运行热泵的方法和热泵 |
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| 申请号 | CN201480032478.0 | 申请日 | 2014-06-05 | 公开(公告)号 | CN105264307A | 公开(公告)日 | 2016-01-20 |
| 申请人 | 西门子公司; | 发明人 | B.格罗莫尔; F.赖斯纳; J.谢弗; | ||||
| 摘要 | 本 发明 涉及一种运行 热 泵 (1)的方法，具有如下步骤：-借助至少一个冷凝装置(5)冷凝 流体 ；-借助至少一个膨胀装置(6)膨胀流体；-借助至少一个 蒸发 装置(2)蒸发流体；和-借助至少一个压缩装置(3)压缩流体。在压缩流体时使用 离子液体 。此外，本发明还涉及这种热泵装置(1)。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种运行热泵(1)的方法，具有如下步骤： |
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| 说明书全文 | 运行热泵的方法和热泵[0002] 为了提供工业上可被利用的热量，通常使用前述类型的热泵。热泵是一种机械，其在采用技术作业的情况下从具有较低温度的热源中吸收呈热量形式的热能，并且与压缩机的驱动能一起在具有较高温度的散热器上释放。在此，使用流体为了暂时存储热量或者为了传递热量，该流体在热泵内借助压缩机被压缩并且在循环过程中被导引。 [0003] 已知在热泵或蒸汽压缩热泵中，使用压缩机作为增压器、即作为驱动机械。此外，活塞式压缩机、螺旋式压缩机或例如涡轮式压缩机属于应用在热泵中的商用的压缩机。热泵的可利用的放热的温度水平目前首先受所使用的压缩部件的温度耐受性所限。例如，压缩机抽吸具有确定温度的气态的流体并且压缩至所希望的更高的压力。通过压缩过程，根据抽吸的气体的等熵指数的值的不同，由于压缩使气体温度以不同的程度升高到所谓的压缩最终温度。由此一旦抽吸的气体的温度超过的70℃值，常常造成压缩机的故障。当使用所谓的密封的滚子活塞式压缩机作为压缩机时，该数量级的温度值根据经验是特别重要的。由此，压缩机构件的紧密的配合、例如在螺旋式压缩机的螺栓对配合在特别的范围内涉及由温度决定的热膨胀。如果例如螺栓式压缩机的不同的部件由于非均匀的热负荷会发生不同强度的热膨胀，由此可能导致旋转构件与壳体的接触或者旋转部件之间的接触，这造成相应压缩机的故障。此外根据经验问题在于，在高流体温度时的油润滑的压缩机的润滑。相应的在压缩机中用于润滑的油不允许长时间地超过最大使用温度极限。在长时间超过最大使用温度极限时，导致油的焦化并且由此造成对压缩机的润滑功能的损害。在此已知，用于所使用的润滑油的最大温度极限是140℃的数量级，其中，不允许长时间地超过该温度极限，以便保持油的润滑功能。 [0004] 本发明所要解决的技术问题是，提供一种前述类型的方法和热泵，其适用于在特别高的流体温度下的持续运行。 [0006] 在按照本发明的运行热泵的方法中，在压缩流体时使用离子液体。 [0007] 当离子液体是不可燃且热学稳定的时，离子液体在特别的范围内适用于流体的压缩。换句话说，向离子液体施加高温在特别范围内是无关紧要的，因为不必考虑到离子液体的燃烧。由于其非常低的蒸汽压力，在离子液体中几乎不会出现可测量的蒸发现象。与油相比，由于离子液体的热力学稳定性，则在较高的运行温度下不会出现焦化的危险。离子液体应理解为一种有机盐，其离子通过电荷离域和空间排列效应阻止构成稳定的晶格。因此，较低的热能便可以超过晶格能并且破坏稳固的晶体结构。由此，离子液体是这样的盐，所述盐在低于100℃的温度下是液态的，而无需在此将所述盐溶解在溶剂、如水中。离子液体所含有的离子在此是正离子(即所谓的阳离子)和负离子(即所谓的阴离子)。通过改变离子液体内所含有的阳离子和阴离子的不同种类化以及通过调整阳离子和阴离子的不同浓度，可以在特别宽的范围内改变离子液体的物理化学特性并且根据技术要求进行优化。由此例如通过改变成分组成和离子浓度而影响离子液体的溶解性和熔点。 [0008] 在本发明的优选设计方案中，流体向离子液体释放热量。当流体将其部分热量释放给离子液体时，特别有效地避免了流体的所不希望的温度升高。换句话说，为了冷却流体在压缩流体时使用离子液体。那么例如可以如此降低离子液体的温度，以至于流体可以向离子液体释放特别大的热量并且由此将流体压缩最终温度保持在非临界的水平上。 [0010] 特别有利的是，所述热量至少一部分借助热交换器传递给所述蒸发装置和/或外部消耗器。如果导出的热量被传递给热泵的蒸发装置，则由此可以特别高能效地运行热泵，因为根据借助热交换器输入蒸发装置的热量，相应地只需向蒸发装置输送较少的附加能量，用于蒸发流体。换句话说，向热泵的蒸发装置输入的外部的、附加的热量通过借助热交换器输入的热量而被降低了，由此降低了用于运行整个热泵的能耗。此外，借助通过热交换器传递的热量还可以供给外部消耗器。外部消耗器例如可以设计为热电发电机或斯特林电机。换句话说，热量由此可以特别有效地转换为其他的能量形式、即例如电能或机械能，并以此被利用。 [0011] 在另外有利的设计方案中，使用液体环式压缩机作为所述压缩装置。液体环式压缩机基本上由圆柱形壳体构成，所述壳体包围着偏心安置的转子，该转子包括在转子上星形地且均匀地分布的叶片。壳体的圆柱形纵轴线在此平行于偏心安置的转子的驱动轴延伸。离子液体位于壳体内，离子液体在转子转动时由于离心力而构成相对壳体向心的液体环。通过转子的星形布置的叶片的插入而构成转轮腔，其通过离子液体的液体环而被封闭。换句话说，相应的转轮腔通过液体环以及各两个安置在转子上的叶片和转子本身的共同作用而构成，其中在端侧通过相应的限制圆柱形壳体的盖板对各个转轮腔的边界进行限定。 由于转子的偏心性，相当于流体的气体在转子转动时被压缩，因为各个叶片由于转子的偏心性而较深地插入液体环中。流体借助液体环式压缩机在一个位置被抽吸，在该位置上各个叶片仅以较少的尺寸插入液体环中并且由此使腔室容积最大。在偏心的转子基本上转动半圈时，叶片由于偏心性而最大程度地插入液体环中，由此腔室内含有的流体被压缩到可实现的最大值。在达到最大压缩时，被压缩的流体从圆柱形壳体通过液体环式压缩机的限定壳体的盖板上的孔排出。由此，流体借助液体环式压缩机在热泵中运动。因为离子液体构成了液体环式压缩机的液体环，即便在流体的较高温度下液体环式压缩机也可以特别安全无故障地运行。液体环式压缩机的腔室借助液体环沿径向被封闭，由此可以完全消除叶片与壳体的接触。从而避免由于接触而导致的火花，由此也可以输送和压缩有爆炸性的流体。 [0012] 被证明还有利的是，当在压缩时所呈现出的物理状态下，所述离子液体具有与流体的互溶间隙。互溶间隙表示在物料混合时的一种热力学状态，其中相应的物料混合的组分没有实现混合，也就是不互溶的。换句话说，在这种热力学状态下的物料混合处于具有不同组成成分的至少两种不同的相中。所述相相互间达到热力学平衡。 [0013] 特别有利的是，在所述压缩装置的下游连入分离装置，用于将离子液体从流体中分离。通过使用气液分离器形式的分离装置，离子液体可以特别有效地由流体中分离。由于离子液体和流体在借助液体环式压缩机进行的流体压缩过程中相接触，可能造成，部分离子液体与被压缩的流体一同从液体环式压缩机中排出并且由此进入热泵的循环中。通过使用气液分离器可以尤其很大程度地并且在液体环式压缩机的下游将离子液体从输送流体的热泵循环中分离。 [0014] 在按照本发明的方法中所述的优点以同样的方式适用于按照权利要求8的热泵。 [0015] 特别有利的是，通过次级循环能够向所述流体混入离子液体。当通过次级循环能够向流体混入离子液体时，通过流体压缩而向离子液体释放的热量可以尤其很大程度地被导出。所述次级循环相当于一种相对于热泵的流体循环独立的循环，其特别适用于将导出的热量进一步导向热交换器，离子液体借助热交换器被再次冷却。换句话说，借助液体环式压缩机的次级循环可以持续地冷却离子液体。 [0016] 被证明还有利的是，所述离子液体在压缩装置后在分离器中能够至少基本上被分离。离子液体的尽可能的分离是特别重要的，因为流体和离子液体具有不同的材料特性。因为离子液体不适用于与流体一同经过各个工作流程(压缩、冷凝、膨胀和蒸发)，通过分离离子液体特别大程度地保持了热泵的效率和功能性。 [0018] 图1中示意示出热泵1，流体在其中根据箭头10的箭头方向借助压缩装置被输送，该压缩装置被设计为液体环式压缩机3。流体借助设计为蒸发器2的蒸发装置首先被蒸发并且随之借助液体环式压缩机3被压缩。液体环式压缩机3与液体循环8流体耦连，其中，液体环式压缩机3借助液体循环8被供给离子液体。液体环式压缩机3的液体环借助离子液体构成，其中，该液体环用于流体的压缩。离子液体与热泵1的流体形成流体接触，并且在运行参数适用于液体环式压缩机3而且离子液体和流体的组成给定的情况下，离子液体具有与流体的互溶间隙。离子液体由于通过其与流体的接触吸收流体的一部分热量，并且通过离子液体在液体循环8内的运动，持续地导出该热量。当流体在液体环式压缩机3内借助离子液体被压缩时，离子液体的一部分流入介质循环9中，所述介质循环9相当于热泵的流体循环。为了从介质循环9中再次去除这部分离子液体，使用一种分离装置，其设计为分离器4。换句话说，离子液体借助分离器4从含有流体的介质循环9中分离，随后离子液体再次被输入液体循环8中。为了将在借助液体环式压缩机3进行压缩时从流体释放到离子液体中的热量从液体循环8中导出，在液体循环8中连接有热交换器7，被导出的热量借助热交换器7至少基本上被导引至与外部消耗器耦连的散热器11和/或导引至蒸发器2。通过将至少一部分热量输入到蒸发器2，可以降低用于运行蒸发器2的能量消耗。为此可以利用释放到散热器11的热量，为在此没有进一步示出的消耗器提供热能。 [0019] 热泵1还包括沿箭头10的箭头方向布置在分离器4后面的冷凝装置，其被设计为冷凝器5并且用于冷凝流体。在流体借助冷凝器5冷凝之后，流体借助设计为膨胀器6的膨胀装置被膨胀。在流体膨胀后，流体再次进入蒸发器2。由此完成介质循环9。 |
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