Verfahren zum Betrieb einer Wärmepumpe und Wärmepumpe

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer Wärmepumpe gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1 sowie eine Wärmepumpe gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 8.

Zur Bereitstellung industrieller Nutzwärme werden oftmals Wärmepumpen der eingangs genannten Art verwendet. Eine Wärme ^¬ pumpe ist eine Maschine, die unter Aufwendung von technischer Arbeit thermische Energie in Form von Wärme aus einer Wärme ^¬ quelle mit niedrigerer Temperatur aufnimmt und zusammen mit der Antriebsenergie eines Kompressors als Abwärme an eine Wärmesenke mit höherer Temperatur abgibt. Zur temporären Speicherung, beziehungsweise zur Übertragung von Wärme dient dabei ein Fluid, welches innerhalb der Wärmepumpe mittels des Kompressors verdichtet und in einem Kreisprozess geführt wird .

Es ist bekannt, dass in Wärmepumpen beziehungsweise Dampf ^¬ kompressionswärmepumpen als Kompressor, also als Antriebsmaschine ein Verdichter eingesetzt wird. Zu den kommerziellen Verdichtern, die in Wärmepumpen eingesetzt werden gehören unter anderem Kolbenverdichter, Schraubenverdichter oder beispielsweise Turboverdichter. Das Temperaturniveau der nutzba ^¬ ren Abwärme von Wärmepumpen wird derzeit vor allem durch die Temperaturverträglichkeit der eingesetzten Verdichterkompo ^¬ nenten limitiert. Der Verdichter saugt beispielsweise ein gasförmiges Fluid mit einer bestimmten Temperatur an und verdichtet es auf einen gewünschten höheren Druck. Durch den Verdichtungsvorgang steigt je nach Wert des Isentropenexponenten des angesaugten Gases die Gastemperatur infolge der Verdichtung unterschiedlich stark auf eine sogenannte Verdichtungsendtemperatur an. So kommt es bereits häufig zum Versagen des Verdichters, sobald die Temperatur des angesaug ^¬ ten Gases einen Wert von 70°C übersteigt. Ein Temperaturwert dieser Größenordnung ist erfahrungsgemäß besonders kritisch, wenn als Verdichter sogenannte hermetische Rollkolbenverdichter eingesetzt werden. So sind enge Passungen der Verdichterbauteile, zum Beispiel die Schraubenpaarpassung bei Schrau ^¬ benverdichtern, in besonderem Maße von einer Temperatur be- dingten thermischen Ausdehnung betroffen. Werden beispielsweise unterschiedliche Komponenten des Schraubenverdichters infolge inhomogener Temperaturbeaufschlagung unterschiedlich stark thermisch ausgedehnt, so kann es zu einem Kontakt ro ^¬ tierender Bauteile mit dem Gehäuse oder zum Kontakt der ro- tierenden Bauteile untereinander kommen, was zu einem Ausfall des jeweiligen Verdichters führt. Weiterhin problematisch ist erfahrungsgemäß die Schmierung von ölgeschmierten Verdichtern bei hohen Fluidtemperaturen . Entsprechende Öle, welche in Verdichtern zur Schmierung eingesetzt werden dürfen eine ma- ximale Einsatztemperaturgrenze nicht längerfristig über ^¬ schreiten. Bei längerfristigem Überschreiten dieser Einsatztemperaturgrenze kommt es zum Verkoken des Öls und einer da ^¬ raus resultierenden Beeinträchtigung der Schmierfunktion des Verdichters. Es ist bekannt, dass die maximale Temperatur- grenze für eingesetzte Schmieröle in der Größenordnung von

140°C liegt, wobei diese Temperaturgrenze nicht längerfristig überschritten werden darf, um die Schmierfunktion des Öles aufrecht zu erhalten. Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren sowie eine Wärmepumpe der eingangs genannten Art zu schaffen, welche für den Dauerbetrieb bei besonders hohen Fluidtempera ^¬ turen geeignet ist. Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und durch eine Wärmepumpe mit den Merkmalen des Patentanspruchs 8 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Betrieb einer Wärmepumpe wird beim Verdichten des Fluids eine ionische Flüssig ^¬ keit eingesetzt. Ionische Flüssigkeiten sind in besonderem Maße für die Verdichtung des Fluids geeignet, wenn sie nicht entzündlich und thermisch stabil sind. Mit anderen Worten ist also eine Be ^¬ aufschlagung der ionischen Flüssigkeit mit hohen Temperaturen in besonderem Maße unkritisch, da nicht mit einer Entflammung der ionischen Flüssigkeit gerechnet werden muss. Aufgrund ih ^¬ res sehr geringen Dampfdruckes treten bei ionischen Flüssigkeiten kaum messbare Verdampfungserscheinungen auf. Gerade im Vergleich zu Ölen besteht aufgrund ihrer thermischen Stabili- tat keine Gefahr der Verkokung bei höheren Betriebstemperatu ^¬ ren. Unter einer ionischen Flüssigkeit versteht man organische Salze, deren Ionen durch Ladungsdelokalisierung und sterische Effekte die Bildung eines stabilen Kristallgitters behindern. Daher genügen bereits geringe thermische Energien, um die Gitterenergie zu überwinden und die feste Kristall ^¬ struktur aufzubrechen. Somit handelt es sich bei ionischen Flüssigkeiten um Salze, die bei Temperaturen unter 100°C flüssig sind, ohne dass das Salz dabei in einem Lösungsmittel wie Wasser gelöst ist. Die in ionischen Flüssigkeiten enthal- tenen Ionen sind dabei in positiv geladene Ionen, also soge ^¬ nannte Kationen und negativ geladene Ionen, also sogenannte Anionen zu unterteilen. Durch Variation der unterschiedlichen Arten der in der ionischen Flüssigkeit enthaltenen Kationen und Anionen sowie durch die Einstellung unterschiedlicher Konzentrationen der Kationen und Anionen, können die physikalisch-chemischen Eigenschaften einer ionischen Flüssigkeit in besonders weiten Grenzen variiert werden und auf technische Anforderungen hin optimiert werden. So lassen sich beispielsweise die Löslichkeit sowie der Schmelzpunkt einer ionischen Flüssigkeit durch Änderung der Zusammensetzung und Ionenkonzentration beeinflussen.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung gibt das Fluid an die ionische Flüssigkeit eine Wärmemenge ab. Eine unerwünschte Temperaturerhöhung des Fluids wird besonders ef ^¬ fizient unterbunden, wenn das Fluid einen Teil seiner Wärmemenge an die ionische Flüssigkeit abgibt. Mit anderen Worten wird also die ionische Flüssigkeit zum Kühlen des Fluids bei dessen Verdichtung verwendet. So kann beispielsweise die Tem ^¬ peratur der ionischen Flüssigkeit derart gesenkt werden, dass das Fluid eine besonders große Wärmemenge an die ionische Flüssigkeit abgeben kann und infolgedessen eine Verdichtungs ^¬ endtemperatur des Fluids auf einem unkritischen Niveau gehalten werden.

Als weiterhin vorteilhaft hat es sich gezeigt, wenn die Wär ^¬ memenge mittels eines Wärmeübertragers abgegeben wird. Mit ^¬ tels eines Wärmeübertragers kann die zuvor von dem Fluid an die ionische Flüssigkeit abgegebene Wärmemenge besonders ef ^¬ fektiv abgeführt werden, wodurch die ionische Flüssigkeit wiederum gekühlt wird und erneut Wärme vom Fluid aufnehmen kann .

Von besonderem Vorteil ist es, wenn die Wärmemenge zumindest teilweise mittels des Wärmeübertragers an die Verdampfungs ^¬ einrichtung und/oder an einen externen Verbraucher übertragen wird. Wird die abgeführte Wärmemenge an die Verdampfungsein ^¬ richtung der Wärmepumpe übertragen, so kann die Wärmepumpe besonders energieeffizient betrieben werden, da entsprechend der Wärmemenge, welche der Verdampfungseinrichtung mittels des Wärmeübertragers zugeführt wird eine dementsprechend ge ^¬ ringere zusätzliche Energiemenge an die Verdampfungseinrich ^¬ tung abgegeben werden muss, um die Verdampfung des Fluids zu ermöglichen. Mit anderen Worten kann die der Verdampfungseinrichtung der Wärmepumpe zugeführte externe und zusätzliche Wärmemenge durch die Zuführung der Wärmemenge mittels des Wärmeübertragers reduziert werden, wodurch der Energieaufwand für den Betrieb der gesamten Wärmepumpe reduziert werden kann. Des Weiteren ist es möglich, einen externen Verbraucher mittels der durch den Wärmeübertrager übertragenen Wärmemenge zu versorgen. Dieser externe Verbraucher kann beispielsweise als thermoelektrischer Generator, oder als Stirlingmotor ausgeführt sein. Mit anderen Worten kann somit die Wärmemenge besonders effizient in eine andere Energieform, also bei ^¬ spielsweise in elektrische oder mechanische Energie umgewan ^¬ delt, und als solche nutzbar gemacht werden. In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung wird als die Verdichtungseinrichtung ein Flüssigkeitsringverdichter eingesetzt. Ein Flüssigkeitsringverdichter besteht im Wesentlichen aus einem zylinderförmigen Gehäuse, welches einen exzentrisch angeordneten Rotor mit auf diesem Rotor sternförmig und gleichmäßig verteilten Flügeln umschließt. Die Zylinderlängsachse des Gehäuses verläuft dabei parallel zu einer Antriebsachse eines exzentrisch angeordneten Rotors. In dem Gehäuse befin- det sich die ionische Flüssigkeit, welche bei Rotation des

Rotors in Folge einer Zentrifugalkraft einen zum Gehäuse kon ^¬ zentrischen Flüssigkeitsring bildet. Durch das Eintauchen der sternförmig angeordneten Flügel des Rotors, werden Laufradkammern gebildet, welche durch den Flüssigkeitsring der ioni- sehen Flüssigkeit abgedichtet werden. Mit anderen Worten wird die entsprechende Laufradkammer durch das Zusammenwirken des Flüssigkeitsrings, sowie jeweils zweier auf dem Rotor ange ^¬ ordneten Flügel und den Rotor selbst gebildet, wobei stirn ^¬ seitig eine Begrenzung der jeweiligen Laufradkammer durch je- weilige, das zylindrische Gehäuse begrenzende Deckel erfolgt. Aufgrund der Exzentrizität des Rotors wird nun ein Gas, wel ^¬ ches dem Fluid entspricht bei der Rotation des Rotors ver ^¬ dichtet, da die jeweiligen Flügel aufgrund der Exzentrizität des Rotors in den Flüssigkeitsring tiefer eintauchen. Das Fluid wird nun mittels des Flüssigkeitsringverdichters an einer Stelle angesaugt, an der jeweilige Flügel lediglich in geringem Maße in den Flüssigkeitsring eintauchen und somit das Kammervolumen maximal ist. Bei im Wesentlichen einer halben Umdrehung des exzentrischen Rotors tauchen nun die Flügel in Folge der Exzentrizität maximal in den Flüssigkeitsring ein, wodurch das in der Kammer enthaltene Fluid auf einen maximal erreichbaren Wert verdichtet wird. Bei Erreichen dieser maximalen Verdichtung tritt das verdichtete Fluid aus dem zy ^¬ linderförmigen Gehäuse durch Bohrungen in den das Gehäuse be- grenzenden Deckeln des Flüssigkeitsringverdichters aus. Da ^¬ durch wird das Fluid mittels des Flüssigkeitsringverdichters in der Wärmepumpe bewegt. Da die ionische Flüssigkeit den Flüssigkeitsring im Flüssigkeitsringverdichter bildet, kann der Flüssigkeitsringverdichter auch bei hohen Temperaturen des Fluids besonders ausfallsicher betrieben werden. Die Kammern des Flüssigkeitsringverdichters werden mittels des

Flüssigkeitsringes in radialer Richtung abgedichtet, wodurch ein Kontakt der Flügel mit dem Gehäuse vollständig unterbun ^¬ den werden kann. Somit ist eine kontaktbedingte Funkenbildung ausgeschlossen, wodurch auch die Förderung und Verdichtung explosionsfähiger Fluide möglich ist. Als weiter vorteilhaft hat es sich gezeigt, wenn die ionische Flüssigkeit bei den während der Verdichtung herrschenden physikalischen Zuständen mit dem Fluid eine Mischungslücke auf ^¬ weist. Eine Mischungslücke bezeichnet bei einem Stoffgemisch einen thermodynamischen Zustand, in welchem die Komponenten des entsprechenden Stoffgemisches keine Mischung eingehen, also unlöslich sind. Mit anderen Worten befindet sich ein Stoffgemisch innerhalb dieses thermodynamischen Zustands in mindestens zwei verschiedenen Phasen mit unterschiedlichen Zusammensetzungen. Diese Phasen stehen im thermodynamischen Gleichgewicht zueinander.

Von besonderem Vorteil ist es, wenn eine Abscheideeinrichtung stromab der Verdichtungseinrichtung herangezogen wird, um die ionische Flüssigkeit vom Fluid zu trennen. Durch den Einsatz einer Abscheideeinrichtung in Form eines Gas-Flüssigkeits- Abscheiders kann die ionische Flüssigkeit besonders effektiv aus dem Fluid abgeschieden werden. Aufgrund der Tatsache, dass die ionische Flüssigkeit sowie das Fluid bei der Ver ^¬ dichtung des Fluids mittels des Flüssigkeitsringverdichters in Kontakt treten, kann es dazu kommen, dass Teile der ionischen Flüssigkeit zusammen mit dem verdichteten Fluid aus dem Flüssigkeitsringverdichter austreten und somit in den Kreislauf der Wärmepumpe eintreten. Durch den Einsatz eines Gas- Flüssigkeit-Abscheiders kann die ionische Flüssigkeit beson- ders weitgehend und stromab des Flüssigkeitsringverdichters aus dem das Fluid führenden Kreislauf der Wärmepumpe abge ^¬ schieden werden. Die vorstehend im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren beschriebenen Vorteile gelten in ebensolcher Weise für die Wärmepumpe gemäß Patentanspruch 8. Von besonderem Vorteil ist es, wenn die ionische Flüssigkeit dem Fluid über einen Sekundärkreislauf zusetzbar ist. Die durch das Verdichten des Fluids an die ionische Flüssigkeit abgegebene Wärmemenge kann besonders weitgehend abgeführt werden, wenn die ionische Flüssigkeit dem Fluid über einen Sekundärkreislauf zusetzbar ist. Dieser Sekundärkreislauf entspricht einem von dem Fluidkreislauf der Wärmepumpe unab ^¬ hängigen Kreislauf, welcher besonders gut dazu geeignet ist, die abgeführte Wärmemenge an einen Wärmeübertrager weiterzu ^¬ reichen, mittels welchem die ionische Flüssigkeit wiederum gekühlt wird. Mit anderen Worten kann also mittels des Sekun ^¬ därkreislaufs der Flüssigkeitsringverdichter kontinuierlich mittels der ionischen Flüssigkeit gekühlt werden.

Als weiterhin vorteilhaft hat es sich gezeigt, wenn die ioni- sehe Flüssigkeit nach der Verdichtungseinrichtung in einem Abscheider zumindest im Wesentlichen abscheidbar ist. Die weitgehende Abscheidung der ionischen Flüssigkeit ist besonders wichtig, da das Fluid und die ionische Flüssigkeit un ^¬ terschiedliche Stoffeigenschaften aufweisen. Da die ionische Flüssigkeit nicht dazu geeignet ist, die verschiedenen Ar ^¬ beitsprozesse (Verdichten, Kondensieren, Expandieren und Verdampfen) zusammen mit dem Fluid zu durchlaufen, wird durch das Abscheiden der ionischen Flüssigkeit der Wirkungsgrad und die Funktionsfähigkeit der Wärmepumpe besonders weitgehend aufrecht erhalten.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung er ^¬ geben sich aus den Ansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen sowie anhand der Figur. Dabei zeigt die einzige Figur (FIG 1) schematisch einen Kreispro- zess eines thermodynamischen Dampfkompressionskreislaufs für eine Wärmepumpe, welche mittels eines Flüssigkeitsringver ^¬ dichters betrieben wird. In Fig. 1 ist schematisch eine Wärmepumpe 1 dargestellt in welcher ein Fluid entsprechend der Pfeilrichtung eines Pfeils 10 mittels einer Verdichtungseinrichtung, welche als Flüssig- keitsringverdichter 3 ausgeführt ist, gefördert wird. Das

Fluid wird mittels einer Verdampfungseinrichtung, welche als Verdampfer 2 ausgeführt ist, zunächst verdampft und anschlie ^¬ ßend mittels des Flüssigkeitsringverdichters 3 verdichtet. Der Flüssigkeitsringverdichter 3 ist mit einem Flüssigkeits- kreislauf 8 fluidisch gekoppelt, wobei der Flüssigkeitsringverdichter 3 mittels des Flüssigkeitskreislaufs 8 mit einer ionischen Flüssigkeit versorgt wird. Mittels der ionischen Flüssigkeit wird der Flüssigkeitsring des Flüssigkeitsringverdichters 3 gebildet, wobei dieser Flüssigkeitsring zur Verdichtung des Fluids dient. Die ionische Flüssigkeit steht in fluidischem Kontakt mit dem Fluid der Wärmepumpe 1 und weist bei den Betriebsparametern, welche für den Flüssigkeitsringverdichter 3 gelten, sowie bei einer gegebenen Zusammensetzung der ionischen Flüssigkeit und des Fluids eine Mischungslücke mit dem Fluid auf. Die ionische Flüssigkeit nimmt somit durch dessen Kontakt mit dem Fluid einen Teil der Wärmemenge des Fluids auf und durch die Bewegung der ioni ^¬ schen Flüssigkeit innerhalb des Flüssigkeitskreislaufs 8 wird diese Wärmemenge kontinuierlich abgeführt. Während der Ver- dichtung des Fluids im Flüssigkeitsringverdichter 3 mittels der ionischen Flüssigkeit strömt ein Teil der ionischen Flüssigkeit in einen Medienkreislauf 9, welcher dem Fluidkreis- lauf der Wärmepumpe entspricht. Um diesen Teil der ionischen Flüssigkeit wiederum aus dem Medienkreislauf 9 zu entfernen, wird eine Abscheideeinrichtung, welche als Abscheider 4 ausgeführt ist verwendet. Mittels des Abscheiders 4 wird mit an ^¬ deren Worten die ionische Flüssigkeit vom im Medienkreislauf 9 enthaltenen Fluid getrennt, woraufhin die ionische Flüssig ^¬ keit wiederum dem Flüssigkeitskreislauf 8 zugeführt wird. Um die während der Verdichtung mittels des Flüssigkeitsringverdichters 3 vom Fluid an die ionische Flüssigkeit abgegebene Wärme aus dem Flüssigkeitskreislauf 8 abzuführen, ist in dem Flüssigkeitskreislauf 8 ein Wärmeübertrager 7 eingebunden, mittels welchem die abgeführte Wärmemenge zumindest im We ^¬ sentlichen an eine Wärmesenke 11, welche mit einem externen Verbraucher gekoppelt ist, und/oder an den Verdampfer 2 abgeführt wird. Durch das Zuführen zumindest eines Teils der Wär ^¬ me an den Verdampfer 2 kann der Energieaufwand zum Betrieb des Verdampfer 2 gesenkt werden. Die an die Wärmesenke 11 ab ^¬ gegebene Wärmemenge kann dazu verwendet werden, den hier nicht weiter dargestellten Verbraucher mit Wärmeenergie zu versorgen .

Die Wärmepumpe 1 umfasst zudem eine in Pfeilrichtung des Pfeils 10 nach dem Abscheider 4 angeordnete Kondensationseinrichtung, welche als Kondensator 5 ausgeführt ist und zum Kondensieren des Fluids dient. Nach dem Kondensieren des Fluids mittels des Kondensators 5 wird das Fluid mittels ei ^¬ ner Expansionseinrichtung, welche als Expansionsventil 6 aus ^¬ geführt ist expandiert. Nach dem Expandieren des Fluids tritt das Fluid wiederum in den Verdampfer 2 ein. Somit ist der Medienkreislauf 9 geschlossen.