特別用于加熱車輛內部的熱泵及運行熱泵的方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及特別是用于加熱車輛內部的熱泵及運行熱泵的方法，熱泵具有布置在工作介質的熱泵回路中的壓縮機、冷凝器、節(jié)流閥和蒸發(fā)器。根據本發(fā)明，氣態(tài)工作介質在熱泵回路中、在壓縮機中被壓縮。壓縮機出口連接到冷凝器的入口上，工作介質在冷凝器中冷凝，同時放熱，熱作為可使用的熱直接或間接地輸送到消耗裝置、特別是乘客內部。另外，冷凝器之后是射流泵，一方面，流出冷凝器的液體工作介質作為驅動介質輸送到射流泵，且另一方面，流出蒸發(fā)器的氣態(tài)工作介質作為吸入介質輸送到射流泵，使得驅動介質和吸入介質在射流泵中壓縮為兩相混合物。射流泵出口連接到分離器的入口，兩相混合物輸送到分離器，且氣態(tài)工作介質在分離器中與液體工作介質分離。
【專利說明】特別用于加熱車輛內部的熱泵及運行熱泵的方法

【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及根據權利要求1的前述特征部分的特別用于加熱車輛內部的熱泵，以及根據權利要求5的前述特征部分的用于運行熱泵的方法。

【背景技術】
[0002]為了產生冷和熱，壓縮/冷蒸氣循環(huán)過程(KKKP)大體是已知的，使用的工作介質(冷卻劑)為符合DIN 8962的烴。為了加熱車輛內部，例如公共汽車的乘客空間或駕駛員室，已經使用了熱泵，其中實現(xiàn)了左旋(linkslhfiger)壓縮/冷蒸氣循環(huán)過程(KKKP)，通常采用的冷卻劑使R 134a。
[0003]在這種熱泵循環(huán)過程中，壓縮機、冷凝器、節(jié)流閥和蒸發(fā)器連續(xù)布置。工作介質(冷卻劑)作為過熱流體在壓縮機中被壓縮且輸送到冷凝器，冷凝器將潛熱和顯熱直接排出到車輛內部中或將其作為可使用的熱間接傳遞到輔助回路。在冷凝器中的氣體到液體的相變之后，通過焦耳-開爾文效應在之后的節(jié)流閥中對工作介質進行節(jié)流，并且在節(jié)流過程的結束時實現(xiàn)濕蒸汽參數(shù)。液體到氣體的相變在之后的蒸發(fā)器中進行，為此，熱從環(huán)境輸送到蒸發(fā)器。
[0004]這個已知熱泵循環(huán)過程的熱效率取決于壓縮機功率且需要較高的驅動能量。
[0005]本發(fā)明的目標是開發(fā)一種熱泵和運行熱泵的方法，使得壓縮機的驅動能量的消耗較低且因此提高熱效率。


【發(fā)明內容】

[0006]此目標借助于獨立權利要求的特征來實現(xiàn)。有利的改進是回頭對獨立權利要求進行引用的從屬權利要求的主題。
[0007]借助于根據本發(fā)明的熱泵，氣態(tài)工作介質在熱泵回路中、在壓縮機中被壓縮，并且壓縮工作介質輸送到冷凝器，工作介質在冷凝器中冷凝，同時放熱。在那里出現(xiàn)的熱作為可使用的熱直接或間接地輸送到至少一個消耗裝置、特別是乘客內部。
[0008]根據本發(fā)明的熱泵回路通過另外的功能元件補充且相對于已知的熱泵回路進行改良。因而，冷凝器之后是射流泵，一方面，在高壓力下流出冷凝器的大部分為液體的工作介質作為驅動介質通過驅動噴嘴輸送到射流泵。用語“射流泵”在這里借助于示例表示其中通過流體射流(“驅動介質”)產生泵吸動作的任何裝置，流體射流通過脈沖交換吸入另一種介質(“吸入介質”)，并且使其加速且對其進行壓縮/傳送，只要其處于足夠的壓力。
[0009]另一方面，在較低的壓力下流出蒸發(fā)器的大部分為氣態(tài)的工作介質輸送作為吸入介質。在這個情況下，由驅動介質和吸入介質構成的整個介質在射流泵中、優(yōu)選在射流泵的擴散器中壓縮成兩相混合物。
[0010]射流泵出口之后是分離器，氣態(tài)工作介質在分離器中與液體工作介質分離。
[0011]分離器的氣體出口連接到壓縮機的入口上，并且分離器的液體出口連接到節(jié)流閥的入口上。在節(jié)流閥中，對大部分為液體的工作介質進行節(jié)流，并且將其輸送到蒸發(fā)器，通過供應熱，使作為吸入介質輸送到射流泵的吸入介質入口的氣態(tài)工作介質在蒸發(fā)器中進行相變。
[0012]根據本發(fā)明在循環(huán)過程中使用射流泵顯著減少壓縮機的壓縮工作且因此有利地提高熱效率。熱泵的較低的驅動能量消耗因此增加車輛、特別是公共汽車的傳動系中的總熱動態(tài)效率，并且因此以能量節(jié)約的方式減少燃料消耗并且環(huán)保地減少CO2排放。
[0013]根據本發(fā)明的熱泵回路的有利發(fā)展具有中間熱交換器，借助于此，一方面，工作介質從冷凝器被引導到射流泵，以及，另一方面，工作介質從分離器被引導到壓縮機。相關聯(lián)的熱再生有利地導致回路中減少火用損失(Exergieverluste)。
[0014]必須針對熱泵回路規(guī)定壓力水平，使得壓縮機的出口壓力確定最高壓力水平，并且蒸發(fā)器的飽和溫度確定最低壓力水平。射流泵下游和節(jié)流閥下游的運行壓力產生兩個中間額外的壓力水平。
[0015]根據本發(fā)明的熱泵的熱泵回路可有利地利用由二氧化碳-CO2 (名稱R 744)構成的工作介質運行。這個自然工作介質是環(huán)保的且成本有效的，并且二氧化碳的正的熱動態(tài)屬性允許有效地用在熱泵中。此外，生態(tài)性方面變得越來越得到關注(例如，歐洲議會和理事會的標準2006/40/EC)，并且可通過作為工作介質的二氧化碳-CO2滿足。
[0016]可借助于根據本發(fā)明的過程實現(xiàn)的優(yōu)點對應于熱泵的那些。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0017]借助于圖來更詳細地闡述本發(fā)明:
圖1顯示噴射器內的CO2熱泵的示意圖，熱泵為射流泵且具有壓縮機，
圖2顯示根據圖1的熱泵的左旋CO2熱泵回路的Inp-h圖，
圖3顯示T-s圖以示出壓縮工作的節(jié)約，
圖4顯示沒有射流泵的熱泵(現(xiàn)有技術)的圖，以及圖5顯示根據圖4的熱泵的沒有射流泵的左旋熱泵回路的Inp-h圖。
[0018]部件列表 V壓縮機 KON冷凝器 DV節(jié)流閥 VER蒸發(fā)器
ZK中間熱交換器 EJ噴射器 SEP分離器
1ZK和V之間的工作介質(管線)
2V和KON之間的工作介質(管線)
3KON和ZK之間的工作介質(管線)
4ZK和EJ之間的工作介質(管線)
5驅動噴嘴
6吸入介質入口 7擴散器 8EJ和SEP之間的工作介質(管線)
9SEP和ZK之間的工作介質(管線)
10SEP和DV之間的工作介質(管線)
11DV和VER之間的工作介質(管線)
12VER和EJ之間的工作介質(管線)
I’ VER’和V’之間的工作介質(管線)
2’ V’和KON’之間的工作介質(管線)
3’ KON’和DV’之間的工作介質(管線)
4’ DV’和VER’之間的工作介質(管線)。

【具體實施方式】
[0019]圖4示出根據現(xiàn)有技術的沒有射流泵的熱泵的左旋壓縮/冷蒸氣循環(huán)過程(KKKP)的圖(所使用的參考標號意圖描繪連接管線和在各種情況下容納在連接管線中的工作介質兩者，以及其當前狀態(tài)):
工作介質(冷卻劑)以已知的方式作為過熱流體在壓縮機V’中被壓縮(多元性壓縮I’ 一2’)，并且輸送到冷凝器Κ0Ν’。流體的潛熱和顯熱(2’ 一3’)在冷凝器KON中直接傳遞到車輛內部，例如乘客空間或駕駛室，或作為可使用的熱間接傳遞到車輛的輔助介質回路。在冷凝器Κ0Ν’中的相變之后，在之后的節(jié)流閥DV’中對工作介質進行節(jié)流(通過焦耳-開爾文效應，3’ 一4’)。在節(jié)流過程結束時，工作介質實現(xiàn)濕蒸汽參數(shù)。兩相混合物然后輸送到蒸發(fā)器VER’。在蒸發(fā)器中進行相變，輸送到環(huán)境的熱流利用高的熱動態(tài)勢能(4’ 一 Γ)在蒸發(fā)器中傳遞到工作介質。
[0020]在圖5的Inp-h圖中描繪根據現(xiàn)有技術的這個已知回路。壓力水平P1=P1=P4對應于點I’和4’處的壓力，并且壓力水平P11=P2=P3對應于點2’和3’處的壓力水平。熱交換器中的壓力損失可忽略?？蓮膱D中推斷放出的熱qab，這個值對應于供應的熱qzu，這由壓縮功Iv補充。熱效率取決于壓縮機功率，并且對驅動能量的需求隨著壓力比率Ρπ/Ρι的升高而升聞。
[0021]本發(fā)明的目標是通過減少壓縮機V的驅動能量的消耗來改進上面的熱泵回路，增大熱效率。此外，環(huán)保且廉價的二氧化碳-CO2 (R 744)用作自然工作介質(冷卻劑)。
[0022]圖1示出根據本發(fā)明的具有作為射流泵的噴射器EJ和壓縮機V的CO2熱泵的圖。通過管線2，壓縮機V之后是冷凝器Κ0Ν。冷凝器KON的出口通過管線3連接到中間熱交換器ΖΚ，中間熱交換器ZK的出口借助于管線4連接到噴射器EJ的驅動噴嘴5。噴射器EJ在擴散器7處的出口借助于管線8通到分離器SEP，分離器SEP的氣體出口通過管線9通到中間熱交換器ΖΚ，并且中間熱交換器ZK借助于管線I通到壓縮機V的入口。分離器SEP的液體出口借助于管線10經由節(jié)流閥DV和管線11連接到壓縮機VER，壓縮機VER的出口經由管線12通到噴射器EJ的吸入介質入口 6。
[0023]上面的布置具有以下功能:
氣態(tài)工作介質CO2在壓縮機V中被壓縮(I — 2)。工作介質CO2后續(xù)輸送到冷凝器Κ0Ν，在其中進行相變(2 —3)，氣態(tài)流體在其中冷凝，并且因此產生的熱可用作可使用的熱。熱可直接傳遞到乘客空間和/或駕駛室和/或車輛的另一個內部中。備選地或并行地，可使用的熱還可輸送到車輛的熱回路并且被間接使用。
[0024]在中間熱交換器ZK中，進行熱再生(3 — 4，9 — I)，這導致回路中減少火用損失。在這個情況下，在冷凝器KON的出口處的工作介質質量流在中間熱交換器ZK中冷卻，以及，以逆流的方式，工作介質質量流在壓縮機V的上游過熱。
[0025]來自冷凝器的工作介質質量流從中間熱交換器ZK輸送到噴射器EJ，在驅動噴嘴5處作為驅動介質，其中，工作介質流體的靜態(tài)壓力降低。噴射器EJ中的靜態(tài)壓力的降低會增大工作介質流體在其橫截面中的速度，并且導致動態(tài)壓力在局部升高。這導致射流泵的作用，使得另一種介質作為吸入介質被驅動介質(來自冷凝器KON或中間熱交換器ZK的流體流)吸入和泵吸。吸入介質這里是流出蒸發(fā)器VER并且經由管線12連接到噴射器EJ的吸入介質入口 6的工作介質。在噴射器EJ的端部處，在其擴散器7中，整個介質被壓縮。噴射器EJ作為泵具有非常簡單的構造且不包含活動部件，使得其可以特別穩(wěn)定可靠的方式使用且維護量低。
[0026]來自噴射器EJ的壓縮兩相混合物通過管線8輸送到分離器SEP。在分離器SEP中，氣態(tài)CO2與液體CO2分離。氣態(tài)CO2通過管線9從分離器SEP流出到中間熱交換器ZK，并且從中間熱交換器ZK通過管線I進一步輸送到壓縮機V。
[0027]液體CO2收集在分離器中且通過管線10借助于節(jié)流閥DV和后續(xù)的管線11輸送到蒸發(fā)器VER。在蒸發(fā)器中，實現(xiàn)液體到氣體的相變，熱流輸送到液體C02。然后氣態(tài)CO2從蒸發(fā)器VER通過管線12作為吸入介質流到噴射器EJ。
[0028]圖2詳細地在Inp-h圖中示出循環(huán)過程:
為了實現(xiàn)CO2循環(huán)過程，限定了四個壓力水平。最高壓力水平P111限定壓縮機V的出口壓力，其在熱泵的設計過程中取決于冷凝器KON中的流體的飽和溫度，使得冷凝器KON中的飽和溫度必須高于散熱裝置的溫度。系統(tǒng)中的最低壓力Ptl在于蒸發(fā)器VER中的飽和溫度，其對應于熱源的溫度。噴射器EJ的下游(在8處壓縮)和節(jié)流閥DV的下游(在11處)的運行壓力產生額外的兩個中間壓力水平P1和ΡΠ。這些壓力取決于噴射器EJ的幾何構造和結構屬性。
[0029]圖3描繪了壓縮機V的壓縮工作，以示出兩熱泵概念:從I到2的過渡是用于根據4和5的對應于現(xiàn)有技術的沒有噴射器的熱泵。針對根據本發(fā)明的具有噴射器EJ的熱泵獲得從1°到2的過渡。與沒有噴射器EJ的熱泵相比，顯示了具有噴射器EJ的熱泵概念的壓縮工作較低。壓縮工作的節(jié)約在圖3的T-s圖中由陰影I — 1° — b — c標識。
【權利要求】
1.一種特別用于加熱車輛內部的熱泵， 其具有工作介質，工作介質在所述熱泵的熱泵回路中傳送，至少一個壓縮機(V)、至少一個冷凝器(KON)、至少一個節(jié)流閥(DV)和至少一個蒸發(fā)器(VER)布置在所述回路中，其特征在于， 氣態(tài)工作介質可在所述熱泵回路的壓縮機(V)中被壓縮， 所述壓縮機的出口連接到所述冷凝器(KON)的入口上，所述工作介質在所述冷凝器(KON)中冷凝，同時放熱，所述熱可作為可使用的熱直接或間接地輸送到至少一個消耗裝置、特別是車輛內部， 所述冷凝器(KON)之后是射流泵(EJ)，一方面，流出所述冷凝器(KON)的液體工作介質可作為驅動介質輸送到所述射流泵(EJ)，并且另一方面，流出所述蒸發(fā)器(VER)的氣態(tài)工作介質可作為吸入介質輸送到所述射流泵(EJ)，使得所述驅動介質和所述吸入介質在所述射流泵(EJ)中壓縮成兩相混合物，特別是所述驅動介質和所述吸入介質在所述射流泵(EJ)的擴散器(7)中壓縮成兩相混合物， 所述射流泵的出口連接到分離器(SEP)的入口上，所述兩相混合物可輸送到所述分離器(SEP)，并且所述氣態(tài)工作介質可在所述分離器(SEP)中與所述液體工作介質分離， 所述分離器(SEP)的氣體出口連接到所述壓縮機的入口上，而所述分離器(SEP)的液體出口連接到所述節(jié)流閥(DV)的入口上，可在所述節(jié)流閥(DV)中對所述液體工作介質進行節(jié)流，以及 所述節(jié)流閥(DV)的出口連接到所述蒸發(fā)器(VER)的入口上，在所述蒸發(fā)器(VER)中，通過供應熱，可使可作為吸入介質輸送到所述射流泵(EJ)的吸入介質入口(6)的氣態(tài)工作介質進行相變。
2.根據權利要求1所述的熱泵，其特征在于，所述熱泵回路另外具有中間熱交換器(ZK)，借助于此，優(yōu)選以逆流的方式，一方面，所述工作介質從所述冷凝器(KON)被引導到所述射流泵(EJ)，以及，另一方面，所述工作介質從所述分離器(SEP)被引導到所述壓縮機(V)。
3.根據權利要求1或權利要求2所述的熱泵，其特征在于， 針對所述熱泵回路規(guī)定四個壓力水平，使得 所述壓縮機(V)的出口壓力確定最高壓力水平(ρΙΠ)， 所述蒸發(fā)器(VER)中的飽和溫度確定最低壓力水平(Ρ(ι)，以及所述射流泵(EJ)的下游和所述節(jié)流閥(DV)的下游的運行壓力產生額外的兩個中間壓力水平(Ρτ，Ρπ)。
4.根據權利要求1至3中的任一項所述的熱泵，其特征在于，二氧化碳-C02(R744)用作工作介質。
5.一種用于運行熱泵、特別是根據權利要求1至4中的任一項所述的熱泵的方法， 其中，至少一個壓縮機(V)、至少一個冷凝器(KON)、至少一個節(jié)流閥(DV)和至少一個蒸發(fā)器(VER)布置在工作介質的熱泵回路中， 其特征在于， 氣態(tài)工作介質在所述熱泵回路的壓縮機(V)中被壓縮， 所述壓縮機的出口連接到所述冷凝器(KON)的入口上，所述工作介質在所述冷凝器(KON)中冷凝，同時放熱，所述熱作為可使用的熱直接或間接地輸送到至少一個消耗裝置、特別是車輛內部， 所述冷凝器(K0N)之后是射流泵(EJ)，一方面，流出所述冷凝器(K0N)的液體工作介質作為驅動介質輸送到所述射流泵(EJ)，并且另一方面，流出所述蒸發(fā)器(VER)的氣態(tài)工作介質作為吸入介質輸送到所述射流泵(EJ)，使得所述驅動介質和所述吸入介質在所述射流泵(EJ)中壓縮成兩相混合物，特別是所述驅動介質和所述吸入介質在所述射流泵(EJ)的擴散器(7)中壓縮成兩相混合物， 所述射流泵的出口連接到分離器(SEP)的入口上，所述兩相混合物輸送到所述分離器(SEP)，并且所述氣態(tài)工作介質在所述分離器(SEP)中與所述液體工作介質分離， 所述分離器(SEP)的氣體出口連接到所述壓縮機的入口上，而所述分離器(SEP)的液體出口連接到所述節(jié)流閥(DV)的入口上，以及 在所述節(jié)流閥(DV)中對所述液體工作介質進行節(jié)流，并且所述節(jié)流閥的出口連接到所述蒸發(fā)器(VER)的入口上，在所述蒸發(fā)器(VER)中，通過供應熱，使作為吸入介質輸送到所述射流泵(EJ)的吸入介質入口(6)的氣態(tài)工作介質進行相變。
6.一種車輛、特別是商用車輛，其具有根據權利要求1-4中的任一項所述的熱泵。
【文檔編號】F25B29/00GK104344602SQ201410375831
【公開日】2015年2月11日 申請日期:2014年8月1日 優(yōu)先權日:2013年8月2日
【發(fā)明者】A.許德洛 申請人:曼卡車和巴士股份公司