ТЕПЛОВОЙ НАСОС, В ЧАСТНОСТИ, ДЛЯ НАГРЕВА ВНУТРЕННЕГО ПРОСТРАНСТВА ТРАНСПОРТНОГО СРЕДСТВА, А ТАКЖЕ СПОСОБ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ ТЕПЛОВОГО НАСОСА
HEAT PUMP, IN PARTICULAR FOR HEATING A VEHICLE INTERIOR, AND METHOD FOR OPERATING A HEAT PUMP

Изобретение относится к тепловому насосу, в частности, для нагрева внутреннего пространства транспортного средства, согласно родовому понятию пункта 1 формулы изобретения, а также к способу функционирования теплового насоса согласно родовому понятию пункта 5 формулы изобретения.
Для генерации холода и тепла общеизвестен цикл паровой компрессионной холодильной установки (КККР), причем в качестве рабочей среды (охладителя) применяются углеводороды согласно DIN 8962. Для нагрева внутренних пространств транспортных средств, например, пассажирских салонов автобусов или кабин водителей, уже применяются тепловые насосы, в которых реализован обратный (против хода часовой стрелки) цикл паровой компрессионной холодильной установки (КККР). Причем в качестве охладителя часто используется R134a.
В таком цикле теплового насоса друг за другом расположены компрессор, конденсатор, дроссельный клапан и испаритель. Рабочая среда (охладитель) в качестве перегретой текучей среды сжимается в компрессоре и подается в конденсатор, который отдает скрытое и физическое тепло непосредственно во внутреннее пространство транспортного средства или опосредованно во вторичный циркуляционный контур как полезное тепло. После фазового превращения газообразной/жидкой фаз в конденсаторе рабочая среда в последующем дроссельном клапане дросселируется в изоэнтальпийном процессе дросселирования и достигает в конце процесса дросселирования температуры влажного пара. В последующем испарителе происходит фазовое превращение жидкой/газообразной фаз, для чего тепло из окружающей среды подается в испаритель.
Термический КПД этого известного цикла теплового насоса зависит от производительности компрессора и требует относительно высокой энергии привода.
Задачей изобретения является усовершенствовать тепловой насос и способ функционирования теплового насоса таким образом, что потребление энергии привода компрессора становится сравнительно меньшим и тем самым термический КПД повышается.
Эта задача решается признаками независимых пунктов формулы изобретения. Предпочтительные варианты выполнения раскрываются в ссылающихся на них зависимых пунктах.
В соответствующем изобретению тепловом насосе газообразная рабочая среда в циркуляционном контуре теплового насоса сжимается в компрессоре, и сжатая рабочая среда подается в конденсатор, в котором она конденсируется с отдачей тепла. Возникающее в конденсаторе тепло в качестве полезного тепла подается непосредственно или опосредованно к по меньшей мере одному потребителю, в частности, во внутреннее пространство транспортного средства.
Соответствующий изобретению циркуляционный контур теплового насоса, по сравнению с известным циркуляционным контуром теплового насоса, дополняется другими функциональными элементами и модифицируется. Так, за конденсатором расположен струйный насос, на который через рабочее сопло подается, с одной стороны, поступающая от конденсатора под высоким давлением в значительной степени жидкая рабочая среда в качестве приводной среды. Понятие «струйный насос» в данной заявке означает, например, любое устройство, в котором насосное действие генерируется с помощью струи текучего средства («приводной среды»), которая за счет обмена импульсом засасывает другую среду («засасываемую среду»), ускоряет и сжимает/транспортирует, если она находится под достаточным давлением.
С другой стороны, вытекающая из испарителя с пониженным давлением, в значительной степени газообразная рабочая среда подается в качестве всасываемой среды. При этом в струйном насосе, предпочтительно в диффузоре струйного насоса, вся среда, состоящая из приводной среды и всасываемой среды, сжимается с образованием двухфазной смеси.
На выходе струйного насоса расположен сепаратор, в котором газообразная рабочая среда отделяется от жидкой рабочей среды.
Выход для газа сепаратора соединен с входом компрессора, а выход для жидкости сепаратора соединен с входом дроссельного клапана. В дроссельном клапане в значительной степени жидкая рабочая среда дросселируется и подается на испаритель, где при подводе тепла осуществляется фазовое превращение с получением газообразной рабочей среды, которая в качестве всасываемой среды подается на вход для всасываемой среды струйного насоса.
2
Соответствующее изобретению применение струйного насоса в цикле сравнительно сокращает работу сжатия компрессора и, тем самым, приводит предпочтительным образом к повышению термического КПД. Незначительное потребление приводной энергии теплового насоса приводит, таким образом, к повышению общего термодинамического КПД в трансмиссии транспортного средства, в частности, автобуса и приводит тем самым к энергосберегающему сокращению потребления топлива и благоприятному для окружающей среды сокращению выбросов СО.
Предпочтительный усовершенствованный вариант соответствующего изобретению циркуляционного контура теплового насоса предусматривает промежуточный теплообменник, посредством которого, с одной стороны, рабочая среда направляется из конденсатора к тепловому насосу, а с другой стороны, рабочая среда из сепаратора подается в конденсатор. Связанная с этим генерация тепла приводит предпочтительным образом к сокращению потерь эксергии в циркуляционном контуре.
Для циркуляционного контура теплового насоса уровни давления должны быть заданы таким образом, что наивысший уровень давления определяется выходным давлением компрессора, а самый низкий уровень давления - температурой насыщения в испарителе. Два промежуточных дополнительных уровня давления определяются посредством рабочих давлений после струйного насоса и после дроссельного клапана.
2
2
Циркуляционный контур соответствующего изобретению теплового насоса может функционировать предпочтительным образом с рабочей средой, состоящей из двуокиси углерода СО (обозначение R 744). Эта природная рабочая среда является экологичной и экономичной, и позитивные термодинамические свойства двуокиси углерода обеспечивают возможность эффективного ее применения в тепловом насосе. К тому же в возрастающей степени становятся релевантными экологические аспекты (например, директива 2006/40/EG Европейского парламента и Совета), которые могут выполняться благодаря рабочей среде, состоящей из двуокиси углерода СО.
Преимущества, достигаемые с помощью соответствующего изобретению способа, характерны также для теплового насоса.
Изобретение поясняется далее со ссылками на чертежи, на которых показано следующее:
2
фиг. 1 - схематичное представление теплового насоса на СОс эжектором в качестве струйного насоса и компрессором,
2
фиг. 2 - Inp-h-диаграмма обратимого циркуляционного контура теплового насоса на СОдля теплового насоса согласно фиг. 1,
фиг. 3 - T-s-диаграмма для представления выигрыша в работе сжатия,
фиг. 4 - схема теплового насоса без струйного насоса (уровень техники) и
фиг. 5 - Inp-h-диаграмма обратного циркуляционного контура теплового насоса без струйного насоса для теплового насоса согласно фиг. 4.
На фиг. 4 показана схема обратного (против хода часовой стрелки) цикла паровой компрессионной холодильной установки (КККР) теплового насоса без струйного насоса согласно уровню техники (применяемые ссылочные позиции должны характеризовать как соединительные линии, так и содержащуюся в них рабочую среду с ее текущими состояниями):
Рабочая среда (охладитель) в качестве перегретой текучей среды известным образом сжимается в компрессоре V' (политропное сжатие 1'->2') и подается в конденсатор KON'. Скрытое и физическое тепло текучей среды в конденсаторе KON непосредственно передается во внутреннее пространство транспортного средства, например, в пассажирский салон или кабину или опосредованно передается во вторичный циркуляционный контур среды в качестве полезного тепла (2'->3'). После фазового превращения в конденсаторе KON' рабочая среда дросселируется в последующем дроссельном клапане DV' (изоэнтальпийное дросселирование 3'->4'). В конце процесса дросселирования рабочая среда достигает параметров влажного пара. Затем двухфазная смесь подается в испаритель VER'. В испарителе происходит фазовое превращение, причем подаваемый в окружающую среду тепловой поток передается с высоким термодинамическим потенциалом к рабочей среде в испарителе (4'->1').
I
1
4
II
2
3
ab
zu
v
II
I
Этот известный циркуляционный контур согласно уровню техники представлен на Inp-h-диаграмме на фиг. 5. Уровень давления р=р=p соответствует давлению в местах 1' и 4', и уровень давления р=р=p соответствует уровню давления в местах 2' и 3'. Потерями давления в теплообменнике можно пренебречь. На диаграмме показано отводимое тепло q, значение которого соответствует подводимому теплу q, дополненного работой сжатия I. Термический КПД зависит от производительности компрессора и при увеличении отношения давлений p/p возрастает потребность в энергии привода.
2
Целью изобретения является усовершенствование вышеописанного циркуляционного контура теплового насоса с повышением термического КПД посредством сокращения потребления энергии привода потребителя V. К тому же применяется природная рабочая среда (охладитель) в качестве экологичной, дешевой двуокиси углерода СО (R 744).
2
На фиг. 1 показана схема соответствующего изобретению теплового насоса на СО с эжектором EJ в качестве струйного насоса и компрессором V. После компрессора V по линии 2 расположен конденсатор KON. Выход конденсатора KON через линию 3 соединен с промежуточным теплообменником ZK, выход которого посредством линии 4 соединен с рабочим соплом 5 эжектора EJ. Выход эжектора EJ на диффузоре 7 ведет посредством линии 8 к сепаратору SEP, выход газа которого по линии 9 ведет к промежуточному теплообменнику ZK и там по линии 1 направляется к входу компрессора V. Выход жидкости сепаратора SEP соединен линией 10 через дроссельный клапан DV и линию 11 с компрессором VER, выход которого посредством линии 12 ведет к входу 6 всасываемой среды эжектора EJ.
Вышеуказанное устройство функционирует следующим образом:
2
2
Газообразная рабочая среда СО сжимается в компрессоре V (1->2). Затем рабочая среда СО подается в конденсатор KON, где происходит фазовое превращение (2->3), в котором газообразное текучее средство конденсируется, и возникающее при этом тепло предоставляется в распоряжение в качестве полезного тепла. Оно может передаваться непосредственно в пассажирский салон и/или кабину и/или другое внутреннее пространство транспортного средства. Альтернативно или параллельно полезное тепло может также вводиться в тепловой циркуляционный контур транспортного средства и использоваться косвенным образом.
В промежуточном теплообменнике ZK осуществляется генерация тепла (3->4, 9->1), которая приводит к сокращению потерь эксергии в циркуляционном контуре. При этом массовый поток рабочей среды на выходе конденсатора KON охлаждается в промежуточном теплообменнике ZK, и в свою очередь массовый поток рабочей среды перегревается перед компрессором V.
Из промежуточного теплообменника ZK поступающий из конденсатора массовый поток рабочей среды подается к эжектору EJ у рабочего сопла 5 в качестве приводной среды, где статическое давление рабочей текучей среды снижается. Снижение статического давления в эжекторе EJ повышает скорость рабочей текучей среды в его поперечном сечении и приводит к локальному повышению динамического давления. Тем самым создается эффект струйного насоса, так что посредством приводной среды (потока текучей среды из конденсатора KON или из промежуточного теплообменника ZK) другая среда, в качестве всасываемой среды, всасывается и перекачивается. Всасываемая среда является в данном случае вытекающей из испарителя VER рабочей средой, которая подсоединяется по линии 12 к входу 6 всасываемой среды эжектора EJ. В конце эжектора EJ в его диффузоре 7 вся среда сжимается. Эжектор EJ в качестве насоса имеет простую конструкцию и не содержит подвижных частей, так что он особенно надежен и прост в техническом обслуживании.
2
2
2
Сжатая двухфазная смесь из эжектора EJ подается на сепаратор SEP по линии 8. В сепараторе SEP газообразная среда СО отделяется от жидкой среды СО. Газообразная среда СО вытекает из сепаратора SEP по линии 9 к промежуточному теплообменнику ZK и там вновь по линии 1 к компрессору V.
2
2
2
Жидкая среда СО накапливается в сепараторе и по линии 10 через дроссельный вентиль DV и подключенную линию 11 подается на испаритель VER. В испарителе реализуется фазовое превращение жидкой/газообразной фаз, причем к жидкой среде СО подается тепловой поток. Газообразная среда СО протекает из испарителя VER по линии 12 в качестве всасываемой среды к эжектору EJ.
На фиг. 2 цикл детально представлен на Inp-h-диаграмме:
2
III
0
I
II
Для реализации цикла СО определены четыре уровня давления. Наивысший уровень давления p определяет выходное давление компрессора V, для которого на этапе проектирования теплового насоса устанавливается зависимость от температуры насыщения текучей среды в конденсаторе KON таким образом, что температура насыщения в конденсаторе KON должна быть выше, чем температура теплоприемника. Наименьшее давление р в системе лежит при температуре насыщения в испарителе VER, соответствующей температуре источника тепла. Два промежуточных дополнительных уровня давления p и p получаются как результирующие рабочие давления после эжектора EJ (сжатие в 8) и после дроссельного клапана DV (в 11). Эти давления зависят от геометрии и конструктивных свойств эжектора EJ.
На фиг. 3 обозначены работы сжатия компрессора V для обоих представленных принципов действия теплового насоса: переход от 1 к 2 представлен для теплового насоса без эжектора соответственно уровню техники согласно фиг. 4 и 5. Переход от 1° к 2 получается для соответствующего изобретению теплового насоса с эжектором EJ. Показано, что работа сжатия для принципа действия теплового насоса с эжектором EJ по сравнению с тепловым насосом без эжектора EJ уменьшается. Выигрыш в работе сжатия обозначен на T-s-диаграмме согласно фиг. 3 штриховкой как площадь 1->1°->b->c.
Перечень ссылочных позиций
V компрессор
KON конденсатор
DV дроссельный клапан
VER испаритель
ZK промежуточный теплообменник
EJ эжектор
SEP сепаратор
1 рабочая среда (линия) между ZK и V
2 рабочая среда (линия) между V и KON
3 рабочая среда (линия) между KON и ZK
4 рабочая среда (линия) между ZK и EJ
5 рабочее сопло
6 вход для всасываемой среды
7 диффузор
8 рабочая среда (линия) между EJ и SEP
9 рабочая среда (линия) между SEP и ZK
10 рабочая среда (линия) между SEP и DV
11 рабочая среда (линия) между DV и VER
12 рабочая среда (линия) между VER и EJ
1' рабочая среда (линия) между VER' и V'
2' рабочая среда (линия) между V' и KON'
3' рабочая среда (линия) между KON' и DV'
4' рабочая среда (линия) между DV' и VER'.