Wärmepumpe mit Ejektor

Abstract

 Die Erfindung betrifft eine mit funktionsbedingt hohen Druckdifferenzen arbeitende Hochtemperaturwärmepumpe mit Ejektor. Die Wärmepumpe umfasst mindestens einen Gaskühler (2) oder Verflüssiger, mindestens einen Verdampfer (5), mindestens einen Verdichtungsejektor (3), der die mindestens eine erste Verdichterstufe der Wärmepumpe bildet, mindestens eine ölfreie halbhermetische oder hermetische Turboverdichtereinheit (1), welche die mindestens zweite Verdichterstufe der Wärmepumpe bildet, einen Abscheidesammler (4) und mindestens ein Drosselventil (6), das zwischen den zweiten Austritt (4.3) des Abscheidesammlers (4) und den Eintritt (5.1) des mindestens einen Verdampfers (5) geschaltet ist. Der Sauganschluss (3.3) des mindestens einen Verdichtungsejektors (3) ist mit dem Austritt (5.2) des mindestens einen Verdampfers (5), der Druckanschluss (3.1) des mindestens einen Verdichtungsejektors (3) direkt oder über ein Regelventil (13.1) mit dem Austritt (2.2) des mindestens einen Gaskühlers (2) bzw. Verflüssigers und der Austritt (3.2) des mindestens einen Verdichtungsejektors (3) ist mit dem Eintritt (4.1) des Abscheidesammlers (4) verbunden. Der Anschluss (12.3) eines Absaugejektors (12) ist an das Gehäuse der mindestens einen Turboverdichtereinheit (1) angeschlossen und saugt Kältemittel ab, um Reibungsverluste zu minimieren.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft eine Hochtemperaturwärmepumpe oder eine Kältemaschine (die auch in Kälte-Wärmekopplung betrieben werden kann) mit mindestens einem Ejektor, bei der aufgrund der Betriebsbedingungen hohe Druckdifferenzen zwischen der Hoch- und der Niederdruckseite auftreten.

[0002] Wärmepumpen und Kältemaschinen transportieren unter Aufwendung von Arbeit Wärme von einem niedrigen Temperaturniveau auf ein höheres. Sie unterscheiden sich lediglich in den beim Betrieb erreichten Temperaturniveaus (üblicherweise liegt bei Wärmepumpen das hohe Temperaturniveau höher als bei Kältemaschinen, während entsprechend bei Kältemaschinen das tiefe Temperaturniveau tiefer liegt) und darin, welche Seiten genutzt werden (Wärmepumpe: warme Seite; Kältemaschine kalte Seite; Wärme-Kälte-Kopplung: warme und kalte Seite). Der Einfachheit halber wird deshalb im Folgenden für die Begriffe "Wärmepumpe/Kältemaschine/Wärme-Kälte-Kopplung" generell der Begriff "Wärmepumpe" verwendet.

[0003] Im Gegensatz zu Wärmepumpen, die zum Beheizen von Gebäuden eingesetzt werden und die, da üblicherweise Niedertemperaturheizflächen zum Einsatz kommen, mit vergleichsweise niedrigen Austrittstemperaturen (Vorlauftemperaturen) und entsprechend geringen Temperaturdifferenzen zwischen der kalten und der warmen Seite der Wärmepumpe betrieben werden, werden bei vielen industriellen Anwendungen wesentlich höhere Vorlauftemperaturen von ca. 65°C bis über 100 °C (und entsprechend größere Temperaturdifferenzen zwischen der kalten und der warmen Seite) benötigt. Ebenso werden für industrielle Anwendungen Kältemaschinen benötigt, die, um vergleichsweise tiefe Temperaturen (-20 °C) zu erreichen, hohe Temperaturdifferenzen (üblicherweise 70 - 100 K) erzeugen, um die Abwärme auf ein technisch nutzbares Niveau zu heben.

[0004] Da der COP-Wert (Coefficient of performance) mit steigender Temperaturdifferenz zwischen der kalten und der warmen Seite der Wärmepumpe stetig abnimmt, sind für diejenigen industriellen Anwendungen, bei denen große Temperaturdifferenzen (z. B. größere als zum Beheizen von Gebäuden benötigte) erzeugt werden müssen, einstufige Wärmepumpen nicht mehr effizient.

[0005] Zur Erzeugung solcher Temperaturdifferenzen werden üblicherweise zweistufige (auch mehrstufige) Wärmepumpen eingesetzt, für die es zahlreiche Realisierungsmöglichkeiten auf der Basis zweistufiger Verdichter oder der Reihenschaltung von zwei Verdichtern gibt. Um die Verdichtungsendtemperatur in den zulässigen Grenzen zu halten, wird üblicherweise eine Zwischenkühlung eingesetzt.

[0006] Die herkömmlichen zweistufigen Wärmepumpen haben jedoch einerseits den Nachteil, dass beiden Verdichtern von außen Energie zugeführt werden muss; andererseits werden in derartigen Wärmepumpen nach dem Stand der Technik ölgeschmierte Verdichter eingesetzt, für die Maßnahmen zur Ölrückführung (z.B. durch Ölabscheider und Ölmanagementsysteme) getroffen werden müssen. Diese Maßnahmen verursachen zusätzlich technischen und ökonomischen Aufwand, führen zu einer unnötigen Verschlechterung der Leistungszahl und bringen durch den Verbrauch von Öl unnötige Umweltbelastungen mit sich.

[0007] Aus DE 10 2009 020 062 A1 und DE 11 2009 000 608 T5 sind Kältemaschinen (prinzipiell gleiche Wirkungsweise wie Wärmepumpen, s. o.) bekannt, in denen sog. Ejektoren eingesetzt werden, die wie Verdichter/Pumpen wirken, die aber die für ihren Betrieb benötigte Energie aus dem Entspannungsprozess des Kältemittels vom Hoch- auf den Niederdruck (Kreisprozess) gewinnen (Prinzip der Wasserstrahlpumpe).

[0008] In DE 103 32 104 A1 und in "Experimental Validation of a CO2 Prototype Ejector with Integrated High-Side Pressure Control", Stefan Elbel, Pega Hrnjak, VDA Winter Meeting 2007 und in "Untersuchung von CO2-Ejektoren beim Einsatz in der gewerblichen Kältetechnik in tropischen Gebieten", M.Sc.-Ing. Ricardo Fiorenzano, Dipl.-Ing. Christian Tischendorf, Dr.-Ing. Nicholas Lemke und Prof. Dr.-Ing. Jürgen Köhler, KI Kälte Luft Klimatechnik Juni 2010, werden Kältemaschinen vorgestellt, in denen (im Verdampfer) verdampftes Kältemittel (Niederdruckniveau) durch den Ejektor in einen Abscheidesammler (mittleres Druckniveau) gefördert wird. Der Ejektor wirkt somit als erste Verdichterstufe. Ein üblicherweise ölgeschmierter Verdichter fördert das Kältemittel vom Abscheidesammler in den Gaskühler und bringt das Kältemittel dabei auf Hochdruckniveau (zweite Verdichterstufe). Eine Zwischenkühlung ist nicht erforderlich, weil der Verdichter gesättigtes Kältemittel aus dem Abscheidesammler ansaugt. Eine technische Lösung für die erforderliche Ölrückführung wird jedoch nicht angegeben.

[0009] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine zweistufige Hochtemperaturwärmepumpe bereitzustellen, bei der aufgrund der Betriebsbedingungen hohe Druckdifferenzen zwischen der Hoch- und der Niederdruckseite auftreten und mit der hohe COP-Werte erreichbar sind.

[0010] Die Aufgabe der Erfindung wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausführungen der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen 2 bis 14.

[0011] Ausgegangen wird von einer mindestens zweistufigen Wärmepumpe mit mindestens einer ersten Verdichterstufe, die zu einer Erhöhung des im Kältemittel vorherrschenden Drucks von einem Niederdruck- auf ein Mitteldruckniveau eingerichtet ist, und mit mindestens einer zweiten Verdichterstufe, die zu einer Erhöhung des im Kältemittel vorherrschenden Drucks von einem Mitteldruck- auf ein Hochdruckniveau, auf dem das Kältemittel vorzugsweise überkritisch vorliegt, eingerichtet ist. Die Wärmepumpe umfasst zudem mindestens einen auf dem Hochdruckniveau der Wärmepumpe betriebenen Gaskühler (bzw. einen Verflüssiger, wenn das verwendete Kältemittel beim Betrieb der Wärmepumpe auf der Hochdruckseite flüssig wird), wobei der mindestens eine Gaskühler bzw. der Verflüssiger einen Eintritt und einen Austritt aufweist, einen auf dem Niederdruckniveau der Wärmepumpe betriebenen mindestens einen Verdampfer, der einen Eintritt und einen Austritt aufweist, mindestens ein Drosselventil, das zwischen den zweiten Austritt eines Abscheidesammlers und den Eintritt des mindestens einen Verdampfers geschaltet ist und das zur Entspannung des Kältemittels vom Mitteldruckniveau auf das Niederdruckniveau der Wärmepumpe dient, sowie den auf dem Mitteldruckniveau der Wärmepumpe betriebenen Abscheidesammler. Zusätzlich kann mindestens ein innerer Wärmeübertrager eingesetzt werden, mit dem Wärme vom aus dem mindestens einem Gaskühler- /Verflüssiger austretenden Kältemittel auf das Sauggas übertragen oder Sauggas aus einer zusätzlichen externen Wärmequelle erwärmt wird.

[0012] Der Abscheidesammler dient zum Abscheiden und Sammeln von flüssigem Kältemittel, d. h., neben seiner Funktion als Abscheider dient er auch zum Speichern von überschüssigem Kältemittel. Entsprechend enthält der Abscheidesammler flüssiges und gasförmiges Kältemittel, wobei, wenn eine große Menge Kältemittel im Abscheidesammler gespeichert ist, der Anteil des flüssigen Kältemittels hoch und, wenn eine kleine Menge Kältemittel im Abscheidesammler gespeichert ist, der Anteil des flüssigen Kältemittels entsprechend geringer ist. Der Abscheidesammler verfügt über einen Eintritt, einen ersten Austritt, der mit dem gasförmigen Kältemittel in Verbindung steht, und einen zweiten Austritt, der an das flüssige Kältemittel angrenzt.

[0013] Die mindestens eine erste Verdichterstufe ist als mindestens ein Verdichtungsejektor und die mindestens eine zweite Verdichterstufe ist als mindestens eine ölfreie Turboverdichtereinheit realisiert. Sowohl der mindestens eine Verdichtungsejektor als auch die mindestens eine Turboverdichtereinheit können aus mehreren seriell und/oder parallel verschalteten, einzelnen Verdichtungsejektoren bzw. Turboverdichtereinheiten aufgebaut sein.

[0014] Der mindestens eine Verdichtungsejektor verfügt über einen Druckanschluss, einen Austritt und einen Sauganschluss. Beim Betrieb des mindestens einen Verdichtungsejektors tritt Kältemittel über den Druckanschluss in den mindestens einen Verdichtungsejektor ein, das Kältemittel wird (z. B. mittels Düsen) strahlförmig durch den mindestens einen Verdichtungsejektor geführt und tritt durch den Austritt des mindestens einen Verdichtungsejektors aus. Der so gebildete Strahl erzeugt am Sauganschluss eine Druckabsenkung (analog wie bei einer Wasserstrahlpumpe), wodurch gasförmiges Kältemittel aus dem mindestens einen Verdampfer angesaugt wird. Gleichzeitig erhöht sich beim Durchlaufen (vom Sauganschluss zum Austritt) des mindestens einen Verdichtungsejektors der im Kältemittel vorherrschende Druck, wodurch der Druck im Kältemittel vom Niederdruck- auf das Mitteldruckniveau (am Austritt des mindestens einen Verdichtungsejektors) der Wärmepumpe angehoben wird.

[0015] Bei überkritischen Zuständen des Kältemittels auf der Hochdruckseite muss sichergestellt sein, dass eine bestimmte Mindestmenge an Kältemittel (pro Zeit) durch den Verdichtungsejektor fließen kann, um zu hohe Drücke auf der Hochdruckseite zu vermeiden. Denn die Flussmenge durch den Ejektor bestimmt den Druck des Kältemittels auf der Hochdruckseite, was üblicherweise zur (Hochdruck-)Regelung genutzt wird.

[0016] Entsprechend kann der Verdichtungsejektor selbst regelbar ausgeführt sein, d. h., sein Strömungswiderstand ist kontinuierlich oder in Stufen veränderbar. Dann kann im ganzen Arbeitsfeld der Wärmepumpe eine optimale Durchströmung des Verdichtungsejektors erreicht werden, ohne dass, bedingt durch einen zu hohen Strömungswiderstand des Verdichtungsejektors, zu hohe Drücke auf der Hochdruckseite auftreten können. Verdichtungsejektoren mit regelbaren Strömungswiderständen sind jedoch konstruktionsbedingt vergleichsweise aufwendig und teuer.

[0017] Alternativ können auch kostengünstigere Verdichtungsejektoren mit einem fest vorgegebenen Strömungswiderstand eingesetzt werden. Hier kann entweder ein Verdichtungsejektor mit einem vergleichsweise hohen Strömungswiderstand eingesetzt werden, dem ein Regelventil (als Bypass) parallel geschaltet ist, wobei das Regelventil geöffnet wird, wenn der Druck auf der Hochdruckseite der Wärmepumpe einen Sollwert überschreitet (ein Teilstrom des Kältemittels wird dann am Ejektor vorbeigeleitet), oder es kann ein Verdichtungsejektor mit einem in Serie geschalteten Regelventil eingesetzt werden, wobei der Verdichtungsejektor einen so kleinen Strömungswiderstand aufweist, dass (bei voll geöffnetem Regelventil) eine durch den Strömungswiderstand des Ejektors bedingte Drucküberhöhung auf der Hochdruckseite der Wärmepumpe ausgeschlossen werden kann.

[0018] Die Variante mit dem Regelventil in Bypass hat den Vorteil, dass am Ejektor immer die volle Druckdifferenz anliegt, der Kältemittelstrom wird jedoch zeitweise aufgrund des Bypasses nicht vollständig genutzt. Die Variante mit dem seriellen Regelventil hat den Vorteil, dass stets der gesamte Kältemittelstrom vom Ejektor genutzt wird, hat aber den Nachteil, dass am Ejektor zumindest zeitweise nicht die gesamte Druckdifferenz anliegt.

[0019] Die Einbindung der mindestens zwei Verdichterstufen (hier: mindestens ein Ejektor und mindestens ein Verdichter) wird dadurch realisiert, dass jeweils der Sauganschluss des mindestens einen Verdichtungsejektors mit dem Austritt des mindestens einen Verdampfers, der Druckanschluss des mindestens einen Verdichtungsejektors direkt oder über ein Regelventil mit dem Austritt des mindestens einen Gaskühlers (bzw. des Verflüssigers) oder des mindestens einen inneren Wärmeübertragers und der Austritt des mindestens einen Verdichtungsejektors mit dem Eintritt des Abscheidesammlers verbunden ist.

[0020] Bei der erfindungsgemäßen Wärmepumpe wird erstmals ein Ejektor (als die mindestens eine erste Verdichterstufe) in einem ölfreien System (ölfreie Variante) eingesetzt. Alternativ wird erstmalig vorgeschlagen, in einer Hochtemperatur-Wärmepumpe mit einer hohen Druckdifferenz (zwischen der Hochdruckseite unter der Niederdruckseite), z.B. größer 35 bar (typischerweise 50 bis 80 bar), einen Ejektor in Verbindung mit Ammoniak als Kältemittel einzusetzen (Ammoniak-Hochtemperatur-Variante).

[0021] Da der mindestens eine Verdichtungsejektor die zum Betrieb erforderliche Energie vollständig aus dem (im Kreisprozess) umlaufenden Kältemittel gewinnt, d. h. keinen Energiebedarf verursacht (ölfreie und Ammoniak-Hochtemperatur-Variante), und ggf. der Kältemittelkreislauf der Wärmepumpe ölfrei realisiert ist (nur ölfreie Variante), wodurch ein unerwünschter Wärmeübertrag durch die Rückführung von abgeschiedenem Öl vermieden wird, können mit der erfindungsgemäßen Wärmepumpe hohe COP-Werte und größere thermische Leistungen erreicht werden. Zusätzlich werden (durch den Betrieb des mindestens einen Ejektors in einem ölfreien System) durch das Öl bedingter Hardwareaufwand und Leistungsminderungen sowie Einschränkungen der Einsatzgrenzen der Wärmepumpe vermieden. Ein Betrieb des mindestens einen Verdichtungsejektors unter Anwesenheit von Öl ist nämlich nur dann möglich, wenn die Viskosität des Öls nicht so weit erhöht ist, dass dies zu einer (nachhaltigen) Verringerung des Durchflusses durch die Düsen der Ejektoren oder gar einem vollständigen Verstopfen der Düsen führt.

[0022] Es ist vorgesehen, den mindestens einen Verdichtungsejektor einstufig zu realisieren; sofern es die Prozessführung erfordert, kann jedoch auch mindestens ein mehrstufiger Ejektor eingesetzt werden. Mehrstufige Ejektoren zeichnen sich gegenüber vergleichbaren einstufigen Ejektoren durch höhere Pumpleistungen (Druckverhältnis) aus.

[0023] Als ölfreie Verdichter werden (bei der ölfreien Varianten) bevorzugt Turboverdichtereinheiten eingesetzt, die mit Drehzahlen 15.000 bis 200.000 Umdrehungen pro Minute (U/min) betrieben werden und die halbhermetisch ausgeführt sind, d. h., der Verdichter und der zugehörige Antriebsmotor sind jeweils in einem mittels lösbarer Verbindungen gasdicht verschlossenen Gehäuse untergebracht. Generell werden Turboverdichtereinheiten mit höheren Leistungen eher mit niedrigeren (z. B. 15.000 bis 50.000 U/min) und Turboverdichtereinheiten mit geringeren Leistungen eher mit höheren Drehzahlen (z. B. 45.000 bis 200.000 U/min) betrieben.

[0024] Bei den bislang verwendeten halbhermetischen Verdichtereinheiten befinden sich sowohl der Verdichter als auch der Antriebsmotor unter Kältemittelatmosphäre. Würde jedoch in einem solchen Aufbau ein Kältemittel, wie z. B. Kohlendioxid, das als Gas hohe Dichten aufweist und einen Verdichter, der mit hohen Drehzahlen arbeitet (Turboverdichtereinheit mit einer Drehzahl größer 15.000 U/min), eingesetzt, würden hohe Reibungskräfte auftreten, die einerseits eine Erhöhung der erforderlichen Antriebsenergie (Verringerung des COP) und anderseits unzulässig hohe Verdichtertemperaturen (unzulässig hoher Wärmeeintrag in den Kältemittelkreislauf) zur Folge hätten. Es hat sich in der Praxis gezeigt, dass der Betrieb von Turboverdichtern mit Kohlendioxid als Kältemittel unter diesen Bedingungen kaum praktikabel oder sogar unmöglich ist.

[0025] Um dies zu verhindern, ist nach Maßgabe der Erfindung der Antriebsmotor mittels einer Wellendichtung gegenüber dem Kältemittelkreislauf, in den der mindestens eine Verdichter eingebunden ist, abgeschottet. Zurzeit ist es jedoch technisch nicht möglich, Wellendichtungen für Wellen, die mit hohen Drehzahlen, z. B. größer 15.000 U/min, rotieren, mit ausreichend geringen Leckraten zu fertigen. Um zu vermeiden, dass sich das Gehäuse nach einer gewissen Zeit mit Kältemittel (Kohlendioxid) füllt, verfügt das Gehäuse über einen Absauganschluss, über den das (aufgrund der unvermeidbaren Leckagen der Wellendichtung) in das Gehäuse tretende Kältemittel mittels eines Verdichters oder einer Pumpe (nachfolgend: Pumpe) abgesaugt und in den Kältekreislauf zurückgefördert wird. So wird der Druck im Gehäuse (die Dichte des Kältemittels) abgesenkt und die Reibleistung der mindestens einen halbhermetischen oder hermetischen Turboverdichtereinheit verringert.

[0026] Als (die mindestens eine) Pumpe wird (zur Kältemittelabsaugung aus dem Motorgehäuse) bevorzugt ein Absaugejektor eingesetzt, dessen Sauganschluss mit dem Gehäuse verbunden ist. Der Austritt des Absaugejektors ist mit dem Sauganschluss des mindestens einen Verdichtungsejektors verbunden und der Druckanschluss sowohl des mindestens einen Verdichtungs- als auch des Absaugejektors ist direkt oder über ein Regelventil mit dem Austritt des mindestens einen Gaskühlers bzw. Verflüssigers der Wärmepumpe verbunden. Wie schon beim Verdichtungsejektor abgehandelt, kann auch der Absaugejektor direkt regelbar ausgeführt sein (veränderbarer Strömungswiderstand) oder es kann ein Absaugejektor mit einem festen Strömungswiderstand eingesetzt sein, der entweder parallel (Bypass) oder seriell mit einem Regelventil verschaltet ist.

[0027] Indem die für das Abpumpen des Gehäuses (zur Reduzierung der Reibleistung auf ein Niveau, das einen sinnvollen Einsatz der Turboverdichtereinheit erst ermöglicht) der mindestens einen Turboverdichtereinheit erforderliche Pumpe als Ejektor realisiert ist (Absaugejektor), der die für seinen Betrieb benötigte Energie aus dem (im Kreisprozess) umlaufenden Kältemittel gewinnt, wird zusätzliche Antriebsenergie vermieden und der COP auf einem hohen Niveau gehalten.

[0028] Beim Einsatz eines Absaugejektors kann jedoch nur beim Betrieb der Wärmepumpe Kältemittel aus dem Gehäuse abgesaugt werden. Zwar wird die Leckrate der Wellendichtung der mindestens einen Turboverdichtereinheit bei stehender Welle abnehmen, es kann jedoch nicht völlig ausgeschlossen werden, dass, insbesondere bei längeren Stillstandszeiten, Kältemittel in das Gehäuse gelangt. Ist der Druck des Kältemittels im Gehäuse hoch, dann können Reibungskräfte in der mindestens einen halbhermetischen oder hermetischen Turboverdichtereinheit auftreten, die einen Neustart ohne Zusatzmaßnahmen verhindern. Das Kältemittel, das sich während des Stillstands der Wärmepumpe im Gehäuse gesammelt hat, kann mittels dreier Methoden vor oder während der Wiederinbetriebnahme der Wärmepumpe aus dem Gehäuse entfernt werden.

[0029] Erstens kann die Wärmepumpe neben dem Absaugejektor mit einem externen ein- oder mehrstufigen Verdichter ausgestattet werden, dessen Sauganschluss mit dem Gehäuse verbunden ist. Vor einer Wiederinbetriebnahme der Wärmepumpe wird der externe Verdichter eingeschaltet und das Kältemittel aus dem Gehäuse zurück in den Kreislauf gefördert. Der externe Verdichter kann bei Bedarf auch während des Betriebes anstelle oder zur Unterstützung des Absaugejektors weiter betrieben werden

[0030] Zweitens kann die Wärmepumpe mit einer Regeleinheit ausgerüstet sein, die ein langsames Wiederanfahren (langsame Erhöhung der Drehzahl) der mindestens einen halbhermetischen oder hermetischen Turboverdichtereinheit der Wärmepumpe nach Stillstandszeiten ermöglicht. Mit steigender Drehzahl nimmt die Pumpleistung des Absaugejektors zu, und er fördert das Kältemittel aus dem Gehäuse in den Kältekreislauf zurück. Die Erhöhung der Drehzahl der mindestens einen Turboverdichtereinheit muss so langsam erfolgen, dass das Kältemittel weitgehend aus dem Gehäuse entfernt ist, bevor die mindestens eine Turboverdichtereinheit ihre maximale Drehzahl erreicht hat.

[0031] Drittens kann, wenn die Wärmepumpe mit einem umweltfreundlichen Kältemittel betrieben wird, das Kältemittel vor der Inbetriebnahme an die Umgebung abgegeben werden. Hierzu umfasst die Wärmepumpe eine Steuereinheit und das Gehäuse weist eine Öffnung zur Umgebung auf, die mittels eines steuerbaren Ventils verschlossen ist. Vor der Wiederinbetriebnahme der Wärmepumpe wird das steuerbare Ventil mittels der Steuereinheit geöffnet. Hierzu kann die Maschine auch mit einem zusätzlichen Kältemittelsammler/Vorratsbehälter ausgerüstet werden, der die Kältemittelverluste über einen längeren Betriebszeitraum ausgleichen kann.

[0032] Die Erfindung wird nachfolgend anhand dreier Ausführungsbeispiele näher erläutert; hierzu zeigen:

Fig. 1:

das Schaltbild einer zweistufigen ölfreien Wärmepumpe mit einem Verdichtungsejektor,

Fig. 2:

das Schaltbild einer einstufigen Wärmepumpe mit einer halbhermetischen oder hermetischen Turboverdichtereinheit, aus deren Gehäuse Kältemittel mittels eines Absaugejektors abgesaugt wird,

Fig. 3:

das Schaltbild einer zweistufigen Wärmepumpe mit einem Verdichtungsejektor als erste Stufe und einer halbhermetischen oder hermetischen Turboverdichtereinheit als zweite Stufe, aus deren Gehäuse Kältemittel mittels eines Absaugejektors abgesaugt wird.

[0033] Bei der in Fig. 1 dargestellten zweistufigen Wärmepumpe fördert die halbhermetische oder hermetische Turboverdichtereinheit 1 Kältemittel in den Gaskühler 2, wo das Kältemittel unter Abgabe von Wärme abgekühlt wird (in der Zeichnung schematisch durch die mit "WWA" und "WWE" gekennzeichneten Pfeile dargestellt). Kondensiert dabei das Kältemittel, wird nicht der Begriff Gaskühler sondern der Begriff Verflüssiger verwendet; im Folgenden wird der Einfachheit halber immer der Begriff Gaskühler verwendet. Beim Durchtritt durch die Turboverdichtereinheit 1 wird der Druck des Kältemittels auf das Hochdruckniveau der Wärmepumpe angehoben. Vom Austritt 2.2 des Gaskühlers 2 gelangt das Kältemittel in den Druckanschluss 3.1 des Verdichtungsejektors 3, tritt aus dessen Austritt 3.2 als Strahl aus und gelangt in den Eintritt 4.1 des Abscheidesammlers 4; das Kältemittel wird dabei auf das Mitteldruckniveau der Wärmepumpe gebracht. Der Verdichtungsejektor 3 erzeugt dabei eine Druckabsenkung am Sauganschluss 3.3, wodurch Kältemittel (über dessen Austritt 5.2) aus dem Verdampfer 5 gesaugt wird. Dem (nicht regelbaren) Verdichtungsejektor 3 ist ein Regelventil 13.1 parallel geschaltet.

[0034] Aus dem ersten Austritt 4.2 des Abscheidesammlers 4, der üblicherweise mit der gasförmigen Phase des Kältemittels verbunden ist, wird Kältemittel von der Turboverdichtereinheit 1 angesaugt. Aus dem zweiten Austritt 4.3 des Abscheidesammlers 4, der mit der flüssigen Phase des Kältemittels in Verbindung steht, tritt infolge eines Druckgefälles (der Verdampfer 5 befindet sich auf dem Niederdruckniveau der Wärmepumpe) Kältemittel aus, wird über das Drosselventil 6 vom Mitteldruckniveau auf das Niederdruckniveau entspannt und gelangt schließlich (über dessen Eintritt 5.1) in den Verdampfer 5. Im Verdampfer nimmt das Kältemittel unter Abkühlung der Umgebung Wärme (schematisch dargestellt durch die mit "WQA" und "WQE" gekennzeichneten Pfeile) auf.

[0035] In Fig. 2 ist eine einstufige Wärmepumpe dargestellt, bei der ein überfluteter Verdampfer und eine halbhermetische oder hermetische Turboverdichtereinheit 1 zum Einsatz kommen. Der überflutete Verdampfer setzt sich aus dem Verdampfer 5 und einem oberhalb des Verdampfers angeordneten Abscheidesammler 7 zusammen. Abweichend vom Abscheidesammler 4 weist der oberhalb des Verdampfers angeordnete Abscheidesammler 7 nicht nur einen sondern zwei Ausgänge, die mit dem flüssigen Kältemittel in Verbindung stehen, auf. Einer der mit flüssigem Kältemittel in Verbindung stehenden Ausgänge des Abscheidesammlers 7 ist mit dem Eintritt 5.1 und der andere Austritt ist mit dem Austritt 5.2 des Verdampfers 5 verbunden. Der Terminus "überfluteter Verdampfer" rührt daher, dass sich das Niveau des gesamten Flüssigkeitsspiegels (im Abscheidesammler 7) des Kältemittels über dem Verdampfer 5 befindet,

[0036] Die halbhermetische oder hermetische Turboverdichtereinheit besteht aus einem Turboverdichter 8, einem Antriebsmotor 9 und einem Gehäuse 10, das den Antriebsmotor 9 und den Turboverdichter 8 umgibt. Der Innenraum des Gehäuses 10 und der Antriebsmotor 9 sind vom Kältemittelkreislauf mittels einer Wellendichtung 11 (die den Turboverdichter 8 vom Antriebsmotor 9 trennt) abgeschottet. Der Druckanschluss 12.1 des Absaugejektors 12 ist mit dem Austritt 2.2 des Gaskühlers 2 und der Austritt 12.2 des Absaugejektors 12 ist mit dem Austritt 5.2 des Verdampfers 5 verbunden. Analog zum Verdichtungsejektor 3 ist dem (nicht regelbaren) Absaugejektor 12 ein Regelventil 13.2 parallel geschaltet. Beim Betrieb der (einstufigen) Wärmepumpe entsteht eine Druckabsenkung am mit dem Gehäuse 10 (über den Sauganschluss 14) verbunden Sauganschluss 12.3 des Absaugejektors 12, wodurch Kältemittel, das aufgrund nicht zu vermeidender Leckagen der Wellendichtung 11 in das Gehäuse gelangt, angesaugt und in den Kältemittelkreislauf zurückgefördert wird. Der externe Verdichter 15 dient zum Absaugen von Kältemittel, das sich nach längeren Stillstandszeiten der Wärmepumpe zwangsläufig im Gehäuse 10 sammelt. Der externe Verdichter 15 kann auch während des Betriebes zur Unterstützung oder anstelle des Absaugejektors 12 betrieben werden.

[0037] Fig. 3 zeigt eine zweistufige Wärmepumpe, bei der die erste Verdichterstufe als Verdichtungsejektor 3 (entsprechend der in Fig. 1 dargestellten Schaltung) und die zweite Verdichterstufe als eine halbhermetische oder hermetische Turboverdichtereinheit realisiert ist, wobei der Turboverdichter 8 vom Antriebsmotor 9 mittels einer Wellendichtung 11 getrennt ist und das Gehäuse 10 mittels des Absaugejektors 12 abgesaugt wird (entsprechend der in Fig. 2 dargestellten Schaltung). Es ist ein Abscheidesammler 4 eingesetzt, bei dem der erste Austritt 4.2 mit der gasförmigen Phase und der zweite Austritt 4.3 mit der flüssigen Phase des Kältemittels in Verbindung steht. Anstatt des Abscheidesammlers 4 kann jedoch auch ohne Weiteres ein oberhalb des Verdampfers angeordneter Abscheidesammler 7 (wie beim in Fig. 2 dargestellten, überfluteten Verdampfer) eingesetzt werden. Sowohl der Verdichtungsejektor 3 als auch der Absaugejektor 12 sind nicht regelbar ausgeführt und jeweils mit einem im Bypass geschalteten Regelventil 13.1, 13.2 versehen.

Liste der verwendeten Bezugszeichen

[0038] 

1

Turboverdichtereinheit

2

Gaskühler

2.1

Eintritt des Gaskühlers

2.2

Austritt des Gaskühlers

3

Verdichtungsejektor

3.1

Druckanschluss des Verdichtungsejektors

3.2

Austritt des Verdichtungsejektors

3.3

Sauganschluss des Verdichtungsejektors

4

Abscheidesammler

4.1

Eintritt des Abscheidesammlers

4.2

erster Austritt des Abscheidesammlers

4.3

zweiter Austritt des Abscheidesammlers

5

Verdampfer

5.1

Eintritt des Verdampfers

5.2

Austritt des Verdampfers

6

Drosselventil

7

Abscheidesammler (überfluteter Verdampfer)

8

Turboverdichter

9

Antriebsmotor

10

Gehäuse

11

Wellendichtung

12

Absaugejektor

12.1

Druckanschluss des Absaugejektors

12.2

Austritt des Absaugejektors

12.3

Sauganschluss des Absaugejektors

13.1

Regelventil für den Verdichtungsejektor

13.2

Regelventil für den Absaugejektor

14

Sauganschluss am Gehäuse

15

externer Verdichter

Ansprüche

1. Wärmepumpe, mit mindestens einer ersten Verdichterstufe, die zu einer Erhöhung des im Kältemittel vorherrschenden Drucks von einem Niederdruck- auf ein Mitteldruckniveau eingerichtet ist; mit mindestens einer zweiten Verdichterstufe, die zu einer Erhöhung des im Kältemittel vorherrschenden Drucks von einem Mitteldruck- auf ein Hochdruckniveau eingerichtet ist; mit mindestens einem auf dem Hochdruckniveau der Wärmepumpe betriebenen Gaskühler (2) oder Verflüssiger, wobei der mindestens eine Gaskühler (2) bzw. der Verflüssiger einen Eintritt (2.1) und einen Austritt (2.2) aufweist; mit mindestens einem auf dem Niederdruckniveau der Wärmepumpe betriebenen Verdampfer (5), der einen Eintritt (5.1) und einen Austritt (5.2) aufweist; mit einem auf dem Mitteldruckniveau der Wärmepumpe betriebenen Abscheidesammler (4), der zum Abscheiden und Sammeln von flüssigem Kältemittel dient und der über einen Eintritt (4.1), einen ersten Austritt (4.2) sowie über einen mit flüssigem Kältemittel in Verbindung stehenden zweiten Austritt (4.3) verfügt; und mit mindestens einem Drosselventil (6), das zwischen den zweiten Austritt (4.3) des Abscheidesammlers (4) und den Eintritt (5.1) des mindestens einen Verdampfers (5) geschaltet ist und das zur Entspannung des Kältemittels vom Mitteldruckniveau auf das Niederdruckniveau der Wärmepumpe dient, wobei die mindestens eine erste Verdichterstufe als mindestens ein Verdichtungsejektor (3) ausgeführt ist, der über einen Druckanschluss (3.1), einen Austritt (3.2) und einen Sauganschluss (3.3) verfügt, wobei beim Betrieb des mindestens einen Verdichtungsejektors (3) Kältemittel über den Druckanschluss (3.1) in den mindestens einen Verdichtungsejektor (3) eintritt, strahlförmig im mindestens einen Verdichtungsejektor (3) verläuft, wodurch eine Druckabsenkung am Sauganschluss (3.3) erzeugt wird, und durch den Austritt (3.2) des mindestens einen Verdichtungsejektors (3) austritt, wobei

- entweder als Kältemittel Ammoniak eingesetzt ist, und die Wärmepumpe als Hochtemperatur-Wärmepumpe konfiguriert ist, wobei die Druckdifferenz zwischen dem Ammoniak auf der Niederdruckseite und dem Ammoniak auf der Hochdruckseite mindestens 35 bar beträgt,

- oder die mindestens eine zweite Verdichterstufe als mindestens eine ölfreie halbhermetische oder hermetische Turboverdichtereinheit (1) realisiert ist, und jeweils der Sauganschluss (3.3) des mindestens einen Verdichtungsejektors (3) mit dem Austritt (5.2) des mindestens einen Verdampfers (5), der Druckanschluss (3.1) des mindestens einen Verdichtungsejektors (3) direkt oder über ein Regelventil (13.1) mit dem Austritt (2.2) des mindestens einen Gaskühlers (2) bzw. des Verflüssigers und der Austritt (3.2) des mindestens einen Verdichtungsejektors (3) mit dem Eintritt (4.1) des Abscheidesammlers (4) verbunden ist, wobei der mindestens eine Turboverdichter (8) und der Antriebsmotor (9) der mindestens einen Turboverdichtereinheit (1) in einem gasdichten Gehäuse (10) angeordnet sind, wobei der Antriebsmotor (9) mittels einer Wellendichtung (11) gegenüber dem Kältemittelkreislauf, in den der mindestens eine Turboverdichter (8) eingebunden ist, abgeschottet ist, wobei das Gehäuse (10) mit dem Sauganschluss (12.3) mindestens einer Pumpe (12) oder einem Verdichter verbunden ist, die bzw. der dazu dient, aufgrund von unvermeidbaren Leckagen der Wellendichtung (11) aus dem Kältemittelkreislauf in das Gehäuse (10) dringendes Kältemittel abzusaugen und in den Kältekreislauf zurückzufördern.

2. Wärmepumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdichtungsejektor (3) regelbar ausgeführt ist oder dem Verdichtungsejektor (3) das Regelventil (13.1) parallel geschaltet ist oder das Regelventil (13.1) in Serie zum Verdichtungsejektor (3) geschaltet ist.

3. Wärmepumpe nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass sie mindestens einen inneren Wärmeübertrager umfasst, der einen Wärmetausch zwischen dem Austritt (2.2) des mindestens einen Gaskühlers (2) und der Saugseite des mindestens einen Turboverdichters (8) ermöglicht.

4. Wärmepumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Turboverdichtereinheit (1) aus mehreren seriell verschalteten, einzelnen Turboverdichtereinheiten besteht.

5. Wärmepumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Turboverdichtereinheit (1) aus mehreren parallel verschalteten, einzelnen Turboverdichtereinheiten besteht.

6. Wärmepumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass beim Betrieb der der Wärmepumpe das Kältemittel auf der Hochdruckseite überkritisch vorliegt.

7. Wärmepumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass als Kältemittel Kohlendioxid eingesetzt ist.

8. Wärmepumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Verdichtungsejektor (3) mehrstufig ausgeführt ist.

9. Wärmepumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine halbhermetische oder hermetische Turboverdichtereinheit (1), die mit Drehzahlen von 15.000 bis 200.000 U/min betrieben werden kann, eingesetzt ist.

10. Wärmepumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdampfer (5) als überfluteter Verdampfer ausgeführt ist.

11. Wärmepumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass als die Pumpe (12) oder der Verdichter zum Absaugen des aus dem Kältemittelkreislauf in das Gehäuse (10) dringenden Kältemittels ein Absaugejektor (12) verwendet ist, dessen Sauganschluss (12.3) mit dem Gehäuse (10) verbunden ist, wobei der Austritt (12.2) des Absaugejektors (12) an den Sauganschluss (3.3) des mindestens einen Verdichtungsejektors (3) angeschlossen ist und sowohl der Druckanschluss (3.1,12.1) des mindestens einen Verdichtungsejektors (3) als auch des Absaugejektors (12) jeweils direkt oder über ein Regelventil (13.1, 13.2) mit dem Austritt (2.2) des mindestens einen Gaskühlers (2) bzw. Verflüssigers der Wärmepumpe verbunden ist.

12. Wärmepumpe nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass sie neben dem Absaugejektor (12) mit einem externen Verdichter (15) ausgestattet ist, dessen Sauganschluss mit dem Gehäuse (10) verbunden ist, wobei der externe Verdichter (15) zum Absaugen von sich nach Stillstandszeiten der Wärmepumpe im Gehäuse (10) angesammeltem Kältemittel eingerichtet und auch während des Betriebs der Wärmepumpe betreibbar ist.

13. Wärmepumpe nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass sie mit einer Regeleinheit ausgerüstet ist, die eine derart langsame Erhöhung der Drehzahl der mindestens einen Turboverdichtereinheit (1) beim Wiederanfahren der Wärmepumpe nach Stillstandszeiten ermöglicht, dass während der entsprechenden Erhöhung der Drehzahl der mindestens einen Turboverdichtereinheit (1) das Kältemittel, das sich im Gehäuse während der Stillstandszeit gesammelt hat, mittels des Absaugejektors (12) aus dem Gehäuse in den Kältekreislauf gefördert wird, bevor die mindestens eine Turboverdichtereinheit (1) ihre maximale Drehzahl erreicht hat.

14. Wärmepumpe nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass sie mit einem umweltfreundlichen Kältemittel betrieben wird, eine Steuereinheit umfasst, und das Gehäuse eine Öffnung aufweist, über die eine Verbindung zur Umgebung herstellbar ist und die mittels eines steuerbaren Ventils verschlossen ist, wobei vor der Wiederinbetriebnahme der Wärmepumpe nach einer Stillstandszeit das steuerbare Ventil mittels der Steuereinheit geöffnet wird, wodurch Kältemittel aus dem Gehäuse (10) entweicht und an die Umgebung abgegeben wird.

Zeichnung