WO2014191237A1 - Wärmepumpe zur verwendung von umweltverträglichen kältemitteln - Google Patents

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pressure
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Florian REISSNER
Bernd Gromoll
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    • F25B2700/21152—Temperatures of a compressor or the drive means therefor at the discharge side of the compressor

Definitions

  • the present invention relates to heat pumps and the use of refrigerant therein.
  • the use of a refrigerant in a heat pump is characterized by the so-called temperature lift.
  • the tempera ⁇ turlift is the difference between the condensation and Ver ⁇ steaming temperature.
  • the temperature lift thus means how much the heat source is raised in the temperature level to be used at the heat sink.
  • the figure 1 is shown for comparison conductedung the problem of the phase boundary line of a geeig ⁇ Neten environmentally friendly refrigerant, which is characterized by a greatly overhanging dew line.
  • a heat pump process for a temperature elevation of 50 Kelvin from 75 ° C evaporation temperature to 125 ° C condensation temperature is shown.
  • the compression endpoint In order to operate a heat pump with such a cold ⁇ medium, the compression endpoint must maintain a minimum distance from the dew line to still be in the gas phase region. If the temperature lift in ⁇ play, at 20 Kelvin, that the condensation temperature be as low as 95 ° C, as shown in Figure 3, the compression end point would thus lie within the phase boundary line in the mixed phase region. This would lead to fluid sluice conditions in the compressor and prevent stable operation of the heat pump.
  • the heat exchanger described which, as illustrated graphically in Figure 2, by supercooling the condensate from to ⁇ stand 4 to state 5, it transmits heat produced on the stand to ⁇ 7 and so overheat the suction gas before compression.
  • the distance from state 4 to state 5 and the distance from state 7 to state 1 is the same enthalpy difference, as can be seen from the pressure-enthalpy diagrams 1 to 4.
  • the approach with the internal heat exchanger is not suitable for every temperature lift.
  • a tempera ⁇ turlift of, for example, 20 Kelvin
  • the amount of heat that can provide the internal heat exchanger for the overheating of the suction gas is not enough and the compression end point is problematically again within the phase boundary line.
  • the heat pump according to the invention comprises a compressor, a condenser, an internal heat exchanger, an expansion valve, an evaporator and a control device which is designed to bring the temperature of the working fluid at the outlet of the compressor to a predeterminable minimum distance, above the dew point.
  • the Temperaturmindestab- was refers to the working fluid at constant pressure and is in particular at least one Kelvin, prior ⁇ preferably at least 5 Kelvin. This has the advantage that in order ⁇ world friendly not distinguish toxic safe working media, which often th through very specific thermodynamic Eigenschaf- such as a very low Taulinienste Trent of less than 1,000 (kg K 2) / kJ in the temperature-entropy diagram, are used and a steady state stable heat pump operation is possible.
  • a control device which is designed to bring the temperature of the working fluid at the outlet of the compressor to a predeterminable minimum distance, above the dew point.
  • the Temperaturmindestab- was refers to the working fluid at constant pressure and is in particular at least one Kelvin
  • Control device a temperature control device which is designed to increase the temperature of the working fluid at the inlet of the compressor.
  • the temperature ⁇ turregel shark is a pipe heater which is so arranged be- see the internal heat exchanger and the compressor, that gas flowing from the internal heat exchanger to the compressor working fluid by means of the heating pipe
  • the temperature control device is designed such that it regulates the pipeline heating via the temperature of the working fluid at the compressor outlet. Depending on the temperature measured by the temperature control means at the compressor output, the Rohr Obershei ⁇ wetting is turned on or off or varied in its temperature.
  • the pipeline heating can thus start briefly, for example, in fluctuating heat sources or réellesenketemperaturen or be in continuous operation. This has the advantage of compensating for a too low temperature lift.
  • the temperature limit for the temperature lift depends on used refrigerant, or working fluid.
  • the temperature lift depends on various properties and parameters of the heat pump.
  • the temperature control device comprises a bypass line with a valve which connects the high-pressure region at the outlet of the compressor with the low pressure region at the inlet of the compressor, that the working fluid flowing from the internal heat exchanger to the compressor by means of the
  • Bypass line traceable hot gas is overheatable.
  • the temperature control device is in particular so diverse ⁇ tet that they pass through the valve of the
  • Compressor output controls This embodiment also has to control the advantage for temperature lift, which would end up in the two-phase region without an additional A ⁇ access in the heat pump process to the compression end ⁇ point so that the heat pump with the used working fluid can be stably operated in a stationary state.
  • the bypass valve used may be, for example, a thermostatic or an electronically controlled valve.
  • the control device is a pressure regulating device, which is configured to lower the pressure of the working fluid at the inlet of the compressor.
  • the Druckre ⁇ gel device in particular comprise an automatic expansion valve, which is arranged as an expansion valve in the heat pump cycle between the internal heat exchanger and the evaporator.
  • An automatic expansion valve is a pure evaporator pressure control valve by means of which it is ⁇ possible to adjust the evaporation temperature and therefore the evaporation pressure.
  • a higher pressure ratio P rat i o may be generated between the pressure side after the com pressor ⁇ and the low pressure side upstream of the compressor become. Because the compressor has to implement a higher pressure ratio PRATIO, a higher-pressure gas ⁇ temperature T 2 is generated at the compressor outlet. The higher the pressure ratio Pratio / the higher the temperature T 2 of the
  • T 2 and i is the isentropic exponent ⁇ , the tem- peratures to and upstream of the compressor and the PRATIO Druckver ⁇ ratio of the gas pressures after and before the compressor.
  • the pressure upstream of the compressor can also be lowered.
  • an additional heating power is in this case an additional
  • This embodiment has the advantage of being able to dispense with ⁇ additional heating elements and temperature control devices and to require no additional components in the heat pump for stationary operation by replacing the expansion valve by the automatic expansion valve.
  • an automatic expansion valve in the heat pump has the added benefit represent a criz Wenn- ness for the application, that the temperature ⁇ turlift is not below a limit temperature, but well above the limit temperature. If the temperature lift is just too far above it, the pressure gas temperature T 2 after the compressor would also be very far above the minimum distance to the dew point to be maintained. This can result in a further problem if, for example, the compressor has an upper temperature limit.
  • Such an upper temperature limit of use of a compressor may be due, for example, to the thermal stability of the lubricants or to excessive expansion for close fits in the compressor. Due to the automatic expansion valve, however, the pressure in the evaporator can also be increased to such an extent that Beitsfluid only slightly overheated or even partially evaporated.
  • the embodiment with the automatic expansion valve at a temperature lift above the limit ⁇ temperature has the additional advantage due to the pressure increase to increase the overall efficiency of the heat pump, as by reducing the temperature difference in the evaporator, the pressure ratio decreases and a lower
  • Compressor performance is demanded. At the same time the density of the fluid increases, thus increasing the power density in the com pressor ⁇ . In addition, an increased service life of the compressor can be ensured by the lower Druckgastempera ⁇ tur.
  • the heat pump preferably comprises a working fluid which, in the temperature-entropy diagram, has a pitch of the dew line below 1000 (kg K 2 ) / kJ.
  • the advantage of the ⁇ A set of such a working fluid is located in its projectingforementioned and safety properties. For example, as such, working fluids of the family of
  • Fluoroketones be used. Particularly advantageous therefrom are the working fluids Novec649 (dodecafluoro-2-methylpentan-3-one) and Novec524 (decafluoro-3-methylbutan-2-one).
  • Novec649 has a dew point slope of 601 (kgK 2 ) / kJ
  • Novec524 has a dew point slope of 630 (kgK 2 ) / kJ
  • another suitable example is R245fa (1,1,1,3,3-pentafluoropropane) which has a slope in the TS plot of 1653 (kgK 2 ) / kJ, the slope being given for a saturation temperature of 75 ° C, respectively.
  • a working fluid is used in a heat pump, which has a slope in the vapor line at the tempera ture ⁇ -entropy diagram of less than 1,000 (kg K 2) / kJ.
  • the temperature of a working fluid after the grain Pression to a predetermined minimum distance, in particular of a Kelvin, brought about the dew point.
  • Figure 1 shows a logarithmic pressure-enthalpy diagram of a new working medium and thus driven ⁇ nen heat pump process with 50 Kelvin temperature lift
  • FIG. 1 shows the heat transfer through the internal
  • Figure 3 illustrates a logarithmic pressure-enthalpy diagram of the working medium as in Figure 1 with a heat pump process ⁇ with 20 Kelvin temperature lift.
  • Figure 4 illustrates a logarithmic pressure-enthalpy diagram of the working medium as in Figure 1 with a heat pump process ⁇ with 60 Kelvin temperature lift.
  • Figure 5 shows a flow diagram of a heat pump with Rohrlei ⁇ tung heating
  • Figure 6 is a flow diagram of a heat pump with hot gas bypass
  • Figure 7 shows a flow diagram of a heat pump with automatic ⁇ schem expansion valve.
  • FIGS. 1 to 4 show pressure-enthalpy diagrams in which the pressure p is plotted on a logarithmic scale.
  • the isotherms IT and dotted the isentropes IE are shown in dashed lines.
  • the temperatures to the isotherms IT in degrees Cel sius, the entropy values to the isentropes IE in kJ / (kg-K) given.
  • the continuous curve is drawn in each case the phase boundary line of a new PG working medium beispielswei ⁇ se is the fluid Novec649. This has a critical point at 169 ° C.
  • the tau line would be tilted by 601 (kgK 2 ) / kJ in the temperature-entropy diagram.
  • Another suitable example of a working medium is Novec524 with a critical point at 148 ° C.
  • a heat pump process WP is additionally drawn in dashed lines.
  • ge ⁇ be reached via a compression state to the point 2 or 3, which coincide in purely theoretical considerations and are named in the following only as state of step 2.
  • the state point 4 is reached.
  • the route from state point 7 back to starting point 1 is an overheating of the working medium.
  • the heat pump process WP shown has an evaporation temperature at 75 ° C and a Kondensa ⁇ tion temperature at 125 ° C, ie a temperature lift of 50 Kelvin.
  • the enthalpy is reduced by the same amount during the subcooling as it is increased in the case of overheating.
  • the distance of the condition 2 of the dew line TL in the heat pump process WP, ie the temperature ⁇ turdifferenz state 2 is to its dew point at the same pressure 10 Kelvin.
  • the example values for the transferred heat output Q IH x through the internal heat exchanger IHX refer to a capacitor output of 10 kW. In these examples, therefore, with a small temperature lift of 20 Kelvin, not enough heat can be transferred to maintain a minimum distance of, for example, 5 Kelvin for this system. At a temperature lift of 60 Kelvin, however, the transferred heat Qi H x of the internal heat exchanger IHX is sufficient for the minimum distance. The temperature lift of 60 Kelvin is so above the limit temperature lift for this system.
  • the limit temperature lift is 37 Kelvin. If, for example, Novec524 were used as the working fluid with otherwise identical parameters, the limit temperature lift would be 31 Kelvin.
  • FIGS. 5 to 7 show embodiments of heat pumps 10 with different control options for the use of new work equipment.
  • heat pump processes WP can nevertheless still be operated stably stationary with too ge ⁇ ringem temperature lift below the limit temperature lifts.
  • the capacitor power for example, is 10 kW.
  • FIGS. 5 and 6 show two alternative temperature controls. In these cases, the heat pump 10 is operated with a conventional expansion ⁇ onsventil 14, which may be, for example, a thermostatic or an electronically controlled expansion valve 14.
  • This expansion valve 14 controls the flow of the working fluid and the superheat after the evaporator 15.
  • a pipe heater 20 is disposed around the pipe section between the internal heat exchanger 13 and the compressor 11 around.
  • the working medium flowing therein can be heated. How much the pipe heater 20, the working fluid in the state 1 is heated over the temperature T 2 at state 2, that is regulated at the output of the compressor 11. Additionally the temperature T is there 2 ge ⁇ measure and an adjustment to a minimum distance of the temperature ⁇ the heater turned on or off or its heating power is lowered or raised.
  • the temperature control means 30 shown in Figure 6 includes a hot gas bypass 31, the compressed gas from the pressure side 2 of the compressor 11 to the suction side 1 of the compressor 11 to-back leads and so by means of the hot compressed gas heats the suction gas wei ⁇ ter.
  • the increase in the temperature ⁇ of the suction gas is limited by a bypass valve 31, which in turn is regulated by the temperature T 2 in state 2.
  • the valve 31 may be a thermostatically or electronically controlled valve 31.
  • the additional power required for this temperature control 30 is, for example, 0.58 kW, which is an additional compressor output in an isentropic pressure and temperature increase.
  • FIG. 7 shows an alternative embodiment for controlling the temperature 30, namely a regulation via the suction gas pressure:
  • an automatic expansion valve 40 ie a pure evaporator pressure regulating valve
  • the pressure of 1.96 bar are lowered to 1.35 bar so as to maintain the minimum distance of 5 Kelvin.
  • example ⁇ an additional compressor capacity at isentropic Pressure and temperature increase by the compressor 11 of 0.45 kW necessary.

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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 Pratio 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 QIHX 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 QIHx 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 QiHx 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 Pratio
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.
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