在介質之間傳遞熱量和產生電力的熱循環(huán)的制作方法
【專利摘要】一種熱泵回路具有壓縮機(C)，該壓縮機將工作流體從具有低壓和低溫的第一狀態(tài)(1)的氣體壓縮到具有高壓和高溫的第二狀態(tài)(2)的氣體，其中，所述工作流體的第一子流被傳遞到主回路中(Main)，在經過冷凝器(COND)時，冷凝成氣體/液體混合物，且通過所述工作流體將冷凝器(COND)中的熱量傳送到屬于第一熱循環(huán)的第一介質，假設第三狀態(tài)(3)，所述工作流體的第一子流膨脹到所述蒸發(fā)器(EVAP)中，從而通過從連接到所述蒸發(fā)器(EVAP)的收集回路中的第二介質吸收的熱量返回到第一狀態(tài)(1)的氣體狀態(tài)，由此工作流體返回到所述壓縮機(C)，并再次完成了一個循環(huán)，其中，所述壓縮的工作流體的第二子流從所述普遍存在于壓縮機(C)的出口)第二狀態(tài)(2)膨脹，并且被傳遞到轉換回路(Transf)進而傳遞到能量轉換器(TG)，所述能量轉換器用于將穿過所述能量轉換器(TG)的所述工作流體中的第二子流所包含的能量轉換成電能，之后，根據(jù)任一的步驟a)或b)，將來自于所述能量轉換器的出口的所述膨脹的工作流體返回到壓縮機(C)，其中步驟a)為經過蒸發(fā)器(EVAP)后進一步膨脹，步驟b)為在能量轉換器(TG)中從第二狀態(tài)(2)膨脹到第一狀態(tài)后(1)后，直接返回到壓縮機(C)。
【專利說明】在介質之間傳遞熱量和產生電力的熱循環(huán)

【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用熱循環(huán)，在所述熱循環(huán)中，熱量在工作流體從具有低溫度的區(qū)域流到具有較高溫度的區(qū)域之間傳輸。取決于這是否是所期望的較低或較高溫度，具有這樣的循環(huán)的設備用于分別冷卻裝置或熱泵。

【背景技術】
[0002]制冷技術已經發(fā)展了很長時間，并利用在制冷設備、空調系統(tǒng)中，最近，還在所謂的熱泵中充分發(fā)展反向過程以對例如住宅進行加熱。當熱循環(huán)的目的是用于冷卻一個區(qū)域時，概念熱泵的使用可以看作是制冷設備的“別名”。因此，所述熱泵的概念將在下文中使用，以代表使用熱循環(huán)分別進行加熱和冷卻的裝置。
[0003]在熱泵中，流體在回路中通過壓縮機，冷凝器和蒸發(fā)器周期性的運轉，從而使流體在循環(huán)過程中分別傳遞熱量和吸收熱量。所述熱泵在這里以已知的方式在可逆的卡諾過程運轉，其中，所述流體從具有低溫的介質接收熱量Q。，并且將該熱量Qh輸送到具有較高溫度的介質。要實現(xiàn)這個過程，必須根據(jù)以下命題實施操作:
[0004]W = Qh - Qc
[0005]該過程的效率可被描述如下:
[0006]η = (Qh_Qc) /Qc = l-T。/!^，其中，T。是冷源的溫度，Th是熱源的溫度。
[0007]通常，與所述熱泵相關的，還使用了性能系數(shù)C0P，該系數(shù)可用于評估熱泵的效率。對于可逆的卡諾過程，該性能系數(shù)可以寫成:
[0008]C0PH, rev = I/(1-Tc/Th) = Th/ (Th-Tc)，
[0009]它表示每個工作的輸入單元可以從冷源移動到熱源的熱量，通常是唯一指定的C0P,并且通常被稱為COP值。
[0010]隨著各種能源的全球性價格上漲，在過去幾十年，包括熱泵的解決方案已經顯著增加，大量的開發(fā)和資源由不同的運營商投資，使得熱泵的效率更高。對于現(xiàn)在的熱泵，可以獲得大約為5的性能系數(shù)(C0P)。這意味著，所述熱泵優(yōu)化輸送的能量是其消耗的能量的5倍。這樣的最佳值可以實現(xiàn)用于例如熱泵的地熱加熱，在這種方式中地熱給對溫度要求較低的消耗物作為冷源，例如為住宅的地板加熱。
[0011]目前，正在做重大努力以進一步提高熱泵系統(tǒng)的效率。然而，已經證明，這是很難達到的，因為上述提到的、以及通過引進高效率的板式熱交換器、低能量的離心泵、或者高效的渦旋式壓縮機和優(yōu)化制冷劑的混合物(即在熱泵循環(huán)中完成循環(huán)的工作流體)獲取高COP值的技術已經很復雜。另外，資源已用于實現(xiàn)復雜的控制系統(tǒng)以用最佳的方式控制熱泵的循環(huán)。因此，看起來該技術已經達到了難以超越的極限，此外，當使用常規(guī)設備時，所述性能系數(shù)可能增加十分之一。
[0012]在現(xiàn)有技術中，在用于熱泵的回路中，所述使用的工作流體是一種介質，在熱泵的循環(huán)中，該工作流體在液體，液體/氣體混合物和氣體的不同狀態(tài)之間進行轉換。所述工作流體通過壓縮完成了循環(huán)，在第一階段以氣態(tài)從具有低壓P1和低溫度h的第一狀態(tài)到具有高壓力Ph和高溫th的第二狀態(tài)。此后，所述工作流體在冷凝器中進行熱交換，在所述冷凝器中，所述工作流體通過屬于熱循環(huán)的第一介質進行冷卻，從而假設具有壓力Pm和溫度tm的第三狀態(tài)，其中^1如111411且丨1〈1〈4。所述工作流體然后被轉移到所述蒸發(fā)器，并使用屬于收集回路的第二介質在所述蒸發(fā)器中進行熱交換，其中，該第二介質向所述工作流體釋放熱量，從而使所述工作流體膨脹，并基本上返回到所述第一狀態(tài)中的壓力和溫度。
[0013]所述描述的現(xiàn)有技術可利用熱泵作為例子，所述熱泵從例如基巖吸收熱量，并且在冷凝器中將熱量傳遞到加熱系統(tǒng)例如住宅。在這種熱泵中，在所述工作流體的壓縮過程中的必要工作通常通過所述電動馬驅動的壓縮機達提供，所述電機將功率P傳送到熱泵回路。在循環(huán)過程中，在最優(yōu)化利用過程中，當性能系數(shù)約為5時，將在冷凝器中輸送5P功率到穿過熱回路的第一介質，用于進行加熱。
[0014]在經過冷凝器的過程中，該工作流體被冷卻，并因此如上面提到的，假定一個氣體/液體混合物的狀態(tài)。這種混合物進一步通過節(jié)流閥進入到蒸發(fā)器，由此，所述混合物基本上為液體狀態(tài)，此后，所述處于液態(tài)的工作流體膨脹進入處于氣態(tài)的工作流體。從所述第二介質吸收蒸發(fā)所需要的蒸發(fā)熱量，其中，該第二介質還在所述蒸發(fā)器中流通以與工作流體進行熱交換。在這種情況下，所吸收的功率為4P。所述第二介質穿過所述收集回路，所述收集回路在目前的例子中包含以合適的方法適于在巖石中循環(huán)以從基巖中吸收熱量的第二介質。在現(xiàn)有技術的裝置中，所述壓縮機、冷凝器和蒸發(fā)器以這樣的方式設計以在最佳方式中彼此補充和向所述熱回路提供所討論的應用所需要的功率。
[0015]當所述工作流體離開所述壓縮機成為熱泵循環(huán)中的熱氣體，并將所述熱量輸送到冷凝器，所述熱氣體的溫度和壓力顯著的下降，由此熱氣體，至少是其主要部分轉化為液體。未經利用的壓力和剩余溫度仍保持在工作流體中以在蒸發(fā)器的上游的膨脹閥之前利用。所述膨脹閥的目的是被控制用于將冷凝器流下的液體流進行膨脹，以將預定數(shù)量的工作流體分配到所述蒸發(fā)器。該液體在該膨脹閥中膨脹，使得其在蒸發(fā)器中被膨脹成蒸汽之前具有較低壓力和較低溫度。
[0016]當利用與熱泵系統(tǒng)有關的熱循環(huán)時，提出了新的，可選的解決方案，此外，在下列文獻中:
[0017]JP2005172336,W02011059131, JP2007132541 和 JP2009216275 都顯示了利用循環(huán)中的過剩的能量并將其轉換成電能的渦輪機。所述渦輪機位于所述冷凝器和蒸發(fā)器之間。但應當注意的是，在這些例子中的所述渦輪機在回路中與所述工作流體串聯(lián)連接。這些文獻描述了用來將上述冷凝器的流出的剩余溫度和壓力轉化為電能的方案，因為連接到發(fā)電機的渦輪機取代這種膨脹。然而，以在冷凝器和蒸發(fā)器之間的工作流體所產生的條件為前提，使渦輪機發(fā)揮作用是非常困難的。
[0018]US2009165456在多個不同的實施例里面示出了一種設備，其中，還有用于提取電能的渦輪機直接連接在所述幾個實施例的所述壓縮機的高壓側的后面。在該循環(huán)中，回路中的泵連接到用于在回路中用于增加壓力的冷凝器之后，多個熱交換器和泵使得該設備變得復雜。
[0019]W02005024189(D1)還公開了一種替代方法，其中在包含在所述工作流體中的子流的能量轉換成電能。在后一個文件中的設備具有一個實施例，在例子中，最大可能的冷卻是在流體(7)中獲取的，該流體(7)在蒸發(fā)器(4)中進行熱交換。為了能夠實現(xiàn)最大限度的冷卻提取，在該子流中的所述工作流體在額外的冷凝器22中通過靠近具有低的溫度的額外的熱載體21進行熱交換進行冷凝。根據(jù)Dl中的實施例:圖4(第4頁第1-4行)中，在循環(huán)過程中所述工作流體將呈現(xiàn)四種不同的狀態(tài)。
[0020]本發(fā)明的目的在于提供一種熱泵循環(huán)，該循環(huán)示出了在熱泵系統(tǒng)中更有效利用可獲取的能量。


【發(fā)明內容】

[0021]本發(fā)明由根據(jù)現(xiàn)有技術的熱泵回路的改進構成。為此，主的目的是要設置具有一定的裝置的熱泵回路，使得可以從具有預定的加熱/冷卻要求的設備的收集回路吸收更多的熱量。為了實現(xiàn)這一點，該電機適于向所述壓縮機輸送更多的功率，所述功率相對于向所述冷凝器的熱回路中產生必要功率所需要的功率，或者在冷卻機器時，所述在蒸發(fā)器中必須要提取的功率是過多的。通過該措施，對某一性能系數(shù)而言，額外的能量將被供給在所述熱泵回路中的所述工作流體。由于所述熱循環(huán)是為所述需要的功率設計的，因此向所述熱循環(huán)提供的額外的能量不能輸送到冷凝器?？商娲?，通過能量轉換器從所述壓縮機的出口到所述蒸發(fā)器的入口設置一冷凝器的支路，或可選擇的(以某種特定的操作)，根據(jù)在所述渦輪機中的工作流體的膨脹度，直接返回到所述壓縮機的入口。在這個支路中，所述能量轉換器可以設置在來自所述壓縮機的氣流中，其中，所述能量轉換器可以是燃氣渦輪機。從所述壓縮機流出的具有高壓和高溫的熱氣流被分流，并且部分的熱氣流被引入到所述冷凝器，部分的所述熱氣流被引入到能所述量轉換器。流經所述能量轉換器，且然后不通過所述冷凝器返回到所述壓縮機的部分所述熱氣流流經這里稱為轉換回路的回路。包括所述冷凝器和轉換回路的回路均有所述工作流體通過，所述工作流體因此在兩個子流中以類似的方式被壓縮，冷凝和膨脹。這意味著，所述工作流體以已知的方式完成卡諾循環(huán)，因此對于在完整的所述熱泵回路中的工作流體的兩個子流的性能系數(shù)可以分配一個可能達到5的性能系數(shù)。所述穿過在所述轉換回路中的所述能量轉換器的工作流體的子流被冷凝成氣體/液體混合物，并由此經歷類似于通過所述冷凝器的子流從所述第一狀態(tài)到所述第二狀態(tài)的氣體轉換過程。如果該能量轉換器是渦輪機的形式，該渦輪機中的轉子將通過熱氣流進行轉動，并且將在所述蒸汽中的能量轉化為可以提供給發(fā)電機以用于提取電能的機械能。所述電能可以用于操作驅動所述壓縮機的所述電機或者輸出到電網絡。當然，所述能量轉換器可以是另一種形式的機器，所述機器可以利用所述工作流體的能量以將這些能量含量轉化為電能。在下文中，所述概念渦輪機被用作相應的能量轉換器的每一類型的示例。
[0022]本發(fā)明的通?？梢砸匀缦碌姆绞竭M行顯示。如根據(jù)現(xiàn)有技術的前述例子中，假設用于熱泵中的熱回路所述需要的功率需求被設計為5P。取代如在現(xiàn)有技術中的設計使所述電機向所述壓縮機輸送IP功率，根據(jù)本發(fā)明的給出一個說明性的例子電機將被設計為2P功率。在性能為系數(shù)5時，所述熱泵能夠輸送的功率將增長到10P。在所述收集回路中得到的功率將增加到8P大小。根據(jù)本實施例，該熱泵能夠輸送的一半的功率被傳遞到所述熱回路，其中，該熱回路所需的功率5P可以被轉移到在所述熱回路中的第一介質中。從所述熱回路所提取的功率1P的剩余部分(也就是5P)通過在所述渦輪機中的所述轉換回路中的支路將是可用的，并且將作為有用的能量輸送到所提及的輸送所述電能的發(fā)電機。此外，通過封裝在下文中稱為轉換單元中的所述渦輪機/發(fā)電機的效率，從所述發(fā)電機輸出的功率是確定的。如果假定這個效率是50%時，從所述熱泵輸送的電功率理論上將等于2.5P。相比于上述提到的相應的傳統(tǒng)的熱泵回路，大量的工作流體的流量將通過所述蒸發(fā)器，所述蒸發(fā)器需要升級以處理與傳統(tǒng)例子相比的更多的功率。
[0023]根據(jù)本發(fā)明的各方面所示，如果增加向具有預定功率需求的產品中的熱泵回路中的壓縮機的輸入功率，將從所述收集回路中提取大量的能量。當然，根據(jù)本發(fā)明，向所述蒸發(fā)器提供熱量的第二介質需要具有足夠的能量含量以能夠增加所述蒸發(fā)器中所述需要的功率輸出。例如，在用于提取地熱的產品中，兩個彼此分隔開的鉆孔可能因此需要第二介質，而在這樣的產品中，在常規(guī)設備的情況下，目前只需要一個鉆孔。
[0024]根據(jù)本發(fā)明的一個方面，示出了具有根據(jù)權利要求1的特有的特征的方法。在獨立的設備權利要求3中提出了利用該方法的設備。
[0025]本發(fā)明的進一步的實施例在隨附的從屬權利要求中進行限定。
[0026]本發(fā)明的轉換單元的一個優(yōu)點為，它使得以前沒有充分利用的、在熱泵回路中過剩的壓力和熱量的利用成為可能。此外，因為相當少的電能被消耗用于在熱泵電路轉移的能量形式的一定能量的產生，，因此，本發(fā)明有助于改善環(huán)境。本發(fā)明的潛力因此可能是巨大的，因為其應用領域廣泛的在制冷/制熱技術的整個區(qū)域內，而不依賴于所討論的功率范圍。
[0027]本發(fā)明的另外的有利的實施方案將在本發(fā)明的【具體實施方式】中公開。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0028]圖1示出了本發(fā)明的熱泵回路的常規(guī)示意圖。
[0029]圖2示出了本發(fā)明的轉換單元的截面示意圖，該轉換單元包括集成的渦輪機和用于將來自所述熱泵回路的熱量轉換成電能的發(fā)電機。
[0030]圖3示出了本發(fā)明的熱泵回路的示意圖，其中，收集回路從所述轉換單元吸收過剩的熱量。
[0031]圖4示出了本發(fā)明的熱泵回路的示意圖，其中，所述蒸發(fā)器與所述轉換單元集成。

【具體實施方式】
[0032]為了實現(xiàn)本發(fā)明，參考相應的附圖，將示出多個本發(fā)明的實施例。
[0033]本發(fā)明的主要原理如圖1所示。該圖示出了本發(fā)明的完整的熱泵，其包括相對于現(xiàn)有技術添加的轉換回路。命名為工作流體的制冷劑在主回路中(命名為Main)和在轉換回路中(命名為Transf)循環(huán)。所述工作流體的選擇可取決于所述熱泵的使用。各種工作流體可以用于例如加熱目的和冷卻設備。作為一個例子，可以提及特別是在地熱加熱泵中使用的R407C。
[0034]下面的描述直接針對從基巖，湖泊或地面所提取能量加熱住宅時所使用的熱泵。這里所提及的與壓力，溫度或其他參數(shù)相關的例子涉及該種類熱泵。如果討論本發(fā)明的熱泵的不同使用，這意味著可使用不同的參數(shù)值。
[0035]這里，給出了工作流體流過熱泵循環(huán)的過程中的工作流體的數(shù)據(jù)的概述。所指出的值僅被認為是說明性的例子，并且取決于所討論問題的目的是可以變化的。在圖中的第I點，在所述循環(huán)中的所述工作流體處于氣體狀態(tài)，所述第一狀態(tài)，并且然后可以有大約2kPa的壓力和大約-5°C的溫度。當通過壓縮機C時，所述氣體被壓縮到熱氣體狀態(tài)(在圖的第2點)的第二狀態(tài)。所述工作流體的壓力可以為大約22kPa和溫度可以達到120°C。用于壓縮在所述壓縮機C中的所述工作流體的能量可以通過電機M提供電能量獲得。當然，也可以在一些其他類型的機械結構的輔助下，將能量提供給壓縮機C。
[0036]根據(jù)本發(fā)明，目前處于熱氣體形式的所述工作流體的第一子流，在所述主回路Main中被傳輸?shù)剿隼淠鰿OND中。所述冷凝器被設計成一個熱交換器，在討論的例子中，所述熱泵加熱住宅，在熱回路Q中循環(huán)的第一介質穿過所述冷凝器C0ND，其中，所述熱回路Q可以是散熱器或地板-加熱線圈的形式。以已知的方式，該熱回路Q具有穿過所述冷凝器的線圈。所述第一介質通常是水，且在冷凝器中與作為熱氣體的工作流體進行熱交換時被所述熱氣體加熱。所述加熱的水循環(huán)出來在Vut處進入熱回路，并在降低的溫度下，在冷凝器COND的Vin處返回。因此，當利用所述熱回路時，熱量從冷凝器傳輸走。所述工作流體在冷凝器中所傳輸?shù)臒崃繉е滤鰺釟怏w的溫度降低，因此使得所述氣體被大量的冷凝成液體。所述工作流體出現(xiàn)氣態(tài)/液態(tài)混合。這已經被這里稱為第三狀態(tài)(在圖中的第3點)。在該第三狀態(tài)中，所述壓力可以達到1kPa,且所述溫度可能已經降到大約65°C，具體取決于冷凝器中的能量輸出。
[0037]所述工作流體從所述冷凝器在所述主回路(Main)中傳輸?shù)剿稣舭l(fā)器(EVAP)。所述蒸發(fā)器EVAP也包括熱交換器，在此情況下，所述熱交換器從在所述收集回路(Coll)中循環(huán)的第二介質制(制冷劑介質)中吸收熱量。所述第二介質(制冷劑介質)基本上是液相形式的介質，例如酒精水溶液，在地熱，湖泊或地面加熱的情況，所述第二介質在線圈(所述收集回路)中循環(huán)，所述線圈用于以已知的方式從巖石，湖泊或地下吸收熱量。
[0038]所述收集回路穿過所述蒸發(fā)器EVAP，并且在所述蒸發(fā)器中與在主回路中(Main)的所述線圈形成熱交換結構。所述在主回路(Main)中的所述工作流體基本上以液相進入所述蒸發(fā)器，且在所述熱交換結構中進行熱交換時，從制冷劑介質吸收熱量。所述熱量通過引入到蒸發(fā)器的入口 Cin的制冷劑介質提供給所述蒸發(fā)器EVAP。通過所述收集回路加入的熱量之后將蒸發(fā)提供給所述蒸發(fā)器的基本上是液相的工作流體。所述用于蒸發(fā)的蒸發(fā)熱量將從所述制冷劑介質中獲取。所述因此被冷卻的制冷劑介質在收集回路返回到所述收集回路出口 Cut的熱源(巖石、湖泊、地面)。
[0039]通常由膨脹閥Exp控制允許進入所述蒸發(fā)器EVAP的氣相/液相形式的工作流體的量，所述膨脹閥位于所述冷凝器和蒸發(fā)器之間，如提到的，膨脹閥降低了提供給蒸發(fā)器EVAP的基本上是液態(tài)的工作流體的溫度和壓力。目前為止，所描述的熱泵主回路(Main)在操作原理上示出了現(xiàn)有技術的熱泵的功能。根據(jù)現(xiàn)有技術，一些能量損失掉了，因為當過壓已經存在于所述膨脹閥Exp前面的回路中時，壓縮機C也在運轉。
[0040]根據(jù)本發(fā)明的一個方面中，所述工作流體的第二子流在經過壓縮機CODN的支路管道中流通，所述壓縮機CODN具有在第一分流閥SI處提取的工作流體，所述第一分流閥在來自壓縮機C的工作流體的出口的下游。該第二子流因此在所述轉換回路(Transf)中流動。在所述轉換回路(Transf)中的所述子流中，在所述第二子流返回到主回路(Main)之前，即經由所述第三分流閥S3回到位于所述膨脹閥Exp下游的蒸發(fā)器EVAP的入口之前，或經由所述第三分流閥S3直接返回到壓縮機C之前，設置由所述第二子流穿過的轉換單元TG0在一定的操作條件下，所述第三分流閥根據(jù)所有這些可選擇方案可允許同時返回到主回路(Main)，也就是令所述工作流體的子流從轉換回路返回到所述蒸發(fā)器EVAP前面和后面的主回路(Main)。
[0041]所述轉換單元TG為能量轉換器的形式，所述能量轉換器將包含在工作流體中的能量轉換成電能，并且可以通過與發(fā)電機G集成一體的蒸汽渦輪機T實施，但是也可由其它類型的相應的機器完成。所述渦輪機T是通過所述熱氣體流驅動，所述熱氣流由從所述壓縮機C流出，且經由第一分流閥SI被控制流過所述渦輪機T的子流構成。所述發(fā)電機G由渦輪機T來驅動，進而輸送可用期望的方式使用的電能。根據(jù)本發(fā)明的新的和獨特的方面是:所述根據(jù)現(xiàn)有技術不能在熱泵回路中以最有效的和實用的方式被利用的過剩的熱量和過剩的壓力，通過本發(fā)明的方法可以通過所述轉換單元TG進行控制利用。所述渦輪機T可以方便地設計為兩級渦輪機，其中，所述兩級渦輪機的兩個渦輪級被安裝在同一軸上。此夕卜，所述發(fā)電機安裝在與所述渦輪機T的軸相同的軸上。因此，所述發(fā)電機G的轉子部可與渦輪機T的旋轉部集成在一起。所述發(fā)電機G的固定部適于固定地連接到所述轉換單元的所述殼體的壁上。進一步，所述固定部以及所述發(fā)電機的轉子部和渦輪機T最好是集成一體，并設置在共同的壓力密封的殼體中。由于可以在這種情況下使用的該種類的蒸汽渦輪機高速旋轉，應該適當使用高速類型的發(fā)電機，例如用于產生直流(dc)電流的高速類型的發(fā)電機G，提供與外部單元的電運轉相關的和由于發(fā)電機G的固有損失和電機M到所述壓縮機的固有損耗情況下所產生的電力用于驅動所述電機的技術優(yōu)勢。該發(fā)電機例如可以產生電能，所述電能可以用于驅動所述壓縮機C的驅動電機M。可選地或同時供給驅動馬達M，剩余的電能輸出到外部電力網絡。由于增加的可利用的來自于所述收集回路的能量的提取，所述收集回路通過以所描述的方式設計所述熱泵回路實現(xiàn)，所述轉換單元TG從而有助于降低驅動電機M依賴于所述過剩能量的電能需求，所述過剩的能量通過在熱泵回路中發(fā)生的所述壓力和溫度的降低在熱泵回路中獲取。
[0042]所述壓縮機C可能是活塞式，渦旋或螺旋壓縮機。相應的，所述蒸發(fā)器EVAP可能是間接蒸發(fā)器類型，并且是通常為板式換熱器的形式?？蛇x的，蒸發(fā)可發(fā)生直接發(fā)生在例如用于土地/湖泊加熱的蒸發(fā)線圈或可以由用于空氣的凸緣電池組成。優(yōu)選地，所述壓縮機C是速度控制的直流壓縮機。
[0043]當利用本發(fā)明的轉換單元TG時，通過現(xiàn)有的膨脹閥Exp向所述蒸發(fā)器補充額外的需求控制的工作流體，所述蒸發(fā)器可以額外的具有分流的、固定的蒸發(fā)過程。這可以通過由所述蒸發(fā)所允許具有的溫度吸收的值控制的膨脹閥實現(xiàn)。通過這種方法，可以實現(xiàn)最大蒸發(fā)，使得壓縮機C能夠實施其工作而沒有因所謂的液體擊穿而引起的崩潰的危險。
[0044]本發(fā)明的原理是基于通過所述熱泵回路建立工作流體的高流動動，該工作流體的流動速度高于基于某種安裝所預定需求所確定的工作流體的流動速度，例如，在一個實施例中，所述預定需求可以是用于加熱目的的熱回路的功率需求。這是通過引入額外的子流來實現(xiàn)，而本發(fā)明的所述子流經過所述轉換單元TG，所述轉換單元與在根據(jù)現(xiàn)有技術的適用于預定需求(例如在熱量方面的需求)的普通熱泵回路中的子流平行，為了能夠實施這些，就要求通過所述轉換回路Transf的子流的所述壓力和溫度，具有與主回路(Main)中所述子流匯聚的點的子流所具有的值基本相同的值，如上所述的，所述子流匯聚發(fā)生在所述分流閥S3的一個或兩個出口，即所述蒸發(fā)器的任何入口或出口。
[0045]在一定的操作條件下，有必要將在所述壓縮機C的上游的主回路(Main)與所述轉換回路(Transf)連接，以將工作流體從所述轉換電路傳輸?shù)街骰芈?。止回閥V防止工作流體向相反的方向流動。
[0046]圖1還示出了一個控制單元C0NTR。這個控制單元監(jiān)測所述熱泵操作的可能發(fā)生的操作狀況。因此，所述控制單元CONTR控制所述壓縮機C的開始和停止、控制工作流體在分流閥S1、S2、S3、膨脹閥Exp處的流動、以及控制用于控制來自壓縮機G的電壓供給的電壓調節(jié)器。熱泵的控制是傳統(tǒng)技術，所以所述控制單元的操作模式將不再這里贅述。
[0047]所述轉換單元可以以不同的方式位于所述熱泵回路中，然后給出有所不同的實施例，但都可以利用所述剩余的壓力/熱量。實施例的一種變型是使所述渦輪機和所述壓縮機/電機集成為一體，在這種情況下，機械操作減少了，因此用于所述操作的所需要的能量較低。在本實施例中，不需要發(fā)電機，它是本質上的簡化，且要求重新設計所述壓縮機單元。
[0048]計算例子
[0049]這里將要描述的本發(fā)明熱泵回路的設計的例子。所述例子僅意在更詳細的說明本發(fā)明的概念，并且僅作為示出原理的實施例，因此，并且不可以形成用于反對本發(fā)明的任何基礎。作為這樣的例子，下面示出了基于卡諾原理的熱泵，根據(jù)本發(fā)明熱泵回路參數(shù)的理論計算:
[0050]假定:
[0051]-確定在裝置中和在熱回路中的冷凝器的Vut處提取具有40°C(Tl)的水的熱量需求:8kW(峰值功率)。
[0052]-選擇的熱泵:0_17kW，具有壓縮機的速度控制的直流操作(因此，相對于所確定的需求是超出的)
[0053]-操作事實:所述制冷劑介質的年平均溫度(T2):4°C，地熱加熱，直接從壓縮機返回工作流體，部分通過冷凝器到所述蒸發(fā)器，部分通過轉換單元到所述蒸發(fā)器(即，在所述渦輪機T中的壓力/溫度降低后，返回熱氣體形式的剩余熱量):
[0054]T1 = 40+273 = 313 (K)
[0055]T2 = 4+273 = 277 (K)
[0056]根據(jù)所述公式，所述性能系數(shù)理論上可達到:
[0057]COP = T1A1 - T2) = 313/(313 - 277) = 313/36 = 8.69
[0058]-根據(jù)現(xiàn)有技術，由于壓力和熱量損失，所述熱泵的實際可行的性能系數(shù)(COP)達到理論上可行的約50%。
[0059]-所述熱泵回路的實際的性能系數(shù)為:0.5x 8.69 = 4.35.
[0060]根據(jù)第一可選方案，在將SkW分配到所述冷凝器COND和將9kW分配到所述轉換單元TG的功率分布的情況下(即，二者通過冷凝器COND直接返回熱氣體和將壓力/溫度降低的熱氣體返回到蒸發(fā)器EVAP，而無需使用常用的限制膨脹閥)所述性能系數(shù)4.35給出:
[0061]-所述滿足熱需求的壓縮機的功率需求為:8kW/4.35 = 1.84kW。
[0062]用于將剩余的(9KW)可利用的熱泵功率(17KW)輸送到所述轉換回路的所述壓縮機的功率需求為:9kW/4.35 = 2.07kW。
[0063]用于輸出最大功率的所需的全部的功率消耗為:3.91kW。
[0064]來自于所述轉換單元TG的以假定的50%的效率的最大輸出功率，這可以達到:
0.50x 9kff = 4.5kff0
[0065]根據(jù)第二可選方案，假定所述轉換回路的實際可用效率只有可用的(9kW)的40%組成，可能的功率輸出為:0.40x 9kff = 3.6kff.
[0066]-為滿足熱需求(通過壓縮機)的壓縮機的功率需求與可選方案I中相同，例如為8kff/4.35 = 1.84kff,
[0067]用于將剩余的(9KW)可利用的熱泵功率(17KW)輸送到所述轉換回路的所述壓縮機的功率需求為:9kW/4.35 = 2.07kW。
[0068]用于輸出最大功率的所需的全部功率消耗為:3.91kW。
[0069]因此，可選的2給出了 0.3Ikff的額外需求，但另一方面，向所述熱回路產生了 8kW的最大功率，并且3.6kff的最大功率作為來自于所述轉換回路的電功率。
[0070]所述轉換單元TG可以設計成如圖2所示的截面圖。所述渦輪機T被封閉在殼體H中，且安裝在軸A上。所述軸軸頸在所述在殼體H的側面的軸承B的每一端上。發(fā)電機G的轉子部R與所述渦輪機的渦輪機葉輪鄰近并集成在一起連接。在這種方式中，所述轉子部R將與渦輪機T的渦輪軸一起旋轉。所述發(fā)電機G的固定部S被固定地連接到殼體H的一個壁上。以已知的方式，當渦輪機葉輪旋轉，且來自入口 Fin的蒸汽流經過渦輪機T且通過出口 Fut排出時，在發(fā)電機的輸出點生成電壓。
[0071]圖3示出了進一步的實施例。
[0072]當本發(fā)明熱氣體的子流穿過所述轉換單元的將所述旋轉能量輸送到所述渦輪機T時，所述熱量也傳遞到所述渦輪機的材料本身。一定量的發(fā)熱也在發(fā)電機G的多個部分出現(xiàn)。為了利用操作期間已被傳遞到所述轉換單元TG的所有此類的剩余熱量，如圖3所示的以壓力密封方式包圍所述渦輪機T和發(fā)電機G的殼體，由外殼或護套M包圍，由此形成雙殼和位于兩個殼之間的殼體空間。所述第二介質即制冷劑介質在該殼體空間的入口 Cin2處被傳遞到殼體空間，所述制冷介質因此被來自于被封閉的轉換單元TG的剩余的熱量進行加熱。吸熱后，所述第二介質返回到在蒸發(fā)器(EVAP)的入口(在圖1中設計的入口 Cin)，于是該過程如前所述的方式進行處理。在這種方式中，所述熱氣流用于通過所述渦輪機/發(fā)電機產生電能，以及所述殘余的熱量通過將其返回到收集回路進行處理。
[0073]所述熱泵回路的功能描述。
[0074]在啟動時，通過來自控制單元CONTR的控制，所述分流閥SI和S2對流過轉換單元(TG)的氣體保持關閉。當壓縮機C在所述受控的膨脹閥的輔助下達到工作壓力時，所述控制單元CONTR向所述閥S1/S2提供開啟脈沖，在多級中，所述閥S1/S2控制氣體流流向轉換回路(Transf)，從而，集成了所述發(fā)電機G和渦輪機T的所述到轉換單元(TG)開始向所述電壓調節(jié)器REG產生電壓，所述電壓調節(jié)器REG調節(jié)所述電壓的輸出。當所述轉換單元的渦輪機T和發(fā)電機G與熱泵的電壓同相時，所述控制單元(CONTR)向所述分流閥S2提供脈沖以完全打開到達所述蒸發(fā)器EVAP的轉換回路。所述分流閥SI在此之后通過電壓調節(jié)器REG和控制單元CONTR控制，以使所述熱氣流控制到所述速度控制的直流壓縮機C中的發(fā)電機電壓，其中，根據(jù)本發(fā)明相對于所述熱回路的熱量要求，所述熱電壓是過量的(可選的，本例子中的在制冷設備中的蒸發(fā)器的“冷卻”需求)。由于事實上所述通過渦輪機T的子流的壓力已經下降，所述蒸發(fā)器EVAP直接被供給低壓力的受限制的，受控分流的氣體/液體流。由于過剩的熱量已經在所述轉換單元TG被冷卻的情況下排出，所以所述子流的溫度也已經下降。為了實現(xiàn)所述蒸發(fā)器EVAP中的所述工作流體的最佳利用，將流體分發(fā)到所述蒸發(fā)器EVAP的分流閥S3通過控制單元CONTR進行控制。在一定的操作條件下，通過返回通過所述轉換回路(Transf)直接返回到壓縮機C的吸入側的子流的某部分，可以實現(xiàn)更理想的情況，所述壓縮機C然后在減壓方式下運行(即所謂的容量控制)。這種控制通過分流閥S3執(zhí)行?？蛇x地，過冷器Ul可以位于由所述第二介質通過的收集回路中，以最大限度地利用在冷凝器COND后殘留的過剩的熱量。這屬于現(xiàn)有技術，并于圖3中用虛線示出。本發(fā)明的熱泵回路中的壓力和熱量的利用可以通過幾種可選的方式進行實施，其中，在這里僅對優(yōu)選的實施例進行描述。所述止回閥V必須存在，以防止壓縮機?自身產生的用于冷凝器的熱氣體的壓力導致工作流體產生不正確的流動方向并在上述熱泵回路中產生操作干擾。所述第二分流閥S2可以被控制為將工作流體(在轉換回路Transf)的第二子流的至少一部分返回主回路(Main)，這在一定的操作條件下是有利的。
[0075]根據(jù)所述方法設計的熱泵可具有可選的選實施例。作為一個例子，該蒸發(fā)器EVAP和所述轉換回路可以相互集成到一起，例如，所述蒸發(fā)器構成所述轉換單元(TG)的外部殼體。通過這樣的設計，來自所述轉換單元TG的所有剩余的熱量可以被轉移到所述蒸發(fā)器，這因此利用了額外的過剩能量。圖4示出了根據(jù)這個原理的蒸發(fā)器EVAP的設計。這種變體可能是商業(yè)上最感興趣的，盡管事實上，它的結構更復雜。作為選擇，過冷器Ul和U2可以以圖4所示的方式進行設置。
[0076]根據(jù)本發(fā)明的各方面，當利用該熱泵回路中的轉換單元的的可能應用時，這里描述的根據(jù)圖4的應用的理論計算:
[0077]根據(jù)施加到所述工作流體R407C的莫里爾蒸汽圖，當所述具有24kPa的壓力和大約100°C的溫度的熱氣體形式的介質通過驅動高速發(fā)電機的2級渦輪機時，如果所述壓力降低到4kPa，所述熱氣體形式的介質可以降低到約+20°C。以具有0-17kW額定功率的市售可獲得的速度控制的直流操作的熱泵作為一個例子，根據(jù)來自制造商的技術規(guī)范，其具有約ISKbm/小時的最大熱氣體流。這需要約300升/分鐘或約5升/秒的最大熱氣流。這種“大量的流”的能量含量由控制單元CONTR控制的分流閥SI進行分流。如果所述2級渦輪機將氣體壓力從24kPa降低到約4kPa，因此在轉換回路(Transf)中的過剩壓力的80%以上的能量應轉變?yōu)樵谒?級渦輪機中的動能，并在整個轉換單元TG中提供熱量的產生。假定在本例中，壓力和溫度在這個過程中構成等份，如圖莫里爾線圖所示。當根據(jù)圖4的實施例設置熱泵回路時，所述圖4將所述轉換單元TG集成/封入到所述蒸發(fā)器EVAP中，在所述轉換單元TG中的大部分的熱損失將被提供給所述蒸發(fā)器(EVAP)，這顯著增加了用于所述整個熱泵回路(Main) +轉換回路(Transf)的蒸發(fā)溫度，即，經由膨脹閥Exp (根據(jù)現(xiàn)有技術的正常路徑)來自所述冷凝器CODN+通過集成的轉換單元TG的“直接氣體混合”的熱量。由于正確尺寸的蒸發(fā)器EVAP和收集回路，相當高的能量的輸出將由收集回路產生，其通過使用已經公知的和起作用的冷卻/加熱泵技術能夠輸出電能。為了利用殘余的壓力/溫度，即在冷凝器出口 /通道后的能量，由于所述膨脹閥Exp不能承受具有過大的壓力/溫度值，并因此構成不必要的損失源的工作流體，將在管道Cin2中的過過冷器Ul與在收集回路中的蒸發(fā)器以串聯(lián)方式連接是有利的?？梢允褂孟嗤椒▽⑺鲞^冷器U2放置在所述收集回路的輸出管道Cut收集回路，以在通過所述渦輪機T之后進一步降低工作流體的溫度。從而使得在進入所述蒸發(fā)器EVAP之前，能夠從渦輪機T的子流中提取更多的能量。這預示著它在經濟上是證明進一步優(yōu)化共同連接的工作流體的子流的蒸發(fā)溫度及將要返回到所述壓縮機C的吸入側的總的氣體流(在3處)是合理的。在已通過渦輪機T建立大量的子流的情況下，過剩的子流通過經過所述蒸發(fā)器EVAP的控制分流閥S3進行分流/旁路。這個旁路的剩余與來自于蒸發(fā)器EVAP的流出物結合和被傳遞到所述壓縮機C的吸入側。然后，所述壓縮機將被“減壓”，這意味著由于產生了最小壓力差，所述能量消耗下降。
[0078]如之前所提到的，此處所描述的熱泵回路，也可以在冷卻機中使用。在這些應用中，冷卻在所需要的蒸發(fā)器(EVAP)中的外部介質，例如，將空氣作為第二介質，其中在蒸發(fā)器(EVAP)中，所述空氣通過具有從所述空氣吸收的熱量的工作流的冷凝懸管。如果這里描述的本發(fā)明使用在冷卻機中的話，那么在設計回路時，所述起始點由所述蒸發(fā)器(EVAP)中所期望的冷卻效果所替代，而不是上述所提及的與加熱的目的相關的實施例，在所述冷凝器的熱回路中所需的能量控制著回路的設計。
【權利要求】
1.一種制冷劑循環(huán)中的方法，包括:工作流體，在所述循環(huán)中，所述工作流體從具有低Sp1和低溫h的第一狀態(tài)(I)被壓縮到具有高壓Ph和高溫th的第二狀態(tài)(2)，屆時，所述工作流體被冷卻，以及因此假設具有壓力Pm和溫度tm的第三狀態(tài)(3)，其中Pl〈pm〈ph且tftjth，此后，在所述工作流體在所述循環(huán)中再次被壓縮之前，所述工作流體被膨脹以基本上返回到在所述第一狀態(tài)(I)中存在的壓力和溫度，其特征在于: -所述壓縮的工作流體的第一子流在冷凝器(CODN)中進行熱交換，從而通過所述第一介質進行所述工作流體的冷卻，所述第一介質屬于具有穿過所述冷凝器的線圈的熱循環(huán)(Q)，其中，所述第一介質冷卻所述工作流體，所述工作流體因此假設第三狀態(tài)(3)，其中，所述工作流體傳遞到所述蒸發(fā)器(EVAP)，并利用第二介質在所述蒸發(fā)器中進行熱交換，所述第二介質屬于收集回路(Coll)，其中，所述第二介質將熱量輸送到所述工作流體，進而所述工作流體經歷所述膨脹并基本上返回到所述第一狀態(tài)(I)中存在的所述壓力和溫度； -根據(jù)以下可選的條件之一，當通過所述能量轉換器(TG)時，所述壓縮的工作流體的第二子流從所述第二狀態(tài)(2)經歷所述冷卻和所述膨脹，所述可選的條件包括: a)當通過所述能量轉換器(TG)時，所述壓力和溫度降低，從而所述工作流體基本上膨脹進入第三狀態(tài)(3)，并通過在所述蒸發(fā)器(EVAP)中進一步膨脹返回到在所述循環(huán)中到第一狀態(tài)(1)， b)當通過所述能量轉換器(TG)時，所述壓力和溫度降低，從而所述工作流體從所述第二狀態(tài)(2)膨脹基本回復到所述第一狀態(tài)(I)，并返回所述循環(huán)以進行壓縮， -所述能量轉換器(TG)將從所述工作流體在所述能量轉換器中膨脹時提取的功轉換成電能，其中所述能量轉換器(TG)可以由驅動發(fā)電機(G)的渦輪機⑴組成。
2.如到權利要求1所述的方法，其特征在于， -將所述工作流體分別分配到所述第一子流和第二子流，以及 -根據(jù)任一可選的條件a)和b)，將在第二子流中的工作流體返回所述第一狀態(tài)， 均是通過控制單元(CONTR)經由可控制的分流閥(SI，S2，S3)進行控制的。
3.一種設備，包括在由工作流體穿過的回路中的至少一個壓縮機(C)、一個冷凝器(COND)、一個蒸發(fā)器(EVAP)和一個能量轉換器(TG)，其特征在于， -所述壓縮機(C)將所述工作流體從具有低壓P1和低溫h的第一狀態(tài)(I)壓縮到具有高壓Ph和高溫th的第二狀態(tài)(2)， -所述工作流體的第一子流被傳遞給主回路(Main)，且當通過冷凝器(COND)時，被冷凝成氣體/液體混合物，并通過所述工作流體將熱量輸送到屬于第一熱循環(huán)(Q)的第一介質，以及因此假設具有壓力Pm和溫度tm的第三狀態(tài)(3)，其中，所述第一介質在冷凝器(COND)中與所述工作流體熱交換，其中，適用奶化化且Wth,所述工作流體的第一子流從所述冷凝器(COND)轉送、在蒸發(fā)器(EVAP)中膨脹、且被所述連接到所述蒸發(fā)器(EVAP)的收集回路中的第二介質吸收熱量，恢復到處于所述第一狀態(tài)(I)的氣體，其中，所述第二介質與所述工作流體進行熱交換，因此所述工作流體返回到所述壓縮機(C)并再次完成循環(huán)， -所述壓縮的工作流體的第二子流從在所述壓縮機(C)的出口普遍存在的第二狀態(tài)(2)進行膨脹，且在轉換回路(Transf)中被傳遞到所述能量轉換器(TG)，所述能量轉換器用于將穿過所述能量轉換器(TG)的工作流體的所述第二子流的能量轉換成電能，因此膨脹的工作流體根據(jù)以下任一可選的條件a)和b)從所述能量轉換器(TG)的出口返回到所述壓縮機(C)， a)從能量轉換器(TG)直接到所述蒸發(fā)器(EVAP)以進一步膨脹， b)在所述能量轉換器(TG)中從所述第二狀態(tài)(2)膨脹到所述第一狀態(tài)(I)后，直接返回到所述壓縮機(C)。
4.根據(jù)權利要求3所述的設備，其特征在于，所述設備通過控制單元(CONTR)被驅動用于不同的操作條件，所述控制單元控制第一分流閥(SI)以分配所述工作流體的第一子流和第二子流、并且進一步根據(jù)任一的a)、b)通過將所述工作流體從所述第二子流返回到所述壓縮機(C)控制第二分流閥(S2)的和第三分流閥(S3)以選擇操作條件。
5.根據(jù)權利要求4所述的設備，其特征在于，驅動所述壓縮機(C)的電機(M)是速度控制的，進而，所述控制單元(CONTR)通過控制所述電機(M)來控制提供給所述壓縮機(C)的能量以使所述設備適應不同的操作條件。
6.根據(jù)權利要求5所述的設備，其特征在于，允許進入蒸發(fā)器EVAP的氣相/液相的工作流體的數(shù)量控制是由控制單元(CONTR)通過可控制的膨脹閥(Exp)進行控制的，所述膨脹閥位于所述冷凝器(C)和所述蒸發(fā)器(EVAP)之間。
7.根據(jù)權利要求3所述的設備，其特征在于，所述能量轉換器(TG)包括由所述工作流體的第二子流穿過的渦輪機(T)，以及由所述渦輪機(T)驅動的發(fā)電機(G)，其中，所述渦輪機(T)和所述發(fā)電機(G)優(yōu)選集成在一起并封閉在共同的壓力密封的外殼中。
8.根據(jù)權利要求3到7任一權利要求所述的設備，其特征在于:所述由所述工作流體的第二子流通過的能量轉換器(TG)被封裝在壓力密封的殼體中，其中，所述蒸發(fā)器(EVAP)適于圍繞所述能量轉換器(TG)的壓力密封的殼體，由此，所述蒸發(fā)器(EVAP)利用從所述壓力密封的殼體泄露的多余的熱量。
9.根據(jù)權利要求7所述的設備，其特征在于，所述渦輪機(T)具有至少一個渦輪級，所述渦輪級具有至少一個渦輪轉子，其中，所述至少一個渦輪機轉子由熱氣體形式的第二子流進行旋轉，且進一步的，所述發(fā)電機(G)的轉子被安裝在與所述渦輪機(T)的至少一個渦輪轉子相同的軸上，而所述發(fā)電機的固定部優(yōu)選與所述壓力密封的外殼集成在一起。
10.根據(jù)權利要求3到9任一權利要求所述的設備，其特征在于:在所述能量轉換器(TG)中產生的電壓被傳遞給電壓調節(jié)器(REG)，所述電壓調節(jié)器是由控制單元(CONTR)控制的，用于調節(jié)從電壓調節(jié)器(REG)輸出的與設備的當前的操作條件相關的電壓。
【文檔編號】F25B11/02GK104204689SQ201380015546
【公開日】2014年12月10日 申請日期:2013年3月19日 優(yōu)先權日:2012年3月20日
【發(fā)明者】哈代·霍林沃斯 申請人:弗沙林能量有限公司及哈代霍林沃斯