WO2014131591A1 - Heat pump and method for operating a heat pump - Google Patents
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- WO2014131591A1 WO2014131591A1 PCT/EP2014/052293 EP2014052293W WO2014131591A1 WO 2014131591 A1 WO2014131591 A1 WO 2014131591A1 EP 2014052293 W EP2014052293 W EP 2014052293W WO 2014131591 A1 WO2014131591 A1 WO 2014131591A1
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Definitions
- the invention relates to a heat pump with a fluid, with at least one condensation device for condensing the fluid, with at least one expansion device for expanding the fluid, with at least one evaporation device for evaporating the fluid and with at least one compression device for compressing the fluid.
- the invention also relates to a method for operating such a heat pump.
- a heat pump of the type mentioned at the beginning is used, for example, for heating buildings.
- a heat pump is a machine that uses technical work to absorb thermal energy in the form of heat from a lower temperature heat source and, together with the drive energy of the compressor, to dissipate waste heat to a higher temperature heat sink.
- Within a heat pump becomes a fluid conducted in a circular process. This cyclic process is also called thermodynamic vapor compression cycle.
- heat pump fluids are currently used, which are questionable from As ⁇ pekten of environmental protection, because they have a high global warming potential. Furthermore, some of the common fluids are flammable, sometimes hazardous to health or toxic. No fluid which has both very good environmental and safety properties is currently in commercial use in heat pumps.
- Object of the present invention is to provide a heat pump of the type mentioned, and a method for operating such a heat pump, in which fluids can be used that are environmentally friendly and safety-friendly, so have a low global warming potential and neither flammable nor are health ⁇ harmful.
- the heat pump according to the invention comprises a fluid whose tau line is inclined at least in a predominant region of its course in the direction of increasing entropy in the Ts diagram. Furthermore, the heat pump comprises at least one Wär ⁇ mezu slaughterleton's trademark for the following: a fluid whose tau line is inclined at least in a predominant region of its course in the direction of increasing entropy in the Ts diagram. Furthermore, the heat pump comprises at least one Wär ⁇ mezu slaughterhousesky, by means of which the fluid upstream in the flow direction downstream of the evaporation means and the compression means is heated.
- the heat supply device comprises at least one heat exchanger through which the fluid flows, by means of which a heat quantity can be taken from the fluid after it has condensed and before it evaporates. Furthermore, it is at least partially supplied with ⁇ means of the heat exchanger the fluid after its evaporation and prior to its compression, the amount of heat.
- a heat exchanger transfers heat from egg definition ⁇ nem stream of higher temperature to a material flow of lower temperature. Located on the one side of the heat-transferring surface of the heat exchanger after the ⁇ sen condensation and before the evaporation of warm fluid and on the other side of the heat transfer surface after its evaporation and prior to its compression in comparison to cold fluid, it can by the conditional heat exchange, the fluid is particularly easy to be placed in a state of higher temperature and higher entropy before its compression.
- the heat exchanger is therefore flowed through both on its warm flow side leading, as well as on its side leading the cold flow of the fluid, with the difference that on the one hand, the fluid is warmer than on the other side.
- the heat transfer is particularly effective when the fluid in the flow direction flows shortly after the condensation device in the heat exchanger and dissipates a portion of its heat to the colder fluid on the other side of the heat exchanger. If the other side of the heat exchanger is arranged so that the heat is transferred to the colder fluid in the direction of flow shortly before the fluid enters the compression device, the heat losses are particularly low.
- Heat exchanger as well as an electric heating element, can be ⁇ designed in particular as a PTC element, or another heating device is powered by an external source of energy.
- the temperature of the fluid before its compression is not yet large enough that an at least partial phase ⁇ change of the fluid could be prevented during its compression.
- the fluid can vorkondi ⁇ tion before entering the compression ⁇ device even at a cold start of the heat pump, so that the fluid is present both before and after its compression in the gas phase. Especially effec- tive this phase shift is inhibited when the heat transfer ⁇ ⁇ temporally enforces this heat transfer module just before the beginning of compression by the compression device which can be configured as a compressor, takes place.
- the heat pump comprises an expansion valve, by means of which the evaporator pressure and the overheating of the fluid flowing into the at least one evaporation ⁇ device is adjustable.
- the evaporator pressure and the overheating of the fluid flowing into the evaporation device can be adjusted.
- the evaporator pressure and the overheating of the fluid can thus be controlled and / or regulated.
- the evaporator pressure and the overheating of the fluid can be adjusted when a control of the evaporator pressure and overheating by z. B. with an automatic expansion valve
- Evaporator pressure control or an electronically controlled expansion valve with stepper motor control, or z.
- a thermostatically controlled expansion valve with sensor is controlled at the evaporator fluid outlet.
- the heat pump ⁇ particular insbeson is used for providing industrial process heat, to heat the building or for heating water.
- the fluid supply of the heat transfer module can be done FITS simply by supplying electrical energy, ie on the power supply of a building in which the heat used me pump will occur if theificatübertra ⁇ tion module is designed as an electric heating element.
- the heat transfer module can also be designed as a heat exchanger, the heat transfer can be done by a suffi accordingly warm operating medium. In this case, however, must be taken into account that the heating of the fluid is slower than in an electric heater since the heating then depends on the temperature of the medium involved in the heat exchange.
- fluoroketones are commonly used as insulating gas and fire-fighting agent and white ⁇ sen addition to a low global warming potential of a value less than 10, the safety especially Güns term properties, non-flammable and non-health- to be harmful to your health.
- such operating materials for heat pumps can be used future-proof within the legal framework conditions.
- this fluid is condensed by means of at least one condensation device, expanded by means of at least one expansion device, evaporated by means of at least one evaporation device and compressed by means of at least one compression device.
- the tau line of the fluid in the Ts diagram is inclined in the direction of increasing entropy, at least in a predominant region of its course.
- the heat pump comprises at least one Wär ⁇ mezugot adopted, by means of which the fluid is heated in the flow direction downstream of the vaporisation device and upstream of the compression device.
- 1 schematically shows a cyclic process in the form of a thermodynamic vapor compression cycle for a heat pump and represents the state of the art.
- 2 shows the prior art, based on a Ts diagram for the conventional fluid R134a a conven- ⁇ nell run cycle of a heat pump.
- 3 shows a greatly overhanging 2-phase region on the basis of a T S diagram and the transfer of the fluid from the single-phase gas-phase in a 2-phase region when the cycle conven ⁇ tionally, that is guided without additional heating of the fluid before the ⁇ sen compaction.
- FIG. 4 shows schematically the cycle of the heat pump according to the invention with a heat supply device, the one
- Heat exchanger and a heat transfer module comprises. 5 shows, based on a T-s diagram for a fluid with a strongly overhanging 2-phase region, the heat supply through a heat exchanger and / or by a heat transfer module and the subsequent compression of the fluid, wherein the fluid is present both before and after compression in the single-phase gas phase.
- FIG. 1 the cycle of a heat pump 12 is shown schematically.
- the fluid is conveyed in a flow direction 11 through the heat pump 12.
- An evaporator which is designed as an evaporator 10, vaporizes the fluid so that it assumes a vapor state 1.
- the fluid enters a Verdichtungseinrich ⁇ tion, which is designed as a compressor 7.
- the compressor 7 the fluid is compressed to a compression state 3 and flows in this compressed state in a condenser, which is designed as a condenser 8.
- the condenser 8 the fluid is converted into a condensed compression state 5, and finally ⁇ in an expansion device, which is designed as an expansion valve 9, expands.
- FIG 2 illustrates a Ts diagram 23 illustrating entspre ⁇ accordingly the image plane to the right, ie, on the abscissas axis ⁇ entropy and 14 on the image plane up to, ie on the axis of ordinates a temperature. 13
- the TS plot 23 is used to represent a dew line 18, a boiling line 19, as well as different aggregate states of the fluid.
- the dew line 18 delimits a gas phase 15 from a two-phase region 16, wherein in the two-phase region 16 the fluid is present both in the liquid state and in the gaseous state.
- the boiling line 19 delimits the 2-phase region 16 from a liquid phase 17.
- the illustrated Ts diagram 23 illustrates in FIG. 2 a fluid whose dew line 18 has a negative gradient.
- the dew line 18 extends at least predominantly according to the image plane to the left of an axis ⁇ intersection point 24 in which the dew line 18 intersects with the Abs ⁇ zissenachse.
- thermodynamic states of the fluid this fluid assuming these different states as a result of the flow through the compressor 7, the condenser 8, the expansion valve 9 and the evaporator 10.
- the compression state 3 of the fluid is achieved according to the flow direction 11 by compression within the compressor 7.
- the compression state 3 is located within the gas phase 15, which is why the compressor takes 7 kei ⁇ ne damage from liquid slugging in consequence of a phase ⁇ change.
- the illustrated connecting lines between the individual states are shown as straight connecting lines in FIG. 2, FIG. 3 and FIG. 5, but may also run in a curved manner.
- the condenser 8 condenses the condensed state 5, which is located on the Siedeline.
- the expansion state 6 is achieved by the passage of the fluid through the expansion valve 9.
- the vapor state 1 of the fluid is again achieved by supplying energy in the evaporator 10.
- the cycle of the heat pump 12 is closed.
- FIG. 3 illustrates in essential parts the contents of FIG. 2, for which reason only the differences will be discussed below.
- the Ts diagram 23 shown in FIG. 3 illustrates the curves of the boiling line 19 and the tau line 18 of a fluid having a strongly overhanging 2-phase region 16.
- the 2-phase region 16 shown in FIG. 3 depends at least in accordance with the image plane with respect to the axis intersection point 24 essentially strong right over.
- the dew point line is 18 with respect to the image plane at least in the Wesent ⁇ union right of the axis intersection point 24 is carried out starting from the vapor state 1 in accordance with the method described in FIG 1,
- the conventional circuit of the heat pump 12 is a compression of the fluid by the compressor 7, so is the compression ⁇ condition 3 of the fluid in the two-phase region 16. Accordingly, it can cause damage, such as liquid shocks in the compressor 7, so the compression device.
- a heat supply device 22 is provided in FIG 4 in the flow direction 11 after the evaporator 10 and in the flow direction in front of the compressor 7, which includes a heat exchanger 20 and a heat transfer module 21.
- the individual components of the heat supply device 22, that is to say the heat exchanger 20 and the heat transfer module 21 can also be arranged in a different order than that shown be.
- the heat transfer module 21 essentially serves to increase the fluid temperature when the heat pump 12 is started.
- the heat transfer module 21 transfers the heat to the fluid.
- the transferred heat is sufficient to increase the fluid temperature such that even during the compression of the fluid by the compressor 7 no phase change occurs.
- the heat transfer module 21 can also be used in addition to the heat exchanger 20 for fluid heating. While the heat exchanger 20 takes out the fluid at a point heat and adding them at other Stel ⁇ le, the heat transfer module 21 is preferential as ⁇ executed as a heating element with an external power supply. Alternatively, however, the heat exchanger 20 may be designed as a heating element with external power supply and the heat transfer ⁇ module 21 as a heat exchanger.
- the T-s diagram 23 shown in FIG. 5 clarifies, just like FIG. 3, the courses of the boiling line 19 as well as the
- the heat pump schematically illustrated conventional 1 NEN the heat pump schematically illustrated in FIG 4 with the additional pre see ⁇ in FIG Heat supply 22 is used.
- the heat supply means that is by means of the heat exchanger 20 or the furnishedübertragungsmo ⁇ duls 21 or the combination of both the fluid heat conces- leads, so that the fluid takes a heated vapor state 2 at ⁇ .
- This heated vapor state 2 lies in the region of the single-phase gas phase 15 and thus corresponding to the image plane to the right of the dew line 18.
- the heated Verdichtungszu ⁇ stand 4 is, as already the heated vapor state 2 within the range of single-phase gas phase 15.
- the fluid remains in its compression by the compressor 7 in the gas phase 15 and there is no phase change in the 2-phase region 16. This will prevent ⁇ the that the compressor 7 damage z. B. takes in the form of liquid shocks.
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Abstract
The invention relates to a heat pump (12) with a fluid. Said heat pump (12) comprises at least one condensation device (8) for condensing the fluid, at least one expansion device (9) for expanding a fluid, at least one evaporation device (10) for evaporating the fluid and at least one compression device (7) for compressing the fluid. The condensation curve (18) of the fluid is inclined in the direction of increasing entropy at least in a major area of its path in the T-s-diagram (temperature-entropy). Said heat pump (12) comprises at least one heat guiding device (22) which can heat the fluid in the flow direction thereof (11) downstream of the evaporation device (10) and upstream of the compression device (7). The invention also relates to a method for operating a heat pump (12).
Description
Beschreibung description
Wärmepumpe und Verfahren zum Betreiben einer Wärmepumpe Heat pump and method for operating a heat pump
Die Erfindung betrifft eine Wärmepumpe mit einem Fluid, mit wenigstens einer Kondensationseinrichtung zum Kondensieren des Fluids, mit wenigstens einer Expansionseinrichtung zum Expandieren des Fluids, mit wenigstens einer Verdampfungseinrichtung zum Verdampfen des Fluids und mit wenigstens einer Verdichtungseinrichtung zum Verdichten des Fluids. Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Betrieb einer solchen Wärmepumpe . The invention relates to a heat pump with a fluid, with at least one condensation device for condensing the fluid, with at least one expansion device for expanding the fluid, with at least one evaporation device for evaporating the fluid and with at least one compression device for compressing the fluid. The invention also relates to a method for operating such a heat pump.
Eine Wärmepumpe der eingangs genannten Art wird beispielswei- se Beheizung von Gebäuden verwendet. Eine Wärmepumpe ist eine Maschine, die unter Aufwendung von technischer Arbeit thermi- sehe Energie in Form von Wärme aus einer Wärmequelle mit niedrigerer Temperatur aufnimmt und zusammen mit der Antriebsenergie des Kompressors ais Abwärme an eine Wärmesenke mit höherer Temperatur abgibt, Innerhalb einer Wärmepumpe wird ein Fluid in einem Kreisprozess geführt. Dieser Kreis- prozess wird auch als thermodynamischer Dampfkompressions- kreislauf bezeichnet. A heat pump of the type mentioned at the beginning is used, for example, for heating buildings. A heat pump is a machine that uses technical work to absorb thermal energy in the form of heat from a lower temperature heat source and, together with the drive energy of the compressor, to dissipate waste heat to a higher temperature heat sink. Within a heat pump becomes a fluid conducted in a circular process. This cyclic process is also called thermodynamic vapor compression cycle.
In Wärmepumpen werden derzeit Fluide eingesetzt, die aus As¬ pekten des Umweltschutzes bedenklich sind, da sie ein hohes Erderwärmungspotential aufweisen. Des Weiteren sind einige der gängigen Fluide brennbar, mitunter gesundheitsgefährdend oder toxisch. Kein Fluid, welches sowohl sehr gute Umwelt- als auch Sicherheitseigenschaften aufweist, befindet sich derzeit im kommerziellen Einsatz in Wärmepumpen. In heat pump fluids are currently used, which are questionable from As ¬ pekten of environmental protection, because they have a high global warming potential. Furthermore, some of the common fluids are flammable, sometimes hazardous to health or toxic. No fluid which has both very good environmental and safety properties is currently in commercial use in heat pumps.
CO2 ist zwar umwelttechnisch bedenkenlos und hat definitions¬ gemäß ein Erderwärmungspotential von 1, ist jedoch aus ther¬ modynamischer Sicht problematisch, da dessen kritische Temperatur bei nur etwa 31°C liegt. So erfolgt oberhalb dieser Temperatur die Wärmeabgabe an die Wärmesenke nicht im Rahmen einer nahezu isothermen Kondensation, also nahezu konstanter
Temperatur, unter Abgabe der Kondensationswärme, sondern über einen Temperaturbereich. Dadurch wird die Wärmeabgabe an Wärmesenken, die eine nahezu konstante Temperatur benötigen, wie z.B. Wasserdampferzeugung, beeinträchtigt. Des Weiteren ist das Druckniveau, für die für Wärmepumpen üblichen Temperatu¬ ren, bei CO2 relativ hoch und bedingt somit einen höheren ap¬ parativen Aufwand. CO 2 is more environmentally safely and definitions according ¬ has a Global Warming Potential of 1, however, is problematic for ther ¬ modynamischer view, since its critical temperature is only about 31 ° C. Thus, above this temperature, the heat transfer to the heat sink does not occur in the context of a nearly isothermal condensation, that is, almost more constant Temperature, giving off the heat of condensation, but over a temperature range. As a result, the heat transfer to heat sinks that require a nearly constant temperature, such as steam generation affected. Furthermore, the pressure level for the usual for heat pumps tempera ¬ ren in CO 2 relatively high and thus requires a higher ap ¬ para tive effort.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Wärmepumpe der eingangs genannten Art, sowie ein Verfahren zum Betrieb einer solchen Wärmepumpe zu schaffen, bei welchem Fluide eingesetzt werden können, die umweltfreundlich und sicherheitstechnisch unbedenklich sind, also ein niedriges Erderwär- mungspotential aufweisen und weder brennbar noch gesundheits¬ schädlich sind. Object of the present invention is to provide a heat pump of the type mentioned, and a method for operating such a heat pump, in which fluids can be used that are environmentally friendly and safety-friendly, so have a low global warming potential and neither flammable nor are health ¬ harmful.
Diese Aufgabe wird durch eine Wärmepumpe mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und durch ein Verfahren mit den Merkma¬ len des Patentanspruchs 8 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltun¬ gen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben. This object is achieved by a heat pump with the features of patent claim 1 and by a method with the Merkma ¬ len of claim 8. Advantageous Ausgestaltun ¬ conditions with expedient developments of the invention are specified in the dependent claims.
Die erfindungsgemäße Wärmepumpe umfasst ein Fluid, dessen Taulinie zumindest in einem überwiegenden Bereich ihres Verlaufs in Richtung steigender Entropie im T-s-Diagramm geneigt ist. Des Weiteren umfasst die Wärmepumpe wenigstens eine Wär¬ mezuführeinrichtung, mittels welcher das Fluid in dessen Strömungsrichtung stromab der Verdampfungseinrichtung und stromauf der Verdichtungseinrichtung erwärmbar ist. The heat pump according to the invention comprises a fluid whose tau line is inclined at least in a predominant region of its course in the direction of increasing entropy in the Ts diagram. Furthermore, the heat pump comprises at least one Wär ¬ mezuführeinrichtung, by means of which the fluid upstream in the flow direction downstream of the evaporation means and the compression means is heated.
Dadurch, dass dem Fluid vor dessen Verdichtung und nach dessen Verdampfung Wärme zugeführt wird, wird sowohl die Tempe¬ ratur als auch die Entropie des Fluids erhöht. Infolgedessen kann das Fluid verdichtet, also dessen Druck erhöht werden, ohne dass ein Phasenwechsel erfolgt. Somit befindet sich das Fluid sowohl vor der Verdichtung als auch nach der Verdichtung in einer gasförmigen Phase. Das Zuführen von Energie in Form von Wärme ist insbesondere dann erforderlich, wenn das
eingesetzte Fluid in seinem zugrundeliegenden T-s-Diagramm (Temperatur-Entropie-Diagramm) ein stark überhängendes 2- Phasengebiet aufweist. Von einem überhängenden 2-Phasengebiet spricht man dann, wenn die Taulinie des entsprechenden Fluids zumindest in einem überwiegenden Bereich ihres Verlaufs in Richtung steigender Entropie geneigt ist. Das Vorliegen des Fluids in Form einer Gasphase sowohl vor als auch nach dessen Verdichtung ist insbesondere deshalb vorteilhaft, da ein Pha¬ senwechsel von der Gasphase in ein 2-Phasengebiet , bestehend aus Gasphase und Flüssigphase, zu Schäden an der Verdich¬ tungseinrichtung, in Form von beispielsweise Flüssigkeits¬ schlägen führen kann. The fact that heat is supplied to the fluid before its compression and after its evaporation, both the Tempe ¬ rature and the entropy of the fluid is increased. As a result, the fluid can be compressed, that is, its pressure can be increased without a phase change occurring. Thus, the fluid is in a gaseous phase both before compression and after compression. The supply of energy in the form of heat is required in particular when the used fluid in its underlying Ts-diagram (temperature-entropy diagram) has a strongly overhanging 2-phase region. An overhanging 2-phase region is said to be when the tau line of the corresponding fluid is inclined in the direction of increasing entropy, at least in a predominant region of its course. The presence of the fluid in the form of a gas phase both before and after its compression is particularly advantageous because a Pha ¬ senwechsel of the gas phase in a 2-phase region consisting of gas phase and liquid phase, damage to the compaction ¬ processing device, in the form can lead, for example, liquid ¬ slaps.
Bevorzugt umfasst die Wärmezuführeinrichtung wenigstens einen von dem Fluid durchströmten Wärmeübertrager, mittels welchem dem Fluid nach dessen Kondensation und vor dessen Verdampfung, eine Wärmemenge entnehmbar ist. Des Weiteren ist mit¬ tels des Wärmeübertragers dem Fluid nach dessen Verdampfung und vor dessen Verdichtung die Wärmemenge zumindest teilweise zuführbar . Preferably, the heat supply device comprises at least one heat exchanger through which the fluid flows, by means of which a heat quantity can be taken from the fluid after it has condensed and before it evaporates. Furthermore, it is at least partially supplied with ¬ means of the heat exchanger the fluid after its evaporation and prior to its compression, the amount of heat.
Ein Wärmeübertrager überträgt definitionsgemäß Wärme von ei¬ nem Stoffstrom höherer Temperatur auf einen Stoffstrom niedrigerer Temperatur. Befindet sich auf der einen Seite der wärmeübertragenden Fläche des Wärmeübertragers das nach des¬ sen Kondensation und vor dessen Verdampfung warme Fluid und auf der anderen Seite der wärmeübertragenden Fläche das nach dessen Verdampfung und vor dessen Verdichtung im Vergleich dazu kalte Fluid, so kann durch den dadurch bedingten Wärmeaustausch das Fluid vor dessen Verdichtung besonders einfach in einen Zustand höherer Temperatur und höherer Entropie versetzt werden. A heat exchanger transfers heat from egg definition ¬ nem stream of higher temperature to a material flow of lower temperature. Located on the one side of the heat-transferring surface of the heat exchanger after the ¬ sen condensation and before the evaporation of warm fluid and on the other side of the heat transfer surface after its evaporation and prior to its compression in comparison to cold fluid, it can by the conditional heat exchange, the fluid is particularly easy to be placed in a state of higher temperature and higher entropy before its compression.
Der Wärmeübertrager wird also sowohl auf seiner den warmen Stoffstrom führenden Seite, als auch auf seiner den kalten Stoffstrom führenden Seite von dem Fluid durchströmt, mit dem Unterschied, dass auf der einen Seite das Fluid wärmer ist, als auf der anderen Seite. Besonders effektiv erfolgt die Wärmeübertragung dann, wenn das Fluid in Strömungsrichtung
kurz nach der Kondensationseinrichtung in den Wärmeübertrager einströmt und einen Teil seiner Wärme an das kältere Fluid auf der anderen Seite des Wärmeübertragers abführt. Ist die andere Seite des Wärmeübertragers so angeordnet, dass die Wärme an das kältere Fluid in Strömungsrichtung kurz vor dem Fluideintritt in die Verdichtungseinrichtung erfolgt, so sind die Wärmeverluste besonders gering. The heat exchanger is therefore flowed through both on its warm flow side leading, as well as on its side leading the cold flow of the fluid, with the difference that on the one hand, the fluid is warmer than on the other side. The heat transfer is particularly effective when the fluid in the flow direction flows shortly after the condensation device in the heat exchanger and dissipates a portion of its heat to the colder fluid on the other side of the heat exchanger. If the other side of the heat exchanger is arranged so that the heat is transferred to the colder fluid in the direction of flow shortly before the fluid enters the compression device, the heat losses are particularly low.
Mit anderen Worten wird also ein Teil der anfallenden Pro- zesswärme mittels weniger Komponenten und somit auf besonders platz- und gewichtssparende Art und Weise dem Fluid vor des¬ sen Verdichtung zugeführt. Somit wird der apparative Aufwand verringert und Materialkosten eingespart. Als weiter vorteilhaft hat es sich gezeigt, wenn die Wärme¬ menge insbesondere vor der Expansion des Fluids entnehmbar und dem Fluid nach dessen Verdampfung und vor dessen Verdichtung zumindest teilweise zuführbar ist. Dadurch, dass dem Fluid vor dessen Expansion durch den In other words, a part of the resulting product will process heat by means of fewer components and thus supplied in a particularly space- and weight-saving way to the fluid before the compression ¬ sen. Thus, the equipment cost is reduced and material costs saved. As a further advantage, it has been shown that the amount of heat ¬ in particular before the expansion of the fluid removable and the fluid after its evaporation and before its compression is at least partially supplied. Characterized in that the fluid before its expansion through the
Wärmeübertrager Wärme entzogen wird, steht eine größere Menge übertragbarer Wärme zur Verfügung. Bei der Expansion handelt es sich aus thermodynamischer Sicht um einen irreversiblen Vorgang. Mit anderen Worten heißt das in Bezug auf das T-s- Diagramm des Fluids, dass die Entropie des Fluids zunimmt. Je größer die verrichtete Expansionsarbeit, desto größer ist auch der Dissipationsanteil . Wird dem Fluid also mit anderen Worten durch den Wärmeübertrager vor der Expansion des Fluids Energie in Form von Wärme entzogen, so ist auch die bei der Expansion verrichtete Expansionsarbeit kleiner. Da damit ein¬ hergehend auch die durch Expansion auftretende Dissipation betragsmäßig kleiner wird, treten weniger thermische Verluste auf, weshalb der Wirkungsgrad der Wärmepumpe verbessert wird. In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist die Wärmezuführeinrichtung wenigstens ein Wärmeübertra¬ gungsmodul, insbesondere wenigstens einen Wärmeübertrager und/oder wenigstens ein elektrisches Heizelement auf.
Ein solches Wärmeübertragungsmodul, welches sowohl als Heat exchanger is withdrawn heat, there is a larger amount of transferable heat available. Expansion is thermodynamically an irreversible process. In other words, with respect to the Ts diagram of the fluid, this means that the entropy of the fluid increases. The greater the expansion work done, the greater the dissipation share. If, in other words, the fluid is deprived of energy in the form of heat by the heat exchanger before the expansion of the fluid, the expansion work performed during the expansion is also smaller. Since thus a ¬ forth also occurring by expansion dissipation is smaller in absolute value, less occur thermal losses, and therefore the efficiency of the heat pump is improved. In a further advantageous embodiment of the invention, the heat supply device at least one Wärmeübertra ¬ tion module, in particular at least one heat exchanger and / or at least one electric heating element. Such a heat transfer module, both as
Wärmeübertrager, als auch als elektrisches Heizelement, ins¬ besondere als PTC-Element, oder eine andere Heizvorrichtung ausgestaltet sein kann, wird über eine externe Quelle mit Energie versorgt. Im Falle eines Kaltstarts der Wärmepumpe, ist die Temperatur des Fluids vor dessen Verdichtung noch nicht groß genug, als dass ein zumindest teilweiser Phasen¬ wechsel des Fluids bei dessen Verdichtung unterbunden werden könnte. Durch Zuführen von Wärme durch das Wärmeübertragungs¬ modul, kann das Fluid vor dem Eintritt in die Verdichtungs¬ einrichtung auch bei einem Kaltstart der Wärmepumpe vorkondi¬ tioniert werden, sodass das Fluid sowohl vor, als auch nach dessen Verdichtung in der Gasphase vorliegt. Besonders effek- tiv wird dieser Phasenwechsel unterbunden, wenn die Wärme¬ übertragung durch dieses Wärmeübertragungsmodul zeitlich ver¬ setzt kurz vor dem Beginn der Verdichtung durch die Verdichtungseinrichtung, welche als Kompressor ausgeführt sein kann, erfolgt . Heat exchanger, as well as an electric heating element, can be ¬ designed in particular as a PTC element, or another heating device is powered by an external source of energy. In the case of a cold start of the heat pump, the temperature of the fluid before its compression is not yet large enough that an at least partial phase ¬ change of the fluid could be prevented during its compression. By supplying heat through the heat transfer ¬ module, the fluid can vorkondi ¬ tion before entering the compression ¬ device even at a cold start of the heat pump, so that the fluid is present both before and after its compression in the gas phase. Especially effec- tive this phase shift is inhibited when the heat transfer ¬ ¬ temporally enforces this heat transfer module just before the beginning of compression by the compression device which can be configured as a compressor, takes place.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung umfasst die Wärmepumpe ein Expansionsventil, mittels welchem der Verdampferdruck und die Überhitzung des in die wenigstens eine Verdampfungs¬ einrichtung einströmenden Fluids einstellbar ist. In a further advantageous embodiment, the heat pump comprises an expansion valve, by means of which the evaporator pressure and the overheating of the fluid flowing into the at least one evaporation ¬ device is adjustable.
Mittels eines Expansionsventils ist der Verdampferdruck und die Überhitzung des in die Verdampfungseinrichtung einströmenden Fluids einstellbar. Mit anderen Worten ist der Verdampferdruck und die Überhitzung des Fluids somit steuerbar und/oder regelbar. Besonders präzise können der Verdampferdruck und die Überhitzung des Fluids eingestellt werden, wenn eine Regelung des Verdampferdrucks und der Überhitzung durch z. B. ein automatisches Expansionsventil mit By means of an expansion valve, the evaporator pressure and the overheating of the fluid flowing into the evaporation device can be adjusted. In other words, the evaporator pressure and the overheating of the fluid can thus be controlled and / or regulated. Particularly precise, the evaporator pressure and the overheating of the fluid can be adjusted when a control of the evaporator pressure and overheating by z. B. with an automatic expansion valve
Verdampferdruckregelung, oder ein elektronisch geregeltes Ex- pansionsventil mit Schrittmotorsteuerung, oder z. B. ein thermostatisch geregeltes Expansionsventil mit Fühler am Verdampferfluidausgang geregelt wird.
Von besonderem Vorteil ist es, dass die Wärmepumpe insbeson¬ dere zur Bereitstellung von industrieller Prozesswärme, zur Gebäudebeheizung oder zur Warmwasseraufbereitung einsetzbar ist . Evaporator pressure control, or an electronically controlled expansion valve with stepper motor control, or z. B. a thermostatically controlled expansion valve with sensor is controlled at the evaporator fluid outlet. Of particular advantage is that the heat pump ¬ particular insbeson is used for providing industrial process heat, to heat the building or for heating water.
Da der Wärmeübertrager der Wärmezuführeinrichtung vorzugswei se vollständig in den Fluidkreislauf der Wärmepumpe eingebun den ist, ist das Zuführen von Wärme durch eine externe Ener¬ gieversorgung des Wärmeübertragungsmoduls nur solange erfor¬ derlich, bis die übertragbare Wärme des Wärmeübertragers gro genug ist, um die Temperatur des Fluids soweit zu erhöhen, dass auch bei Verdichtung des Fluids durch den Kompressor da Fluid weiterhin im einphasigen, gasförmigen Zustand vorliegt Die Energieversorgung des Wärmeübertragungsmoduls kann beson ders einfach durch Zuführen elektrischer Energie erfolgen, also über die Stromversorgung eines Gebäudes, in dem die Wär mepumpe eingesetzt wird erfolgen, sofern das Wärmeübertra¬ gungsmodul als elektrisches Heizelement ausgeführt ist. Das Wärmeübertragungsmodul kann jedoch auch als Wärmeübertrager ausgeführt sein, wobei die Wärmeübertragung durch ein ausrei chend warmes Betriebsmedium erfolgen kann. In diesem Fall muss jedoch in Kauf genommen werden, dass die Erwärmung des Fluids langsamer erfolgt, als bei einer elektrischen Heizung da die Erwärmung dann von der Temperatur des am Wärmetausch beteiligten Mediums abhängt. Since vorzugswei the heat exchanger of the heat supply se completely into the fluid circuit of the heat pump eingebun to is the application of heat through an external Ener ¬ gieversorgung of the heat transfer module is only as long as erfor ¬ sary until the transferable heat of the heat exchanger is large enough to keep the temperature of the The fluid supply of the heat transfer module can be done FITS simply by supplying electrical energy, ie on the power supply of a building in which the heat used me pump will occur if the Wärmeübertra ¬ tion module is designed as an electric heating element. However, the heat transfer module can also be designed as a heat exchanger, the heat transfer can be done by a suffi accordingly warm operating medium. In this case, however, must be taken into account that the heating of the fluid is slower than in an electric heater since the heating then depends on the temperature of the medium involved in the heat exchange.
Von besonderem Vorteil ist es, wenn das Erderwärmungspotenti al des Fluids kleiner als 10 ist. It is particularly advantageous if the global warming Potenti al of the fluid is less than 10.
Je kleiner das Erderwärmungspotential des eingesetzten Fluid ist, desto geringer ist dessen Einfluss auf den Treibhausef¬ fekt und damit auf die Klimaerwärmung. Unter diesem Aspekt ist der Einsatz so genannter Fluorketone als Fluid besonders empfehlenswert. Solche Fluorketone werden üblicherweise als Isolationsgas und Feuerbekämpfungsmittel eingesetzt und wei¬ sen neben einem geringen Erderwärmungspotential von einem Wert kleiner 10 auch die sicherheitstechnisch besonders güns tigen Eigenschaften auf, nicht brennbar und nicht gesund-
heitsschädlich zu sein. Somit können solche Betriebsstoffe für Wärmepumpen innerhalb der gesetzlichen Rahmenbedingungen zukunftssicher eingesetzt werden. The smaller the global warming potential of the fluid used, the smaller is its influence on the Treibhausef ¬ fect and thus on the climate. In this aspect, the use of so-called fluoroketones as a fluid is particularly recommended. Such fluoroketones are commonly used as insulating gas and fire-fighting agent and white ¬ sen addition to a low global warming potential of a value less than 10, the safety especially Güns term properties, non-flammable and non-health- to be harmful to your health. Thus, such operating materials for heat pumps can be used future-proof within the legal framework conditions.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Betrieb einer Wärmepumpe mit einem Fluid wird dieses Fluid mittels wenigstens einer Kondensationseinrichtung kondensiert, mittels wenigstens einer Expansionseinrichtung expandiert, mittels wenigstens einer Verdampfungseinrichtung verdampft und mittels wenigstens einer Verdichtungseinrichtung verdichtet. Die In the method according to the invention for operating a heat pump with a fluid, this fluid is condensed by means of at least one condensation device, expanded by means of at least one expansion device, evaporated by means of at least one evaporation device and compressed by means of at least one compression device. The
Taulinie des Fluids im T-s-Diagramm ist zumindest in einem überwiegenden Bereich ihres Verlaufs in Richtung steigender Entropie geneigt. Die Wärmepumpe umfasst wenigstens eine Wär¬ mezuführeinrichtung, mittels welcher das Fluid in dessen Strömungsrichtung stromab der Verdampfungseinrichtung und stromauf der Verdichtungseinrichtung erwärmt wird. The tau line of the fluid in the Ts diagram is inclined in the direction of increasing entropy, at least in a predominant region of its course. The heat pump comprises at least one Wär ¬ mezuführeinrichtung, by means of which the fluid is heated in the flow direction downstream of the vaporisation device and upstream of the compression device.
Die für die erfindungsgemäße Wärmepumpe beschriebenen Vortei¬ le und bevorzugten Ausführungsformen gelten auch für das erfindungsgemäße Verfahren und umgekehrt. Take the advantage ¬ le and preferred embodiments described for the inventive heat pump also apply to the inventive method and vice versa.
Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbe¬ schreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. The description above mentioned features and combinations of features as well as mentioned below in the Figurenbe ¬ letters and / or alone shown in the figures features and combinations of features can be used not only in the respectively specified combination but also in other combinations or in isolation, without the To leave frame of the invention.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung er¬ geben sich aus den Ansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen sowie anhand der Figuren. Further advantages, features and details of the invention ¬ be gathered from the claims, the following description of preferred embodiments and with reference to FIGS.
Dabei zeigen: Showing:
FIG 1 schematisch einen Kreisprozess in Form eines thermody- namischen Dampfkompressionskreislaufs für eine Wärmepumpe und gibt den Stand der Technik wieder.
FIG 2 dem Stand der Technik entsprechend, anhand eines T-s- Diagramms für das konventionelle Fluid R134a einen konventio¬ nell geführten Kreisprozess einer Wärmepumpe. FIG 3 ein stark überhängendes 2-Phasengebiet anhand eines T- s-Diagramms sowie den Übergang des Fluids von der einphasigen Gasphase in ein 2-Phasengebiet wenn der Kreisprozess konven¬ tionell, d.h. ohne zusätzliche Erwärmung des Fluids vor des¬ sen Verdichtung geführt wird. 1 schematically shows a cyclic process in the form of a thermodynamic vapor compression cycle for a heat pump and represents the state of the art. 2 shows the prior art, based on a Ts diagram for the conventional fluid R134a a conven- ¬ nell run cycle of a heat pump. 3 shows a greatly overhanging 2-phase region on the basis of a T S diagram and the transfer of the fluid from the single-phase gas-phase in a 2-phase region when the cycle conven ¬ tionally, that is guided without additional heating of the fluid before the ¬ sen compaction.
FIG 4 schematisch den erfindungsgemäßen Kreisprozess der Wärmepumpe mit einer Wärmezuführeinrichtung, die einen 4 shows schematically the cycle of the heat pump according to the invention with a heat supply device, the one
Wärmeübertrager sowie ein Wärmeübertragungsmodul umfasst. FIG 5 anhand eines T-s-Diagramms für ein Fluid mit stark überhängendem 2-Phasengebiet die Wärmezufuhr durch einen Wärmeübertrager und/oder durch ein Wärmeübertragungsmodul sowie die anschließende Kompression des Fluids, wobei das Fluid sowohl vor als auch nach der Kompression in der einphasigen Gasphase vorliegt. Heat exchanger and a heat transfer module comprises. 5 shows, based on a T-s diagram for a fluid with a strongly overhanging 2-phase region, the heat supply through a heat exchanger and / or by a heat transfer module and the subsequent compression of the fluid, wherein the fluid is present both before and after compression in the single-phase gas phase.
In FIG 1 ist schematisch der Kreisprozess einer Wärmepumpe 12 dargestellt. Das Fluid wird in einer Strömungsrichtung 11 durch die Wärmepumpe 12 gefördert. Eine Verdampfungseinrich- tung, die als Verdampfer 10 ausgeführt ist, verdampft das Fluid, so dass es einen Dampfzustand 1 annimmt. In diesem Dampfzustand 1 tritt das Fluid in eine Verdichtungseinrich¬ tung ein, die als ein Kompressor 7 ausgeführt ist. Durch den Kompressor 7 wird das Fluid auf einen Verdichtungszustand 3 verdichtet und strömt in diesem verdichteten Zustand in eine Kondensationseinrichtung, die als ein Kondensator 8 ausgeführt ist. Durch den Kondensator 8 wird das Fluid in einen kondensierten Verdichtungszustand 5 überführt, und schlie߬ lich in einer Expansionseinrichtung, die als ein Expansions- ventil 9 ausgeführt ist, expandiert. Infolgedessen nimmt das Fluid einen Expansionszustand 6 an, wobei es in diesem Zu¬ stand wiederum dem Verdampfer 10 zugeführt wird. Das Fluid wird also während des Betriebs der Wärmepumpe 12 kontinuier-
lieh entsprechend der Pfeilrichtung, die die Strömungsrichtung 11 schematisch darstellt, durch die Wärmepumpe 12 gefördert . FIG 2 veranschaulicht ein T-s-Diagramms 23, welches entspre¬ chend der Bildebene nach rechts zu, also auf der Abszissen¬ achse eine Entropie 14 und auf der Bildebene nach oben zu, also auf der Ordinatenachse eine Temperatur 13 darstellt. Das T-S-Diagramm 23 wird verwendet, um eine Taulinie 18, eine Siedelinie 19, sowie unterschiedliche Aggregatszustände des Fluids darzustellen. Die Taulinie 18 grenzt eine Gasphase 15 von einem 2-Phasengebiet 16 ab, wobei im 2-Phasengebiet 16 das Fluid sowohl in flüssigem, als auch in gasförmigem Zustand vorliegt. Die Siedelinie 19 grenzt das 2-Phasengebiet 16 von einer Flüssigkeitsphase 17 ab. Das dargestellte T-s- Diagramm 23 verdeutlicht in FIG 2 ein Fluid, dessen Taulinie 18 eine negative Steigung aufweist. In Figure 1, the cycle of a heat pump 12 is shown schematically. The fluid is conveyed in a flow direction 11 through the heat pump 12. An evaporator, which is designed as an evaporator 10, vaporizes the fluid so that it assumes a vapor state 1. In this vapor state 1, the fluid enters a Verdichtungseinrich ¬ tion, which is designed as a compressor 7. By the compressor 7, the fluid is compressed to a compression state 3 and flows in this compressed state in a condenser, which is designed as a condenser 8. Through the condenser 8, the fluid is converted into a condensed compression state 5, and finally ¬ in an expansion device, which is designed as an expansion valve 9, expands. As a result, the fluid assumes a state of expansion to 6, wherein it was in this ¬ turn to the evaporator is supplied to the tenth The fluid is thus continuously during the operation of the heat pump 12 lent according to the direction of the arrow, which represents the flow direction 11 schematically, promoted by the heat pump 12. FIG 2 illustrates a Ts diagram 23 illustrating entspre ¬ accordingly the image plane to the right, ie, on the abscissas axis ¬ entropy and 14 on the image plane up to, ie on the axis of ordinates a temperature. 13 The TS plot 23 is used to represent a dew line 18, a boiling line 19, as well as different aggregate states of the fluid. The dew line 18 delimits a gas phase 15 from a two-phase region 16, wherein in the two-phase region 16 the fluid is present both in the liquid state and in the gaseous state. The boiling line 19 delimits the 2-phase region 16 from a liquid phase 17. The illustrated Ts diagram 23 illustrates in FIG. 2 a fluid whose dew line 18 has a negative gradient.
Mit anderen Worten verläuft die Taulinie 18 zumindest über- wiegend entsprechend der Bildebene links von einem Achsen¬ schnittpunkt 24, in welchem sich die Taulinie 18 mit der Abs¬ zissenachse schneidet. In other words, the dew line 18 extends at least predominantly according to the image plane to the left of an axis ¬ intersection point 24 in which the dew line 18 intersects with the Abs ¬ zissenachse.
Ebenfalls in FIG 2 schematisch dargestellt, sind verschiedene thermodynamische Zustände des Fluids, wobei dieses Fluid, diese unterschiedlichen Zustände infolge des Durchströmens des Kompressors 7, des Kondensators 8, des Expansionsventils 9, sowie des Verdampfers 10 annimmt. Ausgehend vom Dampfzu¬ stand 1 wird entsprechend der Strömungsrichtung 11 durch Ver- dichtung innerhalb des Kompressors 7 der Verdichtungszustand 3 des Fluids erreicht. Der Verdichtungszustand 3 befindet sich innerhalb der Gasphase 15, weshalb der Kompressor 7 kei¬ ne Schäden durch Flüssigkeitsschläge in Folge eines Phasen¬ wechsels nimmt. Die dargestellten Verbindungslinien zwischen den einzelnen Zuständen sind in FIG 2, FIG 3 und FIG 5 als gerade Verbindungslinien dargestellt, können jedoch auch gekrümmt verlaufen. Ausgehend vom Verdichtungszustand 3 wird durch den Kondensator 8 der kondensierte Verdichtungszustand
5 eingestellt, welcher sich auf der Siedelinie befindet. Aus¬ gehend von diesem kondensierten Verdichtungszustand 5 wird durch den Durchtritt des Fluids durch das Expansionsventil 9 der Expansionszustand 6 erreicht. Ausgehend von diesem Expan- sionszustand 6 wird durch Energiezufuhr im Verdampfer 10 wiederum der Dampfzustand 1 des Fluids erreicht. Somit ist der Kreislauf der Wärmepumpe 12 geschlossen. Also shown schematically in FIG. 2 are various thermodynamic states of the fluid, this fluid assuming these different states as a result of the flow through the compressor 7, the condenser 8, the expansion valve 9 and the evaporator 10. Starting from Dampfzu ¬ stand 1, the compression state 3 of the fluid is achieved according to the flow direction 11 by compression within the compressor 7. The compression state 3 is located within the gas phase 15, which is why the compressor takes 7 kei ¬ ne damage from liquid slugging in consequence of a phase ¬ change. The illustrated connecting lines between the individual states are shown as straight connecting lines in FIG. 2, FIG. 3 and FIG. 5, but may also run in a curved manner. Starting from the compression state 3, the condenser 8 condenses the condensed state 5, which is located on the Siedelinie. Starting from this condensed compression state 5, the expansion state 6 is achieved by the passage of the fluid through the expansion valve 9. Starting from this expansion state 6, the vapor state 1 of the fluid is again achieved by supplying energy in the evaporator 10. Thus, the cycle of the heat pump 12 is closed.
FIG 3 verdeutlicht in wesentlichen Teilen die Inhalte von FIG 2, weshalb im Folgenden nur auf die Unterschiede eingegangen wird. Das in FIG 3 dargestellte T-s-Diagramm 23 verdeutlicht die Verläufe der Siedelinie 19 sowie der Taulinie 18 eines Fluid mit stark überhängendem 2-Phasengebiet 16. So hängt das in FIG 3 dargestellte 2-Phasengebiet 16 entsprechend der Bildebene in Bezug auf den Achsenschnittpunkt 24 zumindest im Wesentlichen stark nach rechts über. Mit anderen Worten liegt die Taulinie 18 bezüglich der Bildebene zumindest im Wesent¬ lichen rechts des Achsenschnittpunkts 24. Erfolgt ausgehend vom Dampfzustand 1 entsprechend des in FIG 1 beschriebenen, konventionellen Kreislaufs der Wärmepumpe 12 eine Verdichtung des Fluids durch den Kompressor 7, so liegt der Verdichtungs¬ zustand 3 des Fluids im 2-Phasengebiet 16. Demzufolge kann es im Kompressor 7, also der Verdichtungseinrichtung, zu Schäden, wie beispielsweise Flüssigkeitsschlägen kommen. FIG. 3 illustrates in essential parts the contents of FIG. 2, for which reason only the differences will be discussed below. The Ts diagram 23 shown in FIG. 3 illustrates the curves of the boiling line 19 and the tau line 18 of a fluid having a strongly overhanging 2-phase region 16. Thus, the 2-phase region 16 shown in FIG. 3 depends at least in accordance with the image plane with respect to the axis intersection point 24 essentially strong right over. In other words, the dew point line is 18 with respect to the image plane at least in the Wesent ¬ union right of the axis intersection point 24 is carried out starting from the vapor state 1 in accordance with the method described in FIG 1, the conventional circuit of the heat pump 12 is a compression of the fluid by the compressor 7, so is the compression ¬ condition 3 of the fluid in the two-phase region 16. Accordingly, it can cause damage, such as liquid shocks in the compressor 7, so the compression device.
Um Flüssigkeitsschläge bei der Verwendung von Fluiden mit stark überhängendem 2-Phasengebiet zu vermeiden, empfiehlt es sich, eine Wärmepumpe entsprechend der in FIG 4 dargestellten Form zu verwenden. FIG 4 gibt zumindest in weiten Teilen den in FIG 1 schematisch dargestellten Aufbau wieder. Im Folgenden soll deshalb nur auf die Unterschiede eingegangen werden. So ist in FIG 4 in Strömungsrichtung 11 nach dem Verdampfer 10 und in Strömungsrichtung vor dem Kompressor 7 eine Wärmezuführeinrichtung 22 vorgesehen, welche einen Wärmeübertrager 20 sowie ein Wärmeübertragungsmodul 21 umfasst. Dabei können die einzelnen Komponenten der Wärmezuführeinrichtung 22, also der Wärmeübertrager 20 sowie das Wärmeübertragungsmodul 21 auch in anderer Reihenfolge als der dargestellten angeordnet
sein. Das Wärmeübertragungsmodul 21 dient im Wesentlichen der Fluidtemperaturerhöhung beim Starten der Wärmepumpe 12. Beim Starten der Wärmepumpe 12 sind die für die Wärmeübertragung mittels des Wärmeübertragers 20 benötigten Fluidtemperaturen noch nicht erreicht, so dass das Wärmeübertragungsmodul 21 die Wärme an das Fluid überträgt. Die übertragene Wärme reicht aus, um die Fluidtemperatur derart zu erhöhen, dass auch bei der Verdichtung des Fluids durch den Kompressor 7 kein Phasenwechsel erfolgt. Das Wärmeübertragungsmodul 21 kann jedoch auch zusätzlich zum Wärmeübertrager 20 zur Fluid- erwärmung eingesetzt werden. Während der Wärmeübertrager 20 dem Fluid an einer Stelle Wärme entnimmt und an anderer Stel¬ le wieder zufügt, ist das Wärmeübertragungsmodul 21 vorzugs¬ weise als Heizelement mit externer Energiezufuhr ausgeführt. Alternativ kann jedoch auch der Wärmeübertrager 20 als Heizelement mit externer Energiezufuhr und das Wärmeübertragungs¬ modul 21 als Wärmeübertrager ausgeführt sein. To avoid liquid shocks when using fluids with strongly overhanging 2-phase region, it is recommended to use a heat pump according to the form shown in FIG. 4 shows at least in large part the structure shown schematically in FIG. In the following, therefore, only the differences will be discussed. Thus, a heat supply device 22 is provided in FIG 4 in the flow direction 11 after the evaporator 10 and in the flow direction in front of the compressor 7, which includes a heat exchanger 20 and a heat transfer module 21. In this case, the individual components of the heat supply device 22, that is to say the heat exchanger 20 and the heat transfer module 21, can also be arranged in a different order than that shown be. The heat transfer module 21 essentially serves to increase the fluid temperature when the heat pump 12 is started. When starting the heat pump 12, the fluid temperatures required for heat transfer by means of the heat exchanger 20 have not yet been reached, so that the heat transfer module 21 transfers the heat to the fluid. The transferred heat is sufficient to increase the fluid temperature such that even during the compression of the fluid by the compressor 7 no phase change occurs. However, the heat transfer module 21 can also be used in addition to the heat exchanger 20 for fluid heating. While the heat exchanger 20 takes out the fluid at a point heat and adding them at other Stel ¬ le, the heat transfer module 21 is preferential as ¬ executed as a heating element with an external power supply. Alternatively, however, the heat exchanger 20 may be designed as a heating element with external power supply and the heat transfer ¬ module 21 as a heat exchanger.
Das in FIG 5 dargestellte T-s-Diagramm 23 verdeutlicht, eben- so wie FIG 3, die Verläufe der Siedelinie 19 sowie der The T-s diagram 23 shown in FIG. 5 clarifies, just like FIG. 3, the courses of the boiling line 19 as well as the
Taulinie 18 eines Fluid mit stark überhängendem 2- Phasengebiet 16. Im Folgenden soll jedoch auf die Unterschie¬ de eingegangen werden, wenn anstelle der in FIG 1 schematisch dargestellten, konventionellen Wärmepumpe die in FIG 4 sche- matisch dargestellte Wärmepumpe mit der zusätzlich vorgesehe¬ nen Wärmezuführeinrichtung 22 eingesetzt wird. Ausgehend vom Dampfzustand 1 wird mittels der Wärmezuführeinrichtung, also mittels des Wärmeübertragers 20 oder des Wärmeübertragungsmo¬ duls 21 oder der Kombination aus beiden dem Fluid Wärme zuge- führt, sodass das Fluid einen erwärmten Dampfzustand 2 an¬ nimmt. Dieser erwärmte Dampfzustand 2 liegt im Gebiet der einphasigen Gasphase 15 und somit entsprechend der Bildebene rechts von der Taulinie 18. Wird das Fluid ausgehend von dem erwärmten Dampfzustand 2 dem Kompressor 7 zugeführt, so er- folgt durch diesen eine Verdichtung des Fluids auf den erwärmten Verdichtungszustand 4. Der erwärmte Verdichtungszu¬ stand 4 liegt ebenso wie bereits der erwärmte Dampfzustand 2 innerhalb des Bereichs der einphasigen Gasphase 15. Mit ande-
ren Worten verbleibt also das Fluid bei dessen Verdichtung durch den Kompressor 7 in der Gasphase 15 und es erfolgt kein Phasenwechsel in das 2-Phasengebiet 16. Dadurch wird vermie¬ den, dass der Kompressor 7 Schaden z. B. in Form von Flüssig- keitsschlägen nimmt.
Dew line 18 of a fluid with strong overhanging 2- phase region 16. However, the following is to be scheduled on the differences ¬ de if, instead of the heat pump schematically illustrated conventional 1 NEN the heat pump schematically illustrated in FIG 4 with the additional pre see ¬ in FIG Heat supply 22 is used. Starting from the vapor state 1 by means of the heat supply means, that is by means of the heat exchanger 20 or the Wärmeübertragungsmo ¬ duls 21 or the combination of both the fluid heat conces- leads, so that the fluid takes a heated vapor state 2 at ¬. This heated vapor state 2 lies in the region of the single-phase gas phase 15 and thus corresponding to the image plane to the right of the dew line 18. If the fluid is supplied from the heated vapor state 2 to the compressor 7, this results in a compression of the fluid to the heated compression state 4. the heated Verdichtungszu ¬ stand 4 is, as already the heated vapor state 2 within the range of single-phase gas phase 15. On the other Ren words thus the fluid remains in its compression by the compressor 7 in the gas phase 15 and there is no phase change in the 2-phase region 16. This will prevent ¬ the that the compressor 7 damage z. B. takes in the form of liquid shocks.
Claims
1. Wärmepumpe (12) mit einem Fluid, mit wenigstens einer Kon¬ densationseinrichtung (8) zum Kondensieren des Fluids, mit wenigstens einer Expansionseinrichtung (9) zum Expandieren des Fluids, mit wenigstens einer Verdampfungseinrichtung (10) zum Verdampfen des Fluids und mit wenigstens einer Verdichtungseinrichtung (7) zum Verdichten des Fluids, 1. Heat pump (12) with a fluid, with at least one Kon ¬ densationseinrichtung (8) for condensing the fluid, with at least one expansion device (9) for expanding the fluid, with at least one evaporation means (10) for vaporizing the fluid and with at least a compression device (7) for compressing the fluid,
dadurch gekennzeichnet, dass characterized in that
die Taulinie (18) des Fluids zumindest in einem überwiegenden Bereich ihres Verlaufs in Richtung steigender Entropie (14) im T-s-Diagramm geneigt ist, wobei die Wärmepumpe (12) we¬ nigstens eine Wärmezuführeinrichtung (22) umfasst, mittels welcher das Fluid in dessen Strömungsrichtung (11) stromab der Verdampfungseinrichtung (10) und stromauf der Verdichtungseinrichtung (7) erwärmbar ist. the vapor line (18) of the fluid in at least one predominant area of its course in the direction of increasing entropy (14) in the Ts diagram is inclined, wherein the pump (12) we ¬ nigstens includes a heat supply means (22), by means of which the fluid in the Flow direction (11) downstream of the evaporation device (10) and upstream of the compression device (7) is heated.
2. Wärmepumpe (12) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmezuführeinrichtung (22) wenigstens einen von dem Fluid durchströmten Wärmeübertrager (20) umfasst, mittels welchem dem Fluid nach dessen Kondensation und vor dessen Verdampung, eine Wärmemenge entnehmbar ist und mittels wel¬ chem dem Fluid nach dessen Verdampfung und vor dessen Verdichtung die Wärmemenge zumindest teilweise zuführbar ist. 2. Heat pump (12) according to claim 1, characterized in that the heat supply means (22) comprises at least one of the fluid flowed through heat exchanger (20), by means of which the fluid after its condensation and before the evaporation, a heat quantity can be removed and wel ¬ chem the fluid after its evaporation and before its compression, the amount of heat is at least partially supplied.
3. Wärmepumpe (12) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmemenge insbesondere vor der Expansion des Fluids entnehmbar und dem Fluid nach dessen Verdampfung und vor dessen Verdichtung zumindest teilweise zuführbar ist. 3. Heat pump (12) according to claim 2, characterized in that the amount of heat is removable, in particular before the expansion of the fluid and the fluid after its evaporation and prior to its compression at least partially.
4. Wärmepumpe (12) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmezuführeinrichtung (22) wenigs¬ tens ein Wärmeübertragungsmodul (21), insbesondere wenigstens einen Wärmeübertrager und/oder wenigstens ein elektrisches Heizelement aufweist. 4. Heat pump (12) according to one of claims 1 to 3, characterized in that the heat supply device (22) wenigs ¬ least one heat transfer module (21), in particular at least one heat exchanger and / or at least one electric heating element.
5. Wärmepumpe (12) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmepumpe (12) ein Expansionsventil
(9) umfasst, mittels welchem der Verdampferdruck und die Überhitzung des in die wenigstens eine Verdampfungseinrichtung (10) einströmenden Fluids einstellbar ist. 5. heat pump (12) according to one of claims 1 to 4, characterized in that the heat pump (12) an expansion valve (9), by means of which the evaporator pressure and the overheating of the at least one evaporator (10) inflowing fluid is adjustable.
6. Wärmepumpe (12) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmepumpe (12) insbesondere zur Be¬ reitstellung von industrieller Prozesswärme, zur Gebäudebeheizung oder zur Warmwasseraufbereitung einsetzbar ist. 6. heat pump (12) according to one of claims 1 to 5, characterized in that the heat pump (12) in particular for Be ¬ provision of industrial process heat, for heating buildings or for hot water treatment can be used.
7. Wärmepumpe (12) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Erderwärmungspotential des Fluids kleiner als 10 ist. 7. Heat pump (12) according to any one of claims 1 to 6, characterized in that the global warming potential of the fluid is less than 10.
8. Verfahren zum Betrieb einer Wärmepumpe (12) mit einem Fluid mit wenigstens einer Kondensationseinrichtung (8) zum Kondensieren des Fluids, mit wenigstens einer Expansionseinrichtung (9) zum Expandieren des Fluids, mit wenigstens einer Verdampfungseinrichtung (10) zum Verdampfen des Fluids und mit wenigstens einer Verdichtungseinrichtung (7) zum Verdich- ten des Fluids, 8. A method for operating a heat pump (12) with a fluid having at least one condensation device (8) for condensing the fluid, with at least one expansion device (9) for expanding the fluid, with at least one evaporation device (10) for vaporizing the fluid and at least one compression device (7) for compressing the fluid,
dadurch gekennzeichnet, dass characterized in that
die Taulinie (18) des Fluids zumindest in einem überwiegenden Bereich ihres Verlaufs in Richtung steigender Entropie (14) im T-s-Diagramm geneigt ist, wobei die Wärmepumpe (12) we- nigstens eine Wärmezuführeinrichtung (22) umfasst, mittels welcher das Fluid in dessen Strömungsrichtung (11) stromab der Verdampfungseinrichtung (10) und stromauf der Verdichtungseinrichtung (7) erwärmt wird.
the tau line (18) of the fluid is tilted in the direction of rising entropy (14) in the Ts diagram at least in a predominant region of its course, wherein the heat pump (12) comprises at least one heat supply device (22) by means of which the fluid is in its Flow direction (11) downstream of the evaporation device (10) and upstream of the compression device (7) is heated.
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