EP3583365B1 - Verfahren zum betreiben einer wärmepumpe - Google Patents

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EP3583365B1
EP3583365B1 EP18716943.8A EP18716943A EP3583365B1 EP 3583365 B1 EP3583365 B1 EP 3583365B1 EP 18716943 A EP18716943 A EP 18716943A EP 3583365 B1 EP3583365 B1 EP 3583365B1
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EP
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fluid
compression
evaporator
heat
heat pump
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Siemens Energy Global GmbH and Co KG
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Definitions

  • the invention relates to a method for operating a heat pump, in which a fluid is continuously guided in a fluid circuit and thermal energy is transferred from a heat source to the fluid in an evaporator, the fluid being at least partially evaporated and the fluid then being compressed.
  • the fluid is then at least partially liquefied to deliver thermal energy to a heat sink at a higher temperature level than the heat source and then expanded for cooling, with a first partial flow of the fluid being discharged via a first bypass in part-load operation from the fluid circuit after compression and before liquefaction.
  • Line is branched off and the fluid circuit is fed back downstream of the evaporator and before the compression.
  • a method according to the invention is defined in claim 1.
  • thermal energy ie heat
  • a heat source In heat pumps, thermal energy, ie heat, is absorbed by a heat source and given off to a heat sink as a result of the evaporation of a fluid which circulates in a working direction in the fluid circuit of the heat pump.
  • the fluid with the absorbed thermal energy is brought to an increased pressure level by means of a compressor and then liquefied at a condensation temperature that is higher than an evaporation temperature.
  • a condensation temperature that is higher than an evaporation temperature
  • the efficiency of a heat pump is measured using a coefficient of performance (COP), with the coefficient of performance being given at best by the reciprocal efficiency of a Carnot cycle.
  • the performance figure corresponds to the quotient of benefit to effort. If the heat pump is used to heat the heat sink, this corresponds to the amount of heat Q warm given off to the heat sink divided by the workload W mech of the compressor. The greater the absolute difference (temperature rise) between the evaporation and condensation temperature of the fluid, the lower the efficiency of the heat pump.
  • the mass flow, the temperature level and the temporal availability of the heat source are almost constant in order to be able to rely on the heat pump's constant efficiency and performance. If the heat pump is operated with waste heat from industrial processes, fluctuations in the three parameters can occur. In these cases, with reduced parameters, the heat pump must run at partial load in order to be able to utilize as much heat from the heat source as possible. During periods of reduced heat source performance, a reduced volume flow of vaporized fluid flows out of the evaporator. If the compressor unit of the heat pump includes piston or screw compressors based on the displacement principle, such heat pumps of the prior art are adapted to the reduced volume flow of the evaporated fluid in partial load operation, for example by adjusting the speed of the compressor.
  • turbo compressors as compression machines based on the flow principle.
  • An adaptation of the operation of turbo compressors to a reduced volume flow of the gaseous fluid flowing out of the evaporator by means of speed control with a frequency converter is only possible in a limited partial load range (up to approx. 90% of the volume flow). If the speed were to be reduced further, the flow on the pressure side of the turbo compressor could collapse and a so-called pumping process could occur on the turbo compressor. This is to be avoided so that the volume flow does not fall below a minimum volume flow dependent on the operating point of the compressor.
  • turbo compressors In order to adapt the operation of turbo compressors to a reduced volume flow flowing out of the evaporator, it is also known to equip the turbo compressors with an adjustable angle of attack for the guide vanes (IGV). By adjusting the guide vanes, the volume flow can be throttled down to approx. 70% of the volume flow while the pressure ratio remains the same. It is also known to arrange a bypass line with at least one bypass valve to adapt the operation of heat pumps to a reduced volume flow of the fluid flowing out of the evaporator, so that the fluid circuit downstream of the compressor unit and upstream of the condenser is fluidly connected to the fluid circuit downstream of the evaporator and upstream of the compressor unit. The volume flow flowing through the compressor unit can be adjusted by means of the bypass valve.
  • IGV adjustable angle of attack for the guide vanes
  • the partial flow flowing through the bypass line also increases the temperature of the suction gas (fluid in the inlet area of the compressor unit) and thus also the temperature of the discharge gas (fluid at the outlet of the compressor unit).
  • 2015/285539 A1 discloses a method for operating a heat pump, wherein a fluid is continuously guided in a fluid circuit and heat energy is transferred from a heat source to the fluid in an evaporator, the fluid at least partially evaporated and subsequently compressed. The fluid is then at least partially liquefied to deliver thermal energy to a heat sink at a higher temperature level than the heat source, and subsequently expanded to cool.
  • a first partial flow of the fluid is branched off via a first bypass line and fed back to the fluid circuit downstream of the evaporator and before the compression.
  • the entire liquid fluid flow is diverted via a second bypass line, parallel to the evaporator.
  • a second expansion valve and a second evaporator are arranged in this second bypass line, so that the fluid in the evaporated state is mixed with the first partial flow before compression.
  • the heat pump which does not belong to the invention, is designed for use in the method according to the invention.
  • the fluid flowing through the second bypass line is mixed with the fluid flowing through the first bypass line and evaporates in the process.
  • the temperature of the first partial flow is lowered from the pressure gas temperature to a lower mixing temperature.
  • the second partial flow branched off via the second bypass line which would actually be conducted into the evaporator without being branched off, is vaporized according to the invention by means of the first partial flow, without the heat source having to be used for this purpose.
  • Mixing preferably takes place within the first bypass line, in that the second bypass line opens into the first bypass line.
  • the mixing can also take place within the fluid circuit downstream of the evaporator and upstream of the compressor unit, in that both bypass lines open into the fluid circuit in this area and the partial flows mix with one another there before entering the compressor unit.
  • This alternative variant is particularly useful when the fluid circuit downstream of the evaporator via a Detour to the compressor runs and a correspondingly long Route is available in this area of the fluid circuit for the mixing of the two partial flows.
  • the two bypass lines comprise at least one valve in the case of the first bypass line and means for metering the flow rate in the case of the second bypass line.
  • the means for metering the flow rate of the second bypass line can be a pump and/or a valve, for example.
  • the valves or the pump can be adjustable and/or controllable and/or regulatable and can be controlled and/or regulated, for example, by a control/regulating device of a heat pump system that includes the heat pump.
  • the volume flows and their relationship to each other can be selected in the partial load operation of the heat pump to each other so that the fluid at the beginning, during and at the end of the compression is at least saturated vapor to overheated. This avoids liquid hammer on the compressor when using turbo compressors.
  • the volume flows and their relationship to one another can be selected in the partial load operation of the heat pump in such a way that a material- or gas-dependent maximum temperature is not exceeded at the end of the compression. This prevents the fluid from decomposing and prevents material damage in the compressor unit due to excessive temperatures.
  • the heat pump can be operated at part load with a higher flow rate and is therefore particularly suitable for extending the part load range of heat pumps with at least one turbo compressor.
  • a control/regulating unit can be used according to an exemplary embodiment of the invention, which adjusts and monitors the volume flow via the bypass lines and the ratio of the two partial flows to one another in partial load operation in such a way that a material or gas-dependent maximum temperature is not exceeded at the end of compression and the heat pump is switched off if the heat source output is too low .
  • this can be carried out in combination with a speed setting and/or control and/or regulation of the compressor.
  • a combination with an adjustment and/or control and/or regulation of the angle of attack of guide vanes can be carried out.
  • the compressor unit comprises at least one compressor, the compressor being a turbo compressor.
  • This configuration is particularly suitable for heat pumps in industrial applications in the power range of more than 500 kW.
  • the expansion unit comprises at least two expansion devices connected in series, with a separator for separating a gas phase and a liquid phase is interposed between the two expansion devices, the second bypass line being fluidically connected to a region of the separator designed for the accumulation of the liquid phase.
  • the expansion device may be a choke.
  • a choke has a narrowing of the flow path such that the fluid expands due to the reduced pressure while flowing through the narrowed portion.
  • the cross section of the throttle can be adjustable.
  • the separator arranged between the two expansion devices serves to improve the efficiency of the heat pump by at least partially feeding the separated gaseous phase to the fluid circuit between two compression steps.
  • the second bypass line is fluidically connected to an area of the separator designed for the accumulation of the liquid phase.
  • the separator can include a pressure vessel for separating the gas and liquid phases.
  • the gaseous phase of the fluid collects in an upper area of the pressure vessel, it being possible for the gaseous fluid to be sucked in by the at least one compressor in this area via a supply line.
  • the second bypass line can branch off from the lower area of the pressure vessel, for example.
  • the second bypass line can be fluidically connected to an area of the evaporator that is flooded during operation.
  • This configuration is also suitable for heat pumps without separators.
  • the heat pump comprises means for overheating the fluid flowing out of the evaporator with a heat exchanger which is designed in such a way that it thermally discharges the fluid flowing out of the condenser before it enters the expansion unit fluid flowing through the evaporator before it enters the compressor unit, the first bypass line opening into the fluid circuit downstream of the heat exchanger and the second bypass line opening into the first bypass line or also opening into the fluid circuit downstream of the heat exchanger.
  • This configuration enables the use of high-temperature fluids with a positive slope of the dew line in a temperature versus entropy diagram.
  • the fluid In order not to reach a state range of the fluid during the compression of the fluid (both in full and in part load), in which drop formation and thus damage by drop impact in the compressor unit occurs, the fluid must before entering the Compressor unit overheated.
  • the degree of overheating can be designed using the area of the heat exchanger for full-load operation.
  • the two bypass lines can, for example, open into the fluid circuit in the outlet area of the heat exchanger.
  • a heat source with an external energy supply can be switched on, which is arranged and designed to transfer heat to the fluid in the fluid circuit downstream of the heat exchanger and upstream of the compressor unit.
  • the object of the invention is to specify a method of the type mentioned at the outset for operating a heat pump, with which an extended range of partial load operation in the direction of lower heat source power is made possible.
  • the object is achieved according to the invention in a method of the type mentioned for operating a heat pump in that a liquid partial flow is branched off from the fluid circuit after partial liquefaction and upstream of the evaporator via a second bypass line and mixed with the first partial flow before compression.
  • the fluid flowing through the second bypass line is mixed with the fluid flowing through the first bypass line flowing fluid mixed and vaporized here.
  • the temperature of the first partial flow is lowered from the pressure gas temperature to a lower mixing temperature.
  • the second partial flow branched off via the second bypass line which would actually be conducted into the evaporator without being branched off, is vaporized according to the invention by means of the first partial flow, without the heat source having to be used for this purpose.
  • Mixing preferably takes place within the first bypass line.
  • the liquid partial flow can be routed into the first bypass line, for example by the second bypass line opening into the first bypass line.
  • the mixing can also take place additionally or alternatively within the fluid circuit downstream of the evaporator and before the compression of the fluid, in that the liquid partial flow is additionally or alternatively routed into the fluid circuit downstream of the evaporator and before the compression, for example by the second bypass line additionally or alternatively opens into the fluid circuit in this area.
  • the design of the method according to the invention allows the heat pump to be operated with a higher volume flow in part-load operation and is therefore particularly suitable for expanding the part-load range in heat pumps with at least one turbo compressor.
  • a turbo compressor attention should be paid to a sufficiently high volume flow at the respective operating point of the turbo compressor, which should not fall below an operating point-dependent minimum volume flow, so that the flow to the pressure side of the compressor does not collapse.
  • the ratio of the first and second partial flow is adjusted and/or controlled and/or regulated in the partial load operation of the heat pump in such a way that the fluid is at least saturated vapor to overheated at the beginning, during and at the end of the compression.
  • This embodiment of the invention prevents damage caused by liquid in the compressor, particularly in the case of a heat pump with at least one turbo compressor.
  • at least one valve can be provided in the case of the first bypass lines and, in the case of the second bypass line, means for metering the flow rate, such as a pump and/or valve.
  • the valves or the pump can be adjustable and/or controllable and/or regulatable and can be controlled and/or regulated, for example, by means of a control/regulating device.
  • the setting and/or control and/or regulation of the volume flow can be carried out in combination with a speed setting and/or control and/or regulation of the compressor.
  • a combination with an adjustment and/or control and/or regulation of the angle of attack of guide vanes can also be carried out.
  • the ratio of the first and second partial flow is set and/or controlled and/or regulated in such a way that a material- or gas-dependent maximum temperature at the end of the compression is not exceeded in the partial-load operation of the heat pump.
  • the invention is suitable for the operation of heat pumps with a heat source whose performance fluctuates greatly and at times makes it necessary to operate the heat pump in the border area of the operating range of the heat pump.
  • the invention prevents decomposition of the fluid and material damage in the at least one compressor used for compression due to excessively high temperatures.
  • the volume flow of the first and second partial flow is set and/or controlled and/or regulated in such a way that a minimum volume flow, which is dependent on the operating point of the compressor, is not fallen below.
  • This embodiment of the invention is particularly suitable when using a heat pump with at least one turbo compressor for carrying out the method.
  • liquid partial flow is routed into the first bypass line and/or into the fluid circuit downstream of the evaporator and before compression.
  • This embodiment of the invention enables the two partial flows to be mixed within the first bypass line and/or within the fluid circuit downstream of the evaporator and before compression.
  • Mixing preferably takes place within the first bypass line.
  • the liquid partial flow can be routed into the first bypass line, for example by the second bypass line opening into the first bypass line.
  • the mixing can also take place additionally or alternatively within the fluid circuit downstream of the evaporator and before the compression of the fluid, in that the liquid partial flow is additionally or alternatively routed into the fluid circuit downstream of the evaporator and before the compression, for example by the second bypass line additionally or alternatively opens into the fluid circuit in this area.
  • a further advantageous embodiment of the invention can provide that the heat pump is operated with a high-temperature fluid whose dew line essentially has a positive slope in a temperature-versus-entropy diagram, and thermal energy of the fluid circuit after the liquefaction and before the expansion to the fluid is transferred downstream of the evaporator and before compression, so that the fluid is overheated at the beginning, during and after the compression, with the first partial flow or alternatively both partial flows being fed to the fluid circuit after the transfer of thermal energy in part-load operation.
  • the advantageous embodiment of the invention enables the heat pump to be operated with high-temperature fluids which have such a slope of the dew line and therefore have to be overheated before compression in order to avoid damage to the compressor.
  • the thermal energy can be transferred by means of a heat exchanger.
  • the degree of superheating can be set by designing the surface of the heat exchanger. For example, this can be selected in such a way that, both under full load and under partial load, the fluid is in a state after compression that maintains a safety margin (temperature difference) to the dew line.
  • the expansion takes place in at least two expansion steps, with a gas phase of the fluid being separated from a liquid phase of the fluid at least between two expansion steps, and the liquid partial flow being branched off from the liquid phase.
  • the separation of a gaseous phase from a liquid phase that takes place between two expansion steps serves to improve the efficiency of the heat pump by at least partially feeding the separated gaseous phase to the fluid circuit between two compression steps.
  • the separated liquid phase which would otherwise be completely fed to the evaporator, is partially branched off as a second partial flow via the second bypass line.
  • the partial liquid flow is branched off from a flooded area of the evaporator.
  • This embodiment of the invention is also suitable for operating heat pumps without a separator.
  • FIG 1 shows schematically a fluid circuit 21 of a heat pump 12 according to the prior art.
  • the fluid 2 is conveyed through the heat pump 12 in a flow direction 11 .
  • An evaporator 10 vaporizes the fluid while absorbing thermal energy of the heat source 4 so that it assumes a vapor state 1.
  • the fluid 2 enters a compressor unit 7, which comprises a compressor 7a, and is compressed to a compression state 3.
  • the compression state 3 it flows into a condenser 8, releasing thermal energy to the heat sink 20, and is converted into a condensed state 5, and finally expanded in an expansion unit 9 having an expansion device 9a.
  • the fluid 2 assumes an expansion state 6, in which state it is again supplied to the evaporator 10.
  • the fluid is thus conveyed continuously through the heat pump 12 in accordance with the direction of flow 11 and, during the evaporation in the evaporator 10, absorbs heat from the heat source 4 and, during the liquefaction in the condenser 8, releases thermal energy at a higher temperature level than that of the Heat source 4 to the heat sink 20 from.
  • figure 2 shows a temperature-over-entropy diagram 23, which corresponds to the image plane to the right, ie on the abscissa axis an entropy 14 and on the image plane upwards, ie on the ordinate axis a temperature 13.
  • the temperature-versus-entropy diagram 23 represents both a dew line 18, a boiling line 19 and different states of aggregation of a fluid exists in liquid as well as in gaseous state.
  • the boiling line 19 delimits the 2-phase region 16 from a liquid phase 17 .
  • the illustrated temperature-over-entropy diagram 23 shows a dew line 18 of a fluid with an essentially negative slope.
  • thermodynamic states of the fluid which the fluid passes through the in figure 1 shown fluid circuit assumes a heat pump according to the prior art.
  • vapor state 1 according to the direction of flow 11 reaches compression state 3 by compression.
  • the compression state 3 is within the gas phase 15, which is why the compressor 7a would not suffer any damage from liquid impacts as a result of droplet formation in the fluid if it were designed as a turbo compressor.
  • the connecting line shown between the individual states is in figure 2 and figure 3 shown as straight connecting lines, but can also deviate from this ideal course.
  • the condenser 8 sets the condensed state 5, which is on the boiling line.
  • the expansion state 6 is reached by the passage of the fluid through the expansion device 9a, and then the vapor state 1 of the fluid is reached again through the supply of energy in the evaporator 10.
  • the circuit of the heat pump 12 is thus closed.
  • figure 3 shows analogous to figure 2 a temperature versus entropy diagram 24, but for a different fluid.
  • the course of the boiling line 19 and the dew line 18 of the fluid delimits a strongly overhanging 2-phase region 16, so that the dew line 18 essentially has a positive slope. If such a fluid is added to the fluid circuit in figure 1 Subject to the heat pump shown according to the prior art, the compression state 3 is within the 2-phase region 16. As a result, in the case of a turbo compressor, damage can occur in the compressor 7a due to liquid hammer.
  • figure 4 shows schematically a fluid circuit 28 of a heat pump 26 according to an example not according to the invention.
  • a compressor unit 7 with two compressors 7a, 7b is arranged in the fluid circuit 28 following an evaporator 10 in the direction of flow.
  • the compressors 7a and 7b are arranged in series and can be designed as turbo compressors.
  • Downstream of the compressor unit 7, the fluid circuit 28 comprises a condenser 8 and subsequently an expansion unit 9 with two expansion devices arranged in series 9a, 9b.
  • the expansion device 9a and/or 9b can be designed as a throttle or, for example, as an expansion valve.
  • the fluid circuit 28 of the heat pump 26 also includes means 34 with a heat exchanger 32 for superheating the fluid flowing out of the evaporator 10.
  • the heat exchanger 32 is designed in such a way that it thermally combines the fluid flowing out of the condenser 8 with the fluid before it enters the expansion unit 9 fluid flowing through the evaporator 10 before it enters the compressor unit 7 .
  • a separator 30 for separating a gas and liquid phase is interposed between the two expansion devices 9a and 9b with a gas phase inlet 36 opening into the fluid circuit 28 between the two compressors 7a and 7b
  • the means 34 also include a switchable heating device 38, which can be heated with an external energy source 40.
  • the heat pump 26 comprises a first bypass line 42 with a bypass valve 43, so that the fluid circuit 28 downstream of the compressor unit 7 and upstream of the condenser 8 is fluidly connected to the fluid circuit 28 downstream of the evaporator 10 and upstream of the Compressor unit 7 is connected and a second bypass line 45.
  • the second bypass line includes means 46 for metering the flow rate, which are designed as a valve 47.
  • the second bypass line 45 branches off from the separator 30 and opens into the first bypass line 42 so that a liquid phase of the fluid branched off from the separator 30 can be introduced into the first bypass line 42 by means of the second bypass line 45 .
  • the second bypass line 45 could also branch off from a flooded area 49 instead of from the separator. This alternative course of the second bypass line is not shown in the figure.
  • the ratio of the partial flows flowing through the bypass lines in part-load operation can be adjusted by means of the valve under Means for metering a flow rate are set and/or controlled and/or regulated in such a way that the fluid is at least saturated vapor to overheated at the beginning (vapor state 1b), during (compression state 3a and 3b) and at the end of the compression (compression state 3c) and a material- or gas-dependent maximum temperature at the end of compression (compression state 3c) is not exceeded.
  • the fluid circuit shown allows the heat pump 26 not according to the invention to operate the heat pump at lower heat source outputs.
  • the illustrated embodiment allows the use of a high-temperature fluid with a positive slope of the dew line in conjunction with a high coefficient of performance.
  • the figure 5 shows a flowchart of an exemplary embodiment of the method according to the invention, a fluid with a dew line with a substantially positive slope in a pressure-versus-enthalpy diagram being selected and used in a preparatory method step VS1 for operating the heat pump.
  • the superheating of the fluid in the fluid circuit is selected - e.g. by designing the heat exchanger surface - such that the distance to the dew line at the compressor end point is at least 10K, in particular 10K to 20K.
  • a preparatory process step VS3 data for partial load operation is transferred to a control/regulating unit, in particular which maximum temperature of the compressed gas is to be maintained and which operating-point-dependent minimum volume flows are to be maintained in the compressor unit.
  • a heating device is switched on to overheat the fluid.
  • heat energy from a heat source to a fluid in a Evaporator is transferred, the fluid at least partially evaporated.
  • the fluid is superheated after the transfer of heat energy and before compression, and here heat energy is removed from the fluid leaving the condenser before expansion and is transferred to the fluid leaving the evaporator before compression.
  • step VS7 the fluid is subsequently compressed in a first compression step.
  • step VS8 the compressed fluid is compressed in a second compression step.
  • a method step VS9 the fluid for delivering thermal energy to a heat sink is at least partially liquefied at a higher temperature level than the heat source.
  • the fluid is expanded for cooling in a first expansion step.
  • a gas phase of the fluid is separated from a liquid phase of the fluid and the gaseous fluid is at least partially supplied to the fluid between at least two compression steps.
  • the fluid is expanded in a second expansion step and is fed back to the evaporator and the fluid circulating in the fluid circuit of the heat pump continuously runs through method steps VS5 to VS12. If the heat pump is operated in part-load operation, method steps VS13 and VS14 are also continuously repeated.
  • a first partial flow of the fluid is branched off from the fluid circuit after the compression and before the liquefaction via a first bypass line and fed back to the fluid circuit downstream of the evaporator and before the compression and from the fluid circuit after the partial liquefaction and upstream of the evaporator via a second bypass line branched off a liquid second partial flow and mixed with the first partial flow.
  • the volume flows via the two bypass lines and their relationship to one another are regulated in such a way that the fluid at the beginning, during and at the end of the compression is at least saturated vapor to overheated and the maximum temperature at the end of the compression is not exceeded and a minimum volume flow dependent on the operating point of the compressor is not undershot.
  • method step VS14 it is checked whether all the conditions of method step VS13 can currently be met. If not, the heat pump is switched off in method step VS15 due to insufficient power from the heat source. If so, method step VS13 is repeated.

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Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Betreiben einer Wärmepumpe, wobei ein Fluid kontinuierlich in einem Fluidkreislauf geführt wird und hierbei Wärmeenergie von einer Wärmequelle auf das Fluid in einem Verdampfer übertragen wird, wobei das Fluid zumindest teilweise verdampft und das Fluid nachfolgend verdichtet wird. Anschließend wird das Fluid zur Abgabe von Wärmeenergie an eine Wärmesenke auf einem höheren Temperaturniveau als die Wärmequelle mindestens teilweise verflüssigt und nachfolgend zur Abkühlung expandiert, wobei in einem Teillastbetrieb vom Fluidkreislauf nach der Verdichtung und vor der Verflüssigung ein erster Teilstrom des Fluids über eine erste Bypass-Leitung abgezweigt wird und dem Fluidkreislauf stromab des Verdampfers und vor der Verdichtung wieder zugeführt wird. Ein Verfahren gemäß der Erfindung wird in Anspruch 1 definiert.
  • In Wärmepumpen wird durch die Verdampfung eines Fluids, welches in dem Fluidkreislauf der Wärmepumpe in einer Arbeitsrichtung zirkuliert, thermische Energie, das heißt Wärme, von einer Wärmequelle aufgenommen und an eine Wärmesenke abgegeben. Hierbei wird das Fluid mit der aufgenommenen thermischen Energie mittels eines Verdichters auf ein erhöhtes Druckniveau gebracht und anschließend bei einer im Vergleich zu einer Verdampfungstemperatur erhöhten Verflüssigungstemperatur verflüssigt. Um das Fluid am Ende des Kreislaufs zurück in den Ausgangszustand zu bringen, wird es expandiert, wodurch sich seine Temperatur wieder absenkt.
  • 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. Die Leistungszahl entspricht dem Quotienten aus Nutzen zu Aufwand. Wird die Wärmepumpe zum Heizen der Wärmesenke verwendet, entspricht dies der an die Wärmesenke abgegebenen Wärmemenge Qwarm geteilt durch den Arbeitsaufwand Wmech des Verdichters. Je größer die betragsmäßige Differenz (Temperaturhub) zwischen der Verdampfungs- und Verflüssigungstemperatur des Fluids ist, desto niedriger ist die Effizienz der Wärmepumpe.
  • Idealerweise ist der Massenstrom, das Temperaturniveau und die zeitliche Verfügbarkeit der Wärmequelle nahezu konstant, um auf eine gleichbleibende Effizienz und Leistung der Wärmepumpe zurück greifen zu können. Wird die Wärmepumpe mit Abwärme aus industriellen Prozessen betrieben, können Schwankungen der drei Parameter auftreten. In diesen Fällen muss bei reduzierten Parametern die Wärmepumpe in Teillast fahren, um so viel Wärmemenge der Wärmequelle wie möglich ausnutzen zu können. In Zeiträumen mit verminderter Wärmequellenleistung strömt ein verminderter Volumenstrom verdampften Fluids aus dem Verdampfer. Umfasst die Verdichter-Einheit der Wärmepumpe Kolben- oder Schraubenverdichter nach dem Verdrängungsprinzip, werden derartige Wärmepumpen des Standes der Technik im Teillastbetrieb beispielsweise durch Anpassung der Drehzahl der Verdichter an den reduzierten Volumenstrom des verdampften Fluids angepasst. Wärmepumpen zur Verwendung von Abwärme aus industriellen Prozessen umfassen aber oftmals Turboverdichter als Verdichtungsmaschinen nach dem Strömungsprinzip. Eine Anpassung des Betriebs von Turboverdichtern an einen reduzierten Volumenstrom des aus dem Verdampfer strömenden gasförmigen Fluids mittels Drehzahlregelung mit einem Frequenzumrichter ist nur in einem begrenzten Teillastbereich (bis auf ca. 90% des Volumenstroms)möglich. Würde die Drehzahl weiter verringert, könnte es zu einem Zusammenbruch der Strömung auf der Druckseite des Turboverdichters kommen und zu einem sogenannten Pumpvorgang am Turboverdichter. Dies ist zu vermeiden, so dass der Volumenstrom einen vom Betriebspunkt des Verdichters abhängigen Mindestvolumenstrom nicht unterschreitet. Zur Anpassung des Betriebs von Turboverdichtern an einen aus dem Verdampfer strömenden reduzierten Volumenstrom ist es auch bekannt, die Turboverdichter mit verstellbarem Anstellwinkel der Vorleitschaufeln (IGV) auszustatten. Durch eine Verstellung der Vorleitschaufeln kann der Volumenstrom bis auf ca. 70% des Volumenstroms bei gleichbleibendem Druckverhältnis gedrosselt werden. Weiterhin ist bekannt, zur Anpassung des Betriebs von Wärmepumpen an einen reduzierten Volumenstrom des aus dem Verdampfer strömenden Fluids eine Bypass-Leitung mit mindestens einem Bypass-Ventil anzuordnen, so dass der Fluidkreislauf stromab der Verdichter-Einheit und stromauf des Verflüssigers fluidisch mit dem Fluidkreislauf stromab des Verdampfers und stromauf der Verdichter-Einheit verbindbar ist. Mittels des Bypass-Ventils lässt sich der durch die Verdichter-Einheit strömende Volumenstrom einstellen. Allerdings wird durch den über die Bypass-Leitung strömenden Teilstrom auch die Temperatur des Sauggases (Fluid im Eintrittsbereich der Verdichter-Einheit) erhöht und somit auch die Temperatur des Druckgases (Fluid am Ausgang der Verdichter-Einheit). Sowohl für das Fluid selbst (aufgrund thermische Zersetzung oberhalb einer kritischen Temperatur) als auch für die Verdichter-Materialien (thermische Spannungen) gibt es Temperaturobergrenzen. Diese können je nach Fluid und Materialien unterschiedlich sein, wobei die niedrigere der beiden Temperaturen den über die Bypass-Leitung strömenden Anteil des Fluidstroms begrenzt und damit auch den Bereich des Teillastbetriebes der Wärmepumpe in Richtung niedriger Wärmequellen-Leistung. US 2015/285539 A1 offenbart ein Verfahren zum Betreiben einer Wärmepumpe, wobei ein Fluid kontinuierlich in einem Fluidkreislauf geführt wird und hierbei Wärmeenergie von einer Wärmequelle auf das Fluid in einem Verdampfer übertragen wird, wobei das Fluid zumindest teilweise verdampft und nachfolgend verdichtet wird. Das Fluid wird dann zur Abgabe von Wärmeenergie an eine Wärmesenke auf einem höheren Temperaturniveau als die Wärmequelle mindestens teilweise verflüssigt, und nachfolgend zur Abkühlung expandiert. Nach der Verdichtung und vor der Verflüssigung wird ein erster Teilstrom des Fluids über eine erste Bypass-Leitung abgezweigt und dem Fluidkreislauf stromab des Verdampfers und vor der Verdichtung wieder zugeführt. Nach der teilweisen Verflüssigung und stromauf des Verdampfers wird über eine zweite Bypass-Leitung, parallel zum Verdampfer, der gesamte flüssige Fluidstrom abgezweigt. In dieser zweiten Bypass-Leitung ist ein zweites Expansionsventil und ein zweiter Verdampfer angeordnet, so dass das Fluid im verdampften Zustand mit dem ersten Teilstrom vor der Verdichtung vermischt wird.
  • Die Wärmepumpe welche nicht zur Erfindung gehört, ist zur Verwendung in dem erfindungsgemäßen Verfahren ausgebildet. Im Teillastbetrieb der Wärmepumpe wird das über die zweite Bypass-Leitung strömende Fluid mit dem über die erste Bypass-Leitung strömenden Fluid vermischt und verdampft hierbei. Durch die Beimischung der flüssigen Phase wird die Temperatur des ersten Teilstroms von der Druckgastemperatur auf eine niedrigerer Mischtemperatur abgesenkt. Der über die zweite Bypass-Leitung abgezweigte zweite Teilstrom, welcher unabgezweigt eigentlich in den Verdampfer geleitet werden würde, wird erfindungsgemäß mittels des ersten Teilstroms verdampft, ohne dass die Wärmequelle hierfür verwendet werden müsste. Die Vermischung erfolgt bevorzugt innerhalb der ersten Bypass-Leitung, indem die zweite Bypass-Leitung in die erste Bypass-Leitung einmündet. Die Vermischung kann aber auch innerhalb des Fluidkreislaufs stromab des Verdampfers und stromauf der Verdichter-Einheit erfolgen, indem beide Bypass-Leitungen in diesem Bereich in den Fluidkreislauf einmünden und die Teilströme sich dort miteinander vor Eintritt in die Verdichter-Einheit vermischen. Diese alternative Variante bietet sich insbesondere an, wenn der Fluidkreislauf stromab des Verdampfers über einen Umweg zum Verdichter verläuft und eine entsprechend lange Strecke in diesem Bereich des Fluidkreislaufs für die Vermischung der beiden Teilströme zur Verfügung steht.
  • Die beiden Bypass-Leitungen umfassen für den Teillastbetrieb im Falle der ersten Bypass-Leitung mindestens ein Ventil und im Falle der zweiten Bypass-Leitung Mittel zur Dosierung der Durchflussmenge. Bei den Mitteln zur Dosierung der Durchflussmenge der zweiten Bypass-Leitung kann es sich beispielsweise um eine Pumpe und/oder ein Ventil handeln. Die Ventile bzw. die Pumpe können einstellbar und/oder steuerbar und/oder regelbar sein und beispielsweise von einer Steuer/Regeleinrichtung einer die Wärmepumpe umfassenden Wärmepumpenanlage ansteuerbar und/oder regelbar sind.
  • Die Volumenströme und deren Verhältnis zueinander können im Teillastbetrieb der Wärmepumpe so zueinander gewählt werden, dass das Fluid zu Beginn, während und am Ende der Verdichtung mindestens gesättigt dampfförmig bis überhitzt ist. Dies vermeidet bei der Verwendung von Turboverdichtern Flüssigkeitsschläge am Verdichter. Die Volumenströme und deren Verhältnis zueinander können im Teillastbetrieb der Wärmepumpe so zueinander gewählt werden, dass eine material- oder gasabhängige Maximaltemperatur am Ende der Verdichtung nicht überschritten wird. Dies vermeidet eine Zersetzung des Fluids und verhindert Materialschäden in der Verdichter-Einheit aufgrund zu hoher Temperaturen. Die Wärmepumpe kann Teillastbetrieb mit höherem Volumenstrom betrieben werden und eignet sich somit besonders zur Erweiterung des Teillastbereiches bei Wärmepumpen mit mindestens einem Turboverdichter. Bei einem Turboverdichter ist auf einen ausreichend hohen Volumenstrom am jeweiligen Betriebspunkt des Turboverdichters zu achten, der einen betriebspunktabhängigen Mindestvolumenstrom nicht unterschreiten sollte, damit die Strömung zur Druckseite des Verdichters hin nicht zusammenbricht. Wird die Wärmepumpe mit einer Wärmequelle betrieben, deren Leistung stark schwankt und zeitweise besonders geringe Werte annehmen kann, kann gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung eine Steuer/Regeleinheit vorgesehen sein, welche im Teillastbetrieb den Volumenstrom über die Bypass-Leitungen und das Verhältnis der beiden Teilströme zueinander so einstellt und überwacht, dass eine material- oder gasabhängige Maximaltemperatur am Ende der Verdichtung nicht überschritten wird und die Wärmepumpe bei zu geringer Wärmequellen-Leistung abgeschaltet wird. Gemäß einem weiteren nicht erfindungsmäßigen Beispiel kann im Teillastbetrieb der Wärmepumpe diese in Kombination mit einer Drehzahl-Einstellung und/oder -Steuerung und/oder -Regelung der Verdichter vorgenommen werden. Bei Turboverdichtern kann alternativ oder zusätzlich eine Kombination mit einer Einstellung und/oder Steuerung und/oder Regelung des Anstellwinkels von Leitschaufeln vorgenommen werden.
  • Es kann bei der Wärmepumpe vorgesehen sein, dass die Verdichter-Einheit mindestens einen Verdichter umfasst, wobei der Verdichter ein Turboverdichter ist.
  • Diese Ausgestaltung eignet sich besonders für Wärmepumpen in der industriellen Anwendung im Leistungsbereich von mehr als 500 kW.
  • Es kann bei einer Wärmepumpe vorgesehen sein, dass die Expansionseinheit mindestens zwei in Reihe geschaltete Expansionsvorrichtungen umfasst, wobei ein Abscheider zur Trennung einer Gas- und Flüssigphase zwischen den beiden Expansionsvorrichtungen zwischengeschaltet ist, wobei die zweite Bypass-Leitung fluidisch mit einem für die Ansammlung der Flüssigphase ausgebildeten Bereich des Abscheiders verbunden ist.
  • Die Expansionsvorrichtung kann eine Drossel sein. Eine Drossel weist eine Verengung des Strömungspfades auf, so dass das Fluid aufgrund des verringerten Drucks während des Durchströmens des verengten Abschnitts expandiert. Der Querschnitt der Drossel kann einstellbar sein. Der zwischen den beiden Expansionsvorrichtungen angeordnete Abscheider dient der Verbesserung des Wirkungsgrads der Wärmepumpe, indem die abgeschiedene gasförmige Phase mindestens teilweise dem Fluidkreislauf zwischen zwei Verdichtungsschritten zugeführt wird. Gemäß des nicht erfindungsgemäßen Beispiels ist die zweite Bypass-Leitung fluidisch mit einem für die Ansammlung der Flüssigphase ausgebildeten Bereich des Abscheiders verbunden. Der Abscheider kann einen Druckbehälter zur Trennung der Gas- und Flüssigphase umfassen. In dem Druckbehälter sammelt sich in einem oberen Bereich die gasförmige Phase des Fluids an, wobei in diesem Bereich das gasförmige Fluid über eine Zuleitung von dem mindestens einen Verdichter angesaugt werden kann. Die zweite Bypass-Leitung kann beispielsweise von dem unteren Bereich des Druckbehälters abzweigen.
  • Die zweite Bypass-Leitung kann fluidisch mit einem im Betrieb überfluteten Bereich des Verdampfers verbunden sein.
  • Diese Ausgestaltung eignet sich auch für Wärmepumpen ohne Abscheider.
  • Es kann weiter ,nicht erfindungsgemäß, vorgesehen sein, dass die Wärmepumpe Mittel zur Überhitzung des aus dem Verdampfer strömenden Fluids mit einem Wärmetauscher umfasst, welcher derart ausgebildet ist, dass er thermisch aus dem Verflüssiger strömendes Fluid vor Eintritt in die Expansionseinheit mit aus dem Verdampfer strömenden Fluid vor Eintritt in die Verdichter-Einheit verbindet, wobei die erste Bypass-Leitung stromab des Wärmetauschers in den Fluidkreislauf und die zweite Bypass-Leitung in die erste Bypass-Leitung oder ebenfalls stromab des Wärmetauschers in den Fluidkreislauf einmündet.
  • Diese Ausgestaltung ermöglicht die Verwendung von Hochtemperaturfluiden mit einer positiven Steigung der Taulinie in einem Temperatur-über-Entropie-Diagramm. Um während der Verdichtung des Fluids (sowohl in Voll- als auch in Teillast) nicht in einen Zustandsbereich des Fluides zu gelangen, in welchem es zu Tropfenbildung und damit zu Schäden durch Tropfenschlag in der Verdichter-Einheit kommt, muss das Fluid vor Eintritt in die Verdichter-Einheit überhitzt werden. Der Grad der Überhitzung kann mittels der Fläche des Wärmetauschers für den Volllastbetrieb ausgelegt werden. Die beiden Bypass-Leitungen können beispielsweise in den Ausgangsbereich des Wärmetauschers in den Fluidkreislauf einmünden. Für eine Startphase des Wärmepumpenbetriebs kann eine Heizquelle mit externer Energieversorgung zuschaltbar sein, welche zur Übertragung von Wärme auf das Fluid im Fluidkreislauf stromab des Wärmetauschers und stromauf der Verdichter-Einheit angeordnet und ausgebildet ist.
  • Die Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren der eingangs genannten Art zum Betreiben einer Wärmepumpe anzugeben, mit welchem ein in Richtung niedriger Wärmequellen-Leistung erweiterter Bereich des Teillastbetriebes ermöglicht ist.
  • Die Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einem Verfahren der eingangs genannten Art zum Betrieb einer Wärmepumpe dadurch gelöst, dass vom Fluidkreislauf nach der teilweisen Verflüssigung und stromauf des Verdampfers über eine zweite Bypass-Leitung ein flüssiger Teilstrom abgezweigt und mit dem ersten Teilstrom vor der Verdichtung vermischt wird.
  • Im Teillastbetrieb der Wärmepumpe wird das über die zweite Bypass-Leitung strömende Fluid mit dem über die erste Bypass-Leitung strömenden Fluid vermischt und verdampft hierbei.
  • Durch die Beimischung der flüssigen Phase wird die Temperatur des ersten Teilstroms von der Druckgastemperatur auf eine niedrigerer Mischtemperatur abgesenkt. Der über die zweite Bypass-Leitung abgezweigte zweite Teilstrom, welcher unabgezweigt eigentlich in den Verdampfer geleitet werden würde, wird erfindungsgemäß mittels des ersten Teilstroms verdampft, ohne dass die Wärmequelle hierfür verwendet werden müsste. Die Vermischung erfolgt bevorzugt innerhalb der ersten Bypass-Leitung. Hierzu kann der flüssige Teilstrom in die erste Bypass-Leitung geleitet werden, indem beispielsweise die zweite Bypass-Leitung in die erste Bypass-Leitung einmündet. Die Vermischung kann aber auch zusätzlich oder alternativ innerhalb des Fluidkreislaufs stromab des Verdampfers und vor der Verdichtung des Fluids erfolgen, indem der flüssige Teilstrom zusätzlich oder alternativ in den Fluidkreislauf stromab des Verdampfers und vor der Verdichtung geleitet wird, beispielsweise indem die zweite Bypass-Leitung zusätzlich oder alternativ in den Fluidkreislauf in diesem Bereich einmündet.
  • Durch die erfindungsgemäße Ausbildung des Verfahrens kann die Wärmepumpe im Teillastbetrieb mit höherem Volumenstrom betrieben werden und eignet sich somit besonders zur Erweiterung des Teillastbereiches bei Wärmepumpen mit mindestens einem Turboverdichter. Bei einem Turboverdichter sollte auf einen ausreichend hohen Volumenstrom am jeweiligen Betriebspunkt des Turboverdichters geachtet werden, der einen betriebspunktabhängigen Mindestvolumenstrom nicht unterschreiten sollte, damit die Strömung zur Druckseite des Verdichters hin nicht zusammenbricht.
  • Erfindungsgemäß wird im Teillastbetrieb der Wärmepumpe das Verhältnis des ersten und zweiten Teilstroms derart eingestellt und/oder gesteuert und/oder geregelt wird, dass das Fluid zu Beginn, während und am Ende der Verdichtung mindestens gesättigt dampfförmig bis überhitzt ist.
  • Diese Ausgestaltung der Erfindung verhindert insbesondere bei einer Wärmepumpe mit mindestens einem Turboverdichter Schäden durch Flüssigkeit im Verdichter. Um im Teillastbetrieb das Verhältnis des ersten und zweiten Teilstroms einzustellen und/oder zu steuern und/oder zu regeln, kann im Falle der ersten Bypass-Leitungen mindestens ein Ventil vorgesehen sein und im Fall der zweiten Bypass-Leitung Mittel zur Dosierung der Durchflussmenge wie beispielsweise eine Pumpe und/oder ein Ventil. Die Ventile bzw. die Pumpe können einstellbar und/oder steuerbar und/oder regelbar sein und beispielsweise mittels einer Steuer/Regeleinrichtung ansteuerbar und/oder regelbar sind. Die Einstellung und/oder Steuerung und/oder Regelung des Volumenstroms kann gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung in Kombination mit einer Drehzahl-Einstellung und/oder -Steuerung und/oder -Regelung der Verdichter vorgenommen werden. Bei Turboverdichtern kann gemäß diesem Ausführungsbeispiel zusätzlich eine Kombination mit einer Einstellung und/oder Steuerung und/oder Regelung des Anstellwinkels von Leitschaufeln vorgenommen werden.
  • Erfindungsgemäß wird im Teillastbetrieb der Wärmepumpe das Verhältnis des ersten und zweiten Teilstroms derart eingestellt und/oder gesteuert und/oder geregelt wird, dass eine material- oder gasabhängige Maximaltemperatur am Ende der Verdichtung nicht überschritten wird.
  • Die Erfindung eignet sich für den Betrieb von Wärmepumpen mit einer Wärmequelle, deren Leistung stark schwankt und zeitweise den Betrieb der Wärmepumpe im Grenzbereich des Betriebsbereichs der Wärmepumpe erforderlich macht. Die Erfindung verhindert eine Zersetzung des Fluids und Materialschäden in dem mindestens einen zur Verdichtung verwendeten Verdichter aufgrund zu hoher Temperaturen.
  • Vorteilhafterweise kann weiter vorgesehen sein, dass im Teillastbetrieb der Volumenstrom des ersten und zweiten Teilstroms derart eingestellt und/oder gesteuert und/oder geregelt wird, dass ein vom Betriebspunkt des Verdichters abhängiger Mindestvolumenstrom nicht unterschritten wird.
  • Diese Ausgestaltung der Erfindung eignet sich besonders bei der Verwendung einer Wärmepumpe mit mindestens einem Turboverdichter zur Durchführung des Verfahrens.
  • Es kann auch als vorteilhaft angesehen werden, dass der flüssige Teilstrom in die erste Bypass-Leitung geleitet wird und/oder in den Fluidkreislauf stromab des Verdampfers und vor der Verdichtung.
  • Diese Ausgestaltung der Erfindung ermöglicht eine Vermischung der beiden Teilströme innerhalb der ersten Bypass-Leitung und/oder innerhalb des Fluidkreislaufs stromab des Verdampfers und vor der Verdichtung.
  • Die Vermischung erfolgt bevorzugt innerhalb der ersten Bypass-Leitung. Hierzu kann der flüssige Teilstrom in die erste Bypass-Leitung geleitet werden, indem beispielsweise die zweite Bypass-Leitung in die erste Bypass-Leitung einmündet. Die Vermischung kann aber auch zusätzlich oder alternativ innerhalb des Fluidkreislaufs stromab des Verdampfers und vor der Verdichtung des Fluids erfolgen, indem der flüssige Teilstrom zusätzlich oder alternativ in den Fluidkreislauf stromab des Verdampfers und vor der Verdichtung geleitet wird, beispielsweise indem die zweite Bypass-Leitung zusätzlich oder alternativ in den Fluidkreislauf in diesem Bereich einmündet.
  • Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung kann vorsehen, dass die Wärmepumpe mit einem Hochtemperaturfluid betrieben wird, dessen Taulinie im Wesentlichen eine positive Steigung in einem Temperatur-über-Entropie-Diagramm aufweist, und Wärmeenergie des Fluidkreislaufs nach der Verflüssigung und vor der Expansion auf das Fluid stromab des Verdampfers und vor der Verdichtung übertragen wird, so dass das Fluid bei Beginn, während und nach der Verdichtung überhitzt ist, wobei im Teillastbetrieb der erste Teilstrom oder alternativ beide Teilströme nach der Übertragung der Wärmeenergie dem Fluidkreislauf zugeführt werden.
  • Die vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ermöglicht einen Betrieb der Wärmepumpe mit Hochtemperaturfluiden, die eine derartige Steigung der Taulinie aufweisen und deshalb vor der Verdichtung überhitzt werden müssen zur Vermeidung von Schäden am Verdichter. Die Übertragung der Wärmeenergie kann mittels eines Wärmetauschers erfolgen. Durch die Auslegung der Fläche des Wärmetauschers lässt sich ein Grad der Überhitzung einstellen. Beispielsweise kann dieser derart gewählt werden, dass sowohl in Volllast als auch in Teillast das Fluid nach der Verdichtung sich in einem Zustand befindet, der einen Sicherheitsabstand (Temperaturdifferenz) zur Taulinie einhält.
  • Weiter kann vorteilhaft vorgesehen sein, dass die Expansion in mindestens zwei Expansionsschritten erfolgt, wobei mindestens zwischen zwei Expansionsschritten eine Gas-Phase des Fluids von einer Flüssig-Phase des Fluids separiert wird, und der flüssige Teilstrom von der Flüssig-Phase abgezweigt wird.
  • Die zwischen zwei Expansionsschritten erfolgende Separierung einer Gas-Phase von einer Flüssig-Phase dient der Verbesserung des Wirkungsgrads der Wärmepumpe, indem die abgeschiedene gasförmige Phase mindestens teilweise dem Fluidkreislauf zwischen zwei Verdichtungsschritten zugeführt wird. Gemäß der erfindungsgemäßen Ausgestaltung wird die separierte Flüssig-Phase, die andernfalls vollständig dem Verdampfer zugeführt werden würde, teilweise über die zweite Bypass-Leitung als zweiter Teilstrom abgezweigt.
  • Es kann auch als vorteilhaft angesehen werden, dass der flüssige Teilstrom von einem überfluteten Bereich des Verdampfers abgezweigt wird.
  • Diese Ausgestaltung der Erfindung eignet sich auch für den Betrieb von Wärmepumpen ohne Abscheider.
  • Weitere zweckmäßige Ausgestaltungen und Vorteile der Erfindung sind Gegenstand der Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung unter Bezug auf die Figur der Zeichnung, wobei gleiche Bezugszeichen auf gleich wirkende Bauteile verweisen.
  • Dabei zeigt die
    • Fig. 1
    schematisch einen Fluidkreislauf einer Wärmepumpe nach dem Stand der Technik,
    Fig. 2
    schematisch ein Temperatur-über-Entropie Diagramm des Fluids R134a mit eingezeichnetem Zustandsverlaufs während des in Figur 1 dargestellten Fluidkreislaufs einer Wärmepumpe nach dem Stand der Technik,
    Fig. 3
    schematisch ein Temperatur-über-Entropie-Diagramm eines Fluids mit einer Taulinie mit im Wesentlichen positiver Steigung und eingezeichnetem Zustandsverlaufs des Fluids bei Durchlaufen des in Figur 1 dargestellten Fluidkreislaufs einer Wärmepumpe nach dem Stand der Technik,
    Fig. 4
    schematisch einen Fluidkreislauf einer Wärmepumpe, die nicht Teil der Erfindung ist, gemäß einem Beispiel, und
    Fig. 5
    schematisch ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
  • Figur 1 zeigt schematisch einen Fluidkreislauf 21 einer Wärme pumpe 12 nach dem Stand der Technik. Das Fluid 2 wird in einer Strömungsrichtung 11 durch die Wärmepumpe 12 gefördert. Ein Verdampfer 10 verdampft das Fluid unter Aufnahme von Wärmeenergie der Wärmequelle 4, so dass es einen Dampfzustand 1 einnimmt. In diesem Dampfzustand 1 tritt das Fluid 2 in eine Verdichter-Einheit 7, welche einen Verdichter 7a umfasst, ein und wird auf einen Verdichtungszustand 3 verdichtet. In dem Verdichtungszustand 3 strömt es in einen Verflüssiger 8 unter Abgabe von Wärmeenergie an die Wärmesenke 20 und wird in einen kondensierten Zustand 5 überführt, und schließlich in einer Expansionseinheit 9 mit einer Expansionsvorrichtung 9a expandiert. Infolgedessen nimmt das Fluid 2 einen Expansionszustand 6 an, wobei es in diesem Zustand wiederum dem Verdampfer 10 zugeführt wird. Das Fluid wird also während des Betriebs der Wärmepumpe 12 kontinuierlich entsprechend der Strömungsrichtung 11 durch die Wärmepumpe 12 gefördert und nimmt hierbei bei der Verdampfung im Verdampfer 10 Wärme der Wärmequelle 4 auf und gibt während der Verflüssigung im Verflüssiger 8 Wärmeenergie auf einem höheren Temperaturniveau als das der Wärmequelle 4 an die Wärmesenke 20 ab.
  • Figur 2 zeigt ein Temperatur-über-Entropie-Diagramm 23, welches entsprechend der Bildebene nach rechts zu, also auf der Abszissenachse eine Entropie 14 und auf der Bildebene nach oben zu, also auf der Ordinatenachse eine Temperatur 13 darstellt. Das Temperatur-über-Entropie-Diagramm 23 stellt sowohl eine Taulinie 18, eine Siedelinie 19, sowie unterschiedliche Aggregatzustände eines Fluids dar. Die Taulinie 18 grenzt eine Gasphase 15 von einem 2-Phasengebiet 16 ab, wobei im 2-Phasengebiet 16 das Fluid sowohl in flüssigem, als auch in gasförmigem Zustand vorliegt. Die Siedelinie 19 grenzt das 2-Phasengebiet 16 von einer Flüssigkeitsphase 17 ab. Das dargestellte Temperatur-über-Entropie-Diagramm 23 zeigt eine Taulinie 18 eines Fluids mit im Wesentlichen negativer Steigung.
  • Ebenfalls in Figur 2 schematisch dargestellt, sind verschiedene thermodynamische Zustände des Fluids, welches das Fluid beim Durchlaufen des in Figur 1 dargestellten Fluidkreislaufs einer Wärmepumpe nach dem Stand der Technik annimmt. Ausgehend vom Dampfzustand 1 wird entsprechend der Strömungsrichtung 11 durch Verdichtung der Verdichtungszustand 3 erreicht. Der Verdichtungszustand 3 befindet sich innerhalb der Gasphase 15, weshalb der Verdichter 7a bei einer Ausgestaltung als Turboverdichter keine Schäden durch Flüssigkeitsschläge in Folge von Tropfenbildung im Fluid nehmen würde. Die dargestellte Verbindungslinie zwischen den einzelnen Zuständen sind in Figur 2 und Figur 3 als gerade Verbindungslinien dargestellt, können jedoch auch von diesem idealen Verlauf abweichen. Ausgehend vom Verdichtungszustand 3 wird durch den Verflüssiger 8 der kondensierte Zustand 5 eingestellt, welcher sich auf der Siedelinie befindet. Ausgehend vom kondensierten Zustand 5 wird durch den Durchtritt des Fluids durch die Expansionsvorrichtung 9a der Expansionszustand 6 erreicht und anschließend durch Energiezufuhr im Verdampfer 10 wieder der Dampfzustand 1 des Fluids erreicht. Somit ist der Kreislauf der Wärmepumpe 12 geschlossen.
  • Figur 3 zeigt analog zu Figur 2 ein Temperatur-über-Entropie-Diagramm 24, allerdings für ein anderes Fluid. Der Verlauf der Siedelinie 19 und sowie der Taulinie 18 des Fluids grenzt ein stark überhängendes 2-Phasengebiet 16 ein, so dass die Taulinie 18 im Wesentlichen eine positive Steigung aufweist. Wird ein solches Fluid dem Fluidkreislauf der in Figur 1 dargestellten Wärmepumpe gemäß dem Stand der Technik unterworfen, liegt der Verdichtungszustand 3 innerhalb des 2-Phasengebietes 16. Demzufolge kann es im Verdichter 7a im Falle eines Turboverdichters zu Schäden durch Flüssigkeitsschläge kommen.
  • Figur 4 zeigt schematisch einen Fluidkreislauf 28 einer Wärmepumpe 26 gemäß einem nicht erfindungsgemäßen Beispiel.
  • Im Fluidkreislauf 28 sind in Strömungsrichtung auf einen Verdampfer 10 folgend eine Verdichter-Einheit 7 mit zwei Verdichtern 7a, 7b angeordnet. Die Verdichter 7a und 7b sind in Reihe angeordnet und können als Turboverdichter ausgebildet sein. Stromab der Verdichter-Einheit 7 umfasst der Fluidkreislauf 28 einen Verflüssiger 8 und nachfolgend eine Expansionseinheit 9 mit zwei in Reihe angeordnete Expansionsvorrichtungen 9a, 9b. Die Expansionsvorrichtung 9a und/oder 9b kann als Drossel oder beispielsweise als Expansionsventil ausgebildet sein. Der Fluidkreislauf 28 der Wärmepumpe 26 umfasst zudem zur Überhitzung des aus dem Verdampfer 10 ausströmenden Fluids Mittel 34 mit einem Wärmetauscher 32. Der Wärmetauscher 32 ist derart ausgebildet, dass er thermisch das aus dem Verflüssiger 8 strömende Fluid vor Eintritt in die Expansionseinheit 9 mit dem aus dem Verdampfer 10 strömenden Fluid vor Eintritt in die Verdichtereinheit 7 verbindet. Zusätzlich ist ein Abscheider 30 zur Trennung einer Gas- und Flüssigphase zwischen die beiden Expansionsvorrichtungen 9a und 9b zwischengeschaltet mit einer zwischen den beiden Verdichtern 7a und 7b in den Fluidkreislauf 28 mündenden Gasphasen-Einleitung 36. Um während einer Startphase eine ausreichende Überhitzung des aus dem Verdampfer 10 strömenden Fluids zu gewährleisten, umfassen die Mittel 34 zusätzlich eine zuschaltbare Heizvorrichtung 38, welche mit einer externen Energiequelle 40 beheizbar ist. Für den Betrieb in Teillast umfasst die Wärmepumpe 26 eine erste Bypass-Leitung 42 mit einem Bypass-Ventil 43, so dass der Fluidkreislauf 28 stromab der Verdichter-Einheit 7 und stromauf des Verflüssigers 8 fluidisch mit dem Fluidkreislauf 28 stromab des Verdampfers 10 und stromauf der Verdichter-Einheit 7 verbunden ist und eine zweite Bypass-Leitung 45. Die zweite Bypass-Leitung umfasst Mittel 46 zur Dosierung der Durchflussmenge, welche als Ventil 47 ausgebildet sind. Die zweite Bypass-Leitung 45 zweigt vom Abscheider 30 ab und mündet in die erste Bypass-Leitung 42, so dass mittels der zweiten Bypass-Leitung 45 eine aus dem Abscheider 30 abgezweigte Flüssigphase des Fluids in die erste Bypass-Leitung 42 einleitbar ist.
  • Alternativ könnte die zweite Bypass-Leitung 45 anstatt vom Abscheider auch von einem überfluteten Bereich 49 abzweigen. Dieser alternative Verlauf der zweiten Bypass-Leitung ist in der Figur nicht dargestellt.
  • Das Verhältnis der im Teillastbetrieb über die Bypass-Leitungen strömenden Teilströme kann mittels des Ventils under Mittel zur Dosierung einer Durchflussmenge derart eingestellt und/oder gesteuert und/oder geregelt werden, dass das Fluid zu Beginn (Dampfzustand 1b), während (Verdichtungszustand 3a und 3b) und am Ende der Verdichtung (Verdichtungszustand 3c) mindestens gesättigt dampfförmig bis überhitzt ist und eine material- oder gasabhängige Maximaltemperatur am Ende der Verdichtung (Verdichtungszustand 3c) nicht überschritten wird.
  • Im Unterschied zu dem in Figur 1 dargestellten Fluidkreislauf ermöglicht die nicht erfindungsgemäße Wärmepumpe 26 einen Betrieb der Wärmepumpe bei niedrigeren Wärmequellen-Leistungen. Zusätzlich ermöglicht das dargestellte Ausführungsbeispiel die Verwendung eines Hochtemperaturfluid mit positiver Steigung der Taulinie in Verbindung mit einer hohen Leistungszahl.
  • Die Figur 5 zeigt schematisch in einem Ablaufdiagramm ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens, wobei in einem vorbereitenden Verfahrensschritt VS1 zum Betreiben der Wärmepumpe ein Fluid mit einer Taulinie mit im Wesentlichen positiver Steigung in einem Druck-über-Enthalpie-Diagramm ausgewählt und verwendet wird.
  • In einem vorbereitenden Verfahrensschritt VS2 die Überhitzung des Fluids im Fluidkreislauf derart gewählt wird - z.B. mittels Auslegung der Wärmetauscherfläche -, dass der Abstand zur Taulinie am Verdichter-Endpunkt mindestens 10K, insbesondere 10K bis 20K beträgt.
  • In einem vorbereitenden Verfahrensschritt VS3 einer Steuer/Regeleinheit Daten für einen Teillastbetrieb übergeben werden, insbesondere welche Maximaltemperatur des Druckgases einzuhalten ist und welche betriebspunktabhängigen Mindestvolumenströme in der Verdichter-Einheit einzuhalten sind.
  • In einem Verfahrensschritt VS4 in einer Startphase des Betriebs der Wärmepumpe zur Überhitzung des Fluids eine Heizvorrichtung zugeschaltet wird. In einem Verfahrensschritt VS5 Wärmeenergie von einer Wärmequelle auf ein Fluid in einem Verdampfer übertragen wird, wobei das Fluid zumindest teilweise verdampft. In einem Verfahrensschritt VS6 das Fluid nach der Übertragung der Wärmeenergie und vor der Verdichtung überhitzt wird, und hierbei Wärmeenergie des den Verflüssiger verlassenden Fluids vor einer Expansion entnommen wird und auf das den Verdampfer verlassende Fluid vor einer Verdichtung übertragen wird.
  • In einem Verfahrensschritt VS7 das Fluid nachfolgend in einem ersten Verdichtungsschritt verdichtet wird.
  • In einem Verfahrensschritt VS8 das verdichtete Fluid in einem zweiten Verdichtungsschritt verdichtet wird.
  • In einem Verfahrensschritt VS9 das Fluid zur Abgabe von Wärmeenergie an eine Wärmesenke auf einem höheren Temperaturniveau als die Wärmequelle mindestens teilweise verflüssigt wird. In einem Verfahrensschritt VS10 das Fluid zur Abkühlung in einem ersten Expansionsschritt expandiert wird. In einem Verfahrensschritt VS11 eine Gas-Phase des Fluids von einer Flüssig-Phase des Fluids separiert wird und das gasförmige Fluid mindestens teilweise dem Fluid zwischen mindestens zwei Verdichtungsschritten zugeführt wird. In einem Verfahrensschritt VS12 das Fluid in einem zweiten Expansionsschritt expandiert wird, und erneut dem Verdampfer zugeführt wird und das im Fluidkreislauf der Wärmepumpe zirkulierende Fluid kontinuierlich die Verfahrensschritte VS5 bis VS12 durchläuft. Wird die Wärmepumpe in einem Teillastbetrieb betrieben, wird zusätzlich kontinuierlich der Verfahrensschritt VS13 und VS14 wiedeholt. Bei Verfahrensschritt VS13 werden vom Fluidkreislauf nach der Verdichtung und vor der Verflüssigung ein erster Teilstrom des Fluids über eine erste Bypass-Leitung abgezweigt und dem Fluidkreislauf stromab des Verdampfers und vor der Verdichtung wieder zugeführt und vom Fluidkreislauf nach der teilweisen Verflüssigung und stromauf des Verdampfers über eine zweite Bypass-Leitung ein flüssiger zweiter Teilstrom abgezweigt und mit dem ersten Teilstrom vermischt. Zudem werden in Abhängigkeit des aktuellen Volumenstroms im Dampfzustand 1a, der aktuellen Temperatur im Verdichtungszustand 3c und dem aktuellen Volumenstrom im Dampfzustand 1b die Volumenströme über die beiden Bypass-Leitungen und deren Verhältnis zueinander derart geregelt, dass das Fluid zu Beginn, während und am Ende der Verdichtung mindestens gesättigt dampfförmig bis überhitzt ist und die Maximaltemperatur am Ende der Verdichtung nicht überschritten wird und ein vom Betriebspunkt des Verdichters abhängiger Mindestvolumenstrom nicht unterschritten wird. Bei Verfahrensschritt VS14 wird überprüft, ob alle Bedingungen des Verfahrensschritt VS13 aktuell eingehalten werden können. Falls nicht, wird in Verfahrensschritt VS15 die Wärmepumpe aufgrund zu geringer Leistung der Wärmequelle abgeschaltet. Falls ja, wird Verfahrensschritt VS13 wiederholt.

Claims (6)

  1. Verfahren zum Betreiben einer Wärmepumpe, wobei ein Fluid kontinuierlich in einem Fluidkreislauf geführt wird und hierbei Wärmeenergie von einer Wärmequelle auf das Fluid in einem Verdampfer übertragen wird, wobei das Fluid zumindest teilweise verdampft (VS5) und das Fluid nachfolgend verdichtet wird (VS7, VS8), und nachfolgend zur Abgabe von Wärmeenergie an eine Wärmesenke auf einem höheren Temperaturniveau als die Wärmequelle mindestens teilweise verflüssigt wird (VS9), und nachfolgend zur Abkühlung expandiert wird (VS10, VS12),und in einem Teillastbetrieb vom Fluidkreislauf nach der Verdichtung und vor der Verflüssigung ein erster Teilstrom des Fluids über eine erste Bypass-Leitung abgezweigt wird und dem Fluidkreislauf stromab des Verdampfers und vor der Verdichtung wieder zugeführt wird, undim Teillastbetrieb vom Fluidkreislauf nach der teilweisen Verflüssigung und stromauf des Verdampfers über eine zweite Bypass-Leitung ein flüssiger zweiter Teilstrom abgezweigt und mit dem ersten Teilstrom vor der Verdichtung vermischt wird,
    wobei
    das Verhältnis des ersten und zweiten Teilstroms derart eingestellt und/oder gesteuert und/oder geregelt wird, dass das Fluid zu Beginn, während und am Ende der Verdichtung mindestens gesättigt dampfförmig bis überhitzt ist, und dass eine material- oder gasabhängige Maximaltemperatur am Ende der Verdichtung nicht überschritten wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1,
    wobei
    der Volumenstrom des ersten und zweiten Teilstroms derart eingestellt und/oder gesteuert und/oder geregelt wird, dass ein vom Betriebspunkt des Verdichters abhängiger Mindestvolumenstrom nicht unterschritten wird.
  3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2,
    wobei
    der flüssige Teilstrom in die erste Bypass-Leitung (42) geleitet wird und/oder in den Fluidkreislauf stromab des Verdampfers (10) und vor der Verdichtung.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
    wobei
    die Wärmepumpe (12, 26) mit einem Hochtemperaturfluid betrieben wird, dessen Taulinie (18) im Wesentlichen eine positive Steigung in einem Temperatur-über-Entropie-Diagramm (23, 24) aufweist, und Wärmeenergie des Fluidkreislaufs nach der Verflüssigung und vor der Expansion auf das Fluid stromab des Verdampfers und vor der Verdichtung übertragen wird, so dass das Fluid bei Beginn, während und nach der Verdichtung überhitzt ist (VS6), wobei im Teillastbetrieb der erste Teilstrom oder alternativ beide Teilströme nach der Übertragung der Wärmeenergie dem Fluidkreislauf zugeführt werden.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
    wobei
    die Expansion in mindestens zwei Expansionsschritten erfolgt, wobei mindestens zwischen zwei Expansionsschritten eine Gas-Phase des Fluids von einer Flüssig-Phase des Fluids separiert wird (VS11), und der flüssige Teilstrom von der Flüssig-Phase abgezweigt wird.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
    wobei
    der flüssige Teilstrom von einem überfluteten Bereich des Verdampfers abgezweigt wird.
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