WO2014191237A1

WO2014191237A1 - Wärmepumpe zur verwendung von umweltverträglichen kältemitteln

Info

Publication number: WO2014191237A1
Application number: PCT/EP2014/060081
Authority: WO
Inventors: Florian REISSNER; Bernd Gromoll
Original assignee: Siemens Aktiengesellschaft
Priority date: 2013-05-31
Filing date: 2014-05-16
Publication date: 2014-12-04
Also published as: CA2913947A1; EP3004754A1; JP2016520187A; JP6328230B2; US11473819B2; CN105358920A; CN105358920B; KR20160014033A; EP3004754B1; DK3004754T3; CA2913947C; KR101907978B1; US20160102902A1; DE102013210175A1; PL3004754T3

Abstract

Die erfindungsgemäße Wärmepumpe umfasst einen internen Wärmetauscher und eine Regeleinrichtung, welche ausgestaltet ist, die Temperatur des Arbeitsfluids am Ausgang des Kompressors auf einen vorgebbaren Mindestabstand oberhalb des Taupunktes bei gleichem Druck zu bringen. Mittels diesem zusätzlichen Eingriff in den Wärmepumpenprozess können neue Kältemittel in Wärmepumpen eingesetzt werden, die eine geringe Steigung der Taulinie von unter 1000 (kgK²)/kJ im Temperatur-Entropie-Diagramm aufweisen und sich durch ihre sehr guten Sicherheits- und Umwelteigenschaften auszeichnen.

Description

Beschreibung

Wärmepumpe zur Verwendung von umweltverträglichen Kältemitteln

Die vorliegende Erfindung betrifft Wärmepumpen und den Einsatz von Kältemittel darin.

Bisher in Wärmepumpen eingesetzte Kältemittel sind entweder toxisch oder umweltschädlich, d.h. sie weisen ein hohes Global Warming Potential auf. Andere sind brennbar oder, die am wenigstens problematischen, zumindest gesundheitsgefährdend. Bisher bekannte Ansätze mit nichttoxischen umweltverträgli^¬ chen Kältemitteln zu arbeiten scheitern bislang daran, dass diese Arbeitsmittel nicht für eine adäquate Leistung der Wär^¬ mepumpe sorgen können oder in konventionellen Wärmepumpenaufbauten nicht einsetzbar sind.

Der Einsatz eines Kältemittels in einer Wärmepumpe ist durch den sogenannten Temperaturlift charakterisiert. Der Tempera^¬ turlift ist die Differenz zwischen Kondensations- und Ver^¬ dampfungstemperatur. Der Temperaturlift besagt also um wie viel die Wärmequelle im Temperaturniveau angehoben wird um an der Wärmesenke genutzt zu werden. In der Figur 1 ist zur Ver- deutlichung der Problematik die Phasengrenzlinie eines geeig^¬ neten umweltfreundlichen Kältemittels gezeigt, die sich durch eine stark überhängende Taulinie auszeichnet. Zusätzlich ist ein Wärmepumpenprozess für einen Temperaturlift von 50 Kelvin von 75°C Verdampfungstemperatur auf 125°C Kondensationstempe- ratur gezeigt. Um eine Wärmepumpe mit einem derartigen Kälte^¬ mittel betreiben zu können, muss der Kompressionsendpunkt einen Mindestabstand von der Taulinie einhalten, um noch im Gasphasengebiet zu liegen. Würde der Temperaturlift bei^¬ spielsweise bei nur 20 Kelvin, die Kondensationstemperatur also bei nur 95°C liegen, wie in Figur 3 gezeigt, würde der Kompressionsendpunkt innerhalb der Phasengrenzlinie also im Gemischtphasengebiet liegen. Dies würde zu Flüssigkeitsschlä- gen im Kompressor führen und einen stabilen Betrieb der Wärmepumpe verhindern.

Bisher ist für den Einsatz derartiger neuer Arbeitsfluide mit diesen speziellen thermodynamischen Eigenschaften nur ein Ansatz bekannt, der auf den instationären Anfahrvorgang einer Wärmepumpe ausgerichtet ist. In der deutschen Anmeldung

10 2013 203243.9 ist eine Wärmepumpe mit einem internen

Wärmeübertrager beschrieben, welcher, wie in Figur 2 gra- phisch dargestellt, durch Unterkühlung des Kondensats von Zu^¬ stand 4 nach Zustand 5 die dabei anfallende Wärme auf den Zu^¬ stand 7 überträgt und so das Sauggas vor der Kompression überhitzt. Der Abstand von Zustand 4 nach Zustand 5 und der Abstand von Zustand 7 nach Zustand 1 beträgt die gleiche Enthalpiedifferenz, wie aus den Druck-Enthalpie-Diagrammen 1 bis 4 zu entnehmen ist. Wie aus Figur 3 wiederum zu erkennen ist, ist der Ansatz mit dem internen Wärmetauscher jedoch nicht für jeden Temperaturlift geeignet. Bei einem Tempera^¬ turlift von beispielsweise 20 Kelvin reicht die Wärmemenge, die der interne Wärmetauscher für die Überhitzung des Sauggases liefern kann nicht aus und der Kompressionsendpunkt liegt problematischerweise wieder innerhalb der Phasengrenzlinie.

Fluide die bisher in Wärmepumpen und Kältemaschinen einge- setzt werden, wie beispielsweise R134a (1,1,1,2- tetrafluoroethan) weisen das Problem, dass der Kompressionsendpunkt im Zweiphasengebiet liegt gar nicht auf und können daher mit aus dem Stand der Technik bekannten Wärmepumpen und Kältemaschinen betrieben werden.

Daher ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Wärmepumpe und ein Verfahren zu deren Betrieb anzugeben, welche den Einsatz von umweltfreundlichen Arbeitsfluiden erlaubt und einen stabilen stationären Betrieb gewährleistet.

Die Aufgabe ist mittels einer Wärmepumpe gemäß Patentanspruch 1 und einem Verfahren zu deren Betrieb gemäß Patentanspruch 9 sowie durch die erfindungsgemäße Verwendung von neuen Ar- beitsfluiden gemäß Patentanspruch 8 gelöst. Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Die erfindungsgemäße Wärmepumpe umfasst einen Kompressor, ei- nen Kondensator, einen internen Wärmetauscher, ein Expansionsventil, einen Verdampfer sowie eine Regeleinrichtung, welche ausgestaltet ist, die Temperatur des Arbeitsfluids am Ausgang des Kompressors auf einen vorgebbaren Mindestabstand, oberhalb des Taupunktes zu bringen. Der Temperaturmindestab- stand bezieht sich auf das Arbeitsfluid bei gleichbleibendem Druck und beträgt insbesondere mindestens ein Kelvin, vor^¬ zugsweise mindestens 5 Kelvin. Dies hat den Vorteil, dass um^¬ weltfreundliche nicht toxische sichere Arbeitsmedien, die sich häufig durch sehr spezielle thermodynamische Eigenschaf- ten wie etwa eine sehr geringe Tauliniensteigung von unter 1000 (kg K²) /kJ im Temperatur-Entropie-Diagramm auszeichnen, eingesetzt werden können und ein stationärer stabiler Wärmepumpenbetrieb ermöglicht wird. In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die

Regeleinrichtung eine Temperaturregeleinrichtung, welche ausgestaltet ist, die Temperatur des Arbeitsfluids am Eingang des Kompressors zu erhöhen. Beispielsweise ist die Tempera^¬ turregeleinrichtung eine Rohrleitungsheizung, welche so zwi- sehen dem internen Wärmetauscher und dem Kompressor angeordnet ist, dass vom internen Wärmetauscher zum Kompressor strömendes Arbeitsfluid mittels der Rohrleitungsheizung

überhitzbar ist. Die Temperaturregeleinrichtung ist dabei so ausgestaltet, dass sie die Rohrleitungsheizung über die Tem- peratur des Arbeitsfluids am Kompressorausgang regelt. Je nachdem welche Temperatur von der Temperaturregeleinrichtung am Kompressorausgang gemessen wird, wird die Rohrleitungshei^¬ zung an- oder ausgeschaltet oder in ihrer Temperatur variiert. Die Rohrleitungsheizung kann also beispielsweise bei schwankenden Wärmequellen oder Wärmesenketemperaturen kurzzeitig anspringen oder auch im Dauerbetrieb sein. Dies hat den Vorteil, einen zu geringen Temperaturlift auszugleichen. Die Grenztemperatur für den Temperaturlift ist abhängig vom eingesetzten Kältemittel, beziehungsweise Arbeitsfluid. Der Temperaturlift ist von verschiedenen Eigenschaften und Parametern der Wärmepumpe abhängig. In einem weiteren vorteilhaften Beispiel für eine Wärmepumpe umfasst die Temperaturregeleinrichtung eine Bypassleitung mit einem Ventil, welche den Hochdruckbereich am Ausgang des Kompressors so mit dem Niedrigdruckbereich am Eingang des Kompressors verbindet, dass das vom internen Wärmetauscher zum Kompressor strömende Arbeitsfluid mittels dem über die

Bypassleitung rückführbaren Heißgas überhitzbar ist. Die Temperaturregeleinrichtung ist dabei insbesondere so ausgestal^¬ tet, dass sie den Durchlass durch das Ventil der

Bypassleitung über die Temperatur des Arbeitsfluids am

Kompressorausgang regelt. Auch diese Ausführungsform hat den Vorteil bei einem Temperaturlift, der ohne zusätzliches Ein^¬ greifen in den Wärmepumpenprozess mit dem Kompressionsend^¬ punkt im Zweiphasengebiet landen würde, so zu regeln, dass die Wärmepumpe mit dem eingesetzten Arbeitsfluid stabil in einem stationären Zustand betrieben werden kann. Das eingesetzte Bypassventil kann beispielsweise ein thermostatisch oder auch ein elektronisch geregeltes Ventil sein.

In einer alternativen vorteilhaften Ausführungsform der Wär- mepumpe ist die Regeleinrichtung eine Druckregeleinrichtung, welche ausgestaltet ist den Druck des Arbeitsfluids am Ein^¬ gang des Kompressors zu erniedrigen. Dazu kann die Druckre^¬ geleinrichtung insbesondere ein automatisches Expansionsventil umfassen, welches als Expansionsventil im Wärmepumpen- kreislauf zwischen dem internen Wärmetauscher und dem Verdampfer angeordnet ist. Ein automatisches Expansionsventil ist ein reines Verdampferdruckregelventil mittels dem es er^¬ möglicht wird, die Verdampfungstemperatur und demnach den Verdampfungsdruck einzustellen.

Durch eine Druckerniedrigung im Verdampfer kann ein höheres Druckverhältnis P_rati_o zwischen der Druckseite nach dem Kom^¬ pressor und der Niedrigdruckseite vor dem Kompressor erzeugt werden. Dadurch, dass der Kompressor ein höheres Druckverhältnis Pratio umsetzen muss, wird auch eine höhere Druckgas^¬ temperatur T₂ am Kompressorausgang erzeugt. Je höher das Druckverhältnis Pratio_/ desto höher die Temperatur T₂ des

Druckgases nach dem Kompressor.

2

—= ^rpratw. ^~T^~

Ά

Dabei ist κ der Isentropenexponent, T₂ und i die Temperatu- ren nach und vor dem Kompressor und Pratio ist das Druckver^¬ hältnis der Gasdrücke nach und vor dem Kompressor. Alternativ zu einer Erhöhung der Temperatur ΤΊ kann also auch der Druck vor dem Kompressor erniedrigt werden. Anstelle der zusätzlichen Heizleistung ist in diesem Fall eine zusätzliche

Kompressorleistung für das erhöhte umzusetzende Druckverhält^¬ nis notwendig. Diese Ausführungsform hat den Vorteil auf zu^¬ sätzliche Heizelemente und Temperaturregeleinrichtungen verzichten zu können und durch den Ersatz des Expansionsventils durch das automatische Expansionsventil keine zusätzlichen Bauteile in der Wärmepumpe für einen stationären Betrieb zu benötigen .

Der Einsatz eines automatischen Expansionsventils in der Wärmepumpe hat den zusätzlichen Vorteil auch eine Regelmöglich- keit für den Anwendungsfall darzustellen, dass der Tempera^¬ turlift nicht unterhalb einer Grenztemperatur sondern deutlich über der Grenztemperatur liegt. Liegt der Temperaturlift eben zu weit darüber, würde auch die Druckgastemperatur T₂ nach dem Kompressor sehr weit über dem einzuhaltenden Min- destabstand zum Taupunkt liegen. Daraus kann sich ein weite^¬ res Problem ergeben, wenn beispielsweise der Kompressor eine obere Temperatureinsatzgrenze aufweist. Eine derartige obere Temperatureinsatzgrenze eines Kompressors kann beispielsweise durch die thermische Stabilität der Schmierstoffe oder durch zu hohe Ausdehnungen für enge Passungen im Kompressor bedingt sein. Durch das automatische Expansionsventil jedoch kann der Druck im Verdampfer auch so weit erhöht werden, dass das Ar- beitsfluid nur noch gering überhitzt oder sogar nur teilverdampft. Die dann noch notwendige Überhitzung für den Mindest^¬ abstand von der Taulinie könnte mittels des internen Wärme^¬ tauschers erfolgen. Die Ausführungsform mit dem automatischen Expansionsventil bei einem Temperaturlift oberhalb der Grenz^¬ temperatur hat den zusätzlichen Vorteil aufgrund der Druckerhöhung die Gesamteffizienz der Wärmepumpe zu erhöhen, da durch die Verringerung der Temperaturdifferenz im Verdampfer das Druckverhältnis sinkt und eine geringere

Kompressorleistung abverlangt wird. Gleichzeitig steigt die Dichte des Fluids und erhöht so die Leistungsdichte im Kom^¬ pressor. Zusätzlich kann durch die geringere Druckgastempera^¬ tur eine erhöhte Lebensdauer des Kompressors gewährleistet werden .

Vorzugsweise umfasst die Wärmepumpe dazu ein Arbeitsfluid, welches im Temperatur-Entropie-Diagramm eine Steigung der Taulinie unter 1000 (kg K²) /kJ aufweist. Der Vorteil des Ein^¬ satzes eines derartigen Arbeitsfluids liegt in dessen hervor- ragenden Umwelt- und Sicherheitseigenschaften. Beispielsweise können als solches Arbeitsfluide aus der Familie der

Fluoroketone eingesetzt werden. Besonders vorteilhaft daraus sind die Arbeitsfluide Novec649 (Dodecafluoro-2-Methylpentan- 3-one) und Novec524 (Decafluoro-3-Methylbutan-2-one) .

Novec649 hat eine Steigung der Taulinie von 601 (kgK²)/kJ, Novec524 hat eine Steigung der Taulinie von 630 (kgK²)/kJ, und ein weiteres geeignetes Beispiel ist R245fa (1,1,1,3,3 - Pentafluoropropan) , welches eine Steigung im T-S-Diagramm von 1653 (kgK²)/kJ aufweist, wobei die Steigung jeweils für eine Sättigungstemperatur von 75°C angegeben ist.

Erfindungsgemäß wird ein Arbeitsfluid in einer Wärmepumpe verwendet, welches eine Steigung in der Taulinie im Tempera^¬ tur-Entropie-Diagramm von unter 1000 (kg K²) /kJ aufweist.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Betrieb einer Wärmepumpe wird die Temperatur eines Arbeitsfluids nach der Korn- pression auf einen vorgebbaren Mindestabstand, insbesondere von einem Kelvin, über den Taupunkt gebracht.

Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden in exemp larischer Weise mit Bezug auf die Figuren 1 bis 7 der ange^¬ hängten Zeichnung beschrieben:

Figur 1 zeigt ein logarithmisches Druck-Enthalpie-Diagramm eines neuen Arbeitsmediums und einen damit gefahre^¬ nen Wärmepumpenprozess mit 50 Kelvin Temperaturlift

Figur 2 zeigt den Wärmeübertrag durch den internen

Wärmeübertrager in einem logarithmischen Druck- Enthalpie-Diagramm.

Figur 3 zeigt ein logarithmisches Druck-Enthalpie-Diagramm des Arbeitsmediums wie in Figur 1 mit einem Wärme^¬ pumpenprozess mit 20 Kelvin Temperaturlift.

Figur 4 zeigt ein logarithmisches Druck-Enthalpie-Diagramm des Arbeitsmediums wie in Figur 1 mit einem Wärme^¬ pumpenprozess mit 60 Kelvin Temperaturlift.

Figur 5 zeigt ein Fließbild einer Wärmepumpe mit Rohrlei^¬ tungsheizung,

Figur 6 ein Fließbild einer Wärmepumpe mit Heißgas-Bypass und

Figur 7 zeigt ein Fließbild einer Wärmepumpe mit automati^¬ schem Expansionsventil.

Die Figuren 1 bis 4 zeigen Druck-Enthalpie-Diagramme, bei de nen der Druck p auf einer logarithmischen Skala aufgetragen ist. In den Diagrammen 1, 3 und 4 sind gestrichpunktet die Isothermen IT und gepunktet die Isentropen IE eingezeichnet. Dabei sind die Temperaturen zu den Isothermen IT in Grad Cel sius, die Entropiewerte zu den Isentropen IE in kJ/ (kg-K) an gegeben. Die durchgängig eingezeichnete Kurve ist jeweils die Phasengrenzlinie PG eines neuen Arbeitsmediums, beispielswei^¬ se handelt es sich um das Fluid Novec649. Dieses weist einen kritischen Punkt bei 169°C auf. Die Taulinie wäre im Tempera- tur-Entropie-Diagramm um 601 (kgK²)/kJ geneigt. Ein weiteres geeignetes Beispiel für ein Arbeitsmedium ist Novec524 mit einem kritischen Punkt bei 148°C.

In der Figur 1 ist zusätzlich ein Wärmepumpenprozess WP ge- strichelt eingezeichnet. Beginnend vom Zustandspunkt 1 ge^¬ langt man über eine Kompression zum Zustandspunkt 2 bzw. 3, welche in rein theoretischen Betrachtungen zusammenfallen und im Folgenden nur als Zustandspunkt 2 benannt werden. Mittels eines Kondensationsvorgangs wird der Zustandspunkt 4 er- reicht. Vom Zustandspunkt 4 zum Zustandspunkt 5 erfolgt eine Unterkühlung. Vom Zustandspunkt 5 zum Zustandspunkt 6 gelangt man über einen Expansionsvorgang und vom Zustandspunkt 6 zu Zustandspunkt 7 über einen Verdampfungsvorgang. Der Weg von Zustandspunkt 7 zurück zum Ausgangspunkt 1 ist eine Überhit- zung des Arbeitsmediums. Der gezeigte Wärmepumpenprozess WP weist eine Verdampfungstemperatur bei 75°C und eine Kondensa^¬ tionstemperatur bei 125°C auf, also einen Temperaturlift von 50 Kelvin. Die Unterkühlung von 4 nach 5 bzw. die Überhitzung von 7 nach 1 werden, wie in Figur 2 verdeutlicht, durch einen internen Wärmetauscher IHX gekoppelt. Dieser nutzt die bei der Unterkühlung anfallende Wärme und überträgt diese auf den Zustand 7. Bei jeweils konstantem Druck wird bei der Unterkühlung die Enthalpie um den gleichen Betrag verringert wie bei der Überhitzung erhöht. Der Abstand des Zustandes 2 von der Taulinie TL im Wärmepumpenprozess WP, d.h. die Tempera^¬ turdifferenz des Zustands 2 zu dessen Taupunkt bei gleichem Druck beträgt 10 Kelvin. Dieser Mindestabstand ist ausrei^¬ chend um einen stabilen Betrieb der Wärmepumpe 10 ohne Ge^¬ fährdung des Kompressors 11 durch Flüssigkeitsschläge zu ge- währleisten. Um den Kompressionsendpunkt, also den Zustand 2, zuverlässig außerhalb des gemischten Phasengebietes 1+g, also außerhalb der Phasengrenzlinie PG zu platzieren, sollte ein Mindestabstand eingehalten werden, der für jedes System von Arbeitsfluid und Wärmepumpe 10 je nach möglichen Schwankungs^¬ parametern festgelegt werden muss. Insbesondere sollte aber ein Mindestabstand von einem Kelvin, vorteilhafterweise ein Mindestabstand von 5 Kelvin eingehalten werden.

Wie in den Figuren 3 und 4 zu sehen ist, ändert der Tempera^¬ turlift des Wärmepumpenprozesses WP ob die ausgetauschte Wär^¬ memenge Q_IHX durch die internen Wärmetauscher IHX zur Überhit^¬ zung des Sauggases vor dem Kompressor 11 ausreicht, den Komp- ressionsendpunkt 2 im Gasphasengebiet g zu platzieren.

In der Figur 3 ist beispielsweise wieder ein Wärmepumpenpro- zess WP mit dem Arbeitsmittel Novec649 wie in der Figur 1 ge^¬ zeigt, welcher jedoch eine Kondensationstemperatur von nur 95°C aufweist. Dieser Temperaturlift von 20 Kelvin liegt also unterhalb des Grenzwertes für dieses System. Der interne Wär^¬ metauscher IHX würde in diesem Beispiel mit einer Leistung von 0,64 kW arbeiten. Der in Figur 4 gezeigte Wärmepumpenprozess WP weist einen sehr hohen Temperaturlift von 60 Kelvin bis zu einer Kondensationstemperatur von 135°C auf. Bei diesem Wärmepumpenpro^¬ zess WP arbeitet der interne Wärmetauscher IHX z.B. mit einer Leistung von 5, 9 kW. In diesem Fall liegt der Kompressions- endpunkt 2 sehr weit von der Taulinie TL entfernt, der Tempe^¬ raturlift übersteigt also deutlich den Grenzwert des Tempera^¬ turlifts für dieses System aus Wärmepumpe 10 und Arbeitsmit^¬ tel . Die Beispielwerte für die übertragene Wärmeleistung Q_IHx durch den internen Wärmetauscher IHX beziehen sich auf eine Kondensatorleistung von 10 kW. In diesen Beispielen kann also bei einem kleinen Temperaturlift von 20 Kelvin nicht genügend Wärme übertragen werden um einen Mindestabstand von bei- spielsweise 5 Kelvin für dieses System einzuhalten. Bei einem Temperaturlift von 60 Kelvin hingegen ist die übertragene Wärme Qi_Hx des internen Wärmetauschers IHX ausreichend für den Mindestabstand. Der Temperaturlift von 60 Kelvin liegt also über dem Grenztemperaturlift für dieses System. Für das hier beispielhaft beschriebene System aus Wärmepumpe 10 mit

Novec649 und 10 kW Kondensatorleistung bei einer Verdampfungstemperatur von 70 °C liegt der Grenztemperaturlift bei 37 Kelvin. Würde man bei ansonsten gleichen Parametern beispielsweise Novec524 als Arbeitsfluid einsetzen, läge der Grenztemperaturlift bei 31 Kelvin.

Es kann also entsprechend für jedes Wärmepumpen-Arbeitsfluid- System ein Grenztemperaturlift bestimmt werden, oberhalb des^¬ sen ein interner Wärmetauscher IHX die notwendige Wärme für die Einhaltung des Mindestabstandes des Kompressionsendpunktes 2 von der Taulinie TL einzuhalten. Liegt der Temperaturlift unterhalb des Grenztemperaturlifts, muss mit einem Sys- tem, wie es in dieser Anmeldung beschrieben wird gearbeitet werden, um den Kompressionsendpunkt 2 im Mindestabstand zur Taulinie TL zu gewährleisten. Nur so kann ein stabiler stationärer Betrieb mit Fluiden geringer Tauliniensteigung in Wärmepumpen 10 realisiert werden.

Die Figuren 5 bis 7 zeigen Ausführungsformen von Wärmepumpen 10 mit verschiedenen Regelmöglichkeiten für den Einsatz neuer Arbeitsmittel. Damit können Wärmepumpenprozesse WP mit zu ge^¬ ringem Temperaturlift unterhalb des Grenztemperaturlifts den- noch stabil stationär betrieben werden. Ausgegangen wird jeweils von einer Verdampfungstemperatur bei 70 °C und einer Kondensationstemperatur bei 100°C, also einem Temperaturlift von 30 Kelvin, welcher in beiden Beispielfällen für das Arbeitsfluid Novec649 genauso wie für Novec524 unterhalb des Grenztemperaturlifts liegen würde. Die Kondensatorleistung beispielsweise beträgt 10 kW. In den Figuren 5 und 6 sind zwei alternative Temperaturregelungen gezeigt. In diesen Fällen wird die Wärmepumpe 10 mit einem konventionellen Expansi^¬ onsventil 14 betrieben, welches beispielsweise ein thermosta- tisch oder ein elektronisch geregeltes Expansionsventil 14 sein kann. Dieses Expansionsventil 14 regelt den Durchfluss des Arbeitsfluids und die Überhitzung nach dem Verdampfer 15. Zwischen dem internen Wärmetauscher 13 und dem Kompressor 11 ist dann eine Rohrleitungsheizung 20 um das Leitungsstück zwischen internem Wärmetauscher 13 und Kompressor 11 herum angeordnet. Mittels dieser Rohrleitungsheizung 20 kann das darin strömende Arbeitsmedium erwärmt werden. Wie stark die Rohrleitungsheizung 20 das Arbeitsmedium im Zustand 1 erwärmt wird über die Temperatur T₂ am Zustand 2 also am Ausgang des Kompressors 11 geregelt. Dazu wird dort die Temperatur T₂ ge^¬ messen und über einen Abgleich zu einem Mindestabstand der Temperatur ΤΊ die Heizung an- oder ausgeschaltet bzw. deren Heizleistung erniedrigt oder erhöht.

Die in Figur 6 gezeigte Temperaturregeleinrichtung 30 umfasst einen Heißgas-Bypass 31, der Druckgas von der Druckseite 2 des Kompressors 11 auf die Saugseite 1 des Kompressors 11 zu- rückführt und so mittels dem heißen Druckgas das Sauggas wei^¬ ter aufheizt. Die Erhöhung der Temperatur ΤΊ des Sauggases ist durch ein Bypassventil 31 limitiert, welches wiederum über die Temperatur T₂ im Zustand 2 geregelt wird. Das Ventil 31 kann ein thermostatisch oder ein elektronisch geregeltes Ventil 31 sein. Die für diese Temperaturregelung 30 zusätzlich erforderliche Leistung beträgt beispielsweise 0,58 kW, wobei es sich dabei um eine zusätzliche Kompressorleistung bei einer isentropen Druck- und Temperaturerhöhung handelt. In Figur 7 ist schließlich eine alternative Ausführungsform zur Temperaturregelung 30 gezeigt, nämlich eine Regelung über den Sauggasdruck: Durch die Verwendung eines automatischen Expansionsventils 40, also einem reinen Verdampferdruckregelventil, ist es möglich den Verdampfungsdruck und damit die Verdampfungstemperatur einzustellen. Durch eine Druckerniedrigung im Verdampfer 15 kann das Druckverhältnis, dass der Kompressor 11 umsetzen muss erhöht werden und somit auch die Druckgastemperatur T₂ im Zustand 2. Für das Beispiel mit dem Temperaturlift von 30 Kelvin von 70°C auf 100°C würde der Druck von 1,96 bar auf 1,35 bar erniedrigt werden um so den Mindestabstand von 5 Kelvin einzuhalten. Dazu ist beispiels^¬ weise eine zusätzliche Kompressorleistung bei isentroper Druck- und Temperaturerhöhung durch den Kompressor 11 von 0,45 kW notwendig.

Es ist möglich mit der Regelmöglichkeit durch ein automati- sches Expansionsventil, wie in Figur 7 gezeigt, auch einen weiteren Problemfall, der bei den neuen Arbeitsmedien auftreten kann, zu lösen: wenn der Temperaturlift sehr weit über dem Grenztemperaturlift liegt. Ein zu hoher Abstand des Komp^¬ ressionsendpunktes 2 zur Taulinie T2 kann deswegen problema- tisch werden, weil der Kompressor 11 eine obere Temperatureinsatzgrenze aufweisen kann. Durch das automatische Expansi^¬ onsventil 40 jedoch ist es möglich den Druck im Verdampfer 15 soweit zu erhöhen, dass das Fluid beim Verdampfungsvorgang nur noch gering überhitzt oder auch nur teilverdampft. Die dann evtl. noch notwendige Überhitzung für den Mindestabstand würde wieder über den internen Wärmetauscher 13 erfolgen können. Somit ist es möglich mit dieser Druckregelung eine Druckerhöhung hervorzurufen, die die Gesamteffizienz der Wärmepumpe 10 erhöht, da mittels der Temperaturverringerung an den Zustandspunkten 1 bzw. 2 auch das Druckverhältnis P_rati_o

sinkt, dementsprechend eine geringere Kompressorleistung not^¬ wendig ist, gleichzeitig die Dichte des Fluids steigt, was eine höhere Leistungsdichte im Kompressor 11 hervorruft. Zu^¬ dem kann aufgrund der geringeren Druckgastemperatur T₂ von einer erhöhten Lebensdauer des Kompressors 11 ausgegangen werden .

Claims

Patentansprüche

1. Wärmepumpe (10) mit einem Kompressor (11), einem Kondensa^¬ tor (12), einem internen Wärmetauscher (13), einem Expansi- onsventil (14), einem Verdampfer (15) und einer Regeleinrichtung (21, 30, 40 ^λ), wobei die Regeleinrichtung (21, 30, 40 ^λ) ausgestaltet ist, die Temperatur des Arbeitsfluids am Ausgang des Kompressors (11) auf einen vorgebbaren Mindestabstand vom Taupunkt zu bringen.

2. Wärmepumpe (10) nach Anspruch 1, wobei die Regeleinrichtung (21, 30, 40 ^λ) ausgestaltet ist, die Temperatur des

Arbeitsfluids am Ausgang des Kompressors (11) auf einen vorgebbaren Mindestabstand von mindestens 1 Kelvin oberhalb des Taupunktes zu bringen.

3. Wärmepumpe (10) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Regel^¬ einrichtung eine Temperaturregeleinrichtung (21, 30) ist, welche ausgestaltet ist die Temperatur des Arbeitsfluids am Eingang des Kompressors (11) zu erhöhen.

4. Wärmepumpe (10) nach Anspruch 3, wobei die Temperaturre^¬ geleinrichtung (21) eine Rohrleitungsheizung (20) umfasst, welche so zwischen dem internen Wärmetauscher (13) und dem Kompressor (11) angeordnet ist, dass das vom Wärmetauscher (13) zum Kompressor (11) strömende Arbeitsfluid mittels der Rohrleitungsheizung (20) überhitzbar ist.

5. Wärmepumpe (10) nach Anspruch 3, wobei die Temperaturre- geleinrichtung (30) eine Bypassleitung mit Ventil (31) umfasst, welche den Hochdruckbereich (2) am Ausgang des Kompressors (11) so mit dem Niedrigdruckbereich (1) am Eingang des Kompressors (11) verbindet, dass das vom Wärmetauscher (13) zum Kompressor (11) strömende Arbeitsfluid mittels dem über die Bypassleitung (31) rückführbaren Heißgas überhitzbar ist .

6. Wärmepumpe (10) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Regel^¬ einrichtung eine Druckregeleinrichtung (40 ^λ) ist, welche ausgestaltet ist den Druck des Arbeitsfluids am Eingang des Kom^¬ pressors (11) zu erniedrigen.

7. Wärmepumpe (10) nach Anspruch 6, wobei die Druckregeleinrichtung (40 ^λ) ein automatisches Expansionsventil (40) um- fasst, welches als Expansionsventil im Wärmepumpenkreislauf zwischen internem Wärmetauscher (13) und Verdampfer (15) an- geordnet ist.

8. Wärmepumpe (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche mit einem Arbeitsfluid, welches im Temperatur-Entropie-Diagramm eine Steigung der Taulinie (TL) unter 1000 (kgK²)/kJ auf- weist.

9. Verwendung eines Arbeitsfluids in einer Wärmepumpe (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Arbeitsfluid im Temperatur-Entropie-Diagramm eine Steigung der Taulinie (TL) unter 1000 (kgK²)/kJ aufweist.

10. Verfahren zum Betrieb einer Wärmepumpe (10) bei dem die Temperatur eines Arbeitsfluids nach der Kompression auf einen vorgebbaren Mindestabstand, insbesondere von 1 Kelvin, über den Taupunkt gebracht wird.