EP3935322A1 - Kältekreis, assoziierte wärmepumpe und assoziiertes verfahren - Google Patents

Kältekreis, assoziierte wärmepumpe und assoziiertes verfahren

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EP3935322A1
EP3935322A1 EP20710056.1A EP20710056A EP3935322A1 EP 3935322 A1 EP3935322 A1 EP 3935322A1 EP 20710056 A EP20710056 A EP 20710056A EP 3935322 A1 EP3935322 A1 EP 3935322A1
Authority
EP
European Patent Office
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refrigeration circuit
fluid
flow path
refrigerant mixture
recuperator
Prior art date
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Pending
Application number
EP20710056.1A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Michael Schaumlöffel
Judith Möller
Christian Penner
Marius Holtdirk
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.)
Stiebel Eltron GmbH and Co KG
Original Assignee
Stiebel Eltron GmbH and Co KG
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Filing date
Publication date
Application filed by Stiebel Eltron GmbH and Co KG filed Critical Stiebel Eltron GmbH and Co KG
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Pending legal-status Critical Current

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    • F25B2500/00—Problems to be solved
    • F25B2500/09—Improving heat transfers

Definitions

  • the present invention relates to a refrigeration circuit, a method for operating a refrigeration circuit, a heat pump comprising such a refrigeration circuit, and a method for transferring heat through such a refrigeration circuit or through such a heat pump.
  • the F-gas regulation (Regulation (EU) No. 517/2014 of the European Parliament and of the Council of 16 April 2014 on fluorinated greenhouse gases and repealing Regulation (EC) No. 842/2006) no longer applies in kg, but weighted according to their global warming potential (C0 2 equivalent, or “global warming potential” (GWP)). So the CO 2 emissions in the EU are to be reduced by 60% to 35 million tons of CO 2 equivalent by 2030, compared to 2005.
  • the quantities of partially fluorinated hydrocarbons available on the market should be significantly reduced and their use and marketing should even be prohibited under certain circumstances.
  • the F-Gas Regulation requires systems to be checked more or less frequently, depending on or proportional to the global warming potential of their refrigerants, or to contain special additional devices.
  • the regulations for certification, disposal and labeling of such refrigerants and the systems containing them have also been tightened by the F-gas regulation.
  • refrigerants should or will mainly be used that have the lowest possible global warming potential.
  • the refrigerants preferred by the F-gas regulation are therefore those with a low GWP value.
  • these are new refrigerants that consist of several substances and have a high temperature glide of> 4 K. For substances with substances with different boiling points, the temperature glide shows the difference in boiling points.
  • Heat pumps and refrigeration circuits are known in the prior art.
  • sophisticated refrigeration circuits with the classic refrigerants are already known.
  • the disadvantage of such refrigeration circuits is the high GWP value of the refrigerants used, which, in addition to possible future usage bans, entails increased costs for the use and maintenance of the systems.
  • the first simple refrigeration circuits with new refrigerants with a temperature glide of> 4 K are also known in the prior art. However, these have a significantly lower coefficient of performance for the refrigerants if a comparable cooling or heating capacity is to be provided.
  • R32 refrigerants such as R32.
  • the coefficients of performance of R32 correspond roughly to those of a classic refrigerant (R410A) and the GWP value is significantly lower, but the GWP value is not as low as with other refrigerants, e.g. R454C or R455A, which in turn entails higher costs and greater effort to operate the system compared to these refrigerants.
  • These refrigerants with reduced GWP are flammable, but difficult to ignite and have a low flame speed, which means that the destruction in the event of ignition is reduced to a minimum.
  • the A2L flammability class describes refrigerants with a flame speed of ⁇ 10cm / s.
  • R290 propane
  • R290 is very flammable, which means that extensive safety regulations must be observed for technical devices, especially those for private households or for large-volume systems. Due to the risk of ignition of this refrigerant, a large number of potential customers of such systems or a customer of refrigerants will always prefer systems or refrigerants with a significantly lower risk of ignition than R290.
  • GWP values and flammability classes are specified for the refrigerants mentioned:
  • R290: 3 A3 The object of the present invention was therefore to provide a refrigeration circuit with a performance figure comparable to that of the current, market-typical refrigeration circuits when using refrigerants with the lowest possible GWP value.
  • a refrigeration circuit comprising a compressor, a condenser, an expansion component, an evaporator and an additional recuperator, which is designed so that a fluid flows through this, characterized in that the compressor, the condenser, the expansion component and the evaporator are arranged one behind the other as a circle in a flow path of the fluid and the additional recuperator is arranged such that a heat transfer of the fluid between the condenser and the expansion component and the fluid between the evaporator and the compressor is enabled, the fluid being a Is a refrigerant mixture of two, three, four or more different refrigerants and has a temperature glide of at least 4 K, particularly preferably a refrigerant mixture such as R454C or R455A of category A2L with a GWP of less than 150.
  • the additional recuperator results in post-evaporation and, if necessary, overheating of the refrigerant mixture between the evaporator and the compressor, at least in the flow path behind the additional recuperator.
  • the energy required for this is taken from the refrigerant mixture, which is located in the flow path behind the condenser and in front of the expansion component, or which is then also located in the recuperator, whereby further cooling and, if necessary, subcooling of the refrigerant mixture after liquefaction and before the expansion takes place.
  • the transfer or transfer of the heat takes place in the recuperator.
  • the additional recuperator thus ensures that the pressure on the low-pressure side of the refrigeration circuit, i.e. in the flow path behind the expansion part and in front of the compressor, can be increased and thus the pressure ratio across the compressor can be reduced.
  • the density of the gaseous refrigerant mixture sucked in by the compressor is thus increased, which leads to an increase in the mass flow. Since the pressure ratio is about the compressor is reduced, but the mass flow increases, the compressor input power remains almost constant, preferably constant.
  • the evaporator takes on the function of a condenser and the condenser takes on the function of an evaporator.
  • the fluid is to be regarded as a component of the refrigeration circuit.
  • the heat transfer made possible by the additional recuperator means that the temperature of the refrigerant mixture located between the evaporator and the compressor in the flow path downstream of the additional recuperator is at least 1 ° C, preferably at least 10 ° C , particularly preferably at least 12 ° C, higher than before the additional recuperator.
  • the pressure also increases due to the increased temperature in the refrigerant mixture. This increases the pressure on the low-pressure side of the refrigeration circuit and reduces the pressure ratio across the compressor. As described above, this increases the COP.
  • the pressure on the low-pressure side is increased.
  • there is a reduction in the pressure ratio across the compressor preferably a reduction by at least 0.05 bar, particularly preferably a reduction by at least 0.30 bar, compared to a refrigeration circuit without the additional recuperator, with otherwise the same structure.
  • a decrease in the pressure ratio above the compressor means that there is an increase in pressure upstream of the compressor, since the pressure is directly downstream of the compressor is determined by this. As already described, an increase in pressure upstream of the compressor and thus on the low-pressure side of the refrigeration circuit leads to an increase in the COP.
  • the present invention describes a method for operating a refrigeration circuit, preferably a refrigeration circuit according to the invention, the temperature of the fluid in the flow path downstream of the evaporator and upstream of the compressor being increased, comprising the following step:
  • the fluid being a refrigerant mixture of two, three, four or more different refrigerants and has a temperature glide of at least 4 K, particularly preferably a refrigerant mixture of flammability class A2L with a GWP ⁇ 150, for example R454C or R455A, and where the temperature of the refrigerant mixture located in the flow path on the low-pressure side behind the additional recuperator is compared with that in the flow path on the low-pressure side before the additional recuperator refrigerant mixture is increased by at least 1 ° C, preferably by at least 10 ° C, particularly preferably by at least 12 ° C.
  • An alternative embodiment of the present invention relates to a heat pump comprising a refrigeration circuit according to the invention, a heat source and a heat sink, the fluid of the refrigeration circuit being a refrigerant mixture of two, three, four or more different refrigerants and having a temperature glide of at least 4 K, particularly preferably one Refrigerant mixture of flammability class A2L with a GWP ⁇ 150, for example R454C or R455A.
  • a heat pump according to the invention has a refrigeration circuit according to the invention which contains an additional recuperator, as described above. This makes it possible to operate the heat pump with a new refrigerant or with a new refrigerant mixture with a temperature glide of at least 4 K with a coefficient of performance comparable with market-typical cooling circuits, operated with, for example, R410A.
  • the heat pump according to the invention can preferably also be present as a refrigeration system or as an air conditioning unit.
  • the present invention describes a method for absorbing heat from the environment of a refrigeration circuit according to the invention at the evaporator or at the heat source of a heat pump according to the invention, and / or for releasing heat to the environment of the refrigeration circuit at the condenser or at the heat sink Heat pump, comprising the following step: transferring heat from the fluid located in the flow path downstream of the condenser, upstream of the expansion component and in the additional recuperator to the fluid located in the flow path downstream of the evaporator, upstream of the compressor and in the additional recuperator, the fluid being is a refrigerant mixture of at least two different refrigerants and has a temperature glide of at least 4 K, particularly preferred a refrigerant mixture is selected from the group consisting of R454C and R455A and where the coefficient of performance of the system with the refrigerant mixture in the refrigeration circuit compared to the coefficient of performance of the system
  • FIG. 1 shows a schematic structure of a refrigeration circuit according to the invention.
  • FIG. 2 shows a log (p), h diagram of a refrigeration circuit according to the invention.
  • 3 shows a schematic structure of a refrigeration circuit according to the invention.
  • Fig. 1 shows a schematic structure of a refrigeration circuit according to the invention with a compressor 11, a condenser 12, an expansion component 13, an evaporator 14 and an additional recuperator 15 as described above.
  • a heating circuit as a secondary circuit is coupled to the refrigeration circuit 1 via the condenser 12.
  • 2 is a schematic and exemplary log (p), h diagram of a refrigeration circuit with a refrigerant with a temperature glide of> 4 K without recuperator 15 (defined by the area that is from point 101, point 102, point 103 and point 104 is included) or with recuperator 15 (defined by the area which is covered by point 201, point 202, point 203, point 204, point 205 and point 206).
  • the pressure p in bar is indicated on the logarithmic y-axis, the specific enthalpy h in kJ / kg on the x-axis.
  • the points in FIG. 2 or the log (p), h diagram - point 201, point 202, point 203, point 204, point 205, point 206 - are run through one after the other. In operation to heat the heating circuit, they are run counterclockwise, in operation to cool the heating circuit, they are run through in a clockwise direction.
  • the at least saturated, preferably superheated, gaseous medium is compressed at point 201 by the compressor 11, and energy is added. This increases the pressure and the specific enthalpy h up to point 202.
  • the superheated gaseous medium is liquefied by the condenser and is now available as wet steam. The liquefaction releases energy, which increases the specific enthalpy h bis at point 203 decreases. Additional energy is now emitted by the recuperator 15 and the specific enthalpy h continues to decrease up to point 204.
  • the pressure is now reduced to point 205 via the expansion component 13. Energy is now supplied via the evaporator 14, the specific enthalpy h increases up to point 206. However, more energy can now be absorbed by the recuperator 15, as a result of which the specific enthalpy h increases up to point 201.
  • FIG. 3 shows a schematic structure of a refrigeration circuit according to the invention with a compressor 11, a condenser 12, an expansion component 13, an evaporator 14 and an additional recuperator 15 as described above, as well as with a first valve 16, a second valve 17 and a bypass 18.

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Abstract

Beschrieben wird ein Kältekreis, ein Verfahren zum Betreiben eines Kältekreises, eine Wärmepumpe umfassend einen solchen Kältekreis, sowie ein Verfahren zur Wärmeübertragung durch einen solchen Kältekreis bzw. durch eine solche Wärmepumpe.

Description

KÄLTEKREIS, ASSOZIIERTE WÄRMEPUMPE UND ASSOZIIERTES VERFAHREN
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Kältekreis, ein Verfahren zum Betreiben eines Kältekreises, eine Wärmepumpe umfassend einen solchen Kältekreis, sowie ein Verfahren zur Wärmeübertragung durch einen solchen Kältekreis bzw. durch eine solche Wärmepumpe. Nach der seit 1 . Januar 2015 geltenden F-Gase- Verordnung (Verordnung (EU) Nr. 517/2014 des Europäischen Parlaments und des Rates vom 16. April 2014 über fluorierte Treibhausgase und zur Aufhebung der Verordnung (EG) Nr. 842/2006) werden Kältemittelfüllmengen nicht länger in kg, sondern nach ihrem Treibhauspotential (C02-Äquivalent, bzw.„global warming potential“ (GWP)) gewichtet. So sollen die C02-Emissionen in der EU bis zum Jahr 2030, verglichen mit dem Jahr 2005, um 60 % auf 35 Millionen Tonnen C02-Äquivalent verringert werden.
Zum Erreichen dieses Ziels sollen die am Markt verfügbaren Mengen an teilfluorierten Kohlenwasserstoffen deutlich reduziert werden und deren Verwendung und Inverkehrbringen unter gewissen Umständen sogar verboten werden. Zudem müssen durch die F-Gase- Verordnung Anlagen abhängig von bzw. proportional zu dem Treibhauspotential ihrer Kältemittel häufiger oder weniger häufig geprüft werden, bzw. besondere zusätzliche Vorrichtungen enthalten. Ebenfalls wurden durch die F-Gase- Verordnung die Regelungen zur Zertifizierung, Entsorgung und Kennzeichnung solcher Kältemittel bzw. auch die solche beinhaltenden Anlagen verschärft. Zukünftig sollen bzw. werden also hauptsächlich solche Kältemittel eingesetzt, die ein möglichst geringes Treibhauspotential besitzen. Durch die F-Gase- Verordnung bevorzugte Kältemittel sind demnach solche, die einen geringen GWP-Wert aufweisen. Dies sind insbesondere neue Kältemittel, die aus mehreren Substanzen bestehen und einen hohen Tem- peraturglide von > 4 K aufweisen. Bei Stoffen mit Substanzen mit unterschiedlichen Siede- punkten stellt der Temperaturglide die Differenz der Siedepunkte dar.
Allerdings haben sich solche Kältemittel als weniger leistungsstark erwiesen als klassische Kältemittel mit hohen GWP-Werten. Insbesondere ergaben sich bei eigenen Untersuchun- gen zum Betrieb desselben Kältekreises deutlich schlechtere Leistungszahlen für die Kältemittel mit einem Temperaturglide von beispielsweise > 4 K, verglichen mit einem klassischen Kältemittel (z. B. R410A) mit hohem GWP-Wert.
Wärmepumpen und Kältekreise sind im Stand der Technik bekannt. Insbesondere sind bereits ausgereifte Kältekreise mit den klassischen Kältemitteln bekannt. Der Nachteil solcher Kältekreise ist jedoch der hohe GWP-Wert der eingesetzten Kältemittel, welcher neben möglichen zukünftigen Verwendungsverboten erhöhte Kosten für die Verwendung und Aufrechterhaltung der Anlagen mit sich bringt.
Erste, einfache Kältekreise mit neuen Kältemitteln mit einem Temperaturglide von > 4 K sind im Stand der Technik ebenfalls bekannt. Jedoch ergibt sich bei diesen eine deutlich geringere Leistungszahl für die Kältemittel, wenn eine vergleichbare Kühl- bzw. Heizleistung erbracht werden soll.
Im Stand der Technik wurde nun versucht, auf neue Kältemittel, wie R32, umzusteigen. Die Leistungszahlen von R32 entsprechen etwa denen eines klassischen Kältemittels (R410A) und der GWP-Wert ist deutlich niedriger, jedoch ist der GWP-Wert nicht so niedrig wie bei anderen Kältemitteln, z.B. R454C oder R455A, was gegenüber diesen Kältemitteln wiederum höhere Kosten bzw. höheren Aufwand mit dem Betrieb der Anlange mit sich bringt. Diese Kältemittel mit reduziertem GWP sind brennbar, jedoch schwer entzündlich und mit geringer Flammgeschwindigkeit, wodurch die Zerstörung bei einer Entzündung auf ein Minimum reduziert wird. Die Brennbarkeitsklasse A2L beschreibt Kältemittel mit einer Flammgeschwindigkeit < 10cm/s.
Ein weiterer Versuch im Stand der Technik bestand in der Verwendung von R290 (Propan), welches sehr hohe Leistungszahlen und einen geringen GWP-Wert aufweist. Der deutliche Nachteil von R290 ist jedoch, dass dieses hochentzündlich ist, wodurch bei technischen Geräten, insbesondere solchen für den privaten Haushalt oder für großvolumige Anlagen, umfangreiche Sicherheitsvorschriften zu beachten sind. Aufgrund der Entzündungsgefahr dieses Kältemittels wird zudem ein Großteil der potentiellen Abnehmer solcher Anlagen oder ein Abnehmer von Kältemitteln stets Anlagen bzw. Kältemittel mit deutlich geringerem Entzündungsrisiko als R290 bevorzugen. Folgende GWP-Werte und Brennbarkeitsklassen sind für die genannten Kältemittel angegeben:
R410A: 2088 A1 R32: 675 A2L
R454C: 146 - 148 A2L
R455A: 146 A2L
R290: 3 A3 Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung bestand somit darin, bei Verwendung von Kältemitteln mit möglichst niedrigem GWP-Wert einen Kältekreis mit vergleichbarer Leistungszahl wie bei den derzeitigen, markttypischen Kältekreisen bereitzustellen.
Die Aufgabe wird durch die vorliegende Erfindung gelöst durch einen Kältekreis umfassend einen Verdichter, einen Verflüssiger, ein Expansionsbauteil, einen Verdampfer sowie einen zusätzlichen Rekuperator, welcher dafür ausgebildet ist, dass ein Fluid durch diesen strömt, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdichter, der Verflüssiger, das Expansionsbauteil und der Verdampfer in einem Strömungspfad des Fluids hintereinander als Kreis angeordnet sind und der zusätzliche Rekuperator so angeordnet ist, dass eine Wärmeübertragung des Fluids zwischen dem Verflüssiger und dem Expansionsbauteil und des Fluids zwischen dem Verdampfer und dem Verdichter ermöglicht wird, wobei das Fluid eine Kältemittelmischung aus zwei, drei, vier oder mehr unterschiedlichen Kältemitteln ist und einen Temperaturglide von mindestens 4 K aufweist, besonders bevorzugt eine Kältemittelmischung wie R454C oder R455A der Kategorie A2L mit einem GWP kleiner 150.
Durch den zusätzlichen Rekuperator erfolgt eine Nachverdampfung und gegebenenfalls eine Überhitzung der Kältemittelmischung zwischen dem Verdampfer und dem Verdichter, zumindest im Strömungspfad hinter dem zusätzlichen Rekuperator. Die hierfür erforderliche Energie wird dabei der Kältemittelmischung, die sich im Strömungspfad hinter dem Verflüssiger und vor dem Expansionsbauteil befindet, bzw. die sich dann ebenfalls in dem Rekuperator befindet, entnommen, wodurch eine weitere Abkühlung und gegebenenfalls eine Unterkühlung der Kältemittelmischung nach der Verflüssigung und vor der Expansion erfolgt. Der Übergang, bzw. die Übertragung der Wärme erfolgt dabei in dem Rekuperator.
Der zusätzliche Rekuperator sorgt somit dafür, dass der Druck auf der Niederdruckseite des Kältekreises, also im Strömungspfad hinter dem Expansionsteil und vor dem Verdichter, gesteigert werden kann und somit das Druckverhältnis über dem Verdichter reduziert werden kann.
Die Dichte der von dem Verdichter angesaugten, gasförmigen Kältemittelmischung ist somit erhöht, was zu einem Anstieg des Massenstromes führt. Da das Druckverhältnis über dem Verdichter reduziert wird, der Massenstrom jedoch ansteigt, bleibt die Verdichteraufnahmeleistung nahezu konstant, bevorzugt konstant.
Durch den erhöhten Massenstrom kann folglich bei gleichbleibender Enthalpiedifferenz am Verflüssiger mehr Wärme übertragen werden, sodass die Leistungszahl angehoben wer- den kann.
Unter bestimmten Umständen, beispielsweise bei Vereisung des Verdampfers, ist es sinnvoll, den Strömungspfad des Fluids im Kältekreis umzukehren, um an dem Verdampfer Wärme nach außen hin abzugeben, beispielsweise damit die Vereisung abgeschmolzen wird. In diesem Fall übernimmt der Verdampfer die Funktion eines Verflüssigers und der Verflüssiger die Funktion eines Verdampfers.
In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist das Fluid als Bestandteil des Kältekreises anzusehen.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist durch die Wärmeübertragung, die durch den zusätzlichen Rekuperator ermöglicht wird, die Temperatur der zwischen dem Verdampfer und dem Verdichter befindlichen Kältemittelmischung im Strömungspfad hinter dem zusätzlichen Rekuperator um mindestens 1 °C, bevorzugt um mindestens 10 °C, besonders bevorzugt um mindestens 12 °C, höher als vor dem zusätzlichen Rekuperator.
Durch die erhöhte Temperatur in der Kältemittelmischung nimmt ebenfalls der Druck zu. Somit steigt der Druck auf der Niederdruckseite des Kältekreises an und das Druckverhältnis über dem Verdichter wird reduziert. Wie oben beschrieben, steigt dadurch die Leistungszahl.
In einerweiteren, bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird der Druck auf der Niederdruckseite angehoben. Somit erfolgt eine Reduzierung des Druckverhältnis- ses über dem Verdichter, bevorzugt eine Reduzierung um mindestens 0,05 bar, besonders bevorzugt eine Reduzierung um mindestens 0,30 bar, verglichen mit einem Kältekreis ohne den zusätzlichen Rekuperator, mit ansonsten gleichem Aufbau.
Eine Verringerung des Druckverhältnisses über dem Verdichter bedeutet, dass eine Erhöhung des Drucks vor dem Verdichter stattfindet, da der Druck direkt nach dem Verdichter durch diesen festgelegt ist. Eine Druckerhöhung vor dem Verdichter und somit auf der Niederdruckseite des Kältekreises führt, wie bereits beschrieben, zu einer Steigerung der Leistungszahl.
Eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschreibt einen erfindungsge- mäßen Kältekreis wobei der Kältekreis zudem ein erstes Ventil und ein zweites Ventil, vor- zugsweiseauf der Hochdruckseite umfasst, das erste Ventil im Strömungspfad nach dem Verflüssiger und vor dem zusätzlichen Rekuperator angebracht ist, vorteilhaft das zweite Ventil im Strömungspfad nach dem zusätzlichen Rekuperator und vor dem Expansionsbauteil angebracht ist und das erste Ventil mit dem zweiten Ventil über einen Bypass ver- bunden ist, wodurch die Kältemittelmischung, die sich im Strömungspfad hinter dem Verflüssiger und vor dem Expansionsteil befindet, steuerbar entweder durch den zusätzlichen Rekuperator oder durch den Bypass strömen kann.
Unter bestimmten Betriebsbedingungen kann es erwünscht sein, den Strömungspfad der Kältemittelmischung durch den zusätzlichen Rekuperatorzu umgehen und stattdessen den Strömungspfad über den Bypass in Richtung des Expansionsbauteils zu leiten. Auf diese Weise wird der normalerweise Wärme zuführende Teil des zusätzlichen Rekuperators von dem Strömungspfad der Kältemittelmischung entkoppelt.
Des Weiteren beschreibt die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Betreiben eines Kältekreises, vorzugsweise einem erfindungsgemäßen Kältekreis, wobei die Temperatur des im Strömungspfad hinter dem Verdampfer und vor dem Verdichter befindlichen Fluids gesteigert wird, umfassend den folgenden Schritt:
Übertragung von Wärme aus dem im Strömungspfad hinter dem Verflüssiger, vor dem Expansionsbauteil und in dem zusätzlichen Rekuperator befindlichen Fluid auf das im Strömungspfad hinter dem Verdampfer, vor dem Verdichter und in dem zusätzlichen Rekuperator befindliche Fluid wobei das Fluid eine Kältemittelmischung aus zwei, drei, vier oder mehr unterschiedlichen Kältemitteln ist und einen Temperaturglide von mindestens 4 K aufweist, besonders bevorzugt eine Kältemittelmischung der Brennbarkeitsklasse A2L mit einem GWP < 150, beispielsweise R454C oder R455A , und wobei die Temperatur der im Strömungspfad auf der Niederdruckseite hinter dem zusätzlichen Rekuperator befindlichen Kältemittelmischung, verglichen mit der im Strömungspfad auf der Niederdruckseite vor dem zusätzlichen Rekuperator befindlichen Kältemittelmischung, um mindestens 1 °C, bevorzugt um mindestens 10 °C, besonders bevorzugt um mindestens 12 °C erhöht ist.
Eine alternative Ausführungsform der vorliegenden Erfindung betrifft eine Wärmepumpe umfassend einen erfindungsgemäßen Kältekreis, eine Wärmequelle und eine Wärmesenke, wobei das Fluid des Kältekreises eine Kältemittelmischung aus zwei, drei, vier oder mehr unterschiedlichen Kältemitteln ist und einen Temperaturglide von mindestens 4 K aufweist, besonders bevorzugt eine Kältemittelmischung der Brennbarkeitsklasse A2L mit einem GWP < 150, beispielsweise R454C oder R455A. Im Gegensatz zu Wärmepumpen aus dem Stand der Technik weist eine erfindungsgemäße Wärmepumpe einen erfindungsgemäßen Kältekreis auf, der einen zusätzlichen Rekuperator, wie oben beschrieben, beinhaltet. Dadurch ist es möglich, die Wärmepumpe mit einem neuen Kältemittel, bzw. mit einer neuen Kältemittelmischung mit einem Temperaturglide von mindestens 4 K bei einer mit markttypischen Kältekreisen, betrieben mit bei- spielsweise R410A, vergleichbaren Leistungszahl zu betreiben.
Vorzugsweise kann die erfindungsgemäße Wärmepumpe auch als Kälteanlage oder als Klimagerät vorliegen.
Die für den erfindungsgemäßen Kältekreis beschriebenen Vorteile und bevorzugten Ausführungsformen gelten für die erfindungsgemäße Wärmepumpe entsprechend. Zudem beschreibt die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Aufnahme von Wärme aus der Umgebung eines erfindungsgemäßen Kältekreises an dem Verdampfer bzw. an der Wärmequelle einer erfindungsgemäßen Wärmepumpe, und/oder zur Abgabe von Wärme an die Umgebung des Kältekreises an dem Verflüssiger bzw. an der Wärmesenke der Wärmepumpe, umfassend den folgenden Schritt: - Übertragung von Wärme aus dem im Strömungspfad hinter dem Verflüssiger, vor dem Expansionsbauteil und in dem zusätzlichen Rekuperator befindlichen Fluid auf das im Strömungspfad hinter dem Verdampfer, vor dem Verdichter und in dem zusätzlichen Rekuperator befindliche Fluid wobei das Fluid eine Kältemittelmischung aus mindestens zwei unterschiedlichen Kälte- mittein ist und einen Temperaturglide von mindestens 4 K aufweist, besonders bevorzugt eine Kältemittelmischung ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus R454C und R455A ist und wobei die Leistungszahl der Anlage mit der Kältemittelmischung in dem Kältekreis, verglichen mit der Leistungszahl der Anlage mit derselben Kältemittelmischung in einem Kältekreis ohne den zusätzlichen Rekuperator und ansonsten gleichem Aufbau, um min- destens 2 %, bevorzugt um mindestens 6 %, besonders bevorzugt um mindestens 10 % erhöht ist.
Ausführungsbeispiele sind beschrieben mit Verweis auf Fig. 1 bis Fig. 3.
Fig. 1 zeigt einen schematischen Aufbau eines erfindungsgemäßen Kältekreises.
Fig. 2 zeigt ein log(p),h-Diagramm eines erfindungsgemäßen Kältekreises. Fig. 3 zeigt einen schematischen Aufbau eines erfindungsgemäßen Kältekreises.
Fig. 1 zeigt einen schematischen Aufbau eines erfindungsgemäßen Kältekreises mit einem Verdichter 1 1 , einem Verflüssiger 12, einem Expansionsbauteil 13, einem Verdampfer 14 und einem zusätzlichen Rekuperator 15 wie oben beschrieben. Beispielsweise ist über den Verflüssiger 12 ein Heizkreis als Sekundärkreis mit dem Kältekreis 1 gekoppelt. Fig. 2 ist ein schematisches und exemplarisches log(p),h-Diagramm eines Kältekreises mit einem Kältemittel mit einem Temperaturglide von > 4 K ohne Rekuperator 15 (definiert durch die Fläche, die von Punkt 101 , Punkt 102, Punkt 103 und Punkt 104 umfasst ist) bzw. mit Rekuperator 15 (definiert durch die Fläche, die von Punkt 201 , Punkt 202, Punkt 203, Punkt 204, Punkt 205 und Punkt 206 umfasst ist). Der Druck p in bar ist dabei auf der logarithmischen y-Achse, die spezifische Enthalpie h in kJ/kg auf der x-Achse angegeben. Während des Betriebs des Kältekreislaufs mit Rekuperator 15 werden die Punkte der Fig. 2, bzw. des log(p),h-Diagramms - Punkt 201 , Punkt 202, Punkt 203, Punkt 204, Punkt 205, Punkt 206 - nacheinander durchlaufen. Bei Betrieb zum Heizen des Heizkreises werden diese gegen den Uhrzeigersinn, bei Betrieb zum Kühlen des Heizkreises mit dem Uhrzei- gersinn durchlaufen.
Das mindestens gesättigte, bevorzugt überhitzte, gasförmige Medium wird an Punkt 201 durch den Verdichter 1 1 verdichtet, Energie wird zugegeben. Dadurch nehmen der Druck, sowie die spezifische Enthalpie h bis zu Punkt 202 zu. Durch den Verflüssiger wird das überhitzte gasförmige Medium verflüssigt und liegt zwischenzeitlich als Nassdampf vor. Durch die Verflüssigung wird Energie freigegeben, wodurch die spezifische Enthalpie h bis zu Punkt 203 abnimmt. Durch den Rekuperator 15 wird nun zusätzliche Energie abgegeben und die spezifische Enthalpie h nimmt bis zu Punkt 204 weiter ab. Über das Expansionsbauteil 13 wird nun der Druck bis zu Punkt 205 gesenkt. Über den Verdampfer 14 wird nun Energie zugeführt, die spezifische Enthalpie h steigt bis zu Punkt 206. Durch den Re- kuperator 15 kann nun jedoch mehr Energie aufgenommen werden, wodurch die spezifische Enthalpie h bis zu Punkt 201 ansteigt.
Bei dem gleichen Kältekreis ohne Rekuperator 15 (wie oben beschrieben) werden die Punkte der Fig. 2 - Punkt 101 , Punkt 102, Punkt 103, Punkt 104 - in gleicher weise durchlaufen, jedoch ohne den Rekuperator 15. Hierbei wird deutlich, dass die Energieaufnahme (Enthalpiedifferenz zwischen Punkt 104 und Punkt 102 der Fig. 2) sowie die Energieabgabe (Enthalpiedifferenz zwischen Punkt 102 und Punkt 103 der Fig. 2) geringer ist als bei dem oben beschriebenen Kältekreis mit Rekuperator 15. Der Druckunterschied zwischen Punkt 101 und Punkt 102, bzw. zwischen Punkt 103 und Punkt 104 ist dabei jedoch größer als bei dem oben beschriebenen Kältekreis mit Rekuperator 15. Fig. 3 zeigt einen schematischen Aufbau eines erfindungsgemäßen Kältekreises mit einem Verdichter 1 1 , einem Verflüssiger 12, einem Expansionsbauteil 13, einem Verdampfer 14 und einem zusätzlichen Rekuperator 15 wie oben beschrieben, sowie mit einem ersten Ventil 16, einem zweiten Ventil 17 und einem Bypass 18.

Claims

Ansprüche
1 . Kältekreis (1 ) umfassend einen Verdichter (1 1 ), einen Verflüssiger (12), ein Expansionsbauteil (13), einen Verdampfer (14) sowie einen zusätzlichen Rekuperator (15), welcher dafür ausgebildet ist, dass ein Fluid durch diesen strömt, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdichter (1 1), der Verflüssiger (12), das Expansionsbauteil (13) und der Verdampfer (14) in einem Strömungspfad des Fluids hintereinander als Kreis angeordnet sind und der zusätzliche Rekuperator (15) so angeordnet ist, dass eine Wärmeübertragung des Fluids zwischen dem Verflüssiger (12) und dem Expansionsbauteil (13) und des Fluids zwischen dem Verdampfer (14) und dem Verdichter (1 1 ) ermöglicht wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Fluid eine Kältemittelmischung aus zwei, drei, vier oder mehr unterschiedlichen Kältemitteln ist und einen Temperaturglide von mindestens 4 K aufweist.
2. Kältekreis (1) nach Anspruch 1 , wobei das Fluid Bestandteil des Kältekreises (1) und eine Kältemittelmischung bestehend aus R454C oder R455A ist.
3. Kältekreis (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei durch die Wärmeübertragung, die durch den zusätzlichen Rekuperator (15) ermöglicht wird, die Temperatur der zwischen dem Verdampfer (14) und dem Verdichter (1 1 ) befindlichen Kältemittelmischung im Strömungspfad hinter dem zusätzlichen Rekuperator (15) um mindestens 1 °C, bevorzugt um mindestens 10 °C, besonders bevorzugt um mindestens 12 °C, höher ist als vor dem zusätzlichen Rekuperator (15).
4. Kältekreis (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Druckverhältnis über dem Verdichter (1 1 ) reduziert ist, bevorzugt um mindestens 0,05 bar, besonders bevorzugt um mindestens 0,30 bar, verglichen mit einem Kältekreis ohne den zusätzlichen Rekuperator (15), mit ansonsten gleichem Aufbau.
5. Kältekreis (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Kältekreis (1) zudem ein erstes Ventil (16) und ein zweites Ventil (17) umfasst, das erste Ventil (16) im Strömungspfad nach dem Verflüssiger (14) und vor dem zusätzlichen Rekuperator (15) angebracht ist, das zweite Ventil (17) im Strömungspfad nach dem zusätzlichen Rekuperator (15) und vor dem Expansionsbauteil (13) angebracht ist und das erste Ventil (16) mit dem zweiten Ventil (17) über einen Bypass (18) verbunden ist, wodurch die Kältemittelmischung, die sich im Strömungspfad hinter dem Verflüssiger (12) und vor dem Expansionsteil (13) befindet, steuerbar entweder durch den zusätzlichen Rekuperator (15) oder durch den Bypass (18) strömen kann.
6. Wärmepumpe mit einem Kältekreis (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche.
7. Verfahren zum Betreiben eines Kältekreises, vorzugsweise eines Kältekreises (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Temperatur des im Strömungspfad hinter dem Verdampfer (14) und vor dem Verdichter (1 1) befindlichen Fluids gesteigert wird, umfassend den folgenden Schritt:
Übertragung von Wärme aus dem im Strömungspfad hinter dem Verflüssiger (12), vor dem Expansionsbauteil (13) und in dem zusätzlichen Rekuperator (15) befindlichen Fluid auf das im Strömungspfad hinter dem Verdampfer (14), vor dem Verdichter (1 1) und in dem zusätzlichen Rekuperator (15) befindliche Fluid wobei das Fluid eine Kältemittelmischung aus zwei, drei, vier oder mehr unterschiedlichen Kältemitteln ist und einen Temperaturglide von mindestens 4 K aufweist, besonders bevorzugt eine Kältemittelmischung ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus R454C oder R455A ist, und wobei die Temperatur der im Strömungspfad auf der Niederdruckseite hinter dem zusätzlichen Rekuperator (15) befindlichen Kältemittelmischung, verglichen mit der im Strömungspfad vor dem zusätzlichen Rekuperator (15) befindlichen Kältemittelmischung, um mindestens 1 °C, bevorzugt um mindestens 10 °C, besonders bevorzugt um mindestens 12 °C erhöht ist.
8. Wärmepumpe nach Anspruch 6, umfassend eine Wärmequelle und eine Wärmesenke, wobei das Fluid des Kältekreises (1) eine Kältemittelmischung aus mindestens zwei unterschiedlichen Kältemitteln ist und einen Temperaturglide von mindestens 4 K aufweist, besonders bevorzugt eine Kältemittelmischung ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus R454C und R455A ist.
9. Verfahren zur Aufnahme von Wärme aus der Umgebung eines Kältekreises (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5 an dem Verdampfer (14) bzw. an der Wärmequelle einer Wärmepumpe nach Anspruch 7, und/oder zur Abgabe von Wärme an die Umgebung des Kältekreises (1) an dem Verflüssiger (12) bzw. an der Wärmesenke der Wärmepumpe, umfassend den folgenden Schritt:
Übertragung von Wärme aus dem im Strömungspfad hinter dem Verflüssiger (12), vor dem Expansionsbauteil (13) und in dem zusätzlichen Rekuperator (15) befindlichen Fluid auf das im Strömungspfad hinter dem Verdampfer (14), vor dem Verdichter (1 1) und in dem zusätzlichen Rekuperator (15) befindliche Fluid wobei das Fluid eine Kältemittelmischung aus zwei, drei, vier oder mehr unterschiedlichen Kältemitteln ist und einen Temperaturglide von mindestens 4 K aufweist, besonders bevorzugt eine Kältemittelmischung bestehend aus R454C oder R455A ist, und wobei die Leistungszahl der Kältemittelmischung in dem Kältekreis (1), verglichen mit in einem Kältekreis ohne den zusätzlichen Rekuperator (15), mit ansonsten gleichem Aufbau, um mindestens 2 %, bevorzugt um mindestens 6 %, besonders bevorzugt um mindestens 10 % erhöht ist.
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