 32 eine Verdampfungstemperatur von 70 °C, der dritte Verdampfungsschritt 413 im dritten Verdampfer 33 eine Verdampfungstemperatur von 60 °C, der vierte Verdampfungsschritt 414 im vierten Verdampfer 34 eine Verdampfungstemperatur von 50 °C und schließlich der fünfte Verdampfungsschritt 415 im fünften Verdampfer 35 eine Verdampfungstemperatur von 40 °C aufweist. Durch die mehrstufige Verdampfung auf unterschiedlichen Druck- und Temperaturniveaus wird die Leistungszahl der Wärmepumpe 1 gesteigert, ohne den Massenstrom der Wärmequelle 12 signifikant zu erhöhen.
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Zur Entspannung beziehungsweise Expansion des Arbeitsfluids ist jeweils innerhalb eines Teilmassenstromes wenigstens eines der Expansionsventil 51, ..., 55 und wenigstens einer der Verdichter 21, ..., 25 angeordnet.
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Mit anderen Worten wird der Massenstrom des Arbeitsfluids nach dem Verflüssiger 4 in die fünf Teilmassenströme aufgeteilt 102, wobei ein erster Teilmassenstrom zum ersten Expansionsventil 51, ein zweiter Teilmassenstrom zum zweiten Expansionsventil 52, ein dritter Teilmassenstrom zum dritten Expansionsventil 53, ein vierter Teilmassenstrom zum vierten Expansionsventil 54 und schließlich ein fünfter Teilmassenstrom zum fünften Expansionsventil 55 geführt wird.
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Nach den Expansionsventilen 51, ..., 55 werden die Teilmassenströme jeweils zu einem der Verdampfer 31, ..., 35 geleitet und anschließend jeweils zu einem der fünf Verdichter 21, ..., 25 geführt. Nach der Verdichtung des Arbeitsfluids mittels der Verdichter 21, ..., 25 werden die Teilmassenströme wieder zu einem gemeinsamen Massenstrom des Arbeitsfluids zusammengeführt und zum Verflüssiger 4 geleitet, wodurch sich der gerichtete Arbeitskreislauf des Arbeitsfluids der Wärmepumpe 1 schließt. Mittels des Verflüssigers 4 wird die vom Arbeitsfluid von der Wärmequelle 12 aufgenommene thermische Energie an eine mit dem Verflüssiger 4 thermisch gekoppelte Wärmesenke 14 abgegeben.
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2 zeigt ein schematisches Schaltbild einer Wärmepumpe 1 mit fünf Verdampfern 21, ..., 25 und einem gemeinsamen Verdichter 20. Ferner weist die Wärmepumpe 1 zur Verflüssigung des Arbeitsfluids 4 und somit zur Abgabe der Wärme an eine Wärmesenke 14 einen Verflüssiger 4 auf.
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Wie bereits unter 1 beschrieben wird wenigstens ein Teil der thermische Energie einer Wärmequelle 12 mittels fünf parallel geschalteten Verdampfern 31, ..., 35 durch die wenigstens teilweise Verdampfung des Arbeitsfluids innerhalb der fünf Verdampfer 31, ..., 35 auf das Arbeitsfluid übertragen.
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Im Gegensatz zu 1 wird in dem in 2 dargestellten Ausführungsbeispiel ein gemeinsamer Verdichter 20 zur Verdichtung des Arbeitsfluids verwendet. Hierbei werden die von den fünf Verdampfern 31, ..., 35 ausgehenden Teilmassenströme des Arbeitsfluids zum gemeinsamen Verdichter 20 geleitet oder bereits vor dem gemeinsamen Verdichter 20 wieder zu einem gemeinsamen Massenstrom des Arbeitsfluids zusammengeführt, welcher zum gemeinsamen Verdichter 20 geleitet wird.
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Zur Vermeidung von Rückschlägen, aufgrund von unterschiedlichen Druckniveaus in den einzelnen Verdampfern 31, ..., 35, durchströmen die einzelnen Teilmassenströme jeweils ein Rückschlagventil 61, ..., 65. Ferner ist eine Regelung der Teilmassenströme mittels wenigstens vier Massenstromreglern 71, ..., 74 zweckmäßig. Hierbei gewährleisten die Massenstromregler 71, ..., 74, dass das Arbeitsfluid aus jedem der fünf Verdampfer 31, ..., 35 abgesaugt und zum gemeinsamen Verdichter 20 geleitet wird.
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3 zeigt eine besonders bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung, bei der eine Wärmepumpe 1 einen gemeinsamen Verdichter 20 umfasst, welcher als Turboverdichter 20 ausgebildet ist.
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Wie bereits unter 1 und/oder 2 erläutert, erfolgt die Verdampfung des innerhalb der Wärmepumpe 1 zirkulierenden Arbeitsfluids in mehreren parallelen Verdampfungsschritten 411, ..., 415, wobei die einzelnen Verdampfungsschritte 411, ..., 415 jeweils mittels eines Verdampfers 31, ..., 35 erfolgen. Die einzelnen Verdampfer 31, ..., 35 sind folglich wie bereits in 1 und/oder 2 dargestellt, bezüglich des Massenstromes des Arbeitsfluids parallel geschaltet. Zur Vermeidung von Rückschlägen sind wiederum innerhalb der einzelnen Teilmassenströme Rückschlagventil 61, ..., 65 vorgesehen. Die Entspannung oder Expansion des Arbeitsfluids erfolgt wiederum mittels einer Mehrzahl von Expansionsventilen 51, ..., 55. Die Aufteilung 102 des Massenstromes des Arbeitsfluids in die Teilmassenströme erfolgt wie bereits in 1 und/oder 2 dargestellt und erläutert nach dem Verflüssiger 4.
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Die einzelnen Teilmassenströme werden jeweils in eine Verdichterstufe 201, ..., 205 des mehrstufigen Turboverdichters 20 geleitet. Hierbei erfolgt die Leitung der Teilmassenströme zu den einzelnen Verdichterstufen 201, ..., 205 nach den Verdampfern 31, ..., 35 und nach den Rückschlagventilen 61, ..., 65. Beispielsweise wird ein vom ersten Verdampfer 31 ausgehender erster Teilmassenstrom zum ersten Rückschlagventil 61 und anschließend zur ersten Verdichterstufe 201 des Turboverdichters 20 geführt. Ein zweiter Teilmassenstrom, ausgehend vom zweiten Verdampfer 32, wird zum zweiten Rückschlagventil 62 und anschließend zur zweiten Verdichterstufe 202 des Turboverdichters 20 geleitet. Hierbei sind die einzelnen Verdichterstufen 201, ..., 205 des Verdichters 20 auf einer gemeinsamen Motorwelle 10 angeordnet.
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In 4 ist ein exemplarisches Druck-Enthalpie-Diagramm des erfindungsgemäßen Verfahrens dargestellt.
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Hierbei zeigt eine Ordinate 114 den jeweiligen vorherrschenden Druck p des Arbeitsfluids innerhalb des Arbeitskreislaufes der Wärmepumpe 1 an. An einer Abszisse 116 ist die zum Druck p zugehörige spezifische Enthalpie h des Arbeitsfluids angetragen.
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Eine Phasengrenze im Druck-Enthalpie-Diagramm ist durch eine Siedelinie 124 und eine Taulinie 126 bestimmt. Die Verdampfung des Arbeitsfluids erfolgt in der dargestellten idealisierten Weise entlang von Isothermen 112, wobei die Isothermen 112 zwischen der Siedelinie 124 und der Taulinie 126 annähernd parallel zur Abszisse 116 verlaufen. Ferner zeigt das Diagramm in 4 eine Mehrzahl von Isentropen 110.
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Ausgehend vom Verflüssiger 4 der Wärmepumpe 1 erfolgt zunächst eine isotherme Verflüssigung 230 des Arbeitsfluids unter einer Abgabe von thermischer Energie an eine Wärmesenke 12. Dadurch geht ein Zustand 2 des Arbeitsfluids in einen Zustand 3 über. Als Zustand wird ein Punkt des Arbeitsfluids im Druck-Enthalpie-Diagramm bezeichnet. Im dargestellten Ausführungsbeispiel erfolgt die Verflüssigung 230 bei einer Verflüssigungstemperatur von 130 °C.
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Daran anschließend erfolgt eine Verminderung 340 des Druckes (Entspannung 340), beispielsweise mittels einer Expansion oder Entspannung des Arbeitsfluids. Der Zustand 3 geht dabei in eine Mehrzahl von Zuständen 4 über. Die Expansion oder Entspannung 340 des Arbeitsfluids kann, wie bereits zu den 1 bis 3 erläutert, parallel erfolgen.
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Die Verdampfung des Arbeitsfluids erfolgt in parallelen Verdampfungsschritten 411, ..., 415 mittels einer Mehrzahl von parallel verschalteten Verdampfern 31, ..., 35. Hierbei erfolgen die Verdampfungsschritte 411, ..., 415 annähernd beziehungsweise idealerweise isotherm. Die Zustände 4 des Arbeitsfluids gehen folglich über die Verdampfungen 411, ..., 415 in eine Mehrzahl von Zuständen 1 über. Weiterhin können mehr als die fünf dargestellten Verdampfungsschritte 411, ..., 415 vorgesehen sein.
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Anschließend erfolgt eine Verdichtung 120, das heißt eine Erhöhung des Druckes des Arbeitsfluids, die die Zustände 1 des Arbeitsfluids zum Zustand 2 zurückführt. Dadurch wird der gerichtete Arbeitskreislauf 100 des Arbeitsfluids geschlossen. Die Verdichtung 120 des Arbeitsfluids kann wiederum mittels paralleler Verdichter 21, ..., 25 oder mittels eines gemeinsamen Verdichters 20 erfolgen.
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Als Arbeitsfluide können insbesondere alle nach dem Stand der Technik bekannten Arbeitsfluide verwendet werden. Von besonderen Vorteil sind Arbeitsfluide, die wenigstens einen der Stoffe 1,1,1,2,2,4,5,5,5-Nonafluoro-4-(Trifluoromethyl)-3-Pentanone (Handelsname NovecTM 649), Perfluormethylbutanon, 1-Chloro-3,3,3-trifluoro-1-propene, Cis-1,1,1,4,4,4-hexafluoro-2-butene und/oder Cyclopentan umfassen.
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Ein Vorteil der genannten Arbeitsfluide ist die technische Handhabbarkeit. Sie zeichnen sich durch eine gute Umweltverträglichkeit sowie durch ihre Sicherheitseigenschaften, wie beispielsweise keine Brennbarkeit oder ein sehr geringes Treibhauspotential aus. Allgemein sind die Stoffe Perfluormethylbutanon der Stoffgruppe der Fluorketone zuzuordnen, während Cyclopentan der Stoffgruppe der Cycloalkane zuzuordnen ist.
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Erfindungsgemäß wird ein Verfahren für eine Wärmepumpe vorgeschlagen, bei dem durch eine Parallelschaltung von wenigstens zwei Verdampfern ein Rankine-Wärmepumpenprozess ermöglicht wird, der eine effiziente Wärmeaufnahme von einer Wärmequelle mit einem Temperaturgleit ermöglicht. Dadurch wird es möglich eine Wärmequelle wesentlich besser zu nutzen.
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Weiterhin wird eine erfindungsgemäße Wärmepumpe vorgeschlagen, die die Ausführung oder Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ermöglicht.
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Obwohl die Erfindung im Detail durch die bevorzugten Ausführungsbeispiele näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt oder andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.
