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Die Erfindung betrifft eine Wärmepumpe mit einem Fluidkreislauf und ein Verfahren zum Betreiben einer Wärmepumpe.
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In Wärmepumpen wird durch die Verdampfung eines Fluids, welches in dem Fluidkreislauf der Wärmepumpe in einer Arbeitsrichtung zirkuliert, thermische Energie, das heißt Wärme, von einer Wärmequelle aufgenommen und an eine Wärmesenke abgegeben. Hierbei wird das Fluid mit der aufgenommenen thermischen Energie mittels eines Verdichters auf ein erhöhtes Druckniveau gebracht und anschließend bei einer im Vergleich zu einer 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.
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Die Effizienz einer Wärmepumpe wird mittels einer Leistungszahl (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 geteilt durch den Arbeitsaufwand Wmech des Verdichters. Je größer die betragsmäßige Differenz (Temperaturhub) zwischen der Verdampfungs- und Verflüssigungstemperatur des Fluids ist, desto niedriger ist die Effizienz der Wärmepumpe.
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Der Fluidkreislauf einer Wärmepumpe umfasst somit mindestens einen Verdampfer zur Übertragung von Wärmeenergie einer Wärmequelle auf das Fluid, mindestens einen stromab nachfolgenden 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 befindet- und mindestens eine stromab nachfolgende Expansionsvorrichtung zur Expansion des Fluids.
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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 Temperaturniveau als die Wärmequelle - zumindest teilweise verflüssigt. Nachfolgend wird das Fluid zur Abkühlung expandiert.
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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 zusätzlich eine besonders hohe Leistungszahl der Wärmepumpe ermöglicht.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einer Wärmepumpe der eingangs genannten Art dadurch gelöst, das entlang des Fluidkreislaufs 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.
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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.
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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.
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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 Taulinie 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 werden, wenn ein Eintritt in das zwei Phasen-Gebiet vermieden werden soll.
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Die Überhitzung des Fluids vor Eintritt in den Verdichter ermöglicht 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 Fluids im Vergleich zur Temperatur der Wärmequelle, sondern durch Mittel zur Überhitzung des Fluids nach Austritt aus dem Verdampfer.
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Der erfindungsgemäß angeordnete Abscheider kann auch mit Economizer bezeichnet werden. Das nach der ersten Expansionsvorrichtung entspannte Fluid weist aufgrund der Expansion eine tiefere Temperatur auf und liegt teilweise in einer gasförmigen, 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 anfängliche 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.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in der nachfolgenden Beschreibung und den Unteransprüchen angegeben, deren Merkmale einzeln und in beliebiger Kombination miteinander angewendet werden können.
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Es kann vorteilhaft vorgesehen sein, dass die Wärmepumpe für ein Temperaturniveau der Wärmesenke von mindestens 70 Grad Celsius, insbesondere von mindestens 90 Grad Celsius, ausgelegt ist.
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Hierzu kann die erfindungsgemäß ausgestaltete Wärmepumpe mit einem Fluid wie beispielsweise R1233zd und R1336mzz betrieben werden.
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Es kann auch als vorteilhaft angesehen werden, dass die Wärmepumpe für eine im Wesentlichen isotherme Wärmequelle ausgelegt ist.
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Die im Wesentlichen isotherme Wärmequelle weist eine geringe Grädigkeit auf. Dies ermöglicht eine hohe Verdampfungstemperatur 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 Verdampfungstemperatur herabsetzen auf z.B. 40° Celsius. Dann könnte das Fluid bis 45° Celsius überhitzt werden. Dies würde allerding zu einer Verringerung des COP führen.
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Es kann auch als vorteilhaft angesehen werden, dass mindestens eine Expansionsvorrichtung eine Drossel ist und/oder mindestens ein Verdichter ein Turboverdichter ist.
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Eine Drossel weist eine Verengung des Strömungspfades auf, so dass das Fluid aufgrund des verringerten Drucks während des Durchströmens des verengten Abschnitts expandiert. Der Querschnitt der Drossel kann einstellbar sein. Ein Turboverdichter eignet sich zur Erzeugung eines hohen Druckniveaus.
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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.
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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.
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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.
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Es kann auch als vorteilhaft angesehen werden, dass die Mittel zur Überhitzung des aus dem Verdampfer strömenden Fluids eine zuschaltbare Heizvorrichtung umfassen, welche mit einer externen Energiequelle beheizbar ist.
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Diese Ausgestaltung der Erfindung ermöglicht insbesondere in einer Startphase des Wärmepumpenbetriebs eine ausreichende Überhitzung des Fluids.
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Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung kann vorsehen, dass der Abscheider einen Druckbehälter zur Trennung der Gas- und Flüssigphase umfasst.
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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.
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Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren der eingangs genannten Art zum Betrieb einer Wärmepumpe anzugebene, welches sich für ein Temperaturniveau der Wärmesenke von mindestens 70 Grad Celsius eignet und das zusätzlich eine besonders hohe Leistungszahl der Wärmepumpe ermöglicht.
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Hierzu wird das Fluid nach der Übertragung der Wärmeenergie und vor der Verdichtung überhitzt, und es erfolgt die Verdichtung 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.
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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.
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Bezüglich des erfindungsgemäßen Verfahrens wird analog auch auf die Ausführungen in der Beschreibung zu Anspruch 1 verwiesen.
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Es kann auch als vorteilhaft angesehen werden, dass die Wärmepumpe im Hochtemperaturbereich von mindestens 70 Grad Celsius der Wärmesenke, insbesondere von mindestens 90 Grad Celsius der Wärmesenke, betrieben wird.
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Für die erfindungsgemäße Ausgestaltung des Verfahrens kann der Betrieb der Wärmepumpe mit einem Fluid wie beispielsweise R1233zd und R1336mzz erfolgen.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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 einzuhalten.
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Es kann auch als vorteilhaft angesehen werden, dass in einer Startphase des Betriebs der Wärmepumpe zur Überhitzung des Fluids eine Heizvorrichtung zugeschaltet wird.
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Eine vorteilhafte Ausgestaltung des Verfahrens kann vorsehen, dass als Wärmequelle eine im Wesentlichen isotherme Wärmequelle verwendet wird.
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Eine im Wesentlichen isotherme Wärmequelle weist eine geringe Grädigkeit auf. Dies ermöglicht eine hohe Verdampfungstemperatur des Fluids und somit eine höhere Leistungszahl.
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Weitere zweckmäßige Ausgestaltungen und Vorteile der Erfindung sind Gegenstand der Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung unter Bezug auf die Figur der Zeichnung, wobei gleiche Bezugszeichen auf gleich wirkende Bauteile verweisen.
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Dabei zeigt die
- 1 schematisch einen Fluidkreislauf einer Wärmepumpe nach dem Stand der Technik,
- 2 schematisch ein Temperatur-über-Entropie Diagramm des Fluids R134a mit eingezeichnetem Zustandsverlaufs während des in 1 dargestellten Fluidkreislaufs einer Wärmepumpe nach dem Stand der Technik,
- 3 schematisch ein Temperatur-über-Entropie-Diagramm eines Fluids mit einer Taulinie mit im Wesentlichen positiver Steigung und eingezeichnetem Zustandsverlaufs des Fluids bei Durchlaufen des in 1 dargestellten Fluidkreislaufs einer Wärmepumpe nach dem Stand der Technik,
- 4 schematisch einen Fluidkreislauf einer Wärmepumpe gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
- 5 schematisch ein Druck-über-Enthalpie Diagramm eines Fluids mit einer Taulinie mit im Wesentlichen positiver Steigung und eingezeichnetem Zustandsverlaufs des Fluids bei Durchlaufen eines Fluidkreislaufs der in 4 dargestellten Wärmepumpe, und
- 6 schematisch ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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1 zeigt schematisch einen Fluidkreislauf 21 einer Wärme pumpe 12 nach dem Stand der Technik. Das Fluid 2 wird in einer Strömungsrichtung 11 durch die Wärmepumpe 12 gefördert. Ein Verdampfer 10 verdampft das Fluid unter Aufnahme von Wärmeenergie 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 Wärmesenke 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 Wärmepumpe 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 Wärmeenergie auf einem höheren Temperaturniveau als das der Wärmequelle 4 an die Wärmesenke 20 ab.
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2 zeigt ein Temperatur-über-Entropie-Diagramm 23, welches 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 darstellt. Das Temperatur-über-Entropie-Diagramm 23 stellt sowohl eine Taulinie 18, eine Siedelinie 19, sowie unterschiedliche 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 dargestellte Temperatur-über-Entropie-Diagramm 23 zeigt eine Taulinie 18 eines Fluids mit im Wesentlichen negativer Steigung.
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Ebenfalls in 2 schematisch dargestellt, sind verschiedene thermodynamische Zustände des Fluids, welches das Fluid beim Durchlaufen des in 1 dargestellten Fluidkreislaufs einer Wärmepumpe nach dem Stand der Technik annimmt. Ausgehend vom Dampfzustand 1 wird entsprechend der Strömungsrichtung 11 durch Verdichtung der Verdichtungszustand 3 erreicht. Der Verdichtungszustand 3 befindet sich innerhalb der Gasphase 15, weshalb der Verdichter 7 keine Schäden durch Flüssigkeitsschläge in Folge von Tropfenbildung im Fluid nimmt. Die dargestellte Verbindungslinie zwischen den einzelnen Zuständen sind in 2, 3 und 5 als gerade Verbindungslinien 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 Verdampfer 10 wieder der Dampfzustand 1 des Fluids erreicht. Somit ist der Kreislauf der Wärmepumpe 12 geschlossen.
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3 zeigt analog zu 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 1 dargestellten 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.
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4 zeigt schematisch einen Fluidkreislauf 28 einer Wärmepumpe 26 gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Im Fluidkreislauf 28 sind in Strömungsrichtung auf einen 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 Verflüssiger 8 und nachfolgend zwei in Reihe angeordnete Expansionsvorrichtungen 9a, 9b. Die Expansionsvorrichtung 9a und/oder 9b kann als Drossel 35a, 35b oder beispielsweise als Expansionsventil ausgebildet sein. Der Fluidkreislauf 28 der Wärmepumpe 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 thermisch 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 Expansionsvorrichtungen 9a und 9b zwischengeschaltet mit einer zwischen den beiden Verdichtern 7a und 7b in den Fluidkreislauf 28 mündenden Gasphasen-Einleitung 36. Um während einer Startphase 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 Wärmequelle 4 ist eine isotherme Wärmequelle. Beispielsweise kann diese auf einem Temperaturniveau von 54 Grad Celsius liegen, wobei auf diesem Temperaturniveau gesättigter Dampf auf der Wärmequellenseite in den Verdampfer 10 strömt und diesen als gesättigte Flüssigkeit gleicher Temperatur verlässt. Die Wärmesenke 20 kann beispielsweise ein Heizkreislauf sein, welchem 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 eintritt und diesen als überhitzten Dampf beispielsweise der Temperatur 125 Grad Celsius verlässt.
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Im Unterschied zu dem in 1 dargestellten Fluidkreislauf ermöglicht die erfindungsgemäße Wärmepumpe 26 die Verwendung eines Hochtemperaturfluids mit positiver Steigung der Taulinie in einem Temperatur-über-Entropie-Diagramm in Verbindung mit einer hohen Leistungszahl. Durch entsprechende Dimensionierung der Fläche des Wärmetauschers 32 ist eine ausreichende 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.
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Die 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 4 dargestellten Wärmepumpe 26 geeignet ist und im dargestellten Beispiel auch eine positive Steigung der Taulinie 18 in einem Druck-über-Enthalpie-Diagramm aufweist. Wird das Fluid dem in 4 dargestellten 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 1a und wird mittels des Wärmetauschers 32 in einen überhitzen Dampfzustand 1b überführt. Nach Verdichtung im ersten Verdichter 7a befindet sich das Fluid im Verdichtungszustand 3a. Durch die Einleitung der aus dem Abscheider 30 stammenden gasförmigen 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 Verflüssiger 8 führt zum kondensierten Zustand 5a, wobei der Wärmetauscher 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 Enthalpiedifferenzen auf der h-Achse im Diagramm abgelesen werden. Er entspricht (h3c - h5a) / (h3c-h3b + h3a-h1b).
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Die 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 Wesentlichen positiver Steigung in einem Temperatur-über-Entropie-Diagramm ausgewählt und verwendet wird.
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In einem vorbereitenden Verfahrensschritt VS2 die Überhitzung des Fluids im Fluidkreislauf derart gewählt wird - z.B. mittels Auslegung der Wärmetauscherfläche -, dass der Abstand zur Taulinie am Verdichter-Endpunkt mindestens 10K, insbesondere 10K bis 20K beträgt.
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In einem vorbereitenden Verfahrensschritt VS3 als Wärmequelle eine im Wesentlichen isotherme Wärmequelle gewählt wird.
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In einem Verfahrensschritt VS4 in einer Startphase des Betriebs der Wärmepumpe zur Überhitzung des Fluids eine Heizvorrichtung zugeschaltet wird. In einem Verfahrensschritt VS5 Wärmeenergie von einer Wärmequelle auf ein Fluid in einem Verdampfer übertragen wird, wobei das Fluid zumindest teilweise 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.
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In einem Verfahrensschritt VS7 das Fluid nachfolgend in einem ersten Verdichtungsschritt verdichtet wird.
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In einem Verfahrensschritt VS8 das verdichtete Fluid in einem zweiten Verdichtungsschritt verdichtet wird.
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In einem Verfahrensschritt VS9 das Fluid zur Abgabe von Wärmeenergie 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 expandiert wird, und erneut dem Verdampfer zugeführt wird und das im Fluidkreislauf der Wärmepumpe zirkulierende Fluid kontinuierlich 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.
