用于提高热力学效率的制冷设备的利记博彩app

本发明涉及一种热泵，更具体地讲，涉及改进热泵的热力学效率。

背景技术：

从国际申请WO 2009/004124的现有技术已知一种产生热量的现有设备，该设备在热力学系统中，使加压流体在交换器与压缩机之间通过热泵线路的增宽中的多个管道(其中流体为气态形式)而循环。

由于这种现有设备产生热量，就现有技术而言它难以适应形成能够在冬天的住所中用作锅炉的热泵，或者形成能够在冬天用作锅炉并且在夏天用作空调机组的可逆热泵。这种泵引起传热，而不是产生热量。

文献WO 2009/053726、US 2009/113900、JP 2001/317840、以及WO 2013/164439描述了其他现有技术的设备。

技术实现要素：

本发明的目的是克服现有技术的缺陷。

因此，本发明的一个主题是一种热泵，该热泵包括包含致冷剂流体以及润滑剂的闭合回路，所述闭合回路包括流体压缩机以及用于使流体返回到所述压缩机的返回回路，所述压缩机在所述闭合回路中、流体入口与流体出口之间延伸，所述返回回路在所述闭合回路中、与所述压缩机互补地在所述流体出口与所述流体入口之间延伸，所述返回回路包括冷凝器、膨胀器和蒸发器，所述返回回路包括在所述流体出口与所述冷凝器之间延伸的第一线路、在所述冷凝器与所述膨胀器之间延伸的第二线路、在所述膨胀器与所述蒸发器之间延伸的第三线路以及在所述蒸发器与所述流体入口之间延伸的第四线路，所述闭合回路包括所述返回回路的线路的第一增宽，所述第一增宽包含管道，所述流体包括R32第一氟利昂(二氟甲烷)、R125第二氟利昂(五氟 乙烷)、R134a第三氟利昂(1,1,1,2-四氟乙烷)，以及所述润滑剂包括合成多元醇酯油。

在本发明的一些实施方式中：

-所述闭合回路包括所述返回回路的线路的第二增宽；

-所述第一增宽定位在所述第一线路上；

-所述第二增宽定位在所述第二线路上；

-所述合成多元醇酯油是ISO VG 32等级的油。

-ISO VG 32等级的合成多元醇酯油具有商标名称RL32-3MAF；

-所述致冷剂流体是R407C氟利昂；

-所述致冷剂流体是R407A氟利昂；

-所述管道垂直定位；

-所述第一增宽垂直定位；

-所述第一增宽垂直定位并且具有上升的流体；

-所述第二增宽垂直定位。

本发明还涉及：

-上述热泵的用途，用于加热围护结构，其中所述蒸发器与所述围护结构的外部进行热接触，并且所述围护结构的内部与所述压缩机进行热接触，以提高加热操作的热力学效率；

-上述热泵的用途，用于冷却围护结构，其中所述蒸发器与所述围护结构的内部进行热接触，并且所述围护结构的外部与所述压缩机进行热接触，以提高冷却操作的热力学效率；

在一种变型中，所述致冷剂流体在所述第一增宽中上升。

具体实施方式

在以下参照但不暗示限制于附图做出的详细描述将更加清楚明白地给出本发明的上述特征和其他特征，并且其中图1示意性地示出了根据本发明的一个有益的实施方式的热泵。

为了本发明的目的，使用以下命名：

“热泵”：用于将热量从与热泵的蒸发器接触的源(热泵通过从该源(或热沉)抽取热量使之冷却)传递至与热泵的冷凝器接触的源(热泵通过将热量疏散到该源(或热源)使之加热)的热力学设备。泵还包括由外部能源提供动力的压缩机，该压缩机根据热力学第二定律使热沉的热量能够传递到热源，并且该泵还包括用于减小压缩机施加在流体上的压力的膨胀器。作为泵的换热器的冷凝器和蒸发器通过两个致冷剂流体输送分支或线路连接上，从而形成闭合回路，该闭合回路包括在分支之一中在回路中串联的压缩机以及在另一个分支中在回路中串联的膨胀器。闭合的流体回路以密封方式包含致冷剂流体，压缩机使致冷剂流体在回路中流动并且特别是通过压缩机从蒸发器循环到冷凝器，并且通过膨胀器从冷凝器循环到蒸发器。该泵被适配成用于通过在蒸发器中蒸发该流体来从热沉抽取热量，用于通过压缩机从蒸发器到冷凝器将热量传输到热源，并且通过在冷凝器中冷凝该流体将热量释放到热源中。

“可逆热泵”：在热沉与热源之间运行的热泵，其中已知的额外的流体阀系统使其能够从通过与第二交换器接触的热沉加热与第一交换器接触的热源的模式转换到通过使回路中的流体循环方向反向或者通过针对相同的流体循环方向使回路中换热器的顺序反向来冷却热源的模式。可逆热泵要求传递热量而不是产生热量。

“COP”：通过泵从热沉传递到热源的热量形式的能量Q与泵运行所需的做功形式(通常为电功)的能量W之间的能量比来表征泵的热力学效率的性能系数Q/W。高数值表征了高效泵。在不与热力学第二定律矛盾的情况下，此数值可以大于1。

“氟利昂”：由各种团体，特别是例如“ASHRAE”(美国采暖、制冷与空调工程师学会有限公司)根据编号列表分类的氯氟烃或CFC的惯用的商业名称，其中氟利昂用数字“abc”表示，其中a＝(C的数目)-1，b＝(H的数目)+1，并且c＝F的数目。如果a等于0，就在公式中将其省略。在本申请中通过氟利昂的化学式或由“氟利昂”的名称加上分类的数字abc或由F加上数字abc或由R加上abc来指代氟利昂。

在本申请中，因此将特别考虑以下各项：

-氟利昂32或R32或F32，为二氟甲烷；

-氟利昂125或R125或F125，为五氟乙烷；

-氟利昂134a或F134a或R134a，为1,1,1,2-四氟乙烷；

-氟利昂R407C，通常为23％的R32、25％的R125和52％的R134a(重量百分比)的混合物，R407A(20％、40％、40％)和R407F(30％、30％、40％)。R32、R125和R134的所有混合物用“R407氟利昂系列”指代，该系列的子系列由一组致冷剂流体或冷却剂中的所有氟利昂组成。特别是R407A中的R134a的含量比R407C中的更低。

“合成油”或“POE油”：用于润滑热泵的压缩机的合成多元醇酯油，该热泵是使用R32、R125、R134a作为致冷剂流体组合物的特别用于加热或冷却住所的热泵。这些油在泵的蒸发器和冷凝温度下可与R32、R125和R134a完全混溶，以便允许与液相的这些氟利昂混合的油从泵的冷凝器返回到蒸发器。气相的氟利昂R32、R125和R134a也可在这些油中溶解，以便确保氟利昂的气相从泵的蒸发器返回到冷凝器，并且尽可能最好地促进尤其是载有氟利昂的油雾形式的油在泵的压缩机与换热器(也就是说，由泵的蒸发器和冷凝器这两个元件组成的组件)之间输送。

“垂直定位”：在正常工作中的热泵中指的是，针对线路的增宽或线路管道，限定与重力场平行或反平行的流向的取向。此概念还表示在其中垂直管道中的两相流动状态由于其取向而比水平两相流动状态优先适用的线路或管道。更一般地说，此概念还表示具有用于流动的斜坡并且因此非水平的线路或管道。此概念因此在本发明的含义内不限于与管道或线路增宽的重力场严格平行。

闭合回路包括流体压缩机1以及用于使流体返回到压缩机的返回回路。压缩机在闭合回路中、流体入口与流体出口之间延伸，而返回回路在闭合回路中、与压缩机互补地在流体出口与流体入口之间延伸。返回回路包括冷凝器2、膨胀器3和蒸发器4。所述返回回路因此包括在流体出口与冷凝器之间延伸的第一线路、在冷凝器与膨胀器之间延伸的第二线路、在膨胀器与蒸发器之间延伸的第三线路以及在蒸发器与流体入口之间延伸的第四线路。

根据本发明，所述闭合回路包括返回回路的线路的第一增宽5，该第一增宽5包含管道50；所述流体包括R32第一氟利昂(二氟甲烷)、R125第二氟利昂(五氟乙烷)和R134a第三氟利昂(1,1,1,2-四氟乙烷)的混合物，以及包括合成多元醇酯油的润滑剂。

以下参照图1通过示例描述本发明，该图示出了具有两个线路增宽的热泵：位于泵的压缩机1的流体出口与泵的冷凝器2之间具有管道50的第一线路增宽5以及位于泵的冷凝器2与膨胀器3之间没有管道的第二增宽6。泵还具有蒸发器4。然而，也可以设置单个增宽。

例如可以使用商标并且具有12kW额定功率的用于加热的热泵。

本发明还可以用15kW功率的ANF 50型号或等于35kW功率的ANF100型号的参考热泵来实施。本发明因此不限于一个制造商或一种特定的型号。

泵可以使用内径为14毫米(14mm)的一组铜线路，从而形成相对于气体和液体密封的闭合回路，闭合回路浸没在大气中。

具有流体入口和流体出口的参考ZB38KCE压缩机1被插入到此回路中。通过从压缩机的流体出口或排出口到压缩机的流体入口或引入口而在压缩机外的闭合回路中穿行，遇到串联在闭合回路中的具有管道50的第一增宽5、冷凝器2、没有管道的第二增宽6、膨胀器3和蒸发器4。

具有管道的第一增宽在第一14mm线路上由该线路或第一增宽内径的局部增大构成。第一增宽5包含被线路的第一增宽所包围的内管道50(例如，七根内径5mm且外径8.5mm的管)。增宽的内径适于能够包围这些管，并且增宽的厚度适于承受针对泵的这部分中流体的最大压力。

针对紧凑布置的七根管，增宽的内径等于管的外径的3倍，即，大约25.5mm。针对更多数量的管，可以推导增宽的内径为以紧凑方式容纳的这些管的外径。

选择5mm的管组成的总的内部横截面等于用于15kW泵的14mm线路的内部横截面并且等于用于35kW的泵的内部横截面的两倍。

假如内部横截面更大的线路设置有增宽，将选择与第一实施方式的比值相同的管道的直径与线路的直径的比值，即，在这里比值等于14mm/5mm或2.8。

第一增宽的管道长度将等于大约22cm(针对源自的泵)，和13cm(针对源自的泵)。

在第一增宽之后，在回路中遇到冷凝器，该冷凝器为已知元件。

针对致冷剂流体和油，第二增宽被设计成在液相中工作，例如与第一增宽相同，但是第二增宽可以包括或不包括管道，这些并不被认为是用于获得在回路中除第一增宽外具有第二增宽的本发明的效果所必要的。在第二增宽的下游是膨胀器。该膨胀器是已知元件，在其入口处主要在液相中工作，并且被设计成在本发明的热泵的正常工作中产生气体和液体的两相混合物。

在膨胀器下游是蒸发器，该蒸发器为已知元件。

在一种加热模式的使用中，泵在蒸发器处与包围待加热的围护结构的大气接触，并且在冷凝器处与用于加热的围护结构的回路接触。

在一种冷却模式的使用中，泵在蒸发器处与待冷却的围护结构接触，并且在冷凝器处与包围围护结构的大气接触。

如果根据本发明的泵是可逆的，已知的流体阀可以通过用户的一个操作，使得泵从加热模式转换到冷却模式。

针对所有的泵所选择的氟利昂是R407C或R407A氟利昂，并且油是在所有工作温度下可与选择的氟利昂混溶RL32-3MAF的油。

一般来讲，为了实施本发明，将使用可互相混溶的致冷剂流体或冷却剂以及油。

由R407标识的氟利昂以及与此系列的氟利昂可混溶的油所形成的致冷剂流体系列特别地构成可以与本发明一起使用的一组流体。

独立于解释适用于通过具有管道的第一增宽和第二增宽所修改的并且与RL32-3MAF油以及R32、R125和R134a的混合物一起工作的商用泵的本发明背后的物理现象，本领域的技术人员可以使用由本申请人在许多实验期间已经观察到的以下某些指示来再现本发明并且使其适应或扩展 到致冷剂流体和油的其他混合物，并且通过本发明的教导设计具有改进的热力学效率的热泵。

估计在专利日，本发明的一般原理能够以油滴的乳状液的形式输送热泵的油，该油滴的乳状液适用于增加泵的冷凝器和蒸发器中的换热。第一和第二增宽作为本发明的装置因此易于重新产生或维持此乳状液，以适用于提升泵的换热器(冷凝器和蒸发器)的操作。

被视为与气体输送介质中的气泡(包含气体)同义的液滴或被视为与液体输送介质中的“反气泡”(包含气体的油的气泡)同义的液滴的存在，被视为提供用于输送介质冷凝或输送介质蒸发的形核位点，从而在该输送介质在泵的交换器中相变的期间利于换热。

估计此乳状液在气相中是形成气相的油的“单分散的”乳状液的微滴薄雾(即，具有直径值强烈地集中在某个共同值的微滴)，其具有足够的寿命到达冷凝器并且改善其中的换热。本发明因此使用用于在压缩机与冷凝器之间形成油的薄雾的第一装置。一个特定的装置因此是用于在油滴上施加负压的装置，该油滴由于气体在油中的溶解度而吸收了输送致冷剂气体，并且引发能够变成更细的微滴的液滴中气泡的产生。

估计此乳状液在液相中是形成液相的油的“单分散的”乳状液的微滴的混合物，该混合物具有足够的寿命到达膨胀器、穿过膨胀器到达蒸发器并且改善蒸发器内部的换热，以便最终定期地并且以具有均匀直径的油滴的油的薄雾的形式返回到压缩机，并且与商用的泵相比通过改善的润滑来提高其等熵效率。

为了提高热泵的COP，本发明因此使用位于压缩机与冷凝器之间用以形成油的薄雾的第一装置以及位于冷凝器与压缩机之间用以形成液相的油的液滴的分散体的第二装置，能够使这些液滴在穿过膨胀器时变成微滴或变成气泡并且到达蒸发器。

本领域的技术人员因此可以适配作为具有管道的第一增宽和第二增宽的本发明的技术特征以便实现此目的。

此前仅已知在气相中，具有任何氟利昂的并且作为第二热源具有管道的增宽。

因此在现有技术中无法预料到通过使用一个或两个增宽、一个特定的致冷剂流体以及与致冷剂流体可混溶的油来提高热泵的组件的热力学效率或COP。获得的效果使得设置有至少一个增宽的设计能够利用泵进行加热或冷却用途。

上述的改善并不会单独增加第一增宽边界处的温度，因此所述第一增宽并不作为第二热源进行工作。

通过本发明可以观察到，使用R407C和具有管道的单个增宽在泵上，在+7℃的条件下实现COP增大27％。

使用R407A，在相同温度下，COP增大21％。

针对ANF 50或ANF 100泵，获得了与上述COP增大百分比的相当的结果。

然而，当使用单个增宽，在温度低于+7℃时，COP提高的幅度降低。在0℃实际使用时尤其没有价值，COP增大百分比变为小于10％。

为了在-7℃至+7℃的扩展范围内实现COP增大，因此在第一增宽的基础上增加第二增宽。

在这种情况下，对于商标的机器，观察到的具有两个增宽(也称为本发明的“套件”)的热功率增大的特征是以下各项：

A)额定12kW的机器-R407C和POE油

A.1)温度7℃：制造商功率12.72kW；具有套件的功率16.1；COP增大27％

A.2)温度0℃：制造商功率10.65kW；具有套件的功率14.24；COP增大34％

A.3)温度-7℃：制造商功率8.5kW；具有套件的功率11.67；COP增大37％

B)额定12kW的机器-R407A和POE油

B.1)温度7℃：制造商功率12.67kW；具有套件的功率15.28；COP增大21％

B.2)温度0℃：制造商功率11.09kW；具有套件的功率13.65；COP增大23％

B.3)温度-7℃：制造商功率9.03kW；具有套件的功率10.32；COP增大14％

针对ANF 50泵或ANF 100泵，获得了与上述COP增大百分比的相当的结果。

因此观察到两个增宽使得能够确保COP在整个温度范围内并且尤其是在最冷的温度下增大。还观察到，在本发明的一个优选模式中，可以使用R407C以及与其可混溶的油，例如，多元醇酯或POE油。

这些结果因此证实本发明在使用热泵的节能方面的有用性。

以下会以更加详细的方式阐述此第一模式的技术特征。

第一增宽沿着闭合回路从压缩机的流体出口行走到压缩机的流体出口与冷凝器接合的第一线路上，其在长度上由线路的内径增大的第一区域、线路的内径恒定的第二区域以及线路的内径减小的第三区域组成。

按照已知的方式，可以用第一圆锥实现第一区域的直径变化，针对泵的正常流体工作条件，第一圆锥的顶角能够使穿过泵的流体的流线分离。

按照已知的方式，可以用第二圆锥实现第三区域的直径变化，针对泵的正常流体工作条件，第二圆锥的顶角能够不造成穿过泵的流体的流线分离。

在任何情况下，当致冷剂流体是氟利昂和油的混合物时，垂直定位第一增宽的第二区域将有优势。该区域因此具有用于第一增宽的烟囱构造或烟囱或垂直管道功能，通常用于与气态致冷剂流体和油滴一起工作。

这种构造通过在流体穿过第一增宽之后增加氟利昂和油滴的乳状液的寿命并且通过使它们尽管在凝聚的情况下仍然到达冷凝器，能使热量传递到冷凝器，而不是产生没有到达冷凝器的热量。

针对可溶于油(以液滴存在且与气体一起输送)中的氟利昂或氟利昂的混合物，这种垂直结构允许许多同时发生的效果，这些效果导致形成或重新产生随时间稳定的气体和油的乳状液，例如通常由压缩机在其排出出口产生的乳状液，并且其中液滴就其直径而言通常是“多分散的”(即，围绕中心值可相当程度地变化)。

在这些效果中可以提到：

-对于油滴中可溶解的气体部分，在第一圆锥中的焦耳-汤姆逊膨胀使得能够形成气泡，该气泡突变为比液滴更小并且精细的微滴；

-流体的流线分离引起第一圆锥中的死体积，从而在该处形成湍流，而湍流能够分裂输送到该处的液滴；

-通过引起沿着管的波浪并且通过沿着这些管从管壁上的油膜产生微滴泡沫，从而通过垂直管抑制或阻碍油以薄膜形式循环到冷凝器来选择液滴；

-通过利于输送微滴而非液滴，液滴的质量利于沿着管俘获液滴以及液滴在垂直管中以两相流的机制的已知方式转化成微滴泡沫，从而通过充当液滴及其质量的方向的准直器的垂直管来选择液滴；

-管和第二圆锥使流动稳定，从而在不发生凝聚并且低压下降至在回路中在第一增宽后面的冷凝器的情况下，能够输送由垂直第一增宽形成的微滴。

针对致冷剂气体和油的混合物，本领域的技术人员能够修改管的长度及其直径以便获得油分裂效果，所述效果有利于提高泵的热力学效率(现有技术已知的装置所测量的效率或COP)。

具体地讲，来自最初引入到流体回路中的混合物的循环组分的变化可以是本发明的操作的指示。针对引入的R407C的初始混合物，随着时间变化，由于操作条件(外部温度、液压回路的温度、膨胀器的调节)的变化，能够观察到在压缩机的出口处测量的混合物的组分变化。由于R407C的成分在油中溶解度差是可变的，所以在第一增宽的管中俘获油也可以解释循环组分的这种变化。

然而，这种变化也改变了循环混合物的密度，这种变化本身无法解释COP的增大、以及同时为移动更重的混合物所需要提供的电功率的增大。因此，对于根据本发明利用R407C或其变型，或与R32、R125和R134a的非标准比例的混合物的多种实际情形，油和氟利昂的相互溶解度的影响被视为在多种泵的实际情形中的发展垂直第一增宽的指示。

根据本发明，并未排除还可以使用除R32、R125和R134a的混合物之外的特定的氟利昂，只要在将第一增宽引入到与此特定的氟利昂一起工作的泵的流体回路中时观察到冷凝器的热功率增大。

更一般地讲，如上所述，在热泵的闭合回路的工作温度下，任何(氟利昂或非氟利昂)致冷剂流体和与任何气态的致冷剂流体可溶并且与任何液态致冷剂流体可混溶的油的特定的混合物，在压缩机和与该特定的混合物一起工作的热泵的冷凝器之间引入具有垂直管道的第一增宽时使得能够观察到冷凝器的热功率增大的这种特定的混合物，与本发明的教导一致。

本领域的技术人员在存在这种增大的情况下，可以调节管的长度或者调节在流体回路中第一增宽与冷凝器分离的距离，以便例如通过测量与冷凝器热接触的加热回路输出的热水温度来优化冷凝器中观察到的功率增大。本领域的技术人员在维持对冷凝器的热功率相对于严格垂直状态的效果的同时，还可以通过允许管具有使油的流动向下的斜坡的角度，来改变管的垂直状态。

针对根据本发明的并且使用R32、R125和R134a的混合物的这对致冷剂流体和油，R407C、R407A和R407F的COP的增大百分比如下：

针对穿过第一增宽的一般的致冷剂流体、油滴和气体形式的油混合物(例如，气相的氟利昂)，此结构被设计为使油的液滴规则分裂的装置，结果是形成足够稳定的液滴和气体的乳状液，就液滴的寿命而言以允许它们到达冷凝器并且形成形核位点，以提高冷凝器的换热以及泵的热力学效率。针对油和气体的泡沫混合物，将用于形成乳状液的装置的大体相同发明构思应用于具有管道的第一增宽的设计，但是不同于一种或多种气体中的液滴的乳状液，第一增宽被设计为以便形成在一种或多种气体中的气泡的乳状液。

根据在第一线路中的流体的工作温度和压力下的油和氟利昂的相对表面张力性能，并未排除通过第一线路中存在的油与氟利昂之间的第一增宽形成液滴和油的气泡的乳状液的混合模式。

通过将R407C和一种特定的RL32-3MAF油引入到垂直定位的第一增宽并且具有第二增宽而修改的泵的回路中，采用氟利昂R32、R125和R134a的混合物对本发明进行测试。

在相同的回路中引起冷凝器的热功率增大的任何致冷剂流体以及与此致冷剂流体可溶且可混溶的油，均与本发明的教导一致，并且这种增大是本发明的准则。然而，当在COP增大的同时获得功率的增大时，获得了本发明的结果。本领域的技术人员因此在引起热功率增大的致冷剂流体和油的搭配中能够通过引入第二增宽，来确定引起COP增大的致冷剂流体和油的搭配。

具体地讲，针对氟利昂，合成多元醇酯或“POE”油，包含已知与液相的氟利昂可混溶并且气相的氟利昂可溶于其中的油的系列，与具有氟利昂的本发明的教导一致。

在本发明的第二实施方式中，从泵的压力和温度角度，详细地解释了根据本发明修改的商用ANF 50热泵的操作。

使用压缩机(参考ZB38KCE)。此压缩机具有“涡旋”技术，并且它在T＝87℃的温度和P＝18bar下排出RL32-3MAF多元醇酯油、气态R32、气态R125和气态R134a的混合物。

油在提及的温度和压力下在整个闭合回路中被视为液体形式。

第一增宽是垂直的并且具有上升的流体，它在入口处经历P＝18bar和T＝84℃，并且在出口处经历P＝18bar和T＝84℃。R32、R125和R134a的混合物在出口处为气态。因此，在此实施方式的正常操作中，第一增宽的出口处的温度相对于其入口处没有增大，并且此第一增宽不会因此像热源一样工作。

冷凝器在入口处经历P＝18bar和T＝84℃，并且在出口处经历P＝18bar和T＝45℃。R32、R125和R134a的混合物在出口处为液态。

第二增宽垂直下降并且在入口处经历P＝18bar和T＝45℃，并且在出口处经历P＝18bar和T＝45℃。R32、R125和R134a的混合物在出口处为液态，在气泡出现处具有液体-气体两相。因此，在此实施方式的正常操作中，第二增宽的出口处的温度相对于其入口处没有增大，并且此第二增宽不会因此像热源一样工作。

膨胀器在出口处经历P＝7bar，T＝13℃。R32、R125和R134a的混合物在出口处为液体-气体两相混合物。

蒸发器在入口处经历P＝7bar和T＝13℃。R32、R125和R134a的混合物在出口处为气态。

压缩机在P＝4bar和T＝5℃下吸入RL32-3MAF油、R32、R125和R134的混合物。

在这种配置中，在从-7℃延伸至+7℃的温度范围内，COP的增大与以上针对第一实施方式提及的商标机器的COP的增大相当。

本发明在热泵和空调机组的领域中具有工业适用性。

本领域的技术人员在不脱离如所附权利要求书所述的本发明的范围的情况下可以获得多种修改。