DE102017203043A1

DE102017203043A1 - Wärmepumpenanordnung und Verfahren zum Betrieb einer Wärmepumpenanordnung

Info

Publication number: DE102017203043A1
Application number: DE102017203043.7A
Authority: DE
Inventors: Mark Reissig; Florian Reißner
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2017-02-24
Filing date: 2017-02-24
Publication date: 2018-08-30
Also published as: CN110337573A; WO2018153589A1; DK3571450T3; EP3571450A1; KR20190105228A; JP2020508433A; EP3571450B1

Abstract

Es wird eine Wärmepumpenanordnung (1) vorgeschlagen, die einen Verdichter (2), einen Kondensator (6) und einen Verdampfer (8), die mittels eines Arbeitskreislaufes (100) für ein Arbeitsfluid fluidisch gekoppelt sind, umfasst. Erfindungsgemäß umfasst die Wärmepumpenanordnung (1) einen Wärmetauscher (41), eine Strahlpumpe (42) und eine Bypassleitung (4), wobei die Bypassleitung (4) dazu ausgestaltet ist, wenigstens einen Teil des Arbeitsfluids nach der Strahlpumpe (42) und vor dem Verdampfer (8) zum Wärmetauscher (41) und zurück zur Strahlpumpe (42) zu führen.
Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betrieb einer erfindungsgemäßen Wärmepumpenanordnung (1).

Description

Die Erfindung betrifft eine Wärmepumpenanordnung gemäß dem Obergriff des Patentanspruches 1. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betrieb einer Wärmepumpenanordnung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 10.
Wärmepumpen verwenden thermische Energie (Wärme) einer Wärmequelle um ein Arbeitsfluid zu verdampfen. Hierbei ist es von Vorteil, wenn die Verdampfungstemperatur des Arbeitsfluids möglichst hoch ist, da dadurch ein niedriges Druckverhältnis und somit eine hohe Leistungszahl (englisch: Coefficient of Performance; kurz COP) erreicht wird. Folglich ist ein möglichst geringer Temperaturunterschied zwischen der Wärmequelle und der Verdampfungstemperatur vorteilhaft. Typischerweise wird ein Temperaturunterschied von etwa fünf Kelvin verwendet, sodass bei einer Temperatur der Wärmequelle von 80 Grad Celsius eine Verdampfungstemperatur von 75 Grad Celsius vorgesehen ist.
Soll eine Wärmequelle mit einer vergleichsweise niedrigen Temperatur, beispielsweise 50 Grad Celsius, verwendet werden, so würde dies zu einer entsprechend niedrigen Verdampfungstemperatur, beispielsweise 45 Grad Celsius, führen. Dadurch würde jedoch die Leistungszahl deutlich verringert werden.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Verwendung einer niedertemperierten Wärmequelle für eine Wärmepumpe zu verbessern.
Die Aufgabe wird durch eine Wärmepumpenanordnung mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruches 1 sowie durch ein Verfahren zum Betrieb einer Wärmepumpenanordnung mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruches 10 gelöst. In den abhängigen Patentansprüchen sind vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung angegeben.
Die erfindungsgemäße Wärmepumpenanordnung umfasst einen Verdichter, einen Kondensator und einen Verdampfer, die mittels eines Arbeitskreislaufes für ein Arbeitsfluid fluidisch gekoppelt sind. Erfindungsgemäß umfasst die Wärmepumpenanordnung einen Wärmetauscher, eine Strahlpumpe und eine Bypassleitung, wobei die Bypassleitung dazu ausgestaltet ist, wenigstens einen Teil des Arbeitsfluids nach der Strahlpumpe und vor dem Verdampfer zum Wärmetauscher und zurück zur Strahlpumpe zu führen.
Der Arbeitskreislauf der Wärmepumpenanordnung kann demnach in einen primären und einen sekundären Arbeitskreislauf eingeteilt werden. Hierbei bildet der primäre Arbeitskreislauf einen Wärmepumpenkreislauf aus. Der sekundäre Arbeitskreislauf wird durch die Bypassleitung ausgebildet. Der primäre und sekundäre Arbeitskreislauf sind bezüglich des Arbeitsfluid fluidisch gekoppelt.
Der Arbeitskreislauf beziehungsweise die Arbeitskreisläufe weisen eine Richtung auf, bezüglich derer ein Element der Wärmepumpenanordnung vor oder nach einem weiteren Element der Wärmepumpenanordnung angeordnet ist.
Durch die erfindungsgemäß vorgesehene Strahlpumpe und den erfindungsgemäß vorgesehenen Wärmetauscher kann eine niedertemperierte Wärmequelle, die mit dem Wärmetauscher thermisch gekoppelt ist, effizient in den Arbeitskreislauf der Wärmepumpe eingebunden werden. Mittels des Wärmetauschers wird die thermische Energie der Wärmequelle wenigstens teilweise auf das Arbeitsfluid innerhalb der Bypassleitung übertragen. Das dadurch aufgewärmte Arbeitsfluid wird zur Strahlpumpe zurückgeleitet und dient dort bevorzugt als Saugmedium, wobei als Treibmedium das ursprüngliche vom Kondensator kommende Arbeitsfluid (nicht expandiertes Kondensat) vorgesehen ist. Dadurch sind vorteilhafterweise für das Treiben der Bypassleitung keine zusätzlichen baulichen Komponenten, beispielsweise Pumpen, erforderlich. Vorteilhaftweise wird dadurch die energetische Effizienz der Wärmepumpenanordnung weiter verbessert, da beispielsweise keine Pumpe für die Bypassleitung mit elektrischer Energie versorgt werden muss.
Mit anderen Worten ist erfindungsgemäß die Strahlpumpe als Expansionsventil und als Pumpe für das Arbeitsfluid vorgesehen, wobei die Pumpwirkung durch das als Treibmedium verwendete nicht expandierte kondensierte Arbeitsfluid bereitgestellt wird. Dadurch kann ein typisches Expansionsventil im primären Arbeitskreislauf der Wärmepumpenanordnung eingespart werden.
Weitere Vorteile der Strahlpumpe sind, dass diese besonders einfach aufgebaut ist, typischerweise keine beweglichen Bauteile aufweist und besonders robust und wartungsarm ist.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Betrieb einer Wärmepumpenanordnung wird ein Arbeitsfluid innerhalb eines Arbeitskreislaufes mittels eines Verdichters verdichtet, mittels eines Kondensators kondensiert und mittels eines Verdampfers verdampft. Erfindungsgemäß wird ein Teil des Arbeitsfluids mittels einer Bypassleitung nach einer Strahlpumpe der Wärmepumpenanordnung und vor dem Verdampfer zu einem Wärmetauscher zum Wärmeaustausch und zurück zur Strahlpumpe geführt.
Es ergeben sich zur erfindungsgemäßen Wärmepumpenanordnung gleichartige und gleichwertige Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Besonders bevorzugt ist hierbei die Strahlpumpe als Ejektor ausgebildet.
Mit anderen Worten erzeugt die Strahlpumpe einen Unterdruck, aufgrund dessen die Bypassleitung betreibbar ist, das heißt aufgrund dessen das Arbeitsfluid in der Bypassleitung in den primären Arbeitskreislauf zurückgesaugt wird.
Hierbei ist die Bypassleitung bevorzugt dazu ausgestaltet das Arbeitsfluid zurück zu einem Sauganschluss der Strahlpumpe zu führen.
Mit anderen Worten wird das Arbeitsfluid über die Bypassleitung zurück zu wenigstens dem einen Sauganschluss der Strahlpumpe geführt.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der Wärmetauscher als ein Wärmetauscher einer Kühlvorrichtung ausgebildet.
Mit anderen Worten ist die Bypassleitung mittels eines gemeinsamen Wärmetauschers thermisch mit der Kühlvorrichtung gekoppelt, sodass der Wärmeaustausch mittels des Wärmetauschers der Kühlvorrichtung erfolgt. Vorteilhafterweise wird dadurch die durch die Kühlvorrichtung zur Kühlung abgeführte Wärme weiterverwendet. Dadurch wird die energetische Effizienz der Wärmepumpenanordnung und der Kühlvorrichtung erhöht.
In einer besonders vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist die Kühlvorrichtung zur Kühlung des Verdichters ausgebildet.
Mit anderen Worten wird der Verdichter der Wärmepumpe durch die Kühlvorrichtung gekühlt. Hierbei wird die durch die Kühlung des Verdichters abgeführte Wärme wieder dem Wärmepumpenkreislauf mittels des Wärmetauschers in der Bypassleitung zugeführt, sodass die energetische Effizienz der Wärmepumpenanordnung weiter erhöht wird. Die Abwärme, die durch den Betrieb des Verdichters erzeugt wird, geht daher nicht vollständig verloren, sondern wird wenigstens teilweise zurückgewonnen und dem Wärmepumpenkreislauf wieder zugeführt.
Weiterhin ergibt sich der Vorteil, dass externe Kühlkreisläufe oder Kühlvorrichtungen zur Kühlung des Verdichters eingespart werden können. Dadurch werden die Investitionskosten verringert. Ferner wird die bauliche Kompaktheit der Anlage verbessert, da zusätzliche Elemente zur Abführung der Abwärme des Verdichters, beispielsweise Kühlrippen oder Kühltürme, eingespart werden können.
Hierbei ist es besonders bevorzugt, wenn die Kühlvorrichtung zur Kühlung einer Getriebevorrichtung des Verdichters ausgebildet ist.
Insbesondere ist die Kühlvorrichtung besonders bevorzugt als Getriebeölkühlung ausgestaltet.
Hierbei wird ein Öl, welches typischerweise zur Kühlung der Getriebevorrichtung vorgesehen ist, von der Getriebevorrichtung zum Wärmetauscher geführt. Mit anderen Worten ist der Wärmetauscher als Ölkühler ausgebildet.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung umfasst die Bypassleitung ein Expansionsventil, wobei das Expansionsventil vor dem Wärmetauscher angeordnet ist.
Dadurch kann vorteilhafterweise der Druck des Arbeitsfluids innerhalb der Bypassleitung derart eingestellt werden, dass eine festgelegte Erwärmung oder eine Verdampfung des Arbeitsfluid im Wärmetauscher erfolgt. Mit anderen Worten wird der Druck des Arbeitsfluids vor dem Wärmetauscher innerhalb der Bypassleitung mittels des wenigstens einen Expansionsventils eingestellt.
Weiterhin kann gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung der Verdampfungsdruck des Arbeitsfluids innerhalb des Verdampfers mittels der Strahlpumpe eingestellt werden.
Dadurch wird eine Anpassung des Verdampfungsdrucks ohne ein zusätzliches Expansionsventil innerhalb des primären Wärmepumpenkreislaufes ermöglicht. Mit anderen Worten ist die Strahlpumpe als Expansionsventil vorgesehen.
In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung umfasst die Wärmepumpenanordnung ein Arbeitsfluid, welches wenigstens einen Stoff aus der Gruppe der Fluorketone und/oder Hydrofluorolefine und/oder Hydrofluorchlorolefine aufweist.
Mit anderen Worten wird als Arbeitsfluid wenigstens ein Fluorketon und/oder Hydrofluorolefine und/oder Hydrofluorchlorolefine verwendet.
Dadurch wird vorteilhafterweise eine Hochtemperaturwärmepumpe ausgebildet, die es ermöglicht ihre Wärme auf einem Temperaturniveau oberhalb von 100 Grad Celsius abzugeben beziehungsweise für einen Wärmeverbraucher bereitzustellen. Weiterhin sind Arbeitsfluide mit Fluorketonen und/oder Hydrofluorolefine und/oder Hydrofluorchlorolefine besonders vorteilhaft um die Wärme auf niedrigem Temperaturniveau mittels des Wärmetauschers aufzunehmen.
Ein weiterer Vorteil der genannten Arbeitsfluide ist ihre technische Handhabbarkeit. Sie zeichnen sich durch eine gute Umweltverträglichkeit sowie durch ihre Sicherheitseigenschaften, wie beispielsweise keine Brennbarkeit oder ein sehr geringes Treibhauspotential, aus.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus dem im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispielen sowie anhand der Zeichnung. Dabei zeigt die einzige Figur ein schematisches Schaltdiagramm einer Wärmepumpenanordnung gemäß einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung.
Gleichartige, gleichwertige oder gleichwirkende Elemente können in der Figur mit denselben Bezugszeichen versehen sein.
In der Figur ist eine Wärmepumpenanordnung 1 gemäß einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung schematisch dargestellt.
Die Wärmepumpenanordnung 1 weist einen Verdichter 2, einen Kondensator 6, einen Verdampfer 8 sowie eine Strahlpumpe 42 auf. Weiterhin umfasst die Wärmepumpenanordnung einen primären und sekundären Arbeitskreislauf 101, 102 für ein Arbeitsfluid auf. Der primäre Arbeitskreislauf 101 bildet einen Wärmepumpenkreislauf auf, bei welchem das Arbeitsfluid im Verdichter 2 verdichtet, im Kondensator 6 kondensiert, im Verdampfer 8 verdampft und mittels der Strahlpumpe 42 expandiert wird. Mit anderen Worten wird durch den Verdichter 2, den Kondensator 6, den Verdampfer 8 und der Strahlpumpe 42 eine Wärmepumpe ausgebildet.
Der sekundäre Arbeitskreislauf 102 wird mittels einer Bypassleitung 4 gebildet, die nach der Strahlpumpe 42 und vor dem Verdampfer 8 abzweigt, und wenigstens einen Teil des Arbeitsfluids über einen Wärmetauscher 41 zurück zu einem Sauganschluss der Strahlpumpe 42 führt. Die Arbeitskreisläufe 101, 102 sind folglich bezüglich des Arbeitsfluids fluidisch parallel verschaltet.
Die Strahlpumpe 42 ist als Ejektor ausgebildet, sodass ein Unterdruck erzeugt wird, der das Arbeitsfluid wieder aus der Bypassleitung 4 ansaugt. Mit anderen Worten wird die Durchströmung der Bypassleitung 4 mit dem Arbeitsfluid durch das Arbeitsfluid selbst getrieben, sodass das Arbeitsfluid gleichzeitig als Treibmedium für die Strahlpumpe 42 ausgebildet ist. Dadurch ist vorteilhafterweise keine zusätzliche Pumpe zum treiben der Bypassleitung 4 erforderlich.
Der Wärmetauscher 41 ist mit einer Kühlleitung 12 einer Ölkühlung gekoppelt. Grundsätzlich kann der Wärmetauscher mit jeder Wärmequelle, insbesondere mit niedertemperierten Abwärmequellen, thermisch gekoppelt sein. Die Abwärme wird über den Wärmetauscher 41 an das Arbeitsfluid in der Bypassleitung 4 wenigstens teilweise übertragen. Der Druck, bei welcher die genannte Wärmeübertragung im Wärmetauscher 41 erfolgt, kann mittels eines Expansionsventils 40 eingestellt werden.
In der dargestellten, besonders bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist die Ölkühlung für die Kühlung einer Getriebevorrichtung 21 des Verdichters 2 vorgesehen. Hierzu sind die Kühlleitungen 12 mit der Getriebevorrichtung 21 fluidisch gekoppelt. Dadurch wird vorteilhafterweise der Verdichter 2 beziehungsweise seine Getriebevorrichtung 21 gekühlt. Die Abwärme der Getriebevorrichtung 21 geht - im Gegensatz zu bekannten Kühlungen eines Verdichters - nicht vollständig verloren, da wenigstens ein Teil mittels des Wärmetauschers 41 und mittels der erfindungsgemäß vorgesehenen Bypassleitung 4 an das Arbeitsfluid der Wärmepumpe übertragen wird. Dadurch wird die energetische Effizienz der Wärmepumpenanordnung 1, die im dargestellten Ausführungsbeispiel im Wesentlichen eine Wärmepumpe ausbildet, erhöht. Mit anderen Worten stellt die Wärmepumpenanordnung 1 eine verbesserte Wärmepumpe bereit.
Weiterhin umfasst der Verdichter 2 einen elektrischen Motor 22 zu dessen Betrieb, der ebenfalls mittels der Ölkühlung gekühlt werden kann.
Die Strahlpumpe 42 in Verbindung mit der Bypassleitung 4 ermöglicht daher die Einbindung einer Wärmequelle mit einem vergleichsweise niedrigen Temperaturniveau, ohne zusätzliche stromverbrauchende Bauteile, beispielsweise Pumpen.
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.

Claims

Wärmepumpenanordnung (1), umfassend einen Verdichter (2), einen Kondensator (6) und einen Verdampfer (8), die mittels eines Arbeitskreislaufes (100) für ein Arbeitsfluid fluidisch gekoppelt sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmepumpenanordnung (1) einen Wärmetauscher (41), eine Strahlpumpe (42) und eine Bypassleitung (4) umfasst, wobei die Bypassleitung (4) dazu ausgestaltet ist, wenigstens einen Teil des Arbeitsfluids nach der Strahlpumpe (42) und vor dem Verdampfer (8) zum Wärmetauscher (41) und zurück zur Strahlpumpe (42) zu führen.
Wärmepumpenanordnung (1) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlpumpe (42) als Ejektor ausgebildet ist.
Wärmepumpenanordnung (1) gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Bypassleitung (4) dazu ausgestaltet ist das Arbeitsfluid zurück zu einem Sauganschluss der Strahlpumpe (42) zu führen.
Wärmepumpenanordnung (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher (41) als ein Wärmetauscher einer Kühlvorrichtung (12) ausgebildet ist.
Wärmepumpenanordnung (1) gemäß Anspruch 4 dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlvorrichtung (12) zur Kühlung des Verdichters (2) ausgebildet ist.
Wärmepumpenanordnung (1) gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdichter (2) eine Getriebevorrichtung (21) umfasst, wobei die Kühlvorrichtung (12) zur Kühlung der Getriebevorrichtung (21) ausgebildet ist.
Wärmepumpenanordnung (1) gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlvorrichtung (12) als Getriebeölkühlung ausgestaltet ist.
Wärmepumpenanordnung (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bypassleitung (4) ein Expansionsventil (40) umfasst, wobei das Expansionsventil (40) vor dem Wärmetauscher (41) angeordnet ist.
Wärmepumpenanordnung (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass diese das Arbeitsfluid umfasst, wobei das Arbeitsfluid wenigstens einen Stoff aus der Gruppe der Fluorketone und/oder Hydrofluorolefine und/oder Hydrofluorchlorolefine aufweist.
Verfahren zum Betrieb einer Wärmepumpenanordnung (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem ein Arbeitsfluid innerhalb eines Arbeitskreislaufes (100) mittels eines Verdichters (2) verdichtet, mittels eines Kondensators (6) kondensiert und mittels eines Verdampfers (8) verdampft wird, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Teil des Arbeitsfluids mittels einer Bypassleitung (4) nach einer Strahlpumpe (42) der Wärmepumpenanordnung (1) und vor dem Verdampfer (8) zu einem Wärmetauscher (41) zum Wärmeaustausch und zurück zur Strahlpumpe (42) geführt wird.
Verfahren gemäß Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Arbeitsfluid über die Bypassleitung (4) zurück zu einem Sauganschluss der Strahlpumpe (42) geführt wird.
Verfahren gemäß Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeaustausch mittels eines Wärmetauschers (41) einer Kühlvorrichtung erfolgt.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Druck des Arbeitsfluids vor dem Wärmetauscher (41) innerhalb der Bypassleitung (4) mittels eines Expansionsventils (40) eingestellt wird.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdampfungsdruck des Arbeitsfluids innerhalb des Verdampfers (8) mittels der Strahlpumpe (42) eingestellt wird.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 10 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass als Arbeitsfluid ein Fluid mit einem Fluorketon und/oder Hydrofluorolefine und/oder Hydrofluorchlorolefine verwendet wird.