用于使用環(huán)境兼容的制冷劑的熱泵的制作方法
【專利說明】用于使用環(huán)境兼容的制冷劑的熱泵
[0001 ] 本發(fā)明涉及一種熱栗和在該熱栗中的制冷劑的使用。
[0002] 迄今為止在熱栗中使用的制冷劑要么是毒性的要么是對環(huán)境有害的，就是說這些 制冷劑具有較高的使全球暖化的可能。其它的能燃燒或者至少問題在于，至少是對健康有 害的。迄今為止已知的對無毒性的環(huán)境兼容的制冷劑的使用仍未成功，因為這種工作介質(zhì) 不能保證熱栗的相應(yīng)的效率或者不能被使用在傳統(tǒng)的熱栗結(jié)構(gòu)中。
[0003] 在熱栗中使用制冷劑的特征在于所謂的溫度升高或者說溫升（Temperaturlift)。 所述溫升是凝結(jié)溫度和蒸發(fā)溫度之間的差。所述溫升描述了能在散熱片上使用的熱源在 溫度上的提升量。為了清楚地說明所述問題，在圖1中示出合適的對環(huán)境友好的制冷劑的 相界線，其特點是強(qiáng)烈突出的冷凝曲線。額外地還示出從蒸發(fā)溫度為75°C到凝結(jié)溫度為 125°C的50開爾文的溫升的熱栗過程。為了能用這種制冷劑驅(qū)動熱栗，必須保持壓縮終點 到冷凝曲線的最小間距，以繼續(xù)保持在氣相區(qū)域中。如圖3中所示，要是溫升例如只有20 開爾文、就是說凝結(jié)溫度僅為95°C左右，壓縮終點就會在相界線內(nèi)、也就是說在混合相區(qū)域 中。這會導(dǎo)致在壓縮機(jī)中的液體并且阻止熱栗穩(wěn)定運行。
[0004] 迄今為止僅已知這種具有該特殊熱力學(xué)性質(zhì)的新的工作流體的應(yīng)用的嘗試，所述 嘗試成果在于熱栗的不穩(wěn)定的啟動過程。在德國申請102013203243. 9中對一種具有內(nèi)置 的熱交換器的熱栗，如圖2所示所述熱交換器通過從狀態(tài)4向狀態(tài)5凝結(jié)物的過冷卻把這 種情況下產(chǎn)生的熱傳導(dǎo)到狀態(tài)7上并且如此在壓縮前就加熱吸入的氣體。從狀態(tài)4向狀態(tài) 5的距離和從狀態(tài)7向狀態(tài)1的距離為相同的熱焓差，如壓焓圖1至4所示。如圖3再次看 到，所述用內(nèi)置的熱交換器的嘗試并不是對每個溫升都合適。例如在20開爾文的溫升情況 下，內(nèi)置的熱交換器的提供用于加熱吸入的氣體的熱量不足并且問題在于壓縮終點再次位 于相界線的內(nèi)部。
[0005] 至此，在熱栗和制冷機(jī)中使用的流體、例如R134a(l，1，1，2-四氟乙烷）根本不會 有壓縮終點位于中間相區(qū)域中的問題并且因此能以現(xiàn)有技術(shù)中已知的熱栗和制冷機(jī)驅(qū)動。
[0006] 因此本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題在于，提供一種熱栗和該熱栗的運行方法，其允 許使用對環(huán)境友好的工作流體并且確保穩(wěn)定的靜態(tài)運行。
[0007] 該技術(shù)問題借助按照權(quán)利要求1所述的熱栗和按照權(quán)利要求9所述的熱栗運行方 法以及通過按照本發(fā)明地應(yīng)用按照權(quán)利要求8所述的新的工作流體解決。本發(fā)明的設(shè)計方 案是從屬權(quán)利要求的內(nèi)容。
[0008] 按照本發(fā)明的熱栗包括壓縮機(jī)、冷凝器、內(nèi)部的熱交換器、膨脹閥、蒸發(fā)器以及調(diào) 節(jié)裝置，所述調(diào)節(jié)裝置設(shè)計用于使壓縮機(jī)的出口處的工作流體的溫度處于露點之上的能預(yù) 先給定的最小間距處。所述溫度最小間距涉及在壓力保持不變的情況下的工作流體并且尤 其是最少1開爾文、優(yōu)選最少5開爾文。這樣的優(yōu)點在于，可以使用對環(huán)境友好的無毒性 的安全介質(zhì)并且實現(xiàn)靜態(tài)的穩(wěn)定的熱栗運行，所述介質(zhì)的特點通常是非常特殊的熱力學(xué)性 質(zhì)，例如可能是在溫熵圖中的非常小的低于1000 (kgK2)/kj的冷凝曲線斜率。
[0009] 在本發(fā)明的一種有利的設(shè)計方案中，調(diào)節(jié)裝置是溫度調(diào)節(jié)裝置，其設(shè)計用于提高 在壓縮機(jī)的入口處的工作流體的溫度。例如，該溫度調(diào)節(jié)裝置是管路加熱裝置，其如此地布 置在內(nèi)置熱交換器和壓縮機(jī)之間，使得從內(nèi)置熱交換器向壓縮機(jī)流動的工作流體能通過管 路加熱裝置過熱。在此，溫度調(diào)節(jié)裝置設(shè)計為，使得其通過壓縮機(jī)出口處的工作流體溫度調(diào) 節(jié)管路加熱裝置。根據(jù)由溫度調(diào)節(jié)裝置在壓縮機(jī)出口處測量到的溫度啟動或者關(guān)閉管路加 熱裝置或者使其溫度變化。所述管路加熱裝置因此例如可以在熱源或者吸熱件溫度波動的 情況下短時間地啟動或者持續(xù)運行。這樣的優(yōu)點在于，可以過小的溫升進(jìn)行補(bǔ)償。對于溫 升的極限溫度取決于所使用的制冷劑或者工作流體。所述溫升取決于熱栗的不同性質(zhì)和參 數(shù)。
[0010] 在對熱栗的另一種有利的實施例中，溫度調(diào)節(jié)裝置包括具有閥門的旁通管路，所 述旁通管路如此地連接壓縮機(jī)出口處的高壓區(qū)域和壓縮機(jī)入口處的低壓區(qū)域，使得從內(nèi)置 的熱交換器流向壓縮機(jī)的工作流體能借助能通過旁通管路回流的熱氣過熱。所述溫度調(diào)節(jié) 裝置在此尤其設(shè)計為，使得其通過壓縮機(jī)出口處的工作流體的溫度調(diào)節(jié)經(jīng)過旁通管路的閥 門的通流。這個實施形式也具有的優(yōu)點是，在這樣的溫升中，其在不額外地介入熱栗過程中 的情況下可能與壓縮終點落在兩相區(qū)域中，如此地調(diào)節(jié)，使熱栗以所使用的工作流體穩(wěn)定 地在靜態(tài)狀態(tài)中運行。所使用的旁通閥可以例如是溫度調(diào)節(jié)地或者電子調(diào)節(jié)的閥門。
[0011] 在熱栗的一種備選的有利實施形式中，調(diào)節(jié)裝置是壓力調(diào)節(jié)裝置，其設(shè)計用于減 小在壓縮機(jī)入口處的工作流體的壓力。為此，所述壓力調(diào)節(jié)裝置尤其包括自動的膨脹閥，其 作為熱栗循環(huán)中的膨脹閥安置在內(nèi)置的熱交換器和蒸發(fā)器之間。自動的膨脹閥是純蒸發(fā)器 壓力調(diào)節(jié)閥，借助其能夠調(diào)節(jié)蒸發(fā)溫度并且由此調(diào)節(jié)蒸發(fā)壓力。
[0012] 通過蒸發(fā)器中的壓力降低可以在壓縮機(jī)之后的壓力側(cè)和壓縮機(jī)之前的低壓側(cè)之 間形成更高的壓力比Pratl。。因為壓縮機(jī)必須實現(xiàn)更高的壓力比Pratl。，所以在壓縮機(jī)出口處 也形成了更高的壓力氣體溫度。壓力比P ratl。越高，在壓縮機(jī)之后的壓力氣體的溫度T 2也越 尚。
[0014] 在此，K是等熵指數(shù)，Tjp T i是在壓縮機(jī)之后和之前的溫度并且P ratlC]是在壓縮 機(jī)之后和之前的氣體壓力的壓力比。備選地，為了提高溫度T1也可以降低在壓縮機(jī)之前的 壓力。在這種情況中，額外的壓縮機(jī)功率作為對額外的加熱功率的替代對于待實現(xiàn)的提高 的壓力比是必要的。這個實施形式具有的優(yōu)點在于，可以不使用額外的加熱元件和溫度調(diào) 節(jié)裝置并且通過由自動的膨脹閥替代膨脹閥，在熱栗中無需額外部件以實現(xiàn)穩(wěn)定的運行。
[0015] 在熱栗中使用自動膨脹閥的額外的優(yōu)點在于，形成對于使用情況的調(diào)節(jié)可能性， 即溫升不在極限溫度之下而是明顯地在極限溫度之上。如果溫升高得太遠(yuǎn)，那么在壓縮機(jī) 之后的壓力氣體溫度1~ 2就會在需要相對于露點保持的最小間距之上很遠(yuǎn)處。由此例如在壓 縮機(jī)具有溫度應(yīng)用上限時可能產(chǎn)生其它的問題。壓縮機(jī)的這種溫度應(yīng)用上限可以例如由潤 滑材料的熱學(xué)穩(wěn)定性或者由對于壓縮機(jī)中的緊密配合的過高膨脹所決定。然而通過自動的 膨脹閥可以如此大地提高蒸發(fā)器中的壓力，使得工作流體僅微弱地過熱或者甚至僅部分地 蒸發(fā)。對于實現(xiàn)與冷凝曲線的最小間距仍然需要的過熱可以借助內(nèi)置的熱交換器進(jìn)行。在 極限溫度之上的溫升的情況下，具有自動膨脹閥的實施形式的額外優(yōu)點是基于壓力提升而 提高了熱栗的總效率，因為通過減小蒸發(fā)器中的溫度差降低了壓力比并且要求更低的壓縮 機(jī)功率。同時，流體的密度升高并且以此提高壓縮機(jī)中的功率密度。額外地，通過更低的壓 力氣體溫度確保了壓縮機(jī)使用壽命的提高。
[0016] 優(yōu)選地，熱栗為此包括工作流體，所述工作流體在溫熵圖中具有低于1000 (kgK2) / kj的冷凝曲線斜率。使用這種工作流體的優(yōu)點在于該工作流體優(yōu)異的環(huán)境性質(zhì)和安全性 質(zhì)。作為這種工作流體例如可以使用氟化酮的族。其中尤其有利的工作流體是N 〇vec649 (D odecafluor〇-2-Methylpentan-3-〇ne)和 Novec524(Decafluor〇-3-Methylbutan_2-〇ne)〇 Novec649具有601 (kgK2)/kJ的冷凝曲線斜率，Novec524具有630(kgK2)/kJ的冷凝曲線斜 率，并且另一合適的例子是R245fa(l, 1，1，3, 3-Pentafluoropropan)，其在T-S圖中具有 1653 (kgK2) /kj的斜率，其中給出了分別針對飽和溫度為75°C的斜率。
[0017] 按照本發(fā)明在熱栗中使用工作流體，所述工作流體在溫熵圖中具有低于 1000 (kgK2)/kj的冷凝曲線斜率。
[0018] 在按照本發(fā)明的用于運行熱栗的方法中，使在壓縮機(jī)之后的工作流體的溫度在露 點之上的能預(yù)先給定的最小間距處，所述最小間距尤其是1開爾文。
[0019] 本發(fā)明的實施形式參照附圖1至7以示例性的方法進(jìn)行說明：
[0020] 圖1示出新的工作介質(zhì)的對數(shù)式壓焓圖和以此進(jìn)行的50開爾文的溫升的熱栗過 程。
[0021] 圖2以對數(shù)式壓焓圖示出通過內(nèi)置的熱交換器的熱傳導(dǎo)。
[0022] 圖3示出如圖1的工作介質(zhì)的20開爾文的溫升的熱栗過程的對數(shù)式壓焓圖。
[0023] 圖4示出如圖1的工作介質(zhì)的60開爾文的溫升的熱栗過程的對數(shù)式壓焓圖。
[0024] 圖5示出帶有管路加熱裝置的熱栗的流程圖。
[0025] 圖6示出帶有熱氣旁通的熱栗的流程圖，和
[0026] 圖7示出帶有自動膨脹閥的熱栗的流程圖。
[0027] 如圖1至圖4示出壓焓圖（壓力-焓-圖），其中，氣體壓力p記錄在對數(shù)刻度上。 在圖表1、3和4中以點劃線繪出等溫線IT并且以點線繪出等熵線IE。在此，針對等溫線IT 的溫度以攝氏度給出，針對等熵線IE的熵值以kX/(kg ·Κ)給出。實線繪出的曲線分別是新 的工作介質(zhì)的相界線PG、例如是流體N〇vec649。該介質(zhì)在169°C具有臨界點。在溫熵圖中 冷凝曲線會傾斜601 (kgK2)/kJ。對于工作介質(zhì)的另一合適的例子是Novec524,其在148°C 具有臨界點。
[0028] 在圖1中額外地以虛線繪出熱栗過程