EP2795209B1 - Wärmepumpe - Google Patents

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EP2795209B1
EP2795209B1 EP12812956.6A EP12812956A EP2795209B1 EP 2795209 B1 EP2795209 B1 EP 2795209B1 EP 12812956 A EP12812956 A EP 12812956A EP 2795209 B1 EP2795209 B1 EP 2795209B1
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EP
European Patent Office
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compressor stage
heat exchanger
flow
medium
heat
Prior art date
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Active
Application number
EP12812956.6A
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
EP2795209A1 (de
Inventor
Urban Kronstrom
Simon Klink
Dennis Pfeil
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
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Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
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Application granted granted Critical
Publication of EP2795209B1 publication Critical patent/EP2795209B1/de
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B40/00—Subcoolers, desuperheaters or superheaters
    • F25B40/06—Superheaters
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B1/00—Compression machines, plants or systems with non-reversible cycle
    • F25B1/10—Compression machines, plants or systems with non-reversible cycle with multi-stage compression
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B13/00—Compression machines, plants or systems, with reversible cycle
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B2313/00—Compression machines, plants or systems with reversible cycle not otherwise provided for
    • F25B2313/027—Compression machines, plants or systems with reversible cycle not otherwise provided for characterised by the reversing means
    • F25B2313/02742—Compression machines, plants or systems with reversible cycle not otherwise provided for characterised by the reversing means using two four-way valves
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B2400/00—General features or devices for refrigeration machines, plants or systems, combined heating and refrigeration systems or heat-pump systems, i.e. not limited to a particular subgroup of F25B
    • F25B2400/13—Economisers

Definitions

  • the invention relates to a heat pump which can be switched over between cooling operation and heating operation, which has a first heat exchanger and a second heat exchanger, between which energy can be transmitted in one or the other direction, and a compressor arrangement.
  • Heat pumps of the type mentioned are known in the art. Such heat pumps serve to transport heat energy from a first reservoir to a second reservoir by using labor. Heat pumps are usually operated with fluids that evaporate at low pressure with heat and condense again after compression to a higher pressure with heat release. The pressures are selected so that the temperatures of the phase change have sufficient for heat transfer distance to the temperatures of the heat sources or sinks.
  • Heat pumps work in their simplest embodiment with a fluid circuit with an evaporator in which the fluid or medium vaporizes energy, a downstream, driven compressor in which the medium is compacted with the introduction of mechanical work, a subsequent condenser, in which the fluid below Loss of energy is liquefied and last of the condenser downstream throttle in which relaxes the fluid.
  • the throttle is the output side again connected to the evaporator, whereby the circuit is closed.
  • reversible heat pumps are known in which the two heat exchangers provided are interconnected once as a condenser or evaporator or vice versa, as an evaporator and condenser.
  • document DE-A-103 13 850 discloses a heat pump according to the preamble of claim 1.
  • the efficiencies or performance numbers of conventional reversible heat pumps are technically limited. It would be desirable to improve the efficiencies or performance figures of heat pumps.
  • the object of the invention is to provide a reversible heat pump with a large temperature increase, which has a higher efficiency or a higher coefficient of performance than conventional known reversible heat pumps.
  • a heat pump according to the invention which can be switched between cooling mode and heating mode, has a first heat exchanger for receiving energy in cooling mode and for emitting energy in heating mode, which is thermally coupled to the object to be cooled or heated.
  • a second heat exchanger is provided for delivering energy in the cooling mode and for receiving energy in the heating mode, which serves as a heat sink or as a heat source.
  • a first compressor stage and a second compressor stage connected downstream of the first compressor stage are provided which further compresses the medium pre-compressed in the first compressor stage. This allows a higher degree of compaction and the two-stage compression a larger temperature stroke is realized, which in turn can be achieved higher condensation temperatures.
  • the pressure level at the outlet of the first compressor stage corresponds to the pressure level at the inlet of the second compressor stage.
  • a medium-pressure cylinder is interposed, in which a phase separation of liquid medium and separation of the liquid medium takes place.
  • the hot gas rising in the medium-pressure cylinder and precompressed by the first compressor stage is then further compressed and superheated in the second compressor stage, which is connected upstream of the medium-pressure cylinder.
  • the second compressor stage downstream of a switching valve is connected, by means of which in the cooling operation, a flow connection between the second compressor stage and the second heat exchanger and in the heating operation between the second compressor stage and the first heat exchanger can be produced.
  • the heat exchangers depending on the desired mode of operation, alternately operated either as an evaporator or as a capacitor.
  • an internal heat exchanger may be provided, the first stream of the medium-pressure bottle is removed and the first compressor stage is connected upstream, and the second stream is removed before the compressor and a liquid outlet of the medium-pressure bottle is connected downstream, so that in the medium-pressure bottle separated and discharged via the liquid outlet of the medium-pressure cylinder liquid medium emits energy to the gas flowing into the first compressor stage. In this way, an additional overheating of the medium to be compressed can be achieved.
  • the changeover valve has four connections, wherein a first connection to the first compressor stage, a second connection to the first heat exchanger, a third connection to the first compressor stage or, if provided, to the heat exchanger and a fourth port is flow connected to the second heat exchanger.
  • an interconnection can be provided such that in the cooling operation, the second compressor stage with the second heat exchanger and the first heat exchanger with the first compressor stage or, if provided, are flow-connected to the heat exchanger, whereas in the heating mode, the second compressor stage with the first heat exchanger and the second heat exchanger with the first compressor stage or with the heat exchanger fluidly connected.
  • a switching device may be provided which supplies the medium from the first heat exchanger or from the second heat exchanger and by means of a respective heat exchanger downstream expansion valve to a medium pressure relaxed medium of a connection between the first compressor stage and medium-pressure bottle, so that the from the first compressor stage pre-compressed medium and the medium from the respective high-pressure stage, which is relaxed to medium pressure, mixed and fed to the medium-pressure bottle, where then takes place a phase separation of the medium.
  • the switching device has four terminals, wherein a first connection means of the first expansion valve with the first heat exchanger, a second connection by means of a second expansion valve with the second heat exchanger, a third connection to the heat exchanger and a fourth connection is fluidly connected to the connection between the first compressor stage and the medium-pressure cylinder.
  • the second heat exchanger by means of the second expansion valve with the connection between the first compressor stage and medium-pressure cylinder and the internal heat exchanger with the first heat exchanger by means of the first expansion valve is fluidly connected in the cooling mode.
  • the first heat exchanger by means of the first expansion valve with the connection between the first compressor stage and medium-pressure cylinder and the internal heat exchanger to the second heat exchanger by means of the second expansion valve fluidly connected.
  • the first compressor stage and the second compressor stage are arranged in a common compressor.
  • the two compressor stages can then be arranged, for example, on a common shaft, with the medium pre-compressed by the first compressor stage being led out of the compressor into the medium-pressure bottle, from where it is fed to the second compressor stage.
  • a compact design can be realized and reduce the required number of components.
  • the first compressor stage and the second compressor stage are realized by a single-stage compressor with intermediate injection.
  • the first heat exchanger is a plate heat exchanger and / or the second heat exchanger is a fin exchanger.
  • the switching device and / or the switching valve are designed as four-way valves, in which in each switching positions two ports are in fluid communication with each other in pairs.
  • Such changeover valves can be designed such that they manage with only a few moving components, which makes corresponding changeover valves very reliable.
  • the switching device is designed as an arrangement of four check valves, in which each port is connected with two ports each by means of a check valve connected therebetween such that depending on the pressure conditions at the terminals depending one Check valve is locked and one is open, so that each two ports are fluidly connected to each other.
  • the switching device can then be designed, for example, as a line ring with four correspondingly aligned non-return valves with intermediate connections.
  • the gas outlet of the medium-pressure cylinder, the outlet of the first compressor stage and the entrance of the second compressor stage can also be connected to a star point, so that no medium-pressure bottle is required.
  • FIGS. 1a and 1b show a heat pump 2 according to the invention in heating mode ( FIG. 1a ) or in cooling mode ( FIG. 1b ).
  • different phase states or pressure levels of the medium or coolant are shown by different types of connection.
  • three different states occur in the heat pump according to the invention:
  • the coolant or medium is partly conveyed in the liquid state, which is represented by a solid line.
  • the medium is partly transported as cold gas, which is represented by dashed connections.
  • the medium can still be carried as a hot gas, which is shown as a dotted connection.
  • Flow directions are indicated by arrows.
  • the heat pump 2 has a first heat exchanger 4, which may be designed as a plate heat exchanger.
  • the first heat exchanger 4 communicates with the object to be heated or cooled.
  • the conveyed in the circuit medium is precompressed by means of a first compressor stage 8 and recompressed by means of a second compressor stage 10.
  • a medium-pressure bottle 12 is arranged, which carries out a phase separation at the introduced via the input 12.1 medium.
  • Medium in the liquid phase is discharged via the outlet 12.2, medium in the gaseous phase rises in the medium-pressure bottle and is sucked off by the second compressor stage 10 via the outlet 12.3 of the medium-pressure bottle 12.
  • the liquid medium derived from the medium-pressure cylinder 12 is passed through a heat exchanger 14 through a first stream 14.1, where it gives off its heat to the medium present in the second stream 14.2, which is sucked in by the first compressor stage 8.
  • a switching valve 16 Downstream of the second compressor stage 10, a switching valve 16 is provided, which is configured here as a four-way valve.
  • the changeover valve 16 is connected in flow communication with a first connection 16.1 to the second compressor stage 10, with a second connection 16.2 with the first heat exchanger 4, with a third connection 16.3 with the heat exchanger 14 and with a fourth connection 16.4 with the second heat exchanger 6.
  • first heat exchanger 4 and the second heat exchanger 6 are indirectly flow-connected to a switching device 18.
  • a first expansion valve 20 is provided between the first heat exchanger 4 and the switching device 18.
  • a second expansion valve 22 is provided between the second heat exchanger 6 and the switching device 18.
  • the flow connection with the first expansion valve 20 is via a first port 18.1. produced.
  • the flow connection between the second expansion valve 22 and the switching device 18 is made via a second port 18.2.
  • a third port 18.3 is in fluid communication with the first stream 14.1 of the heat exchanger 14.
  • a fourth port 18.4 of the switching device 18 is connected to a port 24 of a connection 26 between an outlet 8.2 of the first compressor stage 8 and the inlet 12.1 of the medium pressure bottle 12.
  • the switching valve 16 is connected such that it establishes a flow connection between the second compressor stage 10 and the first heat exchanger 4 and at the same time a flow connection between the second heat exchanger 6 and the first compressor stage 8 by means of the heat exchanger 14.
  • the heat exchanger 4 hot gas supplied by the second compressor stage 10 was heated, where the hot gas releases its heat under condensation and leaves the first heat exchanger 4 in the liquid phase.
  • the expansion valve 20 By the expansion valve 20, the liquid medium is brought to medium pressure and evaporated.
  • the switching device 18 is connected so that it connects the terminals 18.1 and 18.4, so that the relaxed to medium pressure gas the Terminal 24 between the first compressor stage 8 and medium pressure bottle 12 is supplied.
  • the output of the heat exchanger 14 is in flow communication with the second heat exchanger 6, which via the switching valve 16 and the interconnected ports 16.4 and 16.3 with the heat exchanger 14 and then the first compressor stage 8.
  • the heat exchanger 14 and the second heat exchanger. 6 upstream second expansion valve 22 are interconnected via the interconnected ports 18.3 and 18.2 of the switching device 18.
  • connection 16.1 and 16.2 of the changeover valve 16 as well as 18.1 and 18.4 of the changeover device 18 are interconnected on the high pressure side.
  • Low pressure side the terminals 16.3, 16.4 of the switching valve 16 and 18.2 and 18.3 of the switching device 18 are interconnected.
  • the first heat exchanger 4 is fluidly connected by means of the switching valve 16 with the heat exchanger 14 and the input 8.1 of the subsequent first compressor stage 8.
  • the switching device 18 connects the high-pressure side ports 18.2 and 18.4 and thus the second heat exchanger 6 by means of the expansion valve 22 to the port 24 of the connection 26 between the first compressor stage 8 and medium-pressure bottle 12th
  • the heat pump 2 thus makes it possible to use a plurality of compressor stages with intermediately connected medium-pressure cylinder 12, since in both switching states the medium-pressure cylinder 12 is always flowed through in the same direction. Furthermore, in this way the use of a heat exchanger 14 for overheating the refrigerant gas drawn in by the first compressor stage 8 is connected. In this way, the refrigerant gas in the compressor stages 8, 10 additionally overheat.
  • FIG. 2 shows a possible embodiment of the switching device 18 according to the invention.
  • each check valve 18.5 to 18.8 is provided, each having a reverse direction and a respective forward direction.
  • the connections 18.1 to 18.4 are connected to a line ring 18.9. connected, wherein between each two ports 18.1 to 18.4 each a check valve 18.5 to 18.8 is arranged, which are each arranged such that a flow of each port 18.1 to 18.4 can take place only in one direction and a flow to the respective port 18.1 to 18.4 also only from one direction, namely the other, can take place.
  • two connections can be connected in this way.

Landscapes

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  • Compression-Type Refrigeration Machines With Reversible Cycles (AREA)

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Wärmepumpe, die zwischen Kühlbetrieb und Heizbetrieb umschaltbar ist, welche einen ersten Wärmetauscher und einen zweiten Wärmetauscher aufweist, zwischen denen Energie in die eine oder in die andere Richtung übertragen werden kann und eine Verdichteranordnung.
    Wärmepumpen der eingangs genannten Art sind im Stand der Technik bekannt. Solche Wärmepumpen dienen zum Transport von Wärmeenergie von einem ersten Reservoir in ein zweites Reservoir unter Aufwendung von Arbeit. Wärmepumpen werden in der Regel mit Fluiden betrieben, die bei niedrigem Druck unter Wärmezufuhr verdampfen und nach Verdichtung auf einen höheren Druck unter Wärmeabgabe wieder kondensieren. Die Drücke werden so gewählt, dass die Temperaturen des Phasenwechsels einen für die Wärmeübertragung ausreichenden Abstand zu den Temperaturen der Wärmequellen beziehungsweise -senken haben.
    Wärmepumpen arbeiten in ihrer einfachsten Ausgestaltung mit einem Fluidkreislauf mit einem Verdampfer, in dem das Fluid beziehungsweise Medium unter Energieaufnahme verdampft, einem nachgeschalteten, angetriebenen Verdichter, in dem das Medium unter Einbringung von mechanischer Arbeit verdichtet wird, einem darauffolgenden Kondensator, in dem das Fluid unter Abgabe von Energie verflüssigt wird und zuletzt einer dem Kondensator nachgeschalteten Drossel, in der das Fluid entspannt. Die Drossel ist ausgangsseitig wieder mit dem Verdampfer verbunden, womit der Kreislauf geschlossen ist.
    Darüber hinaus sind umschaltbare Wärmepumpen bekannt, bei denen die beiden vorgesehenen Wärmetauscher einmal als Kondensator oder Verdampfer oder umgekehrt, als Verdampfer und Kondensator verschaltet werden. Dokument DE-A-103 13 850 offenbart eine Wärmepumpe gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1. Den Wirkungsgraden bzw. Leistungszahlen herkömmlicher umschaltbarer Wärmepumpen sind technische Grenzen gesetzt. Es wäre wünschenswert, die Wirkungsgrade beziehungsweise die Leistungszahlen von Wärmepumpen zu verbessern.
  • Aufgabe der Erfindung ist es, eine umschaltbare Wärmepumpe mit großem Temperaturhub anzugeben, die einen höheren Wirkungsgrad beziehungsweise eine höhere Leistungszahl als herkömmliche bekannte umschaltbare Wärmepumpen aufweist.
  • Die Aufgabe wird gelöst durch eine Wärmepumpe gemäß Anspruch 1. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
  • Eine erfindungsgemäße Wärmepumpe, die zwischen Kühlbetrieb und Heizbetrieb umschaltbar ist, weist einen ersten Wärmetauscher zur Aufnahme von Energie im Kühlbetrieb und zur Abgabe von Energie im Heizbetrieb auf, der mit dem zu kühlenden oder zu wärmenden Gegenstand thermisch gekoppelt ist. Ein zweiter Wärmetauscher ist zur Abgabe von Energie im Kühlbetrieb und zur Aufnahme von Energie im Heizbetrieb vorgesehen, der als Wärmesenke oder als Wärmequelle dient.
  • Zur Verdichtung eines Fluids beziehungsweise eines Mediums sind eine erste Verdichterstufe sowie eine der ersten Verdichterstufe nachgeschaltete zweite Verdichterstufe vorgesehen, die das in der ersten Verdichterstufe vorverdichtete Medium weiter verdichtet. Hiermit lässt sich eine höhere Verdichtung erreichen und Durch die zweistufige Verdichtung wird ein größerer Temperaturhub realisiert, wodurch wiederum höhere Kondensationstemperaturen erreicht werden können.
  • Dabei entspricht das Druckniveau am Auslass der ersten Verdichterstufe dem Druckniveau am Einlass der zweiten Verdichterstufe.
  • Zwischen der ersten Verdichterstufe und der zweiten Verdichterstufe ist eine Mitteldruckflasche zwischengeschaltet, in der eine Phasentrennung flüssigen Mediums und Abscheidung des flüssigen Mediums geschieht. Das in der Mitteldruckflasche aufsteigende, von der ersten Verdichterstufe vorverdichtete heiße Gas wird dann in der zweiten Verdichterstufe, die der Mitteldruckflasche stromaufwärts nachgeschaltet ist, weiter verdichtet und überhitzt.
  • Erfindungsgemäß ist weiterhin vorgesehen, dass der zweiten Verdichterstufe stromabwärts ein Umschaltventil nachgeschaltet ist, mittels dessen im Kühlbetrieb eine Strömungsverbindung zwischen der zweiten Verdichterstufe und dem zweiten Wärmetauscher und im Heizbetrieb zwischen der zweiten Verdichterstufe und dem ersten Wärmetauscher herstellbar ist. Auf diese Weise lässt sich erreichen, dass die Wärmetauscher, je nach gewünschter Betriebsart, wechselweise entweder als Verdampfer oder als Kondensator betrieben werden.
  • Gemäß einer ersten möglichen weiteren Ausgestaltung kann ein interner Wärmeübertrager vorgesehen sein, dessen erster Strom der Mitteldruckflasche entnommen wird und der ersten Verdichterstufe vorgeschaltet ist, und dessen zweiter Strom vor dem Verdichter entnommen wird und einem Flüssigkeitsausgang der Mitteldruckflasche nachgeschaltet ist, so dass das in der Mitteldruckflasche abgeschiedene und über den Flüssigkeitsausgang der Mitteldruckflasche abgeführte flüssige Medium Energie an das in die erste Verdichterstufe strömende Gas abgibt. Auf diese Weise lässt sich eine zusätzliche Überhitzung des zu verdichtenden Mediums erreichen.
  • Gemäß einer weiteren möglichen Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass das Umschaltventil vier Anschlüsse aufweist, wobei ein erster Anschluss mit der ersten Verdichterstufe, ein zweiter Anschluss mit dem ersten Wärmetauscher, ein dritter Anschluss mit der ersten Verdichterstufe oder, sofern vorgesehen, mit dem Wärmeübertrager und ein vierter Anschluss mit dem zweiten Wärmetauscher strömungsverbunden ist.
  • Im Rahmen dieser Ausgestaltung kann eine Verschaltung derart vorgesehen sein, dass im Kühlbetrieb die zweite Verdichterstufe mit dem zweiten Wärmetauscher und der erste Wärmetauscher mit der ersten Verdichterstufe beziehungsweise, sofern vorgesehen, mit dem Wärmeübertrager strömungsverbunden sind, wohingegen im Heizbetrieb die zweite Verdichterstufe mit dem ersten Wärmetauscher und der zweite Wärmetauscher mit der ersten Verdichterstufe oder mit dem Wärmeübertrager strömungsverbunden sind. So lässt sich räumlich konzentriert auf einfache Weise eine Umschaltung zwischen Heizbetrieb und Kühlbetrieb erreichen.
  • Gemäß einer weiteren möglichen Ausgestaltung der Erfindung kann eine Umschaltvorrichtung vorgesehen sein, die das aus dem ersten Wärmetauscher oder aus dem zweiten Wärmetauscher stammende und mittels je eines dem Wärmetauscher nachgeschalteten Expansionsventils auf einen Mitteldruck entspannte Medium einer Verbindung zwischen erster Verdichterstufe und Mitteldruckflasche zuführt, so dass das aus der ersten Verdichterstufe vorverdichtete Medium und das Medium aus der jeweiligen Hochdruckstufe, das auf Mitteldruck entspannt ist, vermischt und der Mitteldruckflasche zugeführt werden, wo anschließend eine Phasentrennung des Mediums stattfindet.
  • Gemäß einer weiteren möglichen Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Umschaltvorrichtung vier Anschlüsse aufweist, wobei ein erster Anschluss mittels des ersten Expansionsventils mit dem ersten Wärmetauscher, ein zweiter Anschluss mittels eines zweiten Expansionsventils mit dem zweiten Wärmetauscher, ein dritter Anschluss mit dem Wärmeübertrager und ein vierter Anschluss mit der Verbindung zwischen erster Verdichterstufe und Mitteldruckflasche strömungsverbunden ist.
  • Mittels der Umschaltvorrichtung ist im Kühlbetrieb der zweite Wärmetauscher mittels des zweiten Expansionsventils mit der Verbindung zwischen erster Verdichterstufe und Mitteldruckflasche sowie der interne Wärmeübertrager mit dem ersten Wärmetauscher mittels des ersten Expansionsventils strömungsverbunden. Dabei ist im Heizbetrieb der erste Wärmetauscher mittels des ersten Expansionsventils mit der Verbindung zwischen erster Verdichterstufe und Mitteldruckflasche sowie der interne Wärmeübertrager mit dem zweiten Wärmetauscher mittels des zweiten Expansionsventils strömungsverbunden. Auf diese Weise lässt sich an einem Ort gebündelt zwischen Kühl- und Heizbetrieb umschalten, was Platzbedarf und Bauteilaufwand reduziert.
  • Gemäß einer weiteren möglichen Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die erste Verdichterstufe und die zweite Verdichterstufe in einem gemeinsamen Kompressor angeordnet sind. Die beiden Verdichterstufen können dann beispielsweise auf einer gemeinsamen Welle angeordnet sein, wobei das von der ersten Verdichterstufe vorverdichtete Medium aus dem Kompressor heraus in die Mitteldruckflasche geleitet wird, von wo aus sie der zweiten Verdichterstufe zugeführt wird. Auf diese Weise lässt sich ein kompakter Aufbau verwirklichen und die benötigte Bauteilanzahl reduzieren.
  • Gemäß einer weiteren möglichen Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die erste Verdichterstufe und die zweite Verdichterstufe durch einen einstufigen Kompressor mit Zwischeneinspritzung verwirklicht sind.
  • Gemäß einer weiteren möglichen Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass der erste Wärmetauscher ein Plattenwärmeübertrager und/oder der zweite Wärmetauscher ein Lamellenübertrager ist.
  • Gemäß einer weiteren möglichen Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Umschaltvorrichtung und/oder das Umschaltventil als Vier-Wege-Ventile ausgebildet sind, bei denen in den jeweiligen Schaltstellungen jeweils zwei Anschlüsse paarweise miteinander strömungsverbunden sind. Derartige Umschaltventile können derart gestaltet werden, dass sie mit nur wenigen bewegten Bauteilen auskommen, was entsprechende Umschaltventile sehr zuverlässig macht.
  • Gemäß einer weiteren möglichen Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Umschaltvorrichtung als Anordnung von vier Rückschlagventilen ausgebildet ist, bei denen jeder Anschluss mit je zwei Anschlüssen mittels je eines dazwischen geschalteten Rückschlagventils derart geschaltet ist, dass abhängig von den Druckverhältnissen an den Anschlüssen je ein Rückschlagventil gesperrt und eines geöffnet ist, so dass je zwei Anschlüsse miteinander strömungsverbunden sind. Die Umschaltvorrichtung kann dann beispielsweise als Leitungsring mit vier entsprechend ausgerichteten Rückschlagventilen mit dazwischenliegenden Anschlüssen ausgebildet sein.
  • In noch einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung können der Gasaustritt der Mitteldruckflasche, der Austritt der ersten Verdichterstufe und der Eintritt der zweiten Verdichterstufe auch zu einem Sternpunkt verbunden sein, so dass keine Mitteldruckflasche erforderlich ist.
  • Im Rahmen der Erfindung kann es je nach Ausführungsform ausreichend sein, ein aktiv schaltbares Bauteil vorzusehen, so dass im Rahmen dieser Ausgestaltung der Erfindung die Anzahl angetriebener Bauteile reduziert ist, was Zuverlässigkeit, Komplexität der Vorrichtung sowie die Kosten positiv beeinflusst.
  • Strömungsverbindungen können im Rahmen der Erfindung mittels Leitungen, zum Beispiel Rohrleitungen, hergestellt sein.
  • Die Erfindung wird anhand eines Ausführungsbeispiels erläutert. Dabei zeigen schematisch:
    • Figur 1A:
    eine erfindungsgemäße Wärmepumpe im Heizbetrieb,
    Figur 1b:
    die erfindungsgemäße Wärmepumpe im Kühlbetrieb sowie
    Figur 2:
    eine Detailansicht einer möglichen Ausgestaltung einer Umschaltvorrichtung im Rahmen der Erfindung.
  • Die Figuren 1a und 1b zeigen eine erfindungsgemäße Wärmepumpe 2 im Heizbetrieb (Figur 1a) beziehungsweise im Kühlbetrieb (Figur 1b). In den dargestellten Schaltbildern sind unterschiedliche Phasenzustände beziehungsweise Druckniveaus des Mediums beziehungsweise Kühlmittels durch unterschiedliche Verbindungsarten gezeigt. In der erfindungsgemäßem Wärmepumpe kommen im Wesentlichen drei unterschiedliche Zustände vor: Zunächst wird das Kühlmittel oder Medium teilweise im flüssigen Zustand befördert, was durch eine durchgezogene Linie dargestellt ist. Des Weiteren wird das Medium teilweise als kaltes Gas transportiert, was durch gestrichelte Verbindungen dargestellt ist. Darüber hinaus kann das Medium noch als heißes Gas befördert werden, was als gepunktete Verbindung dargestellt ist. Strömungsrichtungen sind durch Pfeile angezeigt.
  • Die erfindungsgemäße Wärmepumpe 2 weist einen ersten Wärmetauscher 4 auf, der als Plattenwärmeübertrager ausgebildet sein kann. Der erste Wärmetauscher 4 steht mit dem zu erwärmenden beziehungsweise zu kühlenden Gegenstand in Verbindung. Ein zweiter Wärmetauscher 6, der als Lamellenwärmeübertrager ausgebildet sein kann, stellt eine thermische Kopplung zu einer Wärmequelle beziehungsweise Wärmesenke her.
  • Das in dem Kreislauf beförderte Medium wird mittels einer ersten Verdichterstufe 8 vorverdichtet und mittels einer zweiten Verdichterstufe 10 nachverdichtet. Zwischen der ersten Verdichterstufe 8 und der zweiten Verdichterstufe 10 ist eine Mitteldruckflasche 12 angeordnet, die eine Phasentrennung an dem über den Eingang 12.1 eingeleiteten Medium vornimmt. Medium in flüssiger Phase wird über den Ausgang 12.2 abgeführt, Medium in gasförmiger Phase steigt in der Mitteldruckflasche auf und wird von der zweiten Verdichterstufe 10 über den Ausgang 12.3 der Mitteldruckflasche 12 abgesaugt.
  • Das aus der Mitteldruckflasche 12 abgeleitete flüssige Medium wird durch einen Wärmetauscher 14 durch einen ersten Strom 14.1 geleitet, wo es seine Wärme an das im zweiten Strom 14.2 befindliche Medium abgibt, welches von der ersten Verdichterstufe 8 angesaugt wird.
  • Stromabwärts zur zweiten Verdichterstufe 10 ist ein Umschaltventil 16 vorgesehen, dass vorliegend als Vierwegeventil ausgestaltet ist. Das Umschaltventil 16 ist mit einem ersten Anschluss 16.1 mit der zweiten Verdichterstufe 10, mit einem zweiten Anschluss 16.2 mit dem ersten Wärmetauscher 4, mit einem dritten Anschluss 16.3 mit dem Wärmeübertrager 14 sowie mit einem vierten Anschluss 16.4 mit dem zweiten Wärmetauscher 6 strömungsverbunden.
  • Der erste Wärmetauscher 4 und der zweite Wärmetauscher 6 sind andererseits mit einer Umschaltvorrichtung 18 mittelbar strömungsverbunden. Zwischen dem ersten Wärmetauscher 4 und der Umschaltvorrichtung 18 ist ein erstes Expansionsventil 20 vorgesehen. Zwischen dem zweiten Wärmetauscher 6 und der Umschaltvorrichtung 18 ist ein zweites Expansionsventil 22 vorgesehen. Die Strömungsverbindung mit dem ersten Expansionsventil 20 wird über einen ersten Anschluss 18.1. hergestellt. Die Strömungsverbindung zwischen dem zweiten Expansionsventil 22 und der Umschaltvorrichtung 18 wird über einen zweiten Anschluss 18.2 hergestellt. Ein dritter Anschluss 18.3 steht in Strömungsverbindung mit dem ersten Strom 14.1 des Wärmeübertragers 14. Ein vierter Anschluss 18.4 der Umschaltvorrichtung 18 ist mit einem Anschluss 24 einer Verbindung 26 zwischen einem Ausgang 8.2 der ersten Verdichterstufe 8 und dem Eingang 12.1 der Mitteldruckflasche 12 verbunden.
  • In dem in Figur 1a dargestellten Heizbetrieb ist das Umschaltventil 16 derart geschaltet, dass es eine Strömungsverbindung zwischen zweiter Verdichterstufe 10 und ersten Wärmetauscher 4 herstellt und gleichzeitig eine Strömungsverbindung zwischen zweitem Wärmetauscher 6 und erster Verdichterstufe 8 mittels des Wärmeübertragers 14. Dadurch wird dem Wärmetauscher 4 Heißgas zugeführt, das durch die zweite Verdichterstufe 10 erhitzt wurde, wo das Heißgas seine Wärme unter Kondensation abgibt und den ersten Wärmetauscher 4 in flüssiger Phase verlässt. Durch das Expansionsventil 20 wird das flüssige Medium auf Mitteldruck gebracht und verdampft. Die Umschaltvorrichtung 18 ist dabei so geschaltet, dass sie die Anschlüsse 18.1 und 18.4 zusammenschaltet, so dass das sich auf Mitteldruck entspannte Gas dem Anschluss 24 zwischen erster Verdichterstufe 8 und Mitteldruckflasche 12 zugeführt wird.
  • Niederdruckseitig steht im Heizbetrieb der Ausgang des Wärmeübertragers 14 mit dem zweiten Wärmetauscher 6 in Strömungsverbindung, welcher über das Umschaltventil 16 und die dort zusammengeschalteten Anschlüsse 16.4 und 16.3 mit dem Wärmeübertrager 14 und anschließend der ersten Verdichterstufe 8. Der Wärmeübertrager 14 und das dem zweiten Wärmetauscher 6 vorgeschaltete zweite Expansionsventil 22 sind über die zusammengeschalteten Anschlüsse 18.3 und 18.2 der Umschaltvorrichtung 18 zusammengeschaltet.
  • Im Heizbetrieb sind also hochdruckseitig die Anschlüsse 16.1 und 16.2 des Umschaltventils 16 sowie 18.1 und 18.4 der Umschaltvorrichtung 18 zusammengeschaltet. Niederdruckseitig sind die Anschlüsse 16.3, 16.4 des Umschaltventils 16 sowie 18.2 und 18.3 der Umschaltvorrichtung 18 zusammengeschaltet.
  • In dem in Figur 1b dargestellten Kühlbetrieb sind die Anschlüsse 16.1 und 16.4 des Umschaltventils 16 hochdruckseitig miteinander strömungsverbunden und die Anschlüsse 16.2 und 16.3 niederdruckseitig. Der Ausgang der zweiten Verdichterstufe 10 ist somit über das Umschaltventil 16 mit dem zweiten Wärmetauscher 6 gekoppelt.
  • Der erste Wärmetauscher 4 ist mittels des Umschaltventils 16 mit dem Wärmeübertrager 14 und dem Eingang 8.1 der nachfolgenden ersten Verdichterstufe 8 strömungsverbunden. Die Umschaltvorrichtung 18 verbindet dabei hochdruckseitig die Anschlüsse 18.2 und 18.4 und damit den zweiten Wärmetauscher 6 mittels des Expansionsventils 22 mit dem Anschluss 24 der Verbindung 26 zwischen erster Verdichterstufe 8 und Mitteldruckflasche 12.
  • Die erfindungsgemäße Wärmepumpe 2 ermöglicht somit die Verwendung mehrerer Verdichterstufen mit zwischengeschalteter Mitteldruckflasche 12, da in beiden Schaltzuständen die Mitteldruckflasche 12 stets in der gleichen Richtung durchströmt wird. Des Weiteren wird auf diese Weise die Verwendung eines Wärmeübertragers 14 zur Überhitzung des von der ersten Verdichterstufe 8 angesaugten Kältemittelgases angeschlossen. Auf diese Weise lässt sich das Kältemittelgas in den Verdichterstufen 8, 10 zusätzlich überhitzen.
  • Figur 2 zeigt eine mögliche Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Umschaltvorrichtung 18.
  • In der Umschaltvorrichtung 18 sind vier Rückschlagventile 18.5 bis 18.8 vorgesehen, die jeweils eine Sperrrichtung und jeweils eine Durchlassrichtung aufweisen. Die Anschlüsse 18.1 bis 18.4 sind an einen Leitungsring 18.9. angebunden, wobei zwischen je zwei Anschlüssen 18.1 bis 18.4 je ein Rückschlagventil 18.5 bis 18.8 angeordnet ist, wobei diese je derart angeordnet sind, dass ein Fluss von jedem Anschluss 18.1 bis 18.4 nur in eine Richtung stattfinden kann und ein Fluss zum jeweiligen Anschluss 18.1 bis 18.4 ebenfalls nur aus einer Richtung, nämlich der jeweils anderen, erfolgen kann. Auf diese Weise lassen sich je nach Druckverhältnissen je zwei Anschlüsse zusammenschalten.
    • BEZUGSZEICHENLISTE
    • 2
    Wärmepumpe
    4
    erster Wärmetauscher
    6
    zweiter Wärmetauscher
    8
    erste Verdichterstufe
    8.1
    Eingang der ersten Verdichterstufe
    8.2
    Ausgang der ersten Verdichterstufe
    10
    zweite Verdichterstufe
    12
    Mitteldruckflasche
    12.1
    Eingang der Mitteldruckflasche
    12.2
    Flüssigkeitsausgang der Mitteldruckflasche
    12.3
    Gasausgang der Mitteldruckflasche
    14
    interner Wärmeübertrager
    14.1
    erster Strom des Wärmeübertragers
    14.2
    zweiter Strom des Wärmeübertragers
    16
    Umschaltventil
    16.1-16.4
    Anschlüsse des Umschaltventils
    18
    Umschaltvorrichtung
    18.1-18.4
    Anschlüsse der Umschaltvorrichtung
    18.5-18.8
    Rückschlagventile
    18.9
    Leitungsring
    20
    erstes Expansionsventil
    22
    zweites Expansionsventil
    24
    Verbindungsleitung
    26
    Anschluss

Claims (11)

  1. Wärmepumpe, die zwischen Kühlbetrieb und Heizbetrieb umschaltbar ist, mit:
    • einem ersten Wärmetauscher (4) zur Aufnahme von Energie im Kühlbetrieb und zur Abgabe von Energie im Heizbetrieb;
    • einem zweiten Wärmetauscher (6) zur Abgabe von Energie im Kühlbetrieb und zur Aufnahme von Energie im Heizbetrieb;
    • einer ersten Verdichterstufe (8) zur Verdichtung eines Mediums;
    • einer der ersten Verdichterstufe (8) nachgeschalteten zweiten Verdichterstufe (10);
    • wobei das Druckniveau am Auslass der ersten Verdichterstufe (6) dem Druckniveau am Einlass der zweiten Verdichterstufe (10) entspricht,
    • wobei der zweiten Verdichterstufe (10) stromabwärts ein Umschaltventil (16) nachgeschaltet ist, mittels dessen im Kühlbetrieb eine Strömungsverbindung zwischen der zweiten Verdichterstufe (10) und dem zweiten Wärmetauscher (6) und im Heizbetrieb zwischen der zweiten Verdichterstufe (10) und dem ersten Wärmetauscher(4) herstellbar ist,
    dadurch gekennzeichnet, dass eine Mitteldruckflasche (12) zur Phasentrennung des flüssigen Mediums zwischen die erste Verdichterstufe (6) und die zweite Verdichterstufe (10) geschaltet ist.
  2. Wärmepumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein interner Wärmeübertrager (14) vorgesehen ist, dessen erster Strom (14.1) der ersten Verdichterstufe (8) vorgeschaltet ist und dessen zweiter Strom (14.2) einem Flüssigkeitsausgang (12.2) der Mitteldruckflasche(12) nachgeschaltet ist, sodass das in der Mitteldruckflasche (12) abgeschiedene und über den Flüssigkeitsausgang (12.2) abgeführte flüssige Medium Energie an das in die erste Verdichterstufe (8) strömende gasförmige Medium abgibt.
  3. Wärmepumpe nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Umschaltventil (16) mit vier Anschlüssen (16.1, 16.2, 16.3, 16.4) vorgesehen ist, wobei der erste Anschluss (16.1) mit der zweiten Verdichterstufe (10), der zweite Anschluss (16.2) mit dem ersten Wärmetauscher (4), der dritte Anschluss (16.3) mit der ersten Verdichterstufe (8) oder mit dem Wärmeübertrager (14) und der vierte Anschluss (16.4) mit dem zweiten Wärmetauscher (6) strömungsverbunden ist, wobei
    • im Kühlbetrieb die zweite Verdichterstufe (10) mit dem zweiten Wärmetauscher (6) und der erste Wärmetauscher (4) mit der ersten Verdichterstufe (8) oder mit dem internen Wärmeübertrager (14) und im
    • Heizbetrieb die zweite Verdichterstufe (10) mit dem ersten Wärmetauscher (4) und der zweite Wärmetauscher (6) mit der ersten Verdichterstufe (8) oder mit dem internen Wärmeübertrager (14) strömungsverbunden sind.
  4. Wärmepumpe nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Umschaltvorrichtung (18) vorgesehen ist, die den ersten Wärmetauscher (4) oder den zweiten Wärmetauscher (6) mittels je eines zwischengeschalteten Expansionsventils (20, 22) einer Verbindung (24) zwischen erster Verdichterstufe (8) und Mitteldruckflasche (12) zuführt.
  5. Wärmepumpe nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Umschaltvorrichtung (18) vier Anschlüsse (18.1, 18.2, 18.3, 18.4) aufweist, wobei der erste Anschluss (18.1) mittels des ersten Expansionsventils (20) mit dem ersten Wärmetauscher (4), der zweite Anschluss (18.2) mittels des zweiten Expansionsventils (22) mit dem zweiten Wärmetauscher (6), der dritte Anschluss (18.3) mit dem internen Wärmeübertrager (14) und der vierte Anschluss (18.4) mit der Verbindung (24) zwischen erster Verdichterstufe (8) und Mitteldruckflasche (12) strömungsverbunden ist, wobei
    • im Kühlbetrieb der zweite Wärmetauscher (6) mittels des zweiten Expansionsventils (22) mit der Verbindung (24) zwischen erster Verdichterstufe (8) und Mitteldruckflasche (12) sowie der . Wärmeübertrager (12) mittels des ersten Expansionsventils (20) mit dem ersten Wärmetauscher (4) und
    • im Heizbetrieb der erste Wärmetauscher (4) mittels des ersten Expansionsventils (20) mit der Verbindung (24) zwischen erster Verdichterstufe (8) und Mitteldruckflasche (12) sowie der interne Wärmeübertrager (14) mittels des zweiten Expansionsventils (22) mit dem zweiten Wärmetauscher (6) strömungsverbunden sind.
  6. Wärmepumpe nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Verdichterstufe (8) und die zweite Verdichterstufe (10) in einem gemeinsamen Kompressor angeordnet sind.
  7. Wärmepumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Verdichterstufe (8) und die zweite Verdichterstufe (10) durch einen einstufigen Kompressor mit Zwischeneinspritzung verwirklicht sind.
  8. Wärmepumpe nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Wärmetauscher (4) ein Plattenwärmeübertrager und/oder der zweite Wärmetauscher (6) ein Lamellenwärmeübertrager ist.
  9. Wärmepumpe nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Umschaltvorrichtung (18) und/oder das Umschaltventil (16) als Vier-Wege-Ventil ausgebildet sind, bei denen in den jeweiligen Schaltstellungen jeweils zwei Anschlüsse (16.1, 16.2, 16.3, 16.4, 18.1, 18.2, 18.3, 18.4) paarweise miteinander strömungsverbunden sind.
  10. Wärmepumpe nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Umschaltvorrichtung (18) als Anordnung von vier Rückschlagventilen (18.5, 18.6, 18.7, 18.8) ausgebildet ist, bei denen jeder Anschluss (18.1, 18.2, 18.3, 18.4) mit je zwei Anschlüssen (18.1, 18.2, 18.3, 18.4) mittels je eines dazwischengeschalteten Rückschlagventils (18.5, 18.6, 18.7, 18.8) derart geschaltet ist, dass abhängig von den Druckverhältnissen an den Anschlüssen (18.1, 18.2, 18.3, 18.4) je ein Rückschlagventil (18.5, 18.6, 18.7, 18.8) gesperrt und geöffnet ist, sodass je zwei Anschlüsse (18.5, 18.6, 18.7, 18.8) miteinander strömungsverbunden sind.
  11. Wärmepumpe nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Gasaustritt der Mitteldruckflasche (12), der Austritt (8.2) der ersten Verdichterstufe (8) und der Eintritt der zweiten Verdichterstufe (10) zu einem Sternpunkt verbunden sind.
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