用于使用环境兼容的制冷剂的热泵的制作方法
【专利说明】用于使用环境兼容的制冷剂的热泵
[0001 ] 本发明涉及一种热栗和在该热栗中的制冷剂的使用。
[0002] 迄今为止在热栗中使用的制冷剂要么是毒性的要么是对环境有害的，就是说这些 制冷剂具有较高的使全球暖化的可能。其它的能燃烧或者至少问题在于，至少是对健康有 害的。迄今为止已知的对无毒性的环境兼容的制冷剂的使用仍未成功，因为这种工作介质 不能保证热栗的相应的效率或者不能被使用在传统的热栗结构中。
[0003] 在热栗中使用制冷剂的特征在于所谓的温度升高或者说温升（Temperaturlift)。 所述温升是凝结温度和蒸发温度之间的差。所述温升描述了能在散热片上使用的热源在 温度上的提升量。为了清楚地说明所述问题，在图1中示出合适的对环境友好的制冷剂的 相界线，其特点是强烈突出的冷凝曲线。额外地还示出从蒸发温度为75°C到凝结温度为 125°C的50开尔文的温升的热栗过程。为了能用这种制冷剂驱动热栗，必须保持压缩终点 到冷凝曲线的最小间距，以继续保持在气相区域中。如图3中所示，要是温升例如只有20 开尔文、就是说凝结温度仅为95°C左右，压缩终点就会在相界线内、也就是说在混合相区域 中。这会导致在压缩机中的液体并且阻止热栗稳定运行。
[0004] 迄今为止仅已知这种具有该特殊热力学性质的新的工作流体的应用的尝试，所述 尝试成果在于热栗的不稳定的启动过程。在德国申请102013203243. 9中对一种具有内置 的热交换器的热栗，如图2所示所述热交换器通过从状态4向状态5凝结物的过冷却把这 种情况下产生的热传导到状态7上并且如此在压缩前就加热吸入的气体。从状态4向状态 5的距离和从状态7向状态1的距离为相同的热焓差，如压焓图1至4所示。如图3再次看 到，所述用内置的热交换器的尝试并不是对每个温升都合适。例如在20开尔文的温升情况 下，内置的热交换器的提供用于加热吸入的气体的热量不足并且问题在于压缩终点再次位 于相界线的内部。
[0005] 至此，在热栗和制冷机中使用的流体、例如R134a(l，1，1，2-四氟乙烷）根本不会 有压缩终点位于中间相区域中的问题并且因此能以现有技术中已知的热栗和制冷机驱动。
[0006] 因此本发明所要解决的技术问题在于，提供一种热栗和该热栗的运行方法，其允 许使用对环境友好的工作流体并且确保稳定的静态运行。
[0007] 该技术问题借助按照权利要求1所述的热栗和按照权利要求9所述的热栗运行方 法以及通过按照本发明地应用按照权利要求8所述的新的工作流体解决。本发明的设计方 案是从属权利要求的内容。
[0008] 按照本发明的热栗包括压缩机、冷凝器、内部的热交换器、膨胀阀、蒸发器以及调 节装置，所述调节装置设计用于使压缩机的出口处的工作流体的温度处于露点之上的能预 先给定的最小间距处。所述温度最小间距涉及在压力保持不变的情况下的工作流体并且尤 其是最少1开尔文、优选最少5开尔文。这样的优点在于，可以使用对环境友好的无毒性 的安全介质并且实现静态的稳定的热栗运行，所述介质的特点通常是非常特殊的热力学性 质，例如可能是在温熵图中的非常小的低于1000 (kgK2)/kj的冷凝曲线斜率。
[0009] 在本发明的一种有利的设计方案中，调节装置是温度调节装置，其设计用于提高 在压缩机的入口处的工作流体的温度。例如，该温度调节装置是管路加热装置，其如此地布 置在内置热交换器和压缩机之间，使得从内置热交换器向压缩机流动的工作流体能通过管 路加热装置过热。在此，温度调节装置设计为，使得其通过压缩机出口处的工作流体温度调 节管路加热装置。根据由温度调节装置在压缩机出口处测量到的温度启动或者关闭管路加 热装置或者使其温度变化。所述管路加热装置因此例如可以在热源或者吸热件温度波动的 情况下短时间地启动或者持续运行。这样的优点在于，可以过小的温升进行补偿。对于温 升的极限温度取决于所使用的制冷剂或者工作流体。所述温升取决于热栗的不同性质和参 数。
[0010] 在对热栗的另一种有利的实施例中，温度调节装置包括具有阀门的旁通管路，所 述旁通管路如此地连接压缩机出口处的高压区域和压缩机入口处的低压区域，使得从内置 的热交换器流向压缩机的工作流体能借助能通过旁通管路回流的热气过热。所述温度调节 装置在此尤其设计为，使得其通过压缩机出口处的工作流体的温度调节经过旁通管路的阀 门的通流。这个实施形式也具有的优点是，在这样的温升中，其在不额外地介入热栗过程中 的情况下可能与压缩终点落在两相区域中，如此地调节，使热栗以所使用的工作流体稳定 地在静态状态中运行。所使用的旁通阀可以例如是温度调节地或者电子调节的阀门。
[0011] 在热栗的一种备选的有利实施形式中，调节装置是压力调节装置，其设计用于减 小在压缩机入口处的工作流体的压力。为此，所述压力调节装置尤其包括自动的膨胀阀，其 作为热栗循环中的膨胀阀安置在内置的热交换器和蒸发器之间。自动的膨胀阀是纯蒸发器 压力调节阀，借助其能够调节蒸发温度并且由此调节蒸发压力。
[0012] 通过蒸发器中的压力降低可以在压缩机之后的压力侧和压缩机之前的低压侧之 间形成更高的压力比Pratl。。因为压缩机必须实现更高的压力比Pratl。，所以在压缩机出口处 也形成了更高的压力气体温度。压力比P ratl。越高，在压缩机之后的压力气体的温度T 2也越 尚。
[0014] 在此，K是等熵指数，Tjp T i是在压缩机之后和之前的温度并且P ratlC]是在压缩 机之后和之前的气体压力的压力比。备选地，为了提高温度T1也可以降低在压缩机之前的 压力。在这种情况中，额外的压缩机功率作为对额外的加热功率的替代对于待实现的提高 的压力比是必要的。这个实施形式具有的优点在于，可以不使用额外的加热元件和温度调 节装置并且通过由自动的膨胀阀替代膨胀阀，在热栗中无需额外部件以实现稳定的运行。
[0015] 在热栗中使用自动膨胀阀的额外的优点在于，形成对于使用情况的调节可能性， 即温升不在极限温度之下而是明显地在极限温度之上。如果温升高得太远，那么在压缩机 之后的压力气体温度1~ 2就会在需要相对于露点保持的最小间距之上很远处。由此例如在压 缩机具有温度应用上限时可能产生其它的问题。压缩机的这种温度应用上限可以例如由润 滑材料的热学稳定性或者由对于压缩机中的紧密配合的过高膨胀所决定。然而通过自动的 膨胀阀可以如此大地提高蒸发器中的压力，使得工作流体仅微弱地过热或者甚至仅部分地 蒸发。对于实现与冷凝曲线的最小间距仍然需要的过热可以借助内置的热交换器进行。在 极限温度之上的温升的情况下，具有自动膨胀阀的实施形式的额外优点是基于压力提升而 提高了热栗的总效率，因为通过减小蒸发器中的温度差降低了压力比并且要求更低的压缩 机功率。同时，流体的密度升高并且以此提高压缩机中的功率密度。额外地，通过更低的压 力气体温度确保了压缩机使用寿命的提高。
[0016] 优选地，热栗为此包括工作流体，所述工作流体在温熵图中具有低于1000 (kgK2) / kj的冷凝曲线斜率。使用这种工作流体的优点在于该工作流体优异的环境性质和安全性 质。作为这种工作流体例如可以使用氟化酮的族。其中尤其有利的工作流体是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的冷凝曲线斜率，Novec524具有630(kgK2)/kJ的冷凝曲线斜 率，并且另一合适的例子是R245fa(l, 1，1，3, 3-Pentafluoropropan)，其在T-S图中具有 1653 (kgK2) /kj的斜率，其中给出了分别针对饱和温度为75°C的斜率。
[0017] 按照本发明在热栗中使用工作流体，所述工作流体在温熵图中具有低于 1000 (kgK2)/kj的冷凝曲线斜率。
[0018] 在按照本发明的用于运行热栗的方法中，使在压缩机之后的工作流体的温度在露 点之上的能预先给定的最小间距处，所述最小间距尤其是1开尔文。
[0019] 本发明的实施形式参照附图1至7以示例性的方法进行说明：
[0020] 图1示出新的工作介质的对数式压焓图和以此进行的50开尔文的温升的热栗过 程。
[0021] 图2以对数式压焓图示出通过内置的热交换器的热传导。
[0022] 图3示出如图1的工作介质的20开尔文的温升的热栗过程的对数式压焓图。
[0023] 图4示出如图1的工作介质的60开尔文的温升的热栗过程的对数式压焓图。
[0024] 图5示出带有管路加热装置的热栗的流程图。
[0025] 图6示出带有热气旁通的热栗的流程图，和
[0026] 图7示出带有自动膨胀阀的热栗的流程图。
[0027] 如图1至图4示出压焓图（压力-焓-图），其中，气体压力p记录在对数刻度上。 在图表1、3和4中以点划线绘出等温线IT并且以点线绘出等熵线IE。在此，针对等温线IT 的温度以摄氏度给出，针对等熵线IE的熵值以kX/(kg ·Κ)给出。实线绘出的曲线分别是新 的工作介质的相界线PG、例如是流体N〇vec649。该介质在169°C具有临界点。在温熵图中 冷凝曲线会倾斜601 (kgK2)/kJ。对于工作介质的另一合适的例子是Novec524,其在148°C 具有临界点。
[0028] 在图1中额外地以虚线绘出热栗过程