EP4495502A1 - Wärmepumpe und verfahren zum betreiben einer wärmepumpe - Google Patents

Wärmepumpe und verfahren zum betreiben einer wärmepumpe Download PDF

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EP4495502A1
EP4495502A1 EP24188543.3A EP24188543A EP4495502A1 EP 4495502 A1 EP4495502 A1 EP 4495502A1 EP 24188543 A EP24188543 A EP 24188543A EP 4495502 A1 EP4495502 A1 EP 4495502A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
heat
heat exchanger
compressor
vortex tube
heat pump
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP24188543.3A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Enrico Klausner
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.)
Viessmann Holding International GmbH
Original Assignee
Viessmann Climate Solutions SE
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Viessmann Climate Solutions SE filed Critical Viessmann Climate Solutions SE
Publication of EP4495502A1 publication Critical patent/EP4495502A1/de
Pending legal-status Critical Current

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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B9/00—Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point
    • F25B9/02—Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point using Joule-Thompson effect; using vortex effect
    • F25B9/04—Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point using Joule-Thompson effect; using vortex effect using vortex effect
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B40/00—Subcoolers, desuperheaters or superheaters
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B2341/00—Details of ejectors not being used as compression device; Details of flow restrictors or expansion valves
    • F25B2341/001—Ejectors not being used as compression device
    • F25B2341/0011—Ejectors with the cooled primary flow at reduced or low pressure

Definitions

  • Heat pumps are already widely used as heat generators for heating buildings and for hot water supply.
  • the basic principle of the heat pump which includes a compressor, a heat exchanger, an expansion valve and another heat exchanger, has been further developed in many ways.
  • the JP 2005 164 104 A shows a heat pump that is equipped with a vortex tube to increase the efficiency of the heat pump and to increase the temperature of a fluid to be heated.
  • a coolant compressed by the compressor is fed to a vortex tube via a first heat exchanger.
  • a cold fluid flow from the vortex tube is fed directly to an expansion valve.
  • a warm fluid flow from the vortex tube is fed to a second heat exchanger before this fluid flow is also fed to an expansion valve.
  • the second heat exchanger preheats a medium to be heated before the medium to be heated is heated in the first heat exchanger.
  • the application area of a heat pump is often limited by the fact that the efficiency of the heat pump decreases as the target temperature of the heating system or drinking water increases, or it is difficult for the heat pump to provide higher flow temperatures.
  • higher flow temperatures may be required due to legal requirements for combating legionella, due to the way certain types of radiators work, for the implementation of high-temperature applications, etc.
  • the object of the present patent application is to provide a heat pump and a method for operating a heat pump which make it possible to provide a higher temperature efficiently.
  • One aspect relates to a heat pump, wherein the heat pump is designed to heat a building and/or the heat pump is designed to supply a hot water exchanger with heat.
  • Heat pump modifications described below relate in particular to the heat generation mode.
  • a heat exchanger are a heat exchanger, a boiler, etc.
  • the heat pump comprises a refrigeration circuit that is connected to a closed circuit by refrigerant lines.
  • the refrigeration circuit comprises, in succession: a compressor, a first heat exchanger for releasing heat to a heat consumer, an expansion valve, and a second heat exchanger for supplying heat to the refrigeration circuit.
  • a vortex tube is arranged in the refrigeration circuit between the compressor and the first heat exchanger, so that a warm fluid flow from the vortex tube is supplied to the first heat exchanger.
  • a vortex tube in particular the Ranque-Hilsch vortex tube, can be a device without moving parts.
  • gas a gas mass flow
  • gas mass flow can be divided into a hot (warm) and a cold fluid flow (gas mass flow) by means of the vortex tube, in particular the Ranque-Hilsch vortex tube.
  • the heat pump can advantageously comprise a third heat exchanger for discharging heat to a heat consumer, wherein the third heat exchanger is arranged in the refrigeration circuit between the compressor and the expansion valve, connected in parallel to the line section comprising the vortex tube and the first heat exchanger.
  • the heat pump can advantageously dissipate heat at a first, particularly high temperature by means of the first heat exchanger and heat at a second, high temperature by means of the third heat exchanger. This makes it particularly easy to efficiently provide two temperature levels, in particular two particularly warm temperature levels, by means of the heat pump.
  • a fluid to be heated/heated by the first heat exchanger can be preheated by means of the third heat exchanger.
  • the heat pump can comprise a three-way valve that is designed to control a partial mass flow from the compressor to the first heat exchanger and/or a partial mass flow from the compressor to the third heat exchanger.
  • Controlling a fluid flow can comprise switching in some embodiments.
  • controlling a fluid flow can comprise regulating (in stages with more than two stages, or continuously). This makes it particularly easy to provide heat at different temperature levels as needed.
  • the temperature of the heat released from the refrigeration circuit by the first heat exchanger can be higher, in particular at least 5 Kelvin higher, preferably at least 10 Kelvin higher and particularly preferably more than 20 Kelvin higher than the temperature of the heat released by the third heat exchanger from the refrigeration circuit. This makes it particularly easy to provide two temperature levels for heat consumers using a heat pump.
  • a cold fluid flow from the vortex tube can be fed to the compressor to cool the compressor. This allows the compressor to be cooled particularly easily and efficiently. The cold fluid flow from the vortex tube fed to the compressor can then be compressed again by the compressor in some embodiments.
  • a cold fluid flow from the vortex tube can be supplied to the refrigeration circuit after the first heat exchanger and before the compressor and/or to the refrigeration circuit after the third heat exchanger and before the compressor. This has the advantage that the cold fluid flow from the vortex tube can be integrated into the refrigeration circuit in a particularly advantageous manner.
  • the heat pump can comprise a three-way valve that is designed to control a partial mass flow of the cold fluid flow of the vortex tube to the compressor, in particular for cooling the compressor and/or a partial mass flow of the cold fluid flow of the vortex tube into the refrigeration circuit after the first heat exchanger and before the compressor and/or into the refrigeration circuit after the third heat exchanger and before the compressor. This makes it particularly advantageous to efficiently control cooling of the compressor with little effort, in particular without impairing the operation of the heat pump.
  • the heat pump may comprise an ejector and an accumulator/collection tank, wherein the ejector is arranged in the refrigeration circuit between the first heat exchanger and/or the third heat exchanger and the compressor.
  • a fluid flow from the first heat exchanger and/or from the third heat exchanger to the ejector can form a driving mass flow of the ejector.
  • a fluid flow from the second heat exchanger to the ejector can form a suction flow of the ejector.
  • a fluid flow can lead from the ejector to the accumulator.
  • a fluid flow from the accumulator can lead to the second heat exchanger via the expansion valve.
  • a fluid flow can lead from the accumulator to the compressor.
  • the fluid flow from the accumulator to the expansion valve can have a higher density than the fluid flow from the accumulator to the compressor. This can particularly advantageously increase the pressure level of the fluid flow to the compressor.
  • the heat pump can comprise a further vortex tube and a fourth heat exchanger, wherein the further vortex tube is arranged in the refrigeration circuit between the first heat exchanger and/or the third heat exchanger and the expansion valve and/or the ejector, so that the warm fluid flow of the further vortex tube is first fed to the fourth heat exchanger and then to the expansion valve or the ejector, and so that the cold fluid flow of the further vortex tube is fed directly to the expansion valve or the ejector.
  • This has the advantage that residual heat of the coolant can be used in a particularly collected manner after the coolant has given off heat to the first or third heat exchanger.
  • a fluid to be heated/warmed by the first and/or third heat exchanger can be preheated by means of the fourth heat exchanger.
  • the heat pump may comprise an internal heat exchanger comprising a first line and a second line, wherein the first line is arranged between the first heat exchanger and/or the third heat exchanger and the ejector and/or the expansion valve in the refrigeration circuit, the second line is arranged between the ejector and/or the expansion valve and the compressor, and the internal heat exchanger is designed to transfer heat from the refrigerant in the first line to the refrigerant in the second line without mixing the refrigerant in the first line with the refrigerant in the second line.
  • This makes it particularly easy to adapt the properties of the refrigerant, e.g. a temperature, to the requirements of the compressor with regard to the refrigerant/fluid flow supplied to the compressor.
  • the refrigerant in the refrigeration circuit can have such properties and the heat pump can be set up to be operated in such a way that a transcritical and/or supercritical process is carried out. This can ensure that condensation of the refrigerant in the vortex tube does not occur and thus the intended operation of the vortex tube can be guaranteed.
  • the heat pump can also be set up to cool a building.
  • the heat pump can comprise a reversal of the cooling circuit for this purpose.
  • the heat pump can comprise one or more four-way switching valves for reversing the cooling circuit.
  • the heat pump can also comprise one or more bypasses for this purpose.
  • a bypass can be arranged in the cooling circuit to bypass the vortex tube when the heat pump is operated in cooling mode.
  • the heat pump can be designed in such a way that no heat exchanger, which is designed to release heat from the coolant circuit to a heat consumer, is arranged in the cooling circuit between the compressor and the vortex tube. In some embodiments, the heat pump can be designed in such a way that no heat exchanger is arranged in the cooling circuit between the compressor and the vortex tube. As a result, a temperature can be provided particularly advantageously by means of the heat pump. which is higher than the temperature generated by the compression of the compressor.
  • the vortex tube can be set up in such a way that a temperature level of the warm fluid flow of the vortex tube is above a temperature level of the coolant at the compressor outlet, in particular at least 5 Kelvin higher, preferably at least 10 Kelvin higher, and particularly preferably more than 20 Kelvin higher.
  • the coolant compressed by the compressor is advantageously provided by the compressor. This has the advantage that, thanks to the efficiency of the vortex tube, particularly high temperatures can be provided very easily and advantageously by means of the heat pump.
  • the vortex tube and/or the additional vortex tube can be a Ranque-Hilsch vortex tube. This means that the properties of a vortex tube are particularly advantageous and therefore the previously mentioned positive effects of the heat pump are very pronounced.
  • a further aspect relates to a method for operating a heat pump.
  • the method comprises the process steps: compressing a refrigerant of a refrigeration circuit of the heat pump; separating the compressed refrigerant into a cold fluid flow and a warm fluid flow by means of a vortex tube, so that a temperature of the warm fluid flow of the vortex tube is above the temperature of the compressed refrigerant; and transferring heat of the warm fluid flow of the vortex tube to a heat consumer by means of a first heat exchanger.
  • the method can be carried out by means of a heat pump as described above.
  • heat at a particularly high temperature can be provided very easily and efficiently using the heat pump described above and the method described above.
  • a corresponding heat pump can comprise a reversal of the cooling circuit, which, through appropriate conversion options, enables cold generation using the heat pump.
  • the heat pump can also comprise corresponding valves and line sections that enable units in the cooling circuit to be switched on and off.
  • Fig. 1 shows schematically a heat pump according to various embodiments.
  • the heat pump is designed to heat a building and/or to supply a hot water exchanger with heat.
  • a Hot water exchanger can be designed to provide hot drinking and/or service water by means of a heat exchanger.
  • the heat pump comprises a refrigeration circuit.
  • a coolant which can advantageously be a fluid, in particular a gas and/or a liquid, can circulate in the refrigeration circuit.
  • the refrigeration circuit which is connected to a closed circuit by coolant lines, comprises, in heat generation mode, a compressor 10, a vortex tube 12, a first heat exchanger 14, an expansion valve 16, and a second heat exchanger 18 in succession.
  • the second heat exchanger is designed to supply heat to the refrigeration circuit.
  • the first heat exchanger can advantageously be designed to transfer heat for heating the building and/or for supplying a hot water exchanger.
  • the first heat exchanger can comprise a hot water exchanger for this purpose.
  • the warm fluid flow 12a of the vortex tube is fed to the first heat exchanger 14.
  • a gas under pressure can be blown tangentially into a vortex chamber of the vortex tube and thereby set into rapid rotation.
  • the gas can then leave the chamber through differently designed outlets, in particular axial outlets.
  • a cold fluid stream 12b can exit through one opening and a warm fluid stream 12a can exit through an opposite opening.
  • a cold fluid flow (12b) of the vortex tube (12) can optionally be fed to the refrigeration circuit after the first heat exchanger (14) and before the compressor (10).
  • the cold fluid flow (12b) of the vortex tube (12) is fed to the refrigeration circuit, for example, after the first heat exchanger (14) and before the expansion valve (16).
  • Fig. 2 shows schematically a heat pump according to various embodiments based on the in Fig. 1 heat pump shown.
  • Fig. 3 also shows schematically a heat pump according to various embodiments based on the in Fig. 1 and 2 heat pump shown.
  • Fig. 2 and Fig. 3 based on the Fig. 1 Therefore, the same features are not described again, but rather the reference is Fig. 1 in the corresponding descriptions.
  • different designs of a heat pump are described based on the Figures 1 to 3 explained, whereby in the Figures 1 to 3 The features shown are not limited to the respective figures, but can be combined with each other.
  • a cold fluid stream 12c of the vortex tube 12 can optionally be supplied to the compressor for cooling purposes.
  • the heat pump may comprise a third heat exchanger 24 for discharging heat to a heat consumer, wherein the third heat exchanger 24 is arranged in the refrigeration circuit between the compressor 10 and the expansion valve 16 or between the compressor 10 and an ejector 34 (see Fig. 3 ) is arranged in parallel to the line section comprising the vortex tube 12 and the first heat exchanger 14.
  • the heat pump can optionally comprise a three-way valve 22 that is configured to control a partial mass flow from the compressor to the first heat exchanger and to the third heat exchanger.
  • the heat pump can comprise a three-way valve 22 that is configured to control a partial mass flow (fluid flow) from the compressor to the first heat exchanger and/or a partial mass flow (fluid flow) from the compressor to the third heat exchanger.
  • the heat pump can optionally comprise an internal heat exchanger 26.
  • the internal heat exchanger 26 comprises a first line 26a and a second line 26b.
  • the first line 26a is between the first heat exchanger 14 and/or the third heat exchanger 24 and the ejector (see Fig. 3 ) and/or the expansion valve 16 (see Fig. 2 ) in the refrigeration circuit.
  • the second line 26b is between the ejector 34 (see Fig. 3 ) and/or the expansion valve 16 (see Fig. 2 ) and the compressor 10.
  • the internal heat exchanger 26 is designed to transfer heat from the refrigerant in the first line 26a to the refrigerant in the second line 26b without mixing the refrigerant in the first line 26a with the refrigerant in the second line 26b.
  • heat can be transferred from a high-pressure side to a low-pressure side of the refrigerant circuit. This allows thermodynamic processes to be optimized, which can lead to an increase in the efficiency of the heat pump.
  • the line sections 26a and 26b can be arranged such that, in particular substantially, no heat transfer takes place between the line sections 26a and 26b, or such heat transfer is prevented.
  • the fluid flows from the first heat exchanger 14 and the third heat exchanger 24 and the cold fluid flow 12b of the vortex tube can be fed via the line section 26a of the internal heat exchanger 26 to the ejector 34 (see Fig. 3 ) or the expansion valve (see Fig. 2 ).
  • one or two fluid streams and/or one or more partial streams of the fluid streams from the first heat exchanger 14 and from the third heat exchanger 24 and from the vortex tube 12 can be fed to the ejector 34 (see Fig. 3 ) or the expansion valve 16 (see Fig. 2 ) via a line section (not shown in the figures) connected in parallel to the first line 26a, so that the corresponding fluid flow or partial fluid flow is not fed to the line section 26a of the internal heat exchanger.
  • a cold fluid stream 12b, 12c of the vortex tube 12 can be divided into two cold fluid streams 12b and 12c, for example by means of a three-way valve 32, see Fig. 3 . Further corresponding configurations of the routing of the fluid streams 12b and 12c have already been described previously on the basis of the Fig. 1 , 2 and 3 explained.
  • the three-way valve 32 can then be set up to control a partial mass flow of the cold fluid flow 12c to the compressor for cooling the compressor and/or a partial mass flow of the cold fluid flow 12b.
  • a partial mass flow of the cold fluid flow 12c can be controlled and/or regulated as a function of one or more temperatures, in particular one or more temperatures of the heat pump, in particular one or more temperatures of the refrigeration circuit and/or the compressor, for example by means of a control device of the heat pump.
  • Fig. 3 shows an embodiment in which the heat pump comprises an ejector 34 and an accumulator 36 as a possible option.
  • the ejector 34 is then arranged in the refrigeration circuit between the first heat exchanger 14 and/or the third heat exchanger 24 and the compressor 10.
  • a fluid flow from the first heat exchanger 14 and/or from the third heat exchanger 24 to the ejector 34 forms a driving mass flow 34a of the ejector 34.
  • a fluid flow from the second heat exchanger 18 to the ejector 34 forms a suction flow 34b of the ejector 34.
  • a fluid flow from the ejector 34 then leads into the accumulator 36.
  • a fluid flow from the accumulator 36 leads via the expansion valve 16 to the second heat exchanger 18.
  • a fluid flow from the accumulator 36 leads to the compressor 10.
  • the fluid flow from the accumulator 36 to the expansion valve 16 has a higher density than the fluid flow from the accumulator 36 to the Compressor 10.
  • the accumulator/collection container 36 can be arranged such that the fluid, in particular liquid refrigerant, is guided to the expansion valve 16 on its underside and at the same time the fluid, in particular gaseous refrigerant, can be sucked off at an upper side of the accumulator/collection container 36 by the compressor.
  • a previously described heat pump may comprise a further vortex tube and a fourth heat exchanger (not shown in the figures), wherein the further vortex tube is arranged in the refrigeration circuit between the first heat exchanger and/or the third heat exchanger and the expansion valve and/or the ejector, so that the warm fluid flow of the further vortex tube is first fed to the fourth heat exchanger and then to the expansion valve and so that the cold fluid flow of the further vortex tube is fed directly to the expansion valve.
  • a fluid to be heated/heated by the first and/or third heat exchanger can be preheated by means of the fourth heat exchanger.
  • a fluid to be heated/heated by the first heat exchanger can be preheated by means of the third heat exchanger.
  • a heat exchanger may be a device that transfers thermal energy from a first fluid to a second fluid without mixing the first fluid with the second fluid.
  • a heat exchanger may be a heat exchanger.
  • a heat exchanger may be configured to transfer heat from one fluid stream to one or more second fluid streams without mixing the different fluid streams with one another.
  • a three-way valve can be designed in particular to divide a first fluid flow into a second and a third fluid flow.
  • the second or the third fluid flow can be interrupted.
  • the second and/or the third fluid flow can be controlled by means of the three-way valve.
  • a valve in particular a three- or four-way valve, is a component for shutting off, regulating and/or controlling the flow of fluids, in particular regardless of the specific technical design of the valve.
  • heat from the refrigeration circuit for heating the building and/or for a hot water supply can be transferred to a medium to be heated/heated.
  • the temperature of the heat released from the refrigeration circuit by the first heat exchanger 14 can be higher than the temperature of the heat released from the refrigeration circuit by the third heat exchanger 24. This can be achieved in particular by avoiding heat release in the line section between the compressor 10 and the vortex tube 12.
  • the compressed fluid can be guided directly from the compressor 10 via the three-way valve 22 to the vortex tube 12.
  • no heat exchanger designed to transfer heat to a heat consumer can be arranged in the refrigeration circuit between the compressor 10 and the vortex tube 12. In some embodiments, no heat exchanger can be arranged in the refrigeration circuit between the compressor 10 and the vortex tube 12.
  • the coolant (fluid) in the refrigeration circuit has such properties and the heat pump is set up in such a way that a transcritical and/or supercritical process is carried out. It can be particularly advantageous if the coolant does not condense in the vortex tube and/or in the further vortex tube.
  • coolants are, for example, carbon dioxide (R-744), propane, air and nitrogen and in particular a combination of these examples, etc.
  • the heat pump, the individual components of the heat pump and/or the vortex tube can be designed such that a temperature level of the warm fluid flow 12a of the vortex tube 12 is above a temperature level of the refrigerant at the compressor outlet, in particular at least 5 Kelvin higher, preferably at least 10 Kelvin higher, and particularly preferably more than 20 Kelvin higher.
  • a heat pump as described above can also be configured to cool a building.
  • the heat pump can in particular comprise means for reversing the refrigeration circuit (in particular four-way reversing valves).
  • the vortex tube and/or the further vortex tube can be a Ranque-Hilsch vortex tube.
  • two or more fluid streams can be combined to form one fluid stream, in particular to the ejector 34, to the first line 26a of the internal heat exchanger 26 and/or to the expansion valve 16.
  • a combination of two or more fluid streams can be achieved, for example, by means of one or more branches, a or several multiple branches, one or more three-way valves, one or more four-way valves and/or one or more five-way valves, etc., whereby corresponding components and/or line sections, etc. are consequently arranged in a manner that brings the fluid flows together.
  • one or more three-way valves, four-way valves and/or five-way valves, etc. can be controllable, so that a mass flow of the individual fluid flows can be controlled accordingly.
  • Fig. 4 shows a schematic of an ejector according to an embodiment.
  • the ejector can utilize an expansion work present in the coolant of the driving mass flow 34a to suck in a partial mass flow of the suction flow 34b and convey it to a higher pressure level.
  • the mass flow driving at a high pressure level is accelerated in a driving nozzle 43 of the ejector.
  • the static pressure drops and the flow emerging from the driving nozzle 43 has a lower pressure than the suction pressure of the suction flow 34b.
  • a fluid of the suction flow 34b can be drawn in via the suction chamber 45.
  • Both partial flows mix in a mixing chamber 47 of the ejector.
  • the flow 46 is decelerated again, which causes a pressure increase to a medium pressure level.
  • Fig. 5 shows schematically a vortex tube according to an embodiment.
  • a compressed fluid flow 51 is fed from the compressor 10 to the vortex tube 12.
  • the compressed fluid flow is set in rotation in the vortex tube 12 so that a warm fluid flow 12a leaves the vortex tube via a first opening and a cold fluid flow 12b, 12c leaves the vortex tube via a second opening.
  • a mandrel 52 can be located at the first opening.
  • a mass flow of the cold fluid flow 12b, 12c of the vortex tube can be greater than a mass flow of the warm fluid flow 12a of the vortex tube.
  • a Figures 1 to 5 Heat pump units shown can be added, omitted, combined and/or divided into several units without leaving the core of the teaching.
  • a heat pump can be Figures 1 to 5 The heat pump lines shown can be added, omitted, combined and/or divided into several lines without leaving the core of the teaching.
  • Fig. 6 schematically shows a method for operating a heat pump according to an embodiment.
  • the method comprises the steps: compressing S61 a refrigerant of a refrigeration circuit of the heat pump; separating S62 the compressed refrigerant into a cold fluid flow and a warm fluid flow by means of a vortex tube, so that a temperature of the warm fluid flow of the vortex tube is above the temperature of the compressed refrigerant; and transferring S63 heat of the warm fluid flow of the vortex tube to a heat consumer by means of a first heat exchanger.
  • Steps can be added, omitted, combined or divided into several sub-steps in the procedure without affecting the core of the teaching.

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Abstract

Gezeigt sind eine Wärmepumpe und ein Verfahren zum Betreiben einer Wärmepumpe. Die Wärmepumpe ist zum Heizen eines Gebäudes und/oder die Wärmepumpe zum Versorgen eines Warmwassertauschers mit Wärme eingerichtet und umfasst einen Kältekreis. Der Kältekreis, der durch Kältemittelleitungen zu einem geschlossenen Kreislauf verbunden ist, umfasst im Wärmeerzeugungsmodus nacheinander: einen Verdichter (10), einen ersten Wärmeübertrager (14) zum Abgeben von Wärme an einen Wärmeabnehmer, ein Expansionsventil (16), einen zweiten Wärmeübertrager (18) zur Zuführung von Wärme in den Kältekreis, wobei im Kältekreis zwischen dem Verdichter (10) und dem ersten Wärmeübertrager (14) ein Wirbelrohr (12) angeordnet ist, sodass ein warmer Fluidstrom (12a) des Wirbelrohrs dem ersten Wärmeübertrager (14) zugeführt wird.

Description

    TECHNISCHER HINTERGRUND
  • Wärmepumpen werden bereits vielfach als Wärmeerzeuger zum Heizen von Gebäuden und zur Warmwasserversorgung eingesetzt. Zur Steigerung der Effizienz wurde das grundlegende Prinzip der Wärmepumpe umfassend einen Verdichter, einen Wärmetauscher, ein Expansionsventil, und einen weiteren Wärmetauscher in vielfacher Weise weiterentwickelt.
  • Die JP 2005 164 104 A zeigt dazu eine Wärmepumpe, die ein Wirbelrohr zur Steigerung der Effizienz der Wärmepumpe und zur Erhöhung der Temperatur eines zu erhitzendes Fluids eingerichtet ist. Ein vom Verdichter verdichtetes Kältemittel wird dabei über einen ersten Wärmetauscher zu einem Wirbelrohr geführt. Ein kalter Fluidstrom des Wirbelrohrs wird direkt einem Expansionsventil zugeführt. Ein warmer Fluidstrom des Wirbelrohrs wird einem zweiten Wärmetauscher zugeführt, bevor dieser Fluidstrom ebenfalls einem Expansionsventil zugeführt wird. Durch den zweiten Wärmetauscher wird ein zu erwärmendes Medium vorgewärmt, bevor das zu erhitzende Medium im ersten Wärmetauscher erwärmt wird.
    • PROBLEMSTELLUNG
  • Häufig ist der Einsatzbereich einer Wärmepumpe dadurch beschränkt, dass der Wirkungsgrad der Wärmpumpe mit zunehmender Solltemperatur des Heizsystems oder des Trinkwassers sinkt bzw. eine Bereitstellung von höheren Vorlauftemperaturen durch die Wärmepumpe schwierig ist. Beispielsweise können höhere Vorlauftemperaturen durch gesetzliche Vorgaben zur Bekämpfung von Legionellen, durch die Funktionsweise von Heizkörpertypen, für die Realisierung von Hochtemperaturanwendungen etc. erforderlich sein.
  • Somit ist es Aufgabe der vorliegenden Patentanmeldung eine Wärmepumpe sowie ein Verfahren zum Betreiben einer Wärmepumpe bereitzustellen, die es ermöglichen, eine höhere Temperatur effizient bereitzustellen.
    • BESCHREIBUNG
  • Ein Aspekt bezieht sich auf eine Wärmepumpe, wobei die Wärmepumpe zum Heizen eines Gebäudes und/oder die Wärmepumpe zum Versorgen eines Warmwassertauschers mit Wärme eingerichtet ist. Im Folgenden beschriebene Wärmepumpenmodifikationen betreffen insbesondere den Wärmeerzeugungsmodus. Für einen Kühlmodus sind durch den Fachmann ggf. Modifikationen notwendig. Nicht-limitierende Beispiele für einen Wärmetauscher sind ein Wärmeübertrager, ein Boiler etc. Die Wärmepumpe umfasst einen Kältekreis, der durch Kältemittelleitungen zu einem geschlossenen Kreislauf verbunden ist. Der Kältekreis umfasst im Wärmeerzeugungsmodus nacheinander: einen Verdichter, einen ersten Wärmeübertrager zum Abgeben von Wärme an einen Wärmeabnehmer, ein Expansionsventil und einen zweiten Wärmeübertrager zur Zuführung von Wärme in den Kältekreis. Im Kältekreis ist zwischen dem Verdichter und dem ersten Wärmeübertrager ein Wirbelrohr angeordnet, sodass ein warmer Fluidstrom des Wirbelrohrs dem ersten Wärmeübertrager zugeführt wird.
  • Ein Wirbelrohr, insbesondere das Ranque-Hilsch-Wirbelrohr, kann eine Vorrichtung ohne bewegliche Teile sein. Vorteilhafterweise kann mittels des Wirbelrohrs, insbesondere des Ranque-Hilsch-Wirbelrohrs Gas (ein Gas-Massenstrom) in einen heißen (warmen) und einen kalten Fluidstrom (Gas-Massenstrom) aufgeteilt werden.
  • Dies hat den Vorteil, dass mit geringem Aufwand Wärmeenergie auf einem höheren Temperaturniveau durch eine Wärmepumpe bereitgestellt werden kann. Dadurch können besonders einfach durch eine Wärmepumpe höhere Temperaturanforderungen, wie bspw. durch gesetzliche Vorschriften, durch verschiedene Heizkörpertypen etc. gefordert, erfüllt werden.
  • Vorteilhafterweise kann die Wärmepumpe einen dritten Wärmeübertrager zum Abgeben von Wärme an einen Wärmeabnehmer umfassen, wobei der dritte Wärmeübertrager im Kältekreis zwischen dem Verdichter und dem Expansionsventil parallelgeschaltet zum Leitungsabschnitt umfassend das Wirbelrohr und den ersten Wärmeübertrager angeordnet ist. Dadurch kann vorteilhafterweise durch die Wärmepumpe Wärme mit einer ersten, besonders hohen Temperatur mittels des ersten Wärmeübertragers und Wärme mit einer zweiten, hohen Temperatur mittels des dritten Wärmeübertragers abgegeben werden. Somit können mittels der Wärmepumpe besonders einfach zwei Temperaturniveaus, insbesondere zwei besonders warme Temperaturniveaus effizient bereitgestellt werden.
  • In manchen Ausgestaltungen kann ein durch den ersten Wärmeübertrager zu erhitzendes/erwärmendes Fluid mittels des dritten Wärmeübertragers vorgewärmt werden.
  • In manchen Ausgestaltungen kann die Wärmepumpe ein Dreiwegeventil umfassen, das dazu eingerichtet ist, einen Teilmassenstrom vom Verdichter zum ersten Wärmeübertrager und/oder einen Teilmassenstrom vom Verdichter zum dritten Wärmeübertrager zu steuern. Ein Steuern eines Fluidstroms kann in manchen Ausgestaltungen ein Umschalten umfassen. In manchen Ausführungen kann ein Steuern eines Fluidstroms ein regulieren (in Stufen mit mehr als zwei Stufen, oder stufenlos) umfassen. Dadurch kann besonders einfach Wärme mit unterschiedlichen Temperaturniveaus bedarfsgerecht bereitgestellt werden.
  • In manchen Ausgestaltungen kann die Temperatur der durch den ersten Wärmeübertrager vom Kältekreis abgegebenen Wärme höher, insbesondere um mindestens 5 Kelvin höher, bevorzugt um mindestens 10 Kelvin höher und besonders bevorzugt um mehr als 20 Kelvin höher sein als die Temperatur der durch den dritten Wärmeübertrager vom Kältekreis abgegebenen Wärme. Dadurch können besonders einfach durch eine Wärmepumpe zwei Temperaturniveaus für Wärmeabnehmer bereitgestellt werde.
  • In manchen Ausgestaltungen kann ein kalter Fluidstrom des Wirbelrohrs dem Verdichter zur Kühlung des Verdichters zugeführt werden. Dadurch kann eine Kühlung des Verdichters besonders einfach und effizient erfolgen. Der dem Verdichter zugeführte kalte Fluidstrom des Wirbelrohrs kann dann in manchen Ausgestaltungen durch den Verdichter wiederum verdichtet werden.
  • In manchen Ausgestaltungen kann ein kalter Fluidstrom des Wirbelrohrs dem Kältekreis nach dem ersten Wärmeübertrager und vor dem Verdichter und/oder dem Kältekreis nach dem dritten Wärmeübertrager und vor dem Verdichter zugeführt werden. Dies hat den Vorteil, dass der kalte Fluidstrom des Wirbelrohrs besonders vorteilhaft in den Kältekreis integriert werden kann.
  • In manchen Ausführungsformen kann die Wärmepumpe ein Dreiwegeventil umfassen, das dazu eingerichtet ist, einen Teilmassenstrom des kalten Fluidstroms des Wirbelrohrs zum Verdichter, insbesondere zur Kühlung des Verdichters und/oder einen Teilmassenstrom des kalten Fluidstroms des Wirbelrohrs in den Kältekreis nach dem ersten Wärmeübertrager und vor dem Verdichter und/oder in den Kältekreis nach dem dritten Wärmeübertrager und vor dem Verdichter zu steuern. Dadurch kann besonders vorteilhaft eine Kühlung des Verdichters effizient mit geringem Aufwand gesteuert werden, insbesondere ohne den Betrieb der Wärmepumpe zu beeinträchtigen.
  • In manchen Ausgestaltungen kann die Wärmepumpe einen Ejektor, und einen Akkumulator/Sammelbehälter umfassen, wobei der Ejektor im Kältekreis zwischen dem ersten Wärmeübertrager und/oder dem dritten Wärmeübertrager und dem Verdichter angeordnet ist. Ein Fluidstrom vom ersten Wärmeübertrager und/oder vom dritten Wärmeübertrager zum Ejektor kann einen treibenden Massenstrom des Ejektors bilden. Ein Fluidstrom vom zweiten Wärmeübertrager zum Ejektor kann einen Saugstrom des Ejektors bilden. Ein Fluidstrom kann vom Ejektor in den Akkumulator führen. Ein Fluidstrom vom Akkumulator kann über das Expansionsventil zum zweiten Wärmeübertrager führen. Ein Fluidstrom kann vom Akkumulator zum Verdichter führen. Der Fluidstrom vom Akkumulator zum Expansionsventil kann dabei eine höhere Dichte aufweisen als der Fluidstrom vom Akkumulator zum Verdichter. Dadurch kann besonders vorteilhaft ein Druckniveau des Fluidstroms zum Verdichter erhöht werden.
  • In vorteilhaften Ausgestaltungen kann die Wärmepumpe ein weiteres Wirbelrohr, und einen vierten Wärmeübertrager umfassen, wobei das weitere Wirbelrohr im Kältekreis zwischen dem ersten Wärmeübertrager und/oder dem dritten Wärmeübertrager und dem Expansionsventil und/oder dem Ejektor angeordnet ist, sodass der warme Fluidstrom des weiteren Wirbelrohrs erst dem vierten Wärmeübertrager und dann dem Expansionsventil bzw. dem Ejektor zugeführt wird, und sodass der kalte Fluidstrom des weiteren Wirbelrohrs direkt dem Expansionsventil bzw. dem Ejektor zugeführt wird. Dies hat den Vorteil, dass eine Restwärme des Kältemittels, nachdem das Kältemittel Wärme an den ersten oder dritten Wärmeübertrager abgegeben hat, besonders gesammelt genutzt werden kann. In manchen Ausgestaltungen kann ein durch den ersten und/oder dritten Wärmeübertrager zu erhitzendes/erwärmendes Fluid mittels des vierten Wärmeübertragers vorgewärmt werden.
  • In manchen Ausgestaltungen kann die Wärmepumpe einen internen Wärmeübertrager umfassend eine erste Leitung und eine zweite Leitung umfassen, wobei die erste Leitung zwischen dem ersten Wärmeübertrager und/oder dem dritten Wärmeübertrager und dem Ejektor und/oder dem Expansionsventil im Kältekreis angeordnet ist, die zweite Leitung zwischen dem Ejektor und/oder dem Expansionsventil und dem Verdichter angeordnet ist, und der interne Wärmeübertrager dazu eingerichtet ist, Wärme vom Kältemittel in der ersten Leitung zum Kältemittel in der zweiten Leitung zu übertragen ohne Vermischung des Kältemittels in der ersten Leitung mit dem Kältemittel in der zweiten Leitung. Dadurch können Eigenschaften des Kältemittels, bspw. eine Temperatur, besonders einfach an Anforderungen des Verdichters bzgl. des dem Verdichter zugeführten Kältemittels/Fluidstroms angepasst werden.
  • Vorteilhafterweise kann das Kältemittel im Kältekreis derartige Eigenschaften aufweisen und die Wärmepumpe dazu eingerichtet sein, derart betrieben zu werden, sodass eine transkritische und/oder überkritische Prozessführung vorliegt. Dadurch kann sichergestellt werden, dass eine Kondensation des Kältemittels im Wirbelrohr ausbleibt und somit ein bestimmungsgemäßer Betrieb des Wirbelrohrs gewährleistet werden.
  • Vorteilhafterweise kann die Wärmepumpe zusätzlich zum Kühlen eines Gebäudes eingerichtet sein. Beispielsweise kann die Wärmepumpe dazu eine Kältekreisumkehr umfassen. Die Wärmepumpe kann dazu ein oder mehrere VierWege-Umschaltventile für die Kältekreisumkehr umfassen. Außerdem kann die Wärmepumpe dazu ein oder mehrere Bypässe umfassen. Insbesondere kann im Kältekreis ein Bypass zur Umgehung des Wirbelrohrs angeordnet sein, wenn die Wärmepumpe im Kühlmodus betrieben wird.
  • In manchen Ausgestaltungen kann zumindest ein Teil des vom Verdichter verdichteten Kältemittels direkt vom Verdichter in das Wirbelrohr geleitet werden. In manchen Ausgestaltungen kann die Wärmepumpe derart ausgestaltet sein, dass im Kältekreis zwischen dem Verdichter und dem Wirbelrohr kein Wärmeübertrager, der zur Abgabe von Wärme aus dem Kältekreis an einen Wärmeabnehmer eingerichtet ist, angeordnet ist. In manchen Ausgestaltungen kann die Wärmepumpe derart ausgestaltet sein, dass im Kältekreis zwischen dem Verdichter und dem Wirbelrohr kein Wärmeübertrager angeordnet ist. Dadurch kann besonders vorteilhaft mittels der Wärmepumpe eine Temperatur bereitgestellt werden, die höher ist, als eine durch die Verdichtung des Verdichters erzeugte Temperatur.
  • In vorteilhaften Ausgestaltungen kann das Wirbelrohr derart eingerichtet sein, sodass ein Temperaturniveau des warmen Fluidstroms des Wirbelrohrs über einem Temperaturniveau des Kältemittels am Verdichterausgang, insbesondere um mindestens 5 Kelvin höher, bevorzugt um mindestens 10 Kelvin höher, und besonders bevorzugt um mehr als 20 Kelvin höher, liegt. Am Verdichterausgang wird das durch den Verdichter verdichtete Kältemittel vorteilhafterweise durch den Verdichter bereitgestellt. Dies hat den Vorteil, dass durch die Effizienz des Wirbelrohrs sehr einfach und vorteilhaft besonders hohe Temperaturen mittels der Wärmepumpe bereitgestellt werden können.
  • In manchen Ausgestaltungen kann das Wirbelrohr und/oder das weitere Wirbelrohr ein Ranque-Hilsch-Wirbelrohr sein. Dies führt dazu, dass die Eigenschaften eines Wirbelrohrs besonders vorteilhaft ausgeprägt sind und dadurch die zuvor genannten positiven Effekte der Wärmepumpe sehr ausgeprägt sind.
  • Ein weiterer Aspekt bezieht sich auf ein Verfahren zum Betreiben einer Wärmepumpe. Das Verfahren umfasst die Prozessschritte: Verdichten eines Kältemittels eines Kältekreises der Wärmepumpe; Trennen des verdichteten Kältemittels in einen kalten Fluidstrom und in einen warmen Fluidstrom mittels eines Wirbelrohrs, sodass eine Temperatur des warmen Fluidstroms des Wirbelrohrs über der Temperatur des verdichteten Kältemittels liegt; und Übertragen von Wärme des warmen Fluidstroms des Wirbelrohrs an einen Wärmeabnehmer mittels eines ersten Wärmeübertragers.
  • Dadurch kann sehr effizient eine besonders hohe Temperatur an einen Wärmeübertrager durch die Wärmepumpe bereitgestellt werden. Vorteilhafterweise kann das Verfahren mittels einer zuvor beschriebenen Wärmepumpe ausgeführt werden.
  • Zusammenfassend kann mittels der zuvor beschriebenen Wärmepumpe und mittels des zuvor beschriebenen Verfahrens sehr einfach und effizient mittels einer Wärmepumpe Wärme mit einer besonders hohen Temperatur bereitgestellt werden.
    • BESCHREIBUNG DER FIGUREN
    • Fig. 1 zeigt schematisch eine Wärmepumpe gemäß verschiedener Ausführungsformen.
    • Fig. 2 zeigt schematisch eine Wärmepumpe gemäß verschiedener Ausführungsformen basierend auf der in Fig. 1 gezeigten Wärmepumpe.
    • Fig. 3 zeigt schematisch eine Wärmepumpe gemäß verschiedener Ausführungsformen basierend auf der in Fig. 1 gezeigten Wärmepumpe.
    • Fig. 4 zeigt schematisch einen Ejektor gemäß einer Ausführungsform.
    • Fig. 5 zeigt schematisch ein Wirbelrohr gemäß einer Ausführungsform.
    • Fig. 6 zeigt schematisch ein Verfahren gemäß einer Ausführungsform.
  • Im Folgenden werden Ausgestaltungen einer Wärmepumpe in einem Wärmeerzeugungsmodus beschrieben. In manchen Ausgestaltungen kann eine entsprechende Wärmepumpe eine Kältekreisumkehr umfassen, die durch entsprechende Umstellungsmöglichkeiten eine Kälteerzeugung mittels der Wärmepumpe umfassen. Dazu kann die Wärmepumpe zudem entsprechende Ventile und Leitungsabschnitte umfassen, die das Hinzu- und Wegschalten von Einheiten im Kältekreis ermöglichen.
  • Fig. 1 zeigt schematisch eine Wärmepumpe gemäß verschiedener Ausführungsformen. Die Wärmepumpe ist zum Heizen eines Gebäudes und/oder zum Versorgen eines Warmwassertauschers mit Wärme eingerichtet. Ein Warmwassertauscher kann dazu eingerichtet sein, warmes Trink- und/oder Brauchwasser mittels eines Wärmetauschers bereitzustellen. Wie in Fig. 1 gezeigt umfasst die Wärmepumpe einen Kältekreis. Im Kältekreis kann ein Kältemittel, das vorteilhafterweise ein Fluid, insbesondere ein Gas und/oder eine Flüssigkeit sein kann, zirkulieren. Der Kältekreis, der durch Kältemittelleitungen zu einem geschlossenen Kreislauf verbunden ist, umfasst im Wärmeerzeugungsmodus nacheinander einen Verdichter 10, ein Wirbelrohr 12, einen ersten Wärmeübertrager 14, ein Expansionsventil 16, und einen zweiten Wärmeübertrager 18. Der zweite Wärmeübertrager ist zum Zuführen von Wärme in den Kältekreis eingerichtet.
  • Der erste Wärmeübertrager kann vorteilhaft dazu eingerichtet sein, Wärme zum Heizen des Gebäudes und/oder zum Versorgen eines Warmwassertauschers zu Übertragen. In manchen Ausgestaltungen kann der erste Wärmeübertrager dazu einen Warmwassertauscher umfassen. Der warme Fluidstrom 12a des Wirbelrohrs wird dem ersten Wärmeübertrager 14 zugeführt.
  • Beispielsweise kann ein unter Druck stehendes Gas tangential in eine Wirbelkammer des Wirbelrohrs eingeblasen und dadurch in eine schnelle Rotation versetzt werden. Das Gas kann dann die Kammer durch unterschiedlich gestaltete Auslässe, insbesondere axiale Auslässe, verlassen. Beispielsweise kann durch eine Öffnung ein kalter Fluidstrom 12b austreten und durch eine gegenüberliegende Öffnung ein warmer Fluidstrom 12a austreten.
  • Wie in Fig. 1 sichtbar kann in manchen Ausgestaltungen optional ein kalter Fluidstrom (12b) des Wirbelrohrs (12) dem Kältekreis nach dem ersten Wärmeübertrager (14) und vor dem Verdichter (10) zugeführt werden. Vorliegend wird der kalte Fluidstrom (12b) des Wirbelrohrs (12) dem Kältekreis beispielsweise nach dem ersten Wärmeübertrager (14) und vor dem Expansionsventil (16) zugeführt.
  • Fig. 2 zeigt schematisch eine Wärmepumpe gemäß verschiedener Ausführungsformen basierend auf der in Fig. 1 gezeigten Wärmepumpe. Fig. 3 zeigt ebenfalls schematisch eine Wärmepumpe gemäß verschiedener Ausführungsformen basierend auf der in Fig. 1 und 2 gezeigten Wärmepumpe. Fig. 2 und Fig. 3 basieren auf den zu Fig. 1 gemachten Ausführungen. Daher werden gleiche Merkmale nicht erneut beschrieben, sondern es wird auf Fig. 1 in den dazugehörigen Beschreibungen verwiesen. Im Folgenden werden daher verschiedene Ausgestaltungen einer Wärmepumpe anhand der Figuren 1 bis 3 erläutert, wobei in den Figuren 1 bis 3 gezeigte Merkmale nicht auf die jeweiligen Figuren beschränkt sind, sondern miteinander kombinierbar sind.
  • Wie in Fig. 2 gezeigt kann in manchen Ausgestaltungen optional ein kalter Fluidstrom 12c des Wirbelrohrs 12 dem Verdichter zu dessen Kühlung zugeführt werden.
  • Außerdem kann in manchen Ausgestaltungen die Wärmepumpe einen dritten Wärmeübertrager 24 zum Abgeben von Wärme an einen Wärmeabnehmer umfassen, wobei der dritte Wärmeübertrager 24 im Kältekreis zwischen dem Verdichter 10 und dem Expansionsventil 16 bzw. zwischen dem Verdichter 10 und einem Ejektor 34 (siehe Fig. 3) parallelgeschaltet zum Leitungsabschnitt umfassend das Wirbelrohr 12 und den ersten Wärmeübertrager 14 angeordnet ist.
  • In manchen Ausgestaltungen kann die Wärmepumpe ein Dreiwegeventil 22 optional umfassen, das dazu eingerichtet ist, einen Teilmassenstrom vom Verdichter zum ersten Wärmeübertrager und zum dritten Wärmeübertrager zu steuern. In manchen Ausführungsformen kann die Wärmepumpe ein Dreiwegeventil 22 umfassen, das dazu eingerichtet ist, einen Teilmassenstrom (Fluidstrom) vom Verdichter zum ersten Wärmeübertrager und/oder einen Teilmassenstrom (Fluidstrom) vom Verdichter zum dritten Wärmeübertrager zu steuern.
  • Wie den Fig. 2 und 3 entnommen werden kann, kann in manchen Ausgestaltungen optional die Wärmepumpe einen internen Wärmeübertrager 26 umfassen. Der interne Wärmeübertrager 26 umfasst eine erste Leitung 26a und eine zweite Leitung 26b. Die erste Leitung 26a ist zwischen dem ersten Wärmeübertrager 14 und/oder dem dritten Wärmeübertrager 24 und dem Ejektor (siehe Fig. 3) und/oder dem Expansionsventil 16 (siehe Fig. 2) im Kältekreis angeordnet. Die zweite Leitung 26b ist zwischen dem Ejektor 34 (siehe Fig. 3) und/oder dem Expansionsventil 16 (siehe Fig. 2) und dem Verdichter 10 angeordnet. Außerdem ist der interne Wärmeübertrager 26 dazu eingerichtet, Wärme vom Kältemittel in der ersten Leitung 26a zum Kältemittel in der zweiten Leitung 26b zu übertragen ohne Vermischung des Kältemittels in der ersten Leitung 26a mit dem Kältemittel in der zweiten Leitung 26b. Mit dem internen Wärmeübertrager kann Wärme von einer Hochdruckseite zu einer Niederdruckseite des Kältemittelkreislaufs übertragen werden. Dadurch können thermodynamische Vorgänge optimiert werden, was zu einer Steigerung der Effizienz der Wärmepumpe führen kann. Umfasst eine Ausgestaltung keinen wie in Fig. 2 und 3 gezeigten internen Wärmeübertrager, so können die Leitungsabschnitte 26a und 26b derart angeordnet sein, dass, insbesondere im Wesentlichen, keine Wärmeübertragung zwischen den Leitungsabschnitten 26a und 26b erfolgt, bzw. eine derartige Wärmeübertragung unterbunden wird.
  • In manchen Ausgestaltungen können die Fluidströme vom ersten Wärmeübertrager 14 und vom dritten Wärmeübertrager 24 und der kalte Fluidstrom 12b des Wirbelrohrs über den Leitungsabschnitt 26a des internen Wärmeübertragers 26 dem Ejektor 34 (siehe Fig. 3) bzw. dem Expansionsventil (siehe Fig. 2) zugeführt werden.
  • In manchen Ausgestaltungen können ein oder zwei Fluidströme und/oder ein oder mehrere Teilströme der Fluidströme vom ersten Wärmeübertrager 14 und vom dritten Wärmeübertrager 24 und vom Wirbelrohr 12 (nämlich des kalten Fluidstroms 12b) dem Ejektor 34 (siehe Fig. 3) bzw. dem Expansionsventil 16 (siehe Fig. 2) über einen zur ersten Leitung 26a parallelgeschalteten Leitungsabschnitt (nicht in den Figuren gezeigt) zugeführt werden, sodass der entsprechende Fluidstrom bzw. Teilfluidstrom nicht dem Leitungsabschnitt 26a des internen Wärmeübertragers zugeführt wird.
  • In manchen Ausführungsformen kann ein kalter Fluidstrom 12b, 12c des Wirbelrohrs 12 beispielsweise mittels eines Dreiwegeventils 32 in zwei kalte Fluidströme 12b und 12c aufgeteilt werden, siehe Fig. 3. Entsprechende weitere Ausgestaltungen der Leitungsführung der Fluidströme 12b und 12c wurden bereits zuvor anhand der Fig. 1, 2 und 3 erläutert. Das Dreiwegeventil 32 kann dann dazu eingerichtet sein, einen Teilmassenstrom des kalten Fluidstroms 12c zum Verdichter zur Kühlung des Verdichters und/oder einen Teilmassenstrom des kalten Fluidstroms 12b zu steuern. In manchen Ausgestaltungen kann ein Teilmassenstrom des kalter Fluidstroms 12c in Abhängigkeit einer oder mehrerer Temperaturen, insbesondere einer oder mehrerer Temperaturen der Wärmepumpe, im Besonderen einer oder mehrerer Temperaturen des Kältekreises und/oder des Verdichters, beispielsweise mittels einer Steuereinrichtung der Wärmepumpe gesteuert und/oder geregelt werden.
  • Fig. 3 zeigt eine Ausgestaltung, bei der die Wärmepumpe einen Ejektor 34 und einen Akkumulator 36 als mögliche Option umfasst. Der Ejektor 34 ist dann im Kältekreis zwischen dem ersten Wärmeübertrager 14 und/oder dem dritten Wärmeübertrager 24 und dem Verdichter 10 angeordnet. Ein Fluidstrom vom ersten Wärmeübertrager 14 und/oder vom dritten Wärmeübertrager 24 zum Ejektor 34 bildet dabei einen treibenden Massenstrom 34a des Ejektors 34. Ein Fluidstrom vom zweiten Wärmeübertrager 18 zum Ejektor 34 bildet dabei einen Saugstrom 34b des Ejektors 34. Ein Fluidstrom vom Ejektor 34 führt dann in den Akkumulator 36. Ein Fluidstrom vom Akkumulator 36 führt über das Expansionsventil 16 zum zweiten Wärmeübertrager 18. Ein Fluidstrom vom Akkumulator 36 führt zum Verdichter 10. Der Fluidstrom vom Akkumulator 36 zum Expansionsventil 16 weist dabei eine höhere Dichte auf als der Fluidstrom vom Akkumulator 36 zum Verdichter 10. Vorteilhafterweise kann der Akkumulator/Sammelbehälter 36 so angeordnet sein, dass an dessen Unterseite das Fluid, insbesondere flüssiges Kältemittel, zum Expansionsventil 16 geführt und gleichzeitig das Fluid, insbesondere gasförmiges Kältemittel, an einer Oberseite des Akkumulators/Sammelbehälters 36 durch den Verdichter abgesaugt werden kann.
  • In manchen Ausgestaltungen kann eine zuvor beschriebene Wärmepumpe ein weiteres Wirbelrohr, und einen vierten Wärmeübertrager umfassen (nicht in den Figuren gezeigt), wobei das weitere Wirbelrohr im Kältekreis zwischen dem ersten Wärmeübertrager und/oder dem dritten Wärmeübertrager und dem Expansionsventil und/oder dem Ejektor angeordnet ist, sodass der warme Fluidstrom des weiteren Wirbelrohrs erst dem vierten Wärmeübertrager und dann dem Expansionsventil zugeführt wird und sodass der kalte Fluidstrom des weiteren Wirbelrohrs direkt dem Expansionsventil zugeführt wird.
  • In manchen Ausgestaltungen kann ein durch den ersten und/oder dritten Wärmeübertrager zu erhitzendes/erwärmendes Fluid mittels des vierten Wärmeübertragers vorgewärmt werden.
  • In manchen Ausgestaltungen kann ein durch den ersten Wärmeübertrager zu erhitzendes/erwärmendes Fluid mittels des dritten Wärmeübertrager vorgewärmt werden.
  • Ein Wärmeübertrager kann eine Vorrichtung sein, die thermische Energie von einem ersten Fluid auf ein zweites Fluid überträgt, ohne dass das erste Fluid mit dem zweiten Fluid vermischt wird. Ein Wärmeübertrager kann ein Wärmetauscher sein. In manchen Ausgestaltungen kann ein Wärmeübertrager dazu eingerichtet sein, Wärme von einem Fluidstrom auf ein oder mehrere zweite Fluidströme zu übertragen, ohne dass die verschiedenen Fluidströme miteinander vermischt werden.
  • Ein Dreiwegeventil kann insbesondere dazu eingerichtet sein, einen ersten Fluidstrom in einen zweiten und dritten Fluidstrom aufzuteilen. Je nach Einstellung des Dreiwegeventils kann der zweite oder der dritte Fluidstrom unterbrochen werden. In manchen Ausgestaltungen kann mittels des Dreiwegeventils der zweite und/oder der dritte Fluidstrom gesteuert werden. Vorliegend ist ein Ventil, insbesondere ein Drei- oder Vierwegeventil, ein Bauteil zur Absperrung, Regulierung und/oder Steuerung des Durchflusses von Fluiden, insbesondere unabhängig der konkreten technischen Ausgestaltung des Ventils.
  • Vorteilhafterweise kann mittels des ersten, dritten und/oder vierten Wärmeübertragers 14, 24 Wärme aus dem Kältekreis zum Heizen des Gebäudes und/oder für eine Warmwasserversorgung auf ein zu erwärmendes/erhitzendes Medium übertragen werden.
  • Vorteilhafterweise kann die Temperatur der durch den ersten Wärmeübertrager 14 vom Kältekreis abgegebenen Wärme höher sein als die Temperatur der durch den dritten Wärmeübertrager 24 vom Kältekreis abgegebenen Wärme. Dies kann insbesondere dadurch erreicht werden, dass eine Wärmeabgabe im Leitungsabschnitt zwischen dem Verdichter 10 und dem Wirbelrohr 12 vermieden wird.
  • Entsprechend kann zumindest ein Teil, insbesondere der gesamte Fluidstrom des vom Verdichter verdichteten Kältemittels direkt vom Verdichter in das Wirbelrohr geleitet werden. "Direkt" kann in diesem Zusammenhang beispielsweise "unter Vermeidung einer Wärmeabgabe an einen Wärmeabnehmer" bedeuten. In manchen Ausgestaltungen kann das Verdichtete Fluid (Kältemittel) direkt vom Verdichter 10 über das Dreiwegeventil 22 zum Wirbelrohr 12 geführt werden.
  • In besonders vorteilhaften Ausgestaltungen kann im Kältekreis zwischen dem Verdichter 10 und dem Wirbelrohr 12 kein Wärmeübertrager, der zur Wärmeabgabe an einen Wärmeabnehmer eingerichtet ist, angeordnet sein. In manchen Ausgestaltungen kann im Kältekreis zwischen dem Verdichter 10 und dem Wirbelrohr 12 kein Wärmeübertrager angeordnet sein.
  • Vorteilhafterweise weist das Kältemittel (Fluid) im Kältekreis derartige Eigenschaften auf und ist die Wärmepumpe derart eingerichtet, dass eine transkritische und/oder überkritische Prozessführung vorliegt. Besonders vorteilhaft kann es sein, wenn das Kältemittel im Wirbelrohr und/oder im weiteren Wirbelrohr nicht kondensiert. Nicht-limitierende Beispiele für Kältemittel sind beispielsweise Kohlenstoffdioxid (R-744), Propan, Luft und Stickstoff und insbesondere eine Kombination dieser Beispiele etc.
  • Vorteilhafterweise können die Wärmepumpe, die einzelnen Komponenten der Wärmepumpe und/oder das Wirbelrohr derart eingerichtet sein, dass ein Temperaturniveau des warmen Fluidstroms 12a des Wirbelrohrs 12 über einem Temperaturniveau des Kältemittels am Verdichterausgang, insbesondere um mindestens 5 Kelvin höher, bevorzugt um mindestens 10 Kelvin höher, und besonders bevorzugt um mehr als 20 Kelvin höher, liegt.
  • In manchen Ausgestaltungen kann eine zuvor beschriebene Wärmepumpe zusätzlich zum Kühlen eines Gebäudes eingerichtet sein. Dazu kann die Wärmepumpe insbesondere Mittel für eine Kältekreisumkehr (insbesondere Vierwege-Umkehrventile) umfassen.
  • In manchen Ausgestaltungen kann das Wirbelrohr und/oder das weitere Wirbelrohr ein Ranque-Hilsch-Wirbelrohr sein.
  • In manchen Ausgestaltungen können zwei oder mehrere Fluidströme zu einem Fluidstrom, insbesondere zum Ejektor 34 hin, zur ersten Leitung 26a des internen Wärmeübertragers 26 hin und/oder zum Expansionsventil 16 hin zusammengeführt werden. Eine Zusammenführung von zwei oder mehreren Fluidströmen kann beispielsweise mittels eines oder mehrerer Abzweige, eines oder mehrerer Mehrfachabzweige, eines oder mehrerer Dreiwegeventile, eines oder mehrerer Vierwegeventile und/oder eines oder mehrerer Fünfwegeventile etc. erfolgen, wobei entsprechende Komponenten und/oder Leitungsabschnitte etc. folglich in einer die Fluidströme zusammenführenden Weise anzuordnen sind. In manchen Ausgestaltungen können ein oder mehrere Dreiwegeventile, Vierwegeventile und/oder Fünfwegeventile etc. steuerbar sein, sodass ein Massenstrom der einzelnen Fluidströme entsprechend gesteuert werden kann.
  • Fig. 4 zeigt schematisch einen Ejektor gemäß einer Ausführungsform. Der Ejektor kann eine im Kältemittel des treibenden Massenstroms 34a vorhandene Expansionsarbeit ausnutzen, um einen Teilmassenstrom des Saugstroms 34b anzusaugen und auf ein höheres Druckniveau zu fördern. Der auf Hochdruckniveau treibende Massenstrom wird in einer Treibdüse 43 des Ejektors beschleunigt. Als Folge dessen sinkt der statische Druck und die aus der Treibdüse 43 austretende Strömung weist einen niedrigeren Druck als der Saugdruck des Saugstroms 34b auf. Dadurch kann ein Fluid des Saugstroms 34b über die Saugkammer 45 angezogen werden. Beide Teilströme vermischen sich in einer Mischkammer 47 des Ejektors. In einem Diffusor 49 wird die Strömung46 wieder entschleunigt, was eine Druckanhebung auf ein Mitteldruckniveau bewirkt.
  • Fig. 5 zeigt schematisch ein Wirbelrohr gemäß einer Ausführungsform. Ein verdichteter Fluidstrom 51 wird vom Verdichter 10 dem Wirbelrohr 12 zugeführt. Der verdichtete Fluidstrom wird im Wirbelrohr 12 in Rotation versetzt, sodass ein warmer Fluidstrom 12a das Wirbelrohr über eine erste Öffnung verlässt und ein kalter Fluidstrom 12b, 12c das Wirbelrohr über eine zweite Öffnung verlässt. An der ersten Öffnung kann sich ein Dorn 52 befinden.
  • In vorteilhaften Ausgestaltungen kann ein Massenstrom des kalten Fluidstroms 12b, 12c des Wirbelrohrs größer sein als ein Massenstrom des warmen Fluidstroms 12a des Wirbelrohrs. Dadurch kann ein besonders hohes Temperaturniveau im warmen Fluidstrom 12a erreicht werden.
  • In manchen Ausgestaltungen können einer anhand der Figuren 1 bis 5 gezeigten Wärmepumpe Einheiten hinzugefügt, weggelassen, zusammengefasst und/oder in mehrere Einheiten aufgeteilt werden, ohne den Kern der Lehre zu verlassen. In manchen Ausgestaltungen können einer anhand der Figuren 1 bis 5 gezeigten Wärmepumpe Leitungen hinzugefügt, weggelassen, zusammengefasst und/oder in mehrere Leitungen aufgeteilt werden, ohne den Kern der Lehre zu verlassen.
  • Fig. 6 zeigt schematisch ein Verfahren zum Betreiben einer Wärmepumpe gemäß einer Ausführungsform. Das Verfahren umfasst die Schritte: Verdichten S61 eines Kältemittels eines Kältekreises der Wärmepumpe; Trennen S62 des verdichteten Kältemittels in einen kalten Fluidstrom und in einen warmen Fluidstrom mittels eines Wirbelrohrs, sodass eine Temperatur des warmen Fluidstroms des Wirbelrohrs über der Temperatur des verdichteten Kältemittels liegt; und Übertragen S63 von Wärme des warmen Fluidstroms des Wirbelrohrs an einen Wärmeabnehmer mittels eines ersten Wärmeübertragers.
  • Vorteilhafterweise kann das anhand der Fig. 6 gezeigte Verfahren mittels einer anhand der Fig. 1 bis 5 beschriebenen Wärmepumpen ausgeführt werden.
  • Dem Verfahren können Schritte hinzugefügt, weggelassen, zusammengefasst oder in mehrere Teilschritte aufgeteilt werden, ohne den Kern der Lehre zu beeinflussen.

Claims (15)

  1. Eine Wärmepumpe, wobei die Wärmepumpe zum Heizen eines Gebäudes und/oder die Wärmepumpe zum Versorgen eines Warmwassertauschers mit Wärme eingerichtet ist, umfassend einen Kältekreis, wobei der Kältekreis, der durch Kältemittelleitungen zu einem geschlossenen Kreislauf verbunden ist, im Wärmeerzeugungsmodus nacheinander umfasst:
    einen Verdichter (10),
    einen ersten Wärmeübertrager (14) zum Abgeben von Wärme an einen Wärmeabnehmer,
    ein Expansionsventil (16),
    einen zweiten Wärmeübertrager (18) zur Zuführung von Wärme in den Kältekreis,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    im Kältekreis zwischen dem Verdichter (10) und dem ersten Wärmeübertrager (14) ein Wirbelrohr (12) angeordnet ist, sodass ein warmer Fluidstrom (12a) des Wirbelrohrs dem ersten Wärmeübertrager (14) zugeführt wird.
  2. Die Wärmepumpe nach Anspruch 1 umfassend:
    einen dritten Wärmeübertrager (24) zum Abgeben von Wärme an einen Wärmeabnehmer, wobei
    der dritte Wärmeübertrager im Kältekreis zwischen dem Verdichter (10) und dem Expansionsventil (16) parallelgeschaltet zum Leitungsabschnitt umfassend das Wirbelrohr (12) und den ersten Wärmeübertrager (14) angeordnet ist.
  3. Die Wärmepumpe nach Anspruch 2, umfassend ein Dreiwegeventil (22), das dazu eingerichtet ist, einen Teilmassenstrom vom Verdichter (10) zum ersten Wärmeübertrager (14) und zum dritten Wärmeübertrager (24) zu steuern.
  4. Die Wärmepumpe nach Anspruch 2 oder 3, wobei
    die Temperatur der durch den ersten Wärmeübertrager (14) vom Kältekreis abgegebenen Wärme höher ist als die Temperatur der durch den dritten Wärmeübertrager (24) vom Kältekreis abgegebenen Wärme.
  5. Die Wärmepumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei ein kalter Fluidstrom (12c) des Wirbelrohrs (12) dem Verdichter (10) zur Kühlung des Verdichters zugeführt wird.
  6. Die Wärmepumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei ein kalter Fluidstrom (12b) des Wirbelrohrs (12) dem Kältekreis nach dem ersten Wärmeübertrager (14) und vor dem Verdichter (10) und/oder dem Kältekreis nach dem dritten Wärmeübertrager (24) und vor dem Verdichter (10) zugeführt wird.
  7. Die Wärmepumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 6 umfassend:
    ein Dreiwegeventil (32), das dazu eingerichtet ist, einen Teilmassenstrom des kalten Fluidstroms (12c) des Wirbelrohrs (12) zum Verdichter (10) zu steuern.
  8. Die Wärmepumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 6 umfassend:
    einen Ejektor (34), und
    einen Akkumulator (36), wobei
    der Ejektor (34) im Kältekreis zwischen dem ersten Wärmeübertrager (14) und/oder dem dritten Wärmeübertrager (24) und dem Verdichter (10) angeordnet ist,
    ein Fluidstrom vom ersten Wärmeübertrager (14) und/oder vom dritten Wärmeübertrager (24) zum Ejektor (34) einen treibenden Massenstrom (34a) des Ejektors (34) bildet,
    ein Fluidstrom vom zweiten Wärmeübertrager (18) zum Ejektor (34) einen Saugstrom (34b) des Ejektors (34) bildet,
    ein Fluidstrom vom Ejektor (34) in den Akkumulator (36) führt,
    ein Fluidstrom vom Akkumulator (36) über das Expansionsventil (16) zum zweiten Wärmeübertrager (18) führt,
    ein Fluidstrom vom Akkumulator (36) zum Verdichter (10) führt, wobei
    der Fluidstrom vom Akkumulator (36) zum Expansionsventil (16) eine höhere Dichte aufweist als der Fluidstrom vom Akkumulator (36) zum Verdichter (10).
  9. Die Wärmepumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 7 umfassend:
    einen internen Wärmeübertrager (26) umfassend eine erste Leitung (26a) und eine zweite Leitung (26b), wobei
    die erste Leitung (26a) zwischen dem ersten Wärmeübertrager (14) und/oder dem dritten Wärmeübertrager (24) und dem Ejektor (34) und/oder dem Expansionsventil (16) im Kältekreis angeordnet ist,
    die zweite Leitung (26b) zwischen dem Ejektor (34) und/oder dem Expansionsventil (16) und dem Verdichter (10) angeordnet ist, und
    der interne Wärmeübertrager (26) dazu eingerichtet ist, Wärme vom Kältemittel in der ersten Leitung (26a) zum Kältemittel in der zweiten Leitung (26b) zu übertragen ohne Vermischung des Kältemittels in der ersten Leitung (26a) mit dem Kältemittel in der zweiten Leitung (26b).
  10. Die Wärmepumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei
    das Kältemittel im Kältekreis derartige Eigenschaften aufweist und die Wärmepumpe dazu eingerichtet ist, derart betrieben zu werden, sodass eine transkritische und/oder überkritische Prozessführung vorliegt.
  11. Die Wärmepumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei die Wärmepumpe zusätzlich zum Kühlen eines Gebäudes eingerichtet ist.
  12. Die Wärmepumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei
    zumindest ein Teil des vom Verdichter (10) verdichteten Kältemittels direkt vom Verdichter (10) in das Wirbelrohr (10) geleitet wird; und/oder
    im Kältekreis zwischen dem Verdichter (10) und dem Wirbelrohr (12) kein Wärmeübertrager, der zur Abgabe von Wärme aus dem Kältekreis an einen Wärmeabnehmer eingerichtet ist, angeordnet ist; und/oder
    im Kältekreis zwischen dem Verdichter (10) und dem Wirbelrohr (12) kein Wärmeübertrager angeordnet ist.
  13. Die Wärmepumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei
    das Wirbelrohr (12) derart eingerichtet ist, sodass ein Temperaturniveau des warmen Fluidstroms (12a) des Wirbelrohrs über einem Temperaturniveau des Kältemittels am Verdichterausgang liegt.
  14. Die Wärmepumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 13, wobei das Wirbelrohr (12) ein Ranque-Hilsch-Wirbelrohr ist.
  15. Verfahren zum Betreiben einer Wärmepumpe umfassend die Prozessschritte:
    Verdichten (S11) eines Kältemittels eines Kältekreises der Wärmepumpe;
    Trennen (S12) des verdichteten Kältemittels in einen kalten Fluidstrom und in einen warmen Fluidstrom mittels eines Wirbelrohrs, sodass eine Temperatur des warmen Fluidstroms des Wirbelrohrs über der Temperatur des verdichteten Kältemittels liegt; und
    Übertragen (S13) von Wärme des warmen Fluidstroms des Wirbelrohrs an einen Wärmeabnehmer mittels eines ersten Wärmeübertragers.
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