WO2018166740A1 - Wärmepumpe und verfahren zum betreiben einer wärmepumpe - Google Patents

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WO2018166740A1
WO2018166740A1 PCT/EP2018/053770 EP2018053770W WO2018166740A1 WO 2018166740 A1 WO2018166740 A1 WO 2018166740A1 EP 2018053770 W EP2018053770 W EP 2018053770W WO 2018166740 A1 WO2018166740 A1 WO 2018166740A1
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fluid
heat
heat pump
evaporator
expansion
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PCT/EP2018/053770
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Mark Reissig
Florian REISSNER
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Siemens Aktiengesellschaft
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    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B1/00—Compression machines, plants or systems with non-reversible cycle
    • F25B1/10—Compression machines, plants or systems with non-reversible cycle with multi-stage compression
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B30/00—Heat pumps
    • F25B30/02—Heat pumps of the compression type
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F25B41/00—Fluid-circulation arrangements
    • F25B41/30—Expansion means; Dispositions thereof
    • F25B41/39—Dispositions with two or more expansion means arranged in series, i.e. multi-stage expansion, on a refrigerant line leading to the same evaporator
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B2500/00—Problems to be solved
    • F25B2500/28—Means for preventing liquid refrigerant entering into the compressor
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B40/00—Subcoolers, desuperheaters or superheaters

Definitions

  • the invention relates to a heat pump with a fluid circuit and a method for operating a heat pump.
  • thermal energy that is, heat, taken from a heat source and selectge ⁇ ben to a heat sink.
  • the fluid with the absorbed thermal energy is adjusted by a compressor to an elevated Druckni ⁇ veau and then liquefied at an elevated compared to egg ⁇ ner evaporation temperature liquefaction temperature. In order to bring the fluid back to the initial state at the end of the cycle, it is expanded, causing it to lower its temperature again.
  • the efficiency of a heat pump (narrow coefficient of performance. COP) by means of a power ⁇ number measured, whereby the coefficient of performance is given by the reciprocal best efficiency of a Carnot process.
  • the figure of merit corresponds to the quotient from benefit to expense. If the heat pump used for heating the heat sink, this corresponds to the output transmitted to the heat sink quantity of heat Q W arm ge ⁇ divided by the amount of work W MECH of the compressor. The larger the difference in magnitude (temperature lift) between the evaporating and condensing temperature of the fluid, the lower the efficiency of the heat pump.
  • the fluid circuit of a heat pump thus comprises at least one evaporator for transmitting heat energy of a heat source to the fluid, at least one downstream follow ⁇ the compressor for compressing the fluid, at least one downstream condenser for emitting heat energy of the fluid to a heat sink - wherein the heat sink at a higher temperature than the heat source.
  • the invention also relates to a method for operating a heat pump.
  • heat energy is transferred from a heat source to a fluid in an evaporator, wherein the fluid at least partially evaporates.
  • the fluid is compressed and then for delivering heat energy to a heat sink - at a higher temperature ⁇ turuite as the heat source - at least partially verflüs ⁇ SIGt.
  • the fluid is expanded to cool.
  • the invention has for its object a heat pump of the type mentioned and to provide a method for operating a heat pump, which is suitable for a temperature level of the heat sink of at least 70 degrees Celsius and ⁇ addition to a particularly high coefficient of performance of the heat pump he ⁇ allows.
  • the object is achieved in a heat pump of the type mentioned in that along the fluid circuit between the condenser and evaporator at least two expansion devices in series and between evaporator and condenser at least two compressors and / or at least two compressor stages are arranged in series, wherein a Separator for separating a gas and liquid phase is interposed between the two expansion devices is arranged with an opening between the two compressors or the two compressor stages in the circulation gas phase introduction, and means for overheating the flowing fluid from the evaporator before entering the first compressor ,
  • starting from saturated steam can be arbitrarily compressed, without risking damage to the compressor due to an entry into a wet steam phase.
  • other fluids must be used due to the critical temperature.
  • Fluids with a sufficiently high critical temperature are, for example, R1233zd and R1336mzz.
  • these fluids have a positive slope in essence the dew ⁇ line in a temperature versus entropy diagram.
  • the overheating of the fluid prior to entry into the compressor allows the use of these high temperature fluids with substantially positive slope of the tau line, since damage from liquid hammering by dripping in the compressor, especially in turbocompressors, is avoided.
  • the overheating is not effected by a sufficiently deep temperature level of the Flu ⁇ ids compared to the temperature of the heat source, but by means for overheating the fluid upon exiting the evaporator.
  • the separator arranged according to the invention can also be designated as an economizer.
  • the expanded after the first expansion device fluid has due to the expansion to a lower temperature and is partially in a gaseous partially present in a liquid phase.
  • the heat pump is designed for a temperature level of the heat sink of at least 70 degrees Celsius, in particular of at least 90 degrees Celsius.
  • the inventively designed heat pump can be operated with a fluid such as R1233zd and R1336mzz.
  • the substantially isothermal heat source has a low graveness. This allows a high evaporation tempera ⁇ ture of the fluid and thus a higher coefficient of performance. So that the evaporation pressure can be kept as high as possible, the graveness should be kept as low as possible. For example, with a grayness of 5 Kelvin and a heat source of 50 degrees Celsius, the evaporation could take place at 45 degrees Celsius.
  • Minim ⁇ least an expansion device, and a choke / or at least one compressor is a turbo compressor.
  • a throttle has a restriction of the flow path, so that the fluid expands due to the reduced pressure during the passage of the constricted portion.
  • the cross ⁇ cut the throttle can be adjustable.
  • a turbo-compressor is suitable for generating a high pressure level.
  • An advantageous embodiment of the invention can provide that the means for overheating the fluid flowing out of the evaporator comprise a heat exchanger which is designed such that it thermally protrudes the fluid flowing out of the condenser before entering the expansion device with the fluid flowing out of the evaporator Entrance to the compressor connects.
  • the inventive design not only allows overheating of the fluid after the evaporator but also leads to hypothermia of the fluid before the expansion device, which increases the coefficient of performance, in particular in conjunction with the action of the separator on the change in state of the fluid between liquefaction and evaporation.
  • the distance of the fluid state at the compression end point to the dew line can be set freely depending on the selected surface of the heat exchanger. This allows the area of the
  • tel With ⁇ include a switchable heater overheating of the fluid flowing from the evaporator, which is heated by an external power source.
  • This embodiment of the invention makes it possible, in particular in a start phase of the heat pump operation sufficient overheating of the fluid.
  • the separator comprises a pressure vessel for separating the gas and liquid phase.
  • the gaseous phase of the fluid accumulates in an upper region, wherein in this region the gaseous fluid can be sucked in via a feed line from the at least one compressor.
  • Another object of the invention is to provide a method of the type mentioned for the operation of a heat pump to give ⁇ ne, which is suitable for a temperature level of the heat sink of at least 70 degrees Celsius and which additionally enables be ⁇ Sonders high coefficient of performance of the heat pump.
  • the fluid is overheated after the transfer of heat energy and prior to compression, and there is Ver ⁇ seal in at least two compression steps and expansion in at least two expansion steps, wherein at least between two expansion steps, a gas phase of the fluid from a liquid phase the fluid is separated and the gaseous fluid is at least partially supplied to the fluid between at least two compression steps.
  • the heat pump in the high temperature range of at least 70 degrees Cel is SIUS the heat sink, in particular of at least 90 degrees Cel ⁇ SIUS the heat sink operated.
  • a fluid having a substantially positive slope of the tau line is used in a temperature-over-entropy diagram.
  • thermal energy of the fluid leaving the condenser is removed prior to expansion in order to overheat the fluid leaving the evaporator, and the fluid leaving the evaporator is transferred prior to compression.
  • the inventive design not only allows overheating of the fluid after evaporation but also leads to a hypothermia of the fluid before the
  • the coefficient of performance in particular in conjunction with the method step - at least between two expansion steps to separate a gas phase of the fluid from a liquid phase of the fluid and the gaseous fluid at least partially fed to the fluid between at least two compression steps - by the change in state of the Fluid between liquefaction and evaporation increases. It may also be considered advantageous that the overheating is selected such that the distance to the tau line at the end of the compression is at least 10 Kelvin, in particular 10 Kelvin to 20 Kelvin.
  • An advantageous embodiment of the method can provide that a substantially isothermal heat ⁇ source is used as the heat source.
  • a substantially isothermal heat source has a low graveness. This allows a high evaporation tempera ⁇ ture of the fluid and thus a higher coefficient of performance.
  • Fig. 1 shows schematically a fluid circuit of a heat pump
  • Fig. 2 shows schematically a temperature-over-entropy diagram
  • FIG. 5 shows schematically a pressure-over-enthalpy diagram of a
  • FIG. 6 schematically shows a flowchart of a method according to a second embodiment of the invention.
  • Figure 1 shows schematically a fluid circuit 21 of a heat pump 12 according to the prior art.
  • the fluid 2 is conveyed in egg ⁇ ner flow direction 11 through the heat pump 12.
  • An evaporator 10 vaporizes the fluid while absorbing heat energy of the heat source 4, so that it assumes a vapor state 1.
  • the fluid 2 enters a compressor 7 and is compressed to a compression state 3.
  • the compression state 3 it flows into a condenser 8 with the release of heat energy to the heat sink 20 and is converted into a condensed state 5, and finally expanded in an expansion device 9.
  • the fluid 2 assumes an expansion state 6, wherein it is in turn supplied to the evaporator 10 in this state.
  • the fluid is continuously conveyed through the heat pump 12 in accordance with the flow direction 11 and absorbs heat from the heat source 4 during the evaporation in the evaporator 10 and gives heat during the liquefaction in the liquefier 8. energy at a higher temperature level than that of the heat ⁇ source 4 to the heat sink 20 from.
  • Figure 2 shows a temperature versus entropy diagram 23, WEL ches corresponding to the image plane to the right, ie on the axis of abscissa an entropy 14 and on the image plane up to, ie on the axis of ordinates a temperature 13 represents ⁇ represents.
  • the temperature-over-entropy diagram 23 represents both a dew line 18, a boiling line 19, and different Liehe aggregate states of a fluid.
  • the dew line 18 delimits a gas phase 15 from a 2-phase region 16, wherein in the two-phase region 16 the Fluid is present in both liquid and gaseous state.
  • the boiling line 19 delimits the 2-phase region 16 from a liquid phase 17.
  • the illustrated temperature-over-entropy diagram 23 shows a
  • Dewline 18 of a fluid with substantially negative Stei ⁇ tion is substantially negative.
  • FIG. 2 Also shown diagrammatically in FIG. 2 are various thermodynamic states of the fluid which the fluid assumes when passing through the fluid circuit of a heat pump according to the prior art shown in FIG. ⁇ out starting from the vapor state 1, the state of compaction 3 is achieved according to the flow Rich ⁇ tung 11 by compression.
  • the compression state 3 is located within the Gaspha ⁇ se 15, which is why the compressor 7 does not damage from liquid slugging in a row of droplet formation in the fluid.
  • the connecting line shown between the individual competent ⁇ are in Figure 2, Figure 3 and Figure 5 is shown as a straight extension lines connects, but may also deviate from this ideal path.
  • Starting from the compression state 3 is set by the condenser 8, the condensed state 5, which is located on the boiling line.
  • FIG. 3 shows, analogously to FIG. 2, a temperature-over-entropy diagram 24, but for a different fluid.
  • the course of the boiling line 19 and the tau line 18 of the fluid adjoin a strongly overhanging 2-phase region 16, so that the dew line 18 has a substantially positive slope. If such a fluid subjected to the fluid circuit of the heat pump is provided in ⁇ figure 1 according to the prior art, the compression state 3 is within the 2-phase region 16. Accordingly, it may be damaged by water hammer in the compressor. 7
  • FIG. 4 schematically shows a fluid circuit 28 of a heat pump 26 according to a first exemplary embodiment of the invention.
  • two compressors 7a, 7b are arranged in the flow direction on egg ⁇ nen evaporator 10 following.
  • the compressors 7a and 7b are arranged in series and may each comprise a plurality of compressor stages. Downstream of the compressor 7a, 7b includes the fluid circuit 28 includes a liquefaction ger 8 and below two spaced in series expansion ⁇ devices 9a, 9b.
  • the expansion device 9a and / or 9b may be formed as a throttle 35a, 35b or, for example, as Expansi ⁇ onsventil.
  • the fluid circuit 28 of the heat ⁇ pump 26 also includes for overheating of the effluent from the evaporator 10 fluid means 34 having a heat exchanger 32.
  • the heat exchanger 32 is designed such that it mix ⁇ the fluid flowing from the condenser 8 before entering the expansion devices 9a, 9b connects with the fluid flowing from the evaporator 10 before entering the compressor 7a, 7b.
  • the means 34 additionally comprise a switchable heating device 38, which can be heated with an external energy source 40.
  • the heat source le 4 is an isothermal heat source. For example, the ⁇ se to a temperature level of 54 degrees Celsius, where ⁇ at this temperature level saturated steam on the heat source side flows into the evaporator 10 and leaves it as a saturated liquid at the same temperature.
  • the Wär ⁇ mesenke 20 may for example be a heating circuit, wel ⁇ chem on the consumption side, heat is removed and the switch occurs as a subcooled liquid, for example, the temperature 80 degrees Celsius on the heat sink side to the condenser 8, and this as superheated steam, for example, the Temperature 125 degrees Celsius leaves.
  • the heat pump 26 allows the use of a high-temperature fluid with a positive slope of Tauli ⁇ never in a temperature-over-entropy diagram in conjunction with a high coefficient of performance.
  • a formation of wet steam during compaction is reliably avoided.
  • FIG. 5 shows a pressure-versus-enthalpy diagram 42 of a high-temperature fluid with a positive slope of the dew line 18 in a temperature-over-entropy diagram which is suitable for high-temperature operation of the heat pump 26 shown in FIG. 4 and in the example shown also ⁇ has posi tive slope of the vapor line 18 in a pressure-over-enthalpy diagram.
  • the fluid is subjected to the in Figure 4 dargestell ⁇ th fluid circuit 28, results in the state pattern shown in the present diagram, which is run in the arrow direction.
  • the fluid When leaving the evaporator 10, the fluid is in a vapor state la and is transferred by means of the heat exchanger 32 in a superheated steam ⁇ state lb.
  • the fluid After compression in the first compressor 7a, the fluid is in the compression state 3a. Due to the introduction of the gaseous originating from the separator 30 phase in the fluid circuit between the two compressors, the fluid is transferred to the compression state 3b and after subsequent compression by the compressor 7b in the compression state 3c.
  • the liquefaction in liquefier siger 8 leads to the condensed state 5a, the heat exchanger 32 via ⁇ returns the fluid in the wake and subcooled in the condensed state 5b.
  • the throttle 35a expands the fluid to the expansion state 6a, whereby the fluid enters the expansion state 6b by separating the gaseous phase in the separator 30.
  • the subsequent expansion of the fluid in the throttle 35b leads to the expansion state 6c, in which the fluid reaches the evaporator 10 again.
  • the COP of the heat pump can be read directly as the ratio of Enthalpiediffe ⁇ limit on the h-axis in the diagram. It corresponds to (h3c-h5a) / (h3c-h3b + h3a-hlb).
  • FIG. 6 shows schematically in a flow chart an exemplary embodiment of the inventive method, wherein in a preparatory process step VS1 for operation of the heat pump selected is a fluid having a dew line with positive in Wesentli ⁇ surfaces slope in a temperature versus entropy diagram and used.
  • a preparatory step VS2 the superheating of the fluid is selected in the fluid circuit in such a way - for example, medium-interpretation means of the heat exchange surface - that the distance to the vapor line at the compressor-end point of at least 10K, 10K insbeson ⁇ particular amounts to 20K.
  • a substantially isothermal heat source is selected as the heat source.
  • a process step in a starting phase of the VS4 Be ⁇ drive the heat pump overheating of a heating fluid ⁇ device is switched on.
  • a method step VS5 thermal energy is transferred from a heat source to a fluid in an evaporator, wherein the fluid at least partially evaporates.
  • the fluid is overheated after the transfer of heat energy and before compression, and thereby heat energy of the fluid leaving the condenser is removed prior to expansion, and is transferred to the leaving the evaporator fluid before compression.
  • step VS7 the fluid is subsequently compressed in a first compression step.
  • step VS8 the compressed fluid is compressed in a second compression step.
  • a method step VS9 the fluid for dispensing Wär ⁇ meenergy to a heat sink at a higher temperature level is liquefied in the heat source at least partially.
  • the fluid is expanded to cool in a first expansion step.
  • a gas phase of the fluid is separated from a liquid phase of the fluid and the gaseous fluid is at least partially supplied to the fluid between at least two compression steps.
  • a method step VS12 the fluid is pandiert ex ⁇ in a second expansion step, and is again supplied to the vaporizer and circulating in the fluid circuit of the heat pump fluid kon ⁇ continuously VS5 to VS12 through the steps, wherein the heat pump in the high temperature range of at least 70 degrees Celsius of Heat sink, in particular of at least 90 degrees Celsius of the heat sink is operated.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Wärmepumpe (12, 26) mit mindestens einem Verdampfer (10), einem stromab nachfolgenden Verdichter (7a, 7b, 7), einem stromab nachfolgenden Verflüssiger (8), und mindestens einer stromab nachfolgenden Expansionsvorrichtung (9a, 9b, 9) zur Expansion des Fluids, dadurch gekennzeichnet, dass entlang des Fluidkreislaufs zwischen Verflüssiger (8) und Verdampfer (10) mindestens zwei Expansionsvorrichtungen (9a, 9b) in Reihe und zwischen Verdampfer und Verflüssiger mindestens zwei Verdichter (7a, 7b) in Reihe angeordnet sind, wobei ein Abscheider (30) zur Trennung einer Gas- und Flüssigphase zwischen den beiden Expansionsvorrichtungen zwischengeschaltet ist zur Einleitung von Dampf zwischen die Verdichter, und Mittel (34) zur Überhitzung des aus dem Verdampfer strömenden Fluids (2) angeordnet sind

Description

Beschreibung
Wärmepumpe und Verfahren zum Betreiben einer Wärmepumpe
Die Erfindung betrifft eine Wärmepumpe mit einem Fluidkreis- lauf und ein Verfahren zum Betreiben einer Wärmepumpe.
In Wärmepumpen wird durch die Verdampfung eines Fluids, welches in dem Fluidkreislauf der Wärmepumpe in einer Arbeits¬ richtung zirkuliert, thermische Energie, das heißt Wärme, von einer Wärmequelle aufgenommen und an eine Wärmesenke abgege¬ ben. Hierbei wird das Fluid mit der aufgenommenen thermischen Energie mittels eines Verdichters auf ein erhöhtes Druckni¬ veau gebracht und anschließend bei einer im Vergleich zu ei¬ ner Verdampfungstemperatur erhöhten Verflüssigungstemperatur verflüssigt. Um das Fluid am Ende des Kreislaufs zurück in den Ausgangszustand zu bringen, wird es expandiert, wodurch sich seine Temperatur wieder absenkt.
Die Effizienz einer Wärmepumpe wird mittels einer Leistungs¬ zahl (eng. Coefficient of Performance; COP) gemessen, wobei die Leistungszahl bestenfalls durch den reziproken Wirkungsgrad eines Carnot-Prozesses gegeben ist. Die Leistungszahl entspricht dem Quotienten aus Nutzen zu Aufwand. Wird die Wärmepumpe zum Heizen der Wärmesenke verwendet, entspricht dies der an die Wärmesenke abgegebenen Wärmemenge QWarm ge¬ teilt durch den Arbeitsaufwand WmeCh des Verdichters. Je größer die betragsmäßige Differenz (Temperaturhub) zwischen der Ver- dampfungs- und Verflüssigungstemperatur des Fluids ist, desto niedriger ist die Effizienz der Wärmepumpe.
Der Fluidkreislauf einer Wärmepumpe umfasst somit mindestens einen Verdampfer zur Übertragung von Wärmeenergie einer Wärmequelle auf das Fluid, mindestens einen stromab nachfolgen¬ den Verdichter zur Verdichtung des Fluids, mindestens einen stromab nachfolgenden Verflüssiger zur Abgabe von Wärmeenergie des Fluids an eine Wärmesenke - wobei sich die Wärmesenke auf einem höheren Temperaturniveau als die Wärmequelle befin- det- und mindestens eine stromab nachfolgende Expansionsvor¬ richtung zur Expansion des Fluids.
Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Betreiben einer Wärmepumpe. Bei dem Verfahren wird Wärmeenergie von einer Wärmequelle auf ein Fluid in einem Verdampfer übertragen, wobei das Fluid mindestens teilweise verdampft. Nachfolgend wird das Fluid verdichtet und anschließend zur Abgabe von Wärmeenergie an eine Wärmesenke - auf einem höheren Tempera¬ turniveau als die Wärmequelle - zumindest teilweise verflüs¬ sigt. Nachfolgend wird das Fluid zur Abkühlung expandiert.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde eine Wärmepumpe der eingangs genannten Art und ein Verfahren zum Betreiben einer Wärmepumpe anzugeben, welche sich für ein Temperaturniveau der Wärmesenke von mindestens 70 Grad Celsius eignet und zu¬ sätzlich eine besonders hohe Leistungszahl der Wärmepumpe er¬ möglicht .
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einer Wärmepumpe der eingangs genannten Art dadurch gelöst, das entlang des Fluid- kreislaufs zwischen Verflüssiger und Verdampfer mindestens zwei Expansionsvorrichtungen in Reihe und zwischen Verdampfer und Verflüssiger mindestens zwei Verdichter und/oder mindestens zwei Verdichterstufen in Reihe angeordnet sind, wobei ein Abscheider zur Trennung einer Gas- und Flüssigphase zwischen den beiden Expansionsvorrichtungen zwischengeschaltet ist mit einer zwischen den beiden Verdichtern oder den beiden Verdichterstufen in den Kreislauf mündenden Gasphasen- Einleitung, und Mittel zur Überhitzung des aus dem Verdampfer strömenden Fluids vor Eintritt in den ersten Verdichter angeordnet sind.
Es wird somit erfindungsgemäß eine Kombination von Merkmalen vorgeschlagen, die zu einer Verbesserung der Leistungszahl der Wärmepumpe führen und gleichzeitig eine Verwendung von Fluiden mit im Wesentlichen positiver Steigung der Taulinie in einem Temperatur-über-Entropie-Diagramm im Fluidkreislauf ermöglichen .
Etablierte Fluide wie z.B. R22, R134a und Ammoniak weisen wie auch Wasser in einem Temperatur-über-Entropie-Diagramm eine Glockenform auf. Hier kann vom Sattdampf ausgehend beliebig verdichtet werden, ohne dabei Schäden am Verdichter aufgrund eines Eintritts in eine Nassdampf-Phase zu riskieren. Für den Hochtemperaturbereich von Wärmepumpen (mindestens 70° C, insbesondere >90°C, bezogen auf die Nutztemperatur) müssen aufgrund der kritischen Temperatur andere Fluide verwendet werden. Fluide mit einer ausreichend hohen kritischen Temperatur sind beispielsweise R1233zd und R1336mzz. Diese Fluide weisen jedoch eine im Wesentliche positive Steigung der Tau¬ linie in einem Temperatur-über-Entropie-Diagramm auf. Hiermit ist in einem Temperatur-über-Entropie-Diagramm die Linie gemeint, die ein zwei Phasen-Gebiet flüssig/gasförmig von einem gasförmigen Zustandsgebiet abgrenzt. Folglich können diese Fluide vom Sattdampf ausgehend nicht beliebig verdichtet wer¬ den, wenn ein Eintritt in das zwei Phasen-Gebiet vermieden werden soll.
Die Überhitzung des Fluids vor Eintritt in den Verdichter er- möglicht die Verwendung dieser hochtemperaturtauglichen Fluide mit im Wesentlichen positiver Steigung der Taulinie, da Schäden durch Flüssigkeitsschläge durch Tropfen im Verdichter, insbesondere in Turboverdichtern, vermieden wird. Um eine hohe Leistungszahl zu erreichen, erfolgt die Überhitzung nicht durch ein ausreichend tiefes Temperaturniveau des Flu¬ ids im Vergleich zur Temperatur der Wärmequelle, sondern durch Mittel zur Überhitzung des Fluids nach Austritt aus dem Verdampfer . Der erfindungsgemäß angeordnete Abscheider kann auch mit Eco- nomizer bezeichnet werden. Das nach der ersten Expansionsvorrichtung entspannte Fluid weist aufgrund der Expansion eine tiefere Temperatur auf und liegt teilweise in einer gasförmi- gen, teilweise in einer flüssigen Phase vor. Durch das Separieren der gasförmigen Phase im Abscheider und der mindestens teilweisen Einleitung des abgekühlten Gases in eine obere Verdichterstufe und/oder zwischen zwei Verdichter ergibt sich eine verbesserte Leistungszahl der Wärmepumpe, wobei die an¬ fängliche Überhitzung des Gases vor Eintritt in den Verdichter auch bei Fluiden mit positiver Steigung der Taulinie eine Einleitung eines abgekühlten Gases während der Kompression ermöglicht. Das Maß an Überhitzung vor Verdichtereintritt kann entsprechend gewählt werden.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in der nachfolgenden Beschreibung und den Unteransprüchen angegeben, deren Merkmale einzeln und in beliebiger Kombination miteinan- der angewendet werden können.
Es kann vorteilhaft vorgesehen sein, dass die Wärmepumpe für ein Temperaturniveau der Wärmesenke von mindestens 70 Grad Celsius, insbesondere von mindestens 90 Grad Celsius, ausge- legt ist.
Hierzu kann die erfindungsgemäß ausgestaltete Wärmepumpe mit einem Fluid wie beispielsweise R1233zd und R1336mzz betrieben werden .
Es kann auch als vorteilhaft angesehen werden, dass die Wärmepumpe für eine im Wesentlichen isotherme Wärmequelle ausge¬ legt ist. Die im Wesentlichen isotherme Wärmequelle weist eine geringe Grädigkeit auf. Dies ermöglicht eine hohe Verdampfungstempe¬ ratur des Fluids und somit eine höhere Leistungszahl. Damit der Verdampfungsdruck möglichst hoch gehalten werden kann, sollte die Grädigkeit möglichst gering gehalten werden. Bei z.B. einer Grädigkeit von 5 Kelvin und einer Wärmequelle von 50 Grad Celsius könnte die Verdampfung bei 45 Grad Celsius stattfinden. Würde man eine Überhitzung des Fluids mit der Wärmequelle in Betracht ziehen (was erfindungsgemäß gerade nicht vorgeschlagen wird) , müsst man die Verdampfungstempera¬ tur herabsetzen auf z.B. 40° Celsius. Dann könnte das Fluid bis 45 ° Celsius überhitzt werden. Dies würde allerding zu einer Verringerung des COP führen.
Es kann auch als vorteilhaft angesehen werden, dass mindes¬ tens eine Expansionsvorrichtung eine Drossel ist und/oder mindestens ein Verdichter ein Turboverdichter ist.
Eine Drossel weist eine Verengung des Strömungspfades auf, so dass das Fluid aufgrund des verringerten Drucks während des Durchströmens des verengten Abschnitts expandiert. Der Quer¬ schnitt der Drossel kann einstellbar sein. Ein Turboverdich- ter eignet sich zur Erzeugung eines hohen Druckniveaus.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung kann vorsehen, dass die Mittel zur Überhitzung des aus dem Verdampfer strömenden Fluids einen Wärmetauscher umfassen, welcher derart ausgebildet ist, dass er thermisch das aus dem Verflüssiger strömende Fluid vor Eintritt in die Expansionsvorrichtung mit dem aus dem Verdampfer strömenden Fluid vor Eintritt in den Verdichter verbindet. Die erfindungsgemäße Ausgestaltung ermöglicht nicht nur eine Überhitzung des Fluids nach dem Verdampfer sondern führt gleichzeitig auch zu einer Unterkühlung des Fluids vor der Expansionsvorrichtung, wodurch sich die Leistungszahl insbesondere im Zusammenspiel mit der Wirkung des Abscheiders auf die Zustandsänderung des Fluid zwischen Verflüssigung und Verdampfung erhöht.
Der Abstand des Fluidzustandes am Verdichtungsendpunkt zur Taulinie kann je nach gewählter Fläche des Wärmetauschers frei eingestellt werden. Dies ermöglicht es die Fläche des
Wärmetauschers an jeden Verdichtertyp und korrespondierenden geforderten Abstand anzupassen. Es kann auch als vorteilhaft angesehen werden, dass die Mit¬ tel zur Überhitzung des aus dem Verdampfer strömenden Fluids eine zuschaltbare Heizvorrichtung umfassen, welche mit einer externen Energiequelle beheizbar ist.
Diese Ausgestaltung der Erfindung ermöglicht insbesondere in einer Startphase des Wärmepumpenbetriebs eine ausreichende Überhitzung des Fluids. Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung kann vorsehen, dass der Abscheider einen Druckbehälter zur Trennung der Gas- und Flüssigphase umfasst.
In dem Druckbehälter sammelt sich in einem oberen Bereich die gasförmige Phase des Fluids an, wobei in diesem Bereich das gasförmige Fluid über eine Zuleitung von dem mindestens einen Verdichter angesaugt werden kann.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren der eingangs genannten Art zum Betrieb einer Wärmepumpe anzugebe¬ ne, welches sich für ein Temperaturniveau der Wärmesenke von mindestens 70 Grad Celsius eignet und das zusätzlich eine be¬ sonders hohe Leistungszahl der Wärmepumpe ermöglicht. Hierzu wird das Fluid nach der Übertragung der Wärmeenergie und vor der Verdichtung überhitzt, und es erfolgt die Ver¬ dichtung in mindestens zwei Verdichtungsschritten und die Expansion in mindestens zwei Expansionsschritten, wobei mindestens zwischen zwei Expansionsschritten eine Gas-Phase des Fluids von einer Flüssig-Phase des Fluids separiert wird und das gasförmige Fluid mindestens teilweise dem Fluid zwischen mindestens zwei Verdichtungsschritten zugeführt wird.
Es wird somit erfindungsgemäß eine Kombination von Merkmalen vorgeschlagen, die zu einer Verbesserung der Leistungszahl der Wärmepumpe führen und gleichzeitig eine Verwendung von Fluiden mit im Wesentlichen positiver Steigung der Taulinie in einem Temperatur-über-Entropie-Diagramm im Fluidkreislauf ermöglichen .
Bezüglich des erfindungsgemäßen Verfahrens wird analog auch auf die Ausführungen in der Beschreibung zu Anspruch 1 verwiesen .
Es kann auch als vorteilhaft angesehen werden, dass die Wärmepumpe im Hochtemperaturbereich von mindestens 70 Grad Cel- sius der Wärmesenke, insbesondere von mindestens 90 Grad Cel¬ sius der Wärmesenke, betrieben wird.
Für die erfindungsgemäße Ausgestaltung des Verfahrens kann der Betrieb der Wärmepumpe mit einem Fluid wie beispielsweise R1233zd und R1336mzz erfolgen.
Weiter kann auch vorteilhaft vorgesehen sein, dass ein Fluid mit einer im Wesentlichen positiven Steigung der Taulinie in einem Temperatur-über-Entropie-Diagramm verwendet wird.
Es kann auch vorteilhaft vorgesehen sein, dass zur Überhitzung des den Verdampfer verlassenden Fluids in einem Betriebszustand Wärmeenergie des den Verflüssiger verlassenden Fluids vor einer Expansion entnommen wird und auf das den Verdampfer verlassende Fluid vor einer Verdichtung übertragen wird .
Die erfindungsgemäße Ausgestaltung ermöglicht nicht nur eine Überhitzung des Fluids nach der Verdampfung sondern führt gleichzeitig auch zu einer Unterkühlung des Fluids vor der
Expansion, wodurch sich die Leistungszahl insbesondere im Zusammenspiel mit dem Verfahrensschritt - mindestens zwischen zwei Expansionsschritten eine Gas-Phase des Fluids von einer Flüssig-Phase des Fluids zu separieren und das gasförmige Fluid mindestens teilweise dem Fluid zwischen mindestens zwei Verdichtungsschritten zuzuführen- durch die Zustandsänderung des Fluid zwischen Verflüssigung und Verdampfung erhöht. Es kann auch als vorteilhaft angesehen werden, dass die Überhitzung derart gewählt wird, dass der Abstand zur Taulinie am Ende der Verdichtung mindestens 10 Kelvin, insbesondere 10 Kelvin bis 20 Kelvin beträgt.
Für diese Bedingungen kann berechnet werden, welches Maß an Überhitzung vor der Verdichtung notwendig ist, um den geforderten Abstand zur Taulinie am Ende der Verdichtung einzuhal¬ ten .
Es kann auch als vorteilhaft angesehen werden, dass in einer Startphase des Betriebs der Wärmepumpe zur Überhitzung des Fluids eine Heizvorrichtung zugeschaltet wird. Eine vorteilhafte Ausgestaltung des Verfahrens kann vorsehen, dass als Wärmequelle eine im Wesentlichen isotherme Wärme¬ quelle verwendet wird.
Eine im Wesentlichen isotherme Wärmequelle weist eine geringe Grädigkeit auf. Dies ermöglicht eine hohe Verdampfungstempe¬ ratur des Fluids und somit eine höhere Leistungszahl.
Weitere zweckmäßige Ausgestaltungen und Vorteile der Erfin¬ dung sind Gegenstand der Beschreibung von Ausführungsbeispie- len der Erfindung unter Bezug auf die Figur der Zeichnung, wobei gleiche Bezugszeichen auf gleich wirkende Bauteile ver¬ weisen .
Dabei zeigt die
Fig. 1 schematisch einen Fluidkreislauf einer Wärmepumpe
nach dem Stand der Technik,
Fig. 2 schematisch ein Temperatur-über-Entropie Diagramm des
Fluids R134a mit eingezeichnetem Zustandsverlaufs während des in Figur 1 dargestellten Fluidkreislaufs einer Wärmepumpe nach dem Stand der Technik, Fig.3 schematisch ein Temperatur-über-Entropie-Diagramm eines Fluids mit einer Taulinie mit im Wesentlichen po¬ sitiver Steigung und eingezeichnetem Zustandsverlaufs des Fluids bei Durchlaufen des in Figur 1 dargestell- ten Fluidkreislaufs einer Wärmepumpe nach dem Stand der Technik,
Fig.4 schematisch einen Fluidkreislauf einer Wärmepumpe ge¬ mäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
Fig.5 schematisch ein Druck-über-Enthalpie Diagramm eines
Fluids mit einer Taulinie mit im Wesentlichen positi¬ ver Steigung und eingezeichnetem Zustandsverlaufs des Fluids bei Durchlaufen eines Fluidkreislaufs der in Figur 4 dargestellten Wärmepumpe, und
Fig.6 schematisch ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Figur 1 zeigt schematisch einen Fluidkreislauf 21 einer Wärme pumpe 12 nach dem Stand der Technik. Das Fluid 2 wird in ei¬ ner Strömungsrichtung 11 durch die Wärmepumpe 12 gefördert. Ein Verdampfer 10 verdampft das Fluid unter Aufnahme von Wär- meenergie der Wärmequelle 4, so dass es einen Dampfzustand 1 einnimmt. In diesem Dampfzustand 1 tritt das Fluid 2 in einen Verdichter 7 ein und wird auf einen Verdichtungszustand 3 verdichtet. In dem Verdichtungszustand 3 strömt es in einen Verflüssiger 8 unter Abgabe von Wärmeenergie an die Wärmesen- ke 20 und wird in einen kondensierten Zustand 5 überführt, und schließlich in einer Expansionsvorrichtung 9 expandiert. Infolgedessen nimmt das Fluid 2 einen Expansionszustand 6 an, wobei es in diesem Zustand wiederum dem Verdampfer 10 zugeführt wird. Das Fluid wird also während des Betriebs der Wär- mepumpe 12 kontinuierlich entsprechend der Strömungsrichtung 11 durch die Wärmepumpe 12 gefördert und nimmt hierbei bei der Verdampfung im Verdampfer 10 Wärme der Wärmequelle 4 auf und gibt während der Verflüssigung im Verflüssiger 8 Wärme- energie auf einem höheren Temperaturniveau als das der Wärme¬ quelle 4 an die Wärmesenke 20 ab.
Figur 2 zeigt ein Temperatur-über-Entropie-Diagramm 23, wel- ches entsprechend der Bildebene nach rechts zu, also auf der Abszissenachse eine Entropie 14 und auf der Bildebene nach oben zu, also auf der Ordinatenachse eine Temperatur 13 dar¬ stellt. Das Temperatur-über-Entropie-Diagramm 23 stellt sowohl eine Taulinie 18, eine Siedelinie 19, sowie unterschied- liehe Aggregatzustände eines Fluids dar. 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 dar- gestellte Temperatur-über-Entropie-Diagramm 23 zeigt eine
Taulinie 18 eines Fluids mit im Wesentlichen negativer Stei¬ gung .
Ebenfalls in Figur 2 schematisch dargestellt, sind verschie- dene thermodynamische Zustände des Fluids, welches das Fluid beim Durchlaufen des in Figur 1 dargestellten Fluidkreislaufs einer Wärmepumpe nach dem Stand der Technik annimmt. Ausge¬ hend vom Dampfzustand 1 wird entsprechend der Strömungsrich¬ tung 11 durch Verdichtung der Verdichtungszustand 3 erreicht. Der Verdichtungszustand 3 befindet sich innerhalb der Gaspha¬ se 15, weshalb der Verdichter 7 keine Schäden durch Flüssigkeitsschläge in Folge von Tropfenbildung im Fluid nimmt. Die dargestellte Verbindungslinie zwischen den einzelnen Zustän¬ den sind in Figur 2, Figur 3 und Figur 5 als gerade Verbin- dungslinien dargestellt, können jedoch auch von diesem idealen Verlauf abweichen. Ausgehend vom Verdichtungszustand 3 wird durch den Verflüssiger 8 der kondensierte Zustand 5 eingestellt, welcher sich auf der Siedelinie befindet. Ausgehend vom kondensierten Zustand 5 wird durch den Durchtritt des Fluids durch die Expansionsvorrichtung 9 der Expansionszustand 6 erreicht und anschließend durch Energiezufuhr im Ver¬ dampfer 10 wieder der Dampfzustand 1 des Fluids erreicht. So¬ mit ist der Kreislauf der Wärmepumpe 12 geschlossen. Figur 3 zeigt analog zu Figur 2 ein Temperatur-über-Entropie- Diagramm 24, allerdings für ein anderes Fluid. Der Verlauf der Siedelinie 19 und sowie der Taulinie 18 des Fluids grenzt ein stark überhängendes 2-Phasengebiet 16 ein, so dass die Taulinie 18 im Wesentlichen eine positive Steigung aufweist. Wird ein solches Fluid dem Fluidkreislauf der in Figur 1 dar¬ gestellten Wärmepumpe gemäß dem Stand der Technik unterworfen, liegt der Verdichtungszustand 3 innerhalb des 2- Phasengebietes 16. Demzufolge kann es im Verdichter 7 zu Schäden durch Flüssigkeitsschläge kommen.
Figur 4 zeigt schematisch einen Fluidkreislauf 28 einer Wärmepumpe 26 gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfin- dung. Im Fluidkreislauf 28 sind in Strömungsrichtung auf ei¬ nen Verdampfer 10 folgend zwei Verdichter 7a, 7b angeordnet. Die Verdichter 7a und 7b sind in Reihe angeordnet und können jeweils mehrere Verdichterstufen umfassen. Stromab der Verdichter 7a, 7b umfasst der Fluidkreislauf 28 einen Verflüssi- ger 8 und nachfolgend zwei in Reihe angeordnete Expansions¬ vorrichtungen 9a, 9b. Die Expansionsvorrichtung 9a und/oder 9b kann als Drossel 35a, 35b oder beispielsweise als Expansi¬ onsventil ausgebildet sein. Der Fluidkreislauf 28 der Wärme¬ pumpe 26 umfasst zudem zur Überhitzung des aus dem Verdampfer 10 ausströmenden Fluids Mittel 34 mit einem Wärmetauscher 32. Der Wärmetauscher 32 ist derart ausgebildet, dass er ther¬ misch das aus dem Verflüssiger 8 strömende Fluid vor Eintritt in die Expansionsvorrichtungen 9a, 9b mit dem aus dem Verdampfer 10 strömenden Fluid vor Eintritt in die Verdichter 7a, 7b verbindet. Zusätzlich ist ein Abscheider 30 zur Trennung einer Gas- und Flüssigphase zwischen die beiden Expansi¬ onsvorrichtungen 9a und 9b zwischengeschaltet mit einer zwi¬ schen den beiden Verdichtern 7a und 7b in den Fluidkreislauf 28 mündenden Gasphasen-Einleitung 36. Um während einer Start- phase eine ausreichende Überhitzung des aus dem Verdampfer 10 strömenden Fluids zu gewährleisten, umfassen die Mittel 34 zusätzlich eine zuschaltbare Heizvorrichtung 38, welche mit einer externen Energiequelle 40 beheizbar ist. Die Wärmequel- le 4 ist eine isotherme Wärmequelle. Beispielsweise kann die¬ se auf einem Temperaturniveau von 54 Grad Celsius liegen, wo¬ bei auf diesem Temperaturniveau gesättigter Dampf auf der Wärmequellenseite in den Verdampfer 10 strömt und diesen als gesättigte Flüssigkeit gleicher Temperatur verlässt. Die Wär¬ mesenke 20 kann beispielsweise ein Heizkreislauf sein, wel¬ chem auf der Verbrauchsseite Wärme entnommen wird und der als unterkühlte Flüssigkeit beispielsweise der Temperatur 80 Grad Celsius auf der Wärmesenken-Seite in den Verflüssiger 8 ein- tritt und diesen als überhitzten Dampf beispielsweise der Temperatur 125 Grad Celsius verlässt.
Im Unterschied zu dem in Figur 1 dargestellten Fluidkreislauf ermöglicht die erfindungsgemäße Wärmepumpe 26 die Verwendung eines Hochtemperaturfluids mit positiver Steigung der Tauli¬ nie in einem Temperatur-über-Entropie-Diagramm in Verbindung mit einer hohen Leistungszahl. Durch entsprechende Dimensionierung der Fläche des Wärmetauschers 32 ist eine ausreichen¬ de Überhitzung des Fluids möglich, so dass trotz Einleitung der gasförmigen Phase des expandierten Fluids im Expansionszustand 6a zwischen die beiden Verdichter 7a, 7b eine Bildung von Nassdampf während der Verdichtung sicher vermieden wird.
Die Figur 5 zeigt ein Druck-über-Enthalpie-Diagramm 42 eines Hochtemperaturfluids mit positiver Steigung der Taulinie 18 in einem Temperatur-über-Entropie-Diagramm, welches für einen Hochtemperaturbetrieb der in Figur 4 dargestellten Wärmepumpe 26 geeignet ist und im dargestellten Beispiel auch eine posi¬ tive Steigung der Taulinie 18 in einem Druck-über-Enthalpie- Diagramm aufweist. Wird das Fluid dem in Figur 4 dargestell¬ ten Fluidkreislauf 28 unterworfen, ergibt sich im vorliegenden Diagramm der dargestellte Zustandsverlauf, welcher in Pfeilrichtung durchlaufen wird. Beim Verlassen des Verdampfers 10 befindet sich das Fluid in einem Dampfzustand la und wird mittels des Wärmetauschers 32 in einen überhitzen Dampf¬ zustand lb überführt. Nach Verdichtung im ersten Verdichter 7a befindet sich das Fluid im Verdichtungszustand 3a. Durch die Einleitung der aus dem Abscheider 30 stammenden gasförmi- gen Phase in den Fluidkreislauf zwischen die beiden Verdichtern wird das Fluid in den Verdichtungszustand 3b überführt und nach anschließender Kompression durch den Verdichter 7b in den Verdichtungszustand 3c. Die Verflüssigung im Verflüs- siger 8 führt zum kondensierten Zustand 5a, wobei der Wärme¬ tauscher 32 das Fluid im Nachgang unterkühlt und in den kondensierten Zustand 5b überführt. Die Drossel 35a expandiert das Fluid in den Expansionszustand 6a, wobei das Fluid durch das Separieren der gasförmigen Phase im Abscheider 30 in den Expansionszustand 6b gelangt. Die anschließende Expansion des Fluids in der Drossel 35b führt zum Expansionszustand 6c, in welchem das Fluid den Verdampfer 10 erneut erreicht. Der COP der Wärmepumpe kann direkt als Verhältnis der Enthalpiediffe¬ renzen auf der h-Achse im Diagramm abgelesen werden. Er ent- spricht (h3c - h5a) / (h3c-h3b + h3a-hlb) .
Die Figur 6 zeigt schematisch in einem Ablaufdiagramm ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens, wobei in einem vorbereitenden Verfahrensschritt VS1 zum Betreiben der Wärmepumpe ein Fluid mit einer Taulinie mit im Wesentli¬ chen positiver Steigung in einem Temperatur-über-Entropie- Diagramm ausgewählt und verwendet wird.
In einem vorbereitenden Verfahrensschritt VS2 die Überhitzung des Fluids im Fluidkreislauf derart gewählt wird - z.B. mit- tels Auslegung der Wärmetauscherfläche -, dass der Abstand zur Taulinie am Verdichter-Endpunkt mindestens 10K, insbeson¬ dere 10K bis 20K beträgt.
In einem vorbereitenden Verfahrensschritt VS3 als Wärmequelle eine im Wesentlichen isotherme Wärmequelle gewählt wird.
In einem Verfahrensschritt VS4 in einer Startphase des Be¬ triebs der Wärmepumpe zur Überhitzung des Fluids eine Heiz¬ vorrichtung zugeschaltet wird. In einem Verfahrensschritt VS5 Wärmeenergie von einer Wärmequelle auf ein Fluid in einem Verdampfer übertragen wird, wobei das Fluid zumindest teil- weise verdampft. In einem Verfahrensschritt VS6 das Fluid nach der Übertragung der Wärmeenergie und vor der Verdichtung überhitzt wird, und hierbei Wärmeenergie des den Verflüssiger verlassenden Fluids vor einer Expansion entnommen wird und auf das den Verdampfer verlassende Fluid vor einer Verdichtung übertragen wird.
In einem Verfahrensschritt VS7 das Fluid nachfolgend in einem ersten Verdichtungsschritt verdichtet wird.
In einem Verfahrensschritt VS8 das verdichtete Fluid in einem zweiten Verdichtungsschritt verdichtet wird.
In einem Verfahrensschritt VS9 das Fluid zur Abgabe von Wär¬ meenergie an eine Wärmesenke auf einem höheren Temperaturniveau als die Wärmequelle mindestens teilweise verflüssigt wird. In einem Verfahrensschritt VS10 das Fluid zur Abkühlung in einem ersten Expansionsschritt expandiert wird. In einem Verfahrensschritt VS11 eine Gas-Phase des Fluids von einer Flüssig-Phase des Fluids separiert wird und das gasförmige Fluid mindestens teilweise dem Fluid zwischen mindestens zwei Verdichtungsschritten zugeführt wird. In einem Verfahrensschritt VS12 das Fluid in einem zweiten Expansionsschritt ex¬ pandiert wird, und erneut dem Verdampfer zugeführt wird und das im Fluidkreislauf der Wärmepumpe zirkulierende Fluid kon¬ tinuierlich die Schritte VS5 bis VS12 durchläuft, wobei die Wärmepumpe im Hochtemperaturbereich von mindestens 70 Grad Celsius der Wärmesenke, insbesondere von mindestens 90 Grad Celsius der Wärmesenke, betrieben wird.

Claims

Patentansprüche
1. Wärmepumpe (12, 26) mit einem Fluidkreislauf (21, 28) mit mindestens einem Verdampfer (10) zur Übertragung von Wärme- energie einer Wärmequelle (4) auf das Fluid (2), mindestens einem stromab nachfolgenden Verdichter (7a, 7b, 7) zur Verdichtung des Fluids, mindestens einem stromab nachfolgenden Verflüssiger (8) zur Abgabe von Wärmeenergie des Fluids an eine Wärmesenke (20) auf höherem Temperaturniveau als die Wärmequelle (4), und mindestens einer stromab nachfolgenden Expansionsvorrichtung (9a, 9b, 9) zur Expansion des Fluids, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , d a s s entlang des Fluidkreislaufs zwischen Verflüssiger (8) und Verdampfer (10) mindestens zwei Expansionsvorrichtungen (9a, 9b) in Reihe und zwischen Verdampfer und Verflüssiger mindestens zwei Verdichter (7a, 7b) und/oder mindestens zwei Ver¬ dichterstufen in Reihe angeordnet sind, wobei ein Abscheider (30) zur Trennung einer Gas- und Flüssigphase zwischen den beiden Expansionsvorrichtungen (9a, 9b) zwischengeschaltet ist mit einer zwischen den beiden Verdichtern oder den beiden Verdichterstufen in den Fluidkreislauf mündenden Gasphasen- Einleitung (36), und Mittel (34) zur Überhitzung des aus dem Verdampfer strömenden Fluids (2) vor Eintritt in den mindestens einen Verdichter angeordnet sind.
2. Wärmepumpe nach Anspruch 1,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s die Wärmepumpe (12, 26) für ein Temperaturniveau der Wärme¬ senke (20) von mindestens 70 Grad Celsius, insbesondere von mindestens 90 Grad Celsius, ausgelegt ist.
3. Wärmepumpe nach Anspruch 1 oder 2,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s das Fluid (2) eine Taulinie (18) mit im Wesentlichen positi- ver Steigung in einem Temperatur-über-Entropie-Diagramm (42) aufweist .
4. Wärmepumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , d a s s die Wärmepumpe (12, 26) für eine im Wesentlichen isotherme Wärmequelle (4) ausgelegt ist.
5. Wärmepumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s mindestens eine Expansionsvorrichtung (9a, 9b, 9) eine Dros¬ sel (35a, 35b) ist und/oder mindestens ein Verdichter (7a, 7b, 7) ein Turboverdichter ist.
6. Wärmepumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s die Mittel (34) zur Überhitzung des aus dem Verdampfer strömenden Fluids (2) einen Wärmetauscher (32) umfassen, welcher derart ausgebildet ist, dass er thermisch das aus dem Ver¬ flüssiger (8) strömende Fluid vor Eintritt in die Expansions¬ vorrichtung (9) mit dem aus dem Verdampfer (10) strömenden Fluid vor Eintritt in den Verdichter (7) verbindet.
7. Wärmepumpe nach Anspruch 6,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s die Mittel zur Überhitzung des aus dem Verdampfer strömenden Fluids eine zuschaltbare Heizvorrichtung (38) umfassen, wel¬ che mit einer externen Energiequelle (40) beheizbar ist.
8. Wärmepumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s der Abscheider (30) einen Druckbehälter zur Trennung der Gas- und Flüssigphase umfasst.
9. Verfahren zum Betreiben einer Wärmepumpe, wobei ein Fluid kontinuierlich in einem Fluidkreislauf geführt wird und hier¬ bei Wärmeenergie von einer Wärmequelle auf das Fluid in einem Verdampfer übertragen wird, wobei das Fluid zumindest teil- weise verdampft (VS5) und das Fluid nachfolgend verdichtet wird (VS7, VS8), und nachfolgend zur Abgabe von Wärmeenergie an eine Wärmesenke auf einem höheren Temperaturniveau als die Wärmequelle mindestens teilweise verflüssigt wird (VS9) , und nachfolgend zur Abkühlung expandiert wird (VS10, VS12), d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , d a s s das Fluid nach der Übertragung der Wärmeenergie und vor der Verdichtung überhitzt wird (VS6) , und die Verdichtung in mindestens zwei Verdichtungsschritten und die Expansion in mindestens zwei Expansionsschritten erfolgt, wobei mindestens zwischen zwei Expansionsschritten eine Gas-Phase des Fluids von einer Flüssig-Phase des Fluids separiert wird und das gasförmige Fluid mindestens teilweise dem Fluid zwischen min¬ destens zwei Verdichtungsschritten zugeführt wird (VS11).
10. Verfahren nach Anspruch 9,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s die Wärmepumpe im Hochtemperaturbereich von mindestens 70
Grad Celsius der Wärmesenke, insbesondere von mindestens 90 Grad Celsius der Wärmesenke, betrieben wird.
11. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s ein Fluid mit einer Taulinie mit im Wesentlichen positiver Steigung in einem Temperatur-über-Entropie-Diagramm verwendet wird (VS1) .
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s zur Überhitzung des den Verdampfer verlassenden Fluids in einem Betriebszustand Wärmeenergie des den Verflüssiger verlas¬ senden Fluids vor einer Expansion entnommen wird und auf das den Verdampfer verlassende Fluid vor einer Verdichtung übertragen wird (VS6) .
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 12,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s die Überhitzung derart gewählt wird, dass der Abstand zur
Taulinie am Verdichter-Endpunkt mindestens 10K, insbesondere 10K bis 20K beträgt (VS2) .
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 13, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s in einer Startphase des Betriebs zur Überhitzung des Fluids eine Heizvorrichtung zugeschaltet wird (VS4) .
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 14,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s als Wärmequelle eine im Wesentlichen isotherme Wärmequelle verwendet wird (VS3) .
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"Hochtemperatur Wärmepumpen: Literaturstudie zum Stand der Technik, der Forschung, des Anwendungspotenzials und der Kältemittel", vol. 03, 8 March 2017, INTERSTAATLICHES HOCHSCHULE FÜR TECHNIK BUCHS, Buchs (Switzerland), article CORDIN ARPAGAUS: "Hochtemperatur Wärmepumpen: Literaturstudie zum Stand der Technik, der Forschung, des Anwendungspotenzials und der Kältemittel", XP055466574 *

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