EP4490451B1

EP4490451B1 - Wärmepumpe

Info

Publication number: EP4490451B1
Application number: EP23716590.7A
Authority: EP
Inventors: Florian Hanslik; Lennart Thomsen; Julius RÜMELIN; Roland Schneider; Thaddäus Hinterberger
Original assignee: Vertiv SRL
Current assignee: Vertiv SRL
Priority date: 2022-04-07
Filing date: 2023-04-05
Publication date: 2026-01-28
Anticipated expiration: 2043-04-05
Also published as: CN118974493A; HRP20260494T1; US20250216128A1; DE102022203525A1; EP4490451C0; WO2023194478A1; EP4490451A1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Wärmepumpe und insbesondere auf Konzepte zum Verbessern der Effizienz einer Wärmepumpe.
EP 3 203 164 B beschreibt eine Wärmepumpe. Die Fig. 20 zeigt Stand der Technik aus der EP 3 203 164 B. Die Wärmepumpe der EP 3 203 164 B wird mit Wasser als Kältemittel betrieben. Das Wasser wird vom Sumpf des Kondensators 6' durch die Zuleitung 71 ' zu dem Sumpf der Zwischenkühlung geführt. Von dem Sumpf 4'a der Zwischenkühlung 4' geht die weitere Zuleitung 72' zum Sumpf des Verdampfers 2', wodurch eine Rückführung des Kältemittels zum Verdampfer gegeben ist. Durch die Pumpe 4'c wird das Kühlwasser zur Beregnung an die Oberseite des Behälters 41 ' der Zwischenkühlung geführt, um den überhitzten Wasserdampf zu kühlen, der den Verdichter 3' verlässt. EP 3 203 164 B offenbart eine direkte Kühlung mit direkter Beregnung. Bei der direkten Beregnung wird der aus dem ersten Verdichter strömende, überhitzte Dampf durch Beregnung mit Wasser aus dem Sumpf des Zwischenkühlers auf Sattdampftemperatur heruntergekühlt. Hierbei können durch die Beregnung Tröpfchen gebildet werden, die vom Dampf weiter in Richtung des zweiten Verdichters 5' mitgerissen werden und diesen aufgrund des Tropfenschlags am Impeller beschädigen können. Außerdem wird der überhitzte Dampf erst im Zwischenkühler gekühlt. Das im Sumpf der Zwischenkühlung gesammelte Wasser entspricht daher bereits beinahe der Sattdampftemperatur. Für eine Enthitzung des überhitzen Dampfes auf Sattdampftemperaturniveau wird hierdurch eine relativ große Oberfläche bzw. lange Kontaktzeit zwischen Wasser und Dampf benötigt. Üblicherweise sind Kälteanlagen nur auf einen begrenzten Bereich der Leistungsabgabe beschränkt. Um gleichzeitig auf höhere und niedrigere Kälteleistungen reagieren zu können, müssen die Verdichter oft an/ausgeschaltet werden. Bei der EP 3 203 164 B beispielsweise ist eine Klappe zwischen den unterschiedlichen Verdichtern vorgesehen.
In der Veröffentlichung Novel Turbo Compressor for Heat Pump Using Water as Refrigerant and Lubricant von T. Shoyama et al. 2019, IOP Conf.: Mater. Sei. Eng. 604 011010 ist ein Kompressor für eine Wärmepumpe mit einem Dampfbypass V0 beschrieben, der den Dampf direkt nach dem Kompressor abgreift (siehe Fig. 21). Die Dampfführung geht vom Ausgang des zweiten Kompressors C2 wieder zum Eingang des ersten Kompressors C1.
Üblicherweise dient die Leistungsaufnahme der ersten Verdichterstufe als Führungsgröße für die zweite Verdichterstufe. Das führt dazu, dass die beiden Verdichterstufen (erste und zweite Verdichterstufe) ein ähnliches Druckverhältnis zum Gesamtdruckverhältnis beisteuern, da beide annähernd gleich schnell drehen. Hierdurch wird der zweite Verdichter nicht optimal durchströmt. Dieses wird besonders problematisch bei hohen Druckverhältnissen, weil sich aufgrund der Umgebungstemperatur und der Regelung des zweiten Verdichters durch die Leistungsaufnahme des ersten Verdichters eine Varianz an Dampfvolumenströmen ergibt. Das Verflüssigen und erneute Verdampfen im Zwischenkreis führt zu einem thermodynamischen Verlust, sodass die Druckverhältnisse der Verdichterstufen nicht gänzlich zum Gesamtverdichtungsverhältnis beitragen. Dieses ist insbesondere für den zweiten Verdichter ein Problem.
Aus der US 9 557 080 B2 ist ein Kühlkreislaufgerät bekannt, mit einem Hauptkreislauf, der aus einem Verdampfer, einem ersten Verdichter, einem Zwischenkühler, einem zweiten Verdichter und einem Verflüssiger besteht, die in dieser Reihenfolge verbunden sind, und einem verdampfungsseitigen Zirkulationsweg, der es einer im Verdampfer zurückgehaltenen Kältemittelflüssigkeit ermöglicht, über einen Wärmetauscher zur Wärmeabsorption zu zirkulieren. Der Zwischenkühler ist ein Wärmetauscher, der die Abkühlung des vom ersten Kompressor verdichteten Kältemitteldampfes durch die Kältemittelflüssigkeit ermöglicht. Ein Zuführungspfad führt dem Zwischenkühler einen Teil der Kältemittelflüssigkeit zu, die im ersten Zirkulationspfad fließt, und ein Rückgewinnungspfad führt die Kältemittelflüssigkeit vom Zwischenkühler zum Verdampfer zurück.
Aus der US 2014/0047862 A1 ist ein weiterer Kältemittelkreislauf für eine als Kühlvorrichtung arbeitende Klimaanlage bekannt, mit einem Verdampfer, einem ersten Verdichter, einem Dampfkühler, einem zweiten Verdichter und einem Verflüssiger, die in dieser Reihenfolge miteinander verbunden sind; einen Wärmeabgabekreislauf, der ein Wärmemedium zwischen dem Verflüssiger und einem ersten Wärmetauscher zirkulieren lässt, der Wärme an die Atmosphäre abgibt; und einem Wärmeaufnahmekreislauf, der ein Wärmemedium zwischen dem Verdampfer und einem zweiten Wärmetauscher zirkulieren lässt. Der Dampfkühler ist ein Wärmetauscher, der Wärme zwischen einem vom ersten Kompressor komprimierten Kältemitteldampf und dem im Wärmeabgabekreislauf strömenden Wärmeträger oder dem im Wärmeaufnahmekreislauf strömenden Wärmeträger austauscht.
Des Weiteren offenbaren Dokumente US 9 557 080 B2 und US 2014/047862 A1 jeweils eine Wärmepumpe gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine verbesserte Wärmepumpe zu schaffen, welche insbesondere ein verbessertes Konzept für einen Wärmeaustausch eines in der Wärmepumpe zirkulierenden Fluids, wie einer Kühlflüssigkeit, hat.
Diese Aufgabe wird durch eine Wärmepumpe nach Patentanspruch 1 gelöst.
Die Wärmepumpe gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst unter anderem einen Verdampfer zum Verdampfen eines Fluids, um ein verdampftes Fluid zu erhalten, wobei der Verdampfer einen Verdampfersumpf aufweist; einen Verdichter mit einer ersten Verdichterstufe und einer zweiten Verdichterstufe, wobei der Verdichter in Flussrichtung des verdampften Fluids in einem Betrieb der Wärmepumpe zwischen dem Verdampfer und einem Kondensierer angeordnet ist und ausgebildet ist, um das verdampfte Fluid zu verdichten, um verdichtetes Fluid zu erhalten; und einen Kondensierer zum Kondensieren des verdichteten Fluids. Außerdem umfasst die Wärmepumpe einen Zwischenkühler, der der mit einer Zwischenkühlungsfluidzuführungsleitung verbunden ist und der ein Wirkungselement aufweist, wobei das Wirkungselement zwischen der ersten Verdichterstufe und der zweiten Verdichterstufe angeordnet und ausgebildet ist, um eine Interaktion zwischen einem Zwischenkühlungsfluid, das durch die Zwischenkühlungsfluidzuführungsleitung zuführbar ist, und einem von der ersten Verdichterstufe ausgebbaren erwärmten dampfförmigen Fluid zu bewirken, und wobei sich die Zwischenkühlungsfluidzuführungsleitung von dem Verdampfersumpf zu dem Wirkungselement erstreckt.
Es versteht sich, dass einzelne Aspekte, welche in Bezug auf die Wärmepumpe beschrieben sind, auch als Verfahrensschritt umgesetzt werden können und umgekehrt. Weitere Details werden im Rahmen der nachfolgenden Bildbeschreibung erörtert.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf die beiliegenden Zeichnungen detailliert erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Hydraulikschema der erfindungsgemäßen Wärmepumpe;
Fig. 2 einen vergrößerten Ausschnitt aus dem Hydraulikschema nach Fig. 1, wobei eine Dampfklappe (oberer Strang) und eine Dampfbypass-Klappe (unterer Strang) eingezeichnet sind;
Fig. 3 einen schematischen Prüfstand, der dazu dient, die Verdichter der Wärmepumpe unter realen Betriebsbedingungen auf ihre Funktionsfähigkeit zu prüfen;
Fig. 4 einen schematischen Aufbau einer N-Stufen Verdichtung, wobei im dargestellten Fall N=3 ist;
Fig. 5 ein Hydraulikschema der N-Stufen Verdichtung;
Fig. 6 eine dreidimensionale Ansicht der erfindungsgemäßen Wärmepumpe;
Fig. 7 eine Draufsicht (Fig. 7a) und eine Seitenansicht (Fig. 7b) des Querschnittreduzierungselements und einen Anschluss des Querschnittreduzierungselements (Fig. 7c);
Fig. 8 ein Hydraulikschema, in welchem ein Kreislauf einer indirekten Zwischenkühlung eingezeichnet ist;
Fig. 9 ein Hydraulikschema der indirekten Zwischenkühlung mit indirektem Wärmeübertrager; Fig. 10 eine Skizze einer Seitenansicht eines Wärmeübertragerrohres;
Fig. 11 eine diametrale perspektivische Ansicht des Wärmeübertragers;
Fig. 12 ein Hydraulikschema, aus dem eine Speisung der Zwischenkühlung hervorgeht, wobei die Zwischenkühlung aus dem Verdampfersumpf gespeist wird;
Fig. 13 ein Hydraulikschema, aus dem eine Speisung der Zwischenkühlung hervorgeht, mit skizzierten Wärmeübertrager, wobei die Zwischenkühlung aus dem Verdampfersumpf gespeist wird;
Fig. 14 ein Hydraulikschema, aus dem eine Speisung der Zwischenkühlung hervorgeht, mit zusätzlichen Füllkörpern und/oder zusätzlichen Zwischenkühlungen, wobei die Zwischenkühlung aus dem Verdampfersumpf gespeist wird;
Fig. 15 ein Verdichterkennfeld;
Fig. 16 eine dreidimensionale Hüllfläche über einem korrigierten Massenstrom;
Fig. 17 eine dreidimensionale Darstellung zur Bestimmung des Volumenstromes zur Ermittlung des Korrigierten Massenstromes;
Fig. 18 ein Hydraulikschema, welches Temperatursensoren für eine Führung des zweiten Verdichters hervorhebt;
Fig. 19 Schema zur Veranschaulichung einer Regelung der Verdichterstufen der Wärmepumpe;
Fig. 20 ein Hydraulikschema einer aus dem Stand der Technik bekannten Wärmepumpe; und
Fig. 21 ein Hydraulikschema einer aus dem Stand der Technik bekannten Wärmepumpe mit Dampfbypass.

Einzelne Aspekte der hierin beschriebenen Erfindung sind nachfolgend in den Figs. 1 bis 15 beschrieben. In der vorliegenden Anmeldung betreffen gleiche Bezugszeichen gleiche oder gleichwirkende Elemente, wobei nicht alle Bezugszeichen in allen Zeichnungen, sofern sie sich wiederholen, erneut dargelegt sein müssen.
Die erfindungsgemäße Wärmepumpe 100 wird in Zusammenschau der beigefügten Figuren 1 bis 19 beschrieben, wobei einzelne Aspekte der erfindungsgemäßen Wärmepumpe in den verschiedenen Figuren 1 bis 19 mit unterschiedlichen Facetten betrachtet werden, um in Zusammenschau die einzelnen Aspekte der Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Wärmepumpe herauszustellen. Die einzelnen Aspekte der Ausführungsformen können beliebig gegeneinander ausgetauscht werden.
Fig. 1 zeigt ein Hydraulikschema der erfindungsgemäßen Wärmepumpe 100. In dem Hydraulikschema nach Fig. 1 sind eine erste Verdichterstufe 10 und ein zweite Verdichterstufe 20 zu sehen. Die erste Verdichterstufe 10 und die zweite Verdichterstufe 20 sind über einen Dampfkanal 30 miteinander verbunden. Der Dampfkanal hat vorzugweise eine gekrümmte Form mit einer Senke 32. Mathematisch gesehen weist der Dampfkanal in der Senke 32 mindestens einen Wendepunkt auf, wobei in dem mindestens einen Wendepunkt eine Krümmung null ist. Gemäß dem Hydraulikschema nach Fig. 1 ist in der Senke 32 ein Zwischenkühler 40 angeordnet. Der Zwischenkühler 40 umfasst ein Wirkungselement 42 und einen Zwischenkühlersumpf 44. Der Zwischenkühlersumpf 44 zum Sammeln von Fluid und das Wirkungselement 42 des Zwischenkühlers 40 sind über eine erste Zwischenkühler-Leitung 46 miteinander gekoppelt, wobei Fluid aus dem Zwischenkühlersumpf 44 über die erste Zwischenkühler-Leitung 46 zum Wirkungselement 42 geführt werden kann, um verdichtetes Fluid aus der ersten Verdichterstufe 10, welches insbesondere in dem Dampfkanal 30 zu der zweiten Verdichterstufe 20 geführt wird, zum Zwecke der Abkühlung zu beregnen. Ferner ist ausgehend von dem Zwischenkühlersumpf 44 eine zweite Zwischenkühler-Leitung 48 vorgesehen. Die zweite Zwischenkühler-Leitung 48 führt von dem Zwischenkühlersumpf 44 zu einem Kugellageradapter 49 zum Kühlen des Kugellageradapters 49.
Das Hydraulikschema nach Fig. 1 zeigt ferner einen der ersten Verdichterstufe 10 zugeordneten Verdampfer 50. Der Verdampfer 50 umfasst einen Verdampfersumpf 52. Der Verdampfer 50 umfasst oberhalb des Verdampfersumpfes 52 einen oberen Verdampferteil 54, in dem die erste Verdichterstufe 10 angeordnet ist. In dem Verdampfer 50 ist oberhalb des Verdampfersumpfes 52 eine Rohrleitung 56 angeordnet, welche gemäß dem gezeigten Querschnitt des Hydraulikschemas nach Fig. 1 matrixförmig oberhalb des Verdampfersumpfes 52 angeordnet ist. Die Rohrleitung 56 oberhalb des Verdampfersumpfes 52 kann von zu kühlendem Fluid durchflossen werden. Oberhalb der Rohrleitung ist eine Berieselungsvorrichtung 58 angeordnet, um die Rohrleitung 56 mit Fluid aus dem Verdampfersumpf 52 zu beregnen. Von dem Verdampfersumpf 52 zu der Berieselungsvorrichtung 58 ist eine erste Verdampfer-Leitung 59 vorgesehen, welche Fluid aus dem Verdampfersumpf 52 zu der Berieselungsvorrichtung 58 leitet. Nach einem Beregnen der Rohrleitung 56, kann das über die Berieselungsvorrichtung 58 ausgegebene Fluid in dem Verdampfersumpf 52 aufgefangen werden und erneut einem Kreislauf der Wärmepumpe 100 zugeführt werden.
Das Hydraulikschema nach Fig. 1 zeigt ferner zwischen der ersten Verdichterstufe 10 und einem Kondensierer 60 einen Überbrückungskanal 62 zum Überbrücken der zweiten Verdichterstufe 20. Über den Überbrückungskanal 62 kann verdichtetes Fluid nach einem Austritt aus der ersten Verdichterstufe 10 direkt zu dem Kondensierer 60 geleitet werden. Der Kondensierer 60 umfasst einen Kondensierersumpf 64 zum Sammeln von Fluid. Oberhalb des Kondensierersumpfes 64 ist eine Rohrleitung 56 angeordnet. Die dem Kondensierer zugeordnete Rohrleitung 56 weist jedoch keine Berieselungsvorrichtung auf. Die dem Kondensierer 60 zugeordnete Rohrleitung 56 wird von zu erwärmenden Fluid durchflossen.
Weitere Merkmale des Hydraulikschemas nach Fig. 1 werden nachfolgend in Zusammenhang mit den weiteren vorteilhaften Ausführungsformen der Wärmepumpe 100 beschrieben werden.
Fig. 2 zeigt einen vergrößerten Ausschnitt aus dem Hydraulikschema nach Fig. 1, wobei ein Querschnittreduzierungselement 70 (oberer Strang) und eine Dampfübertragungsklappe 90 (unterer Strang) eingezeichnet sind. In einem geöffneten Zustand der Dampfübertragungsklappe 90 kann dampfförmiges Fluid über eine Dampfführungsleitung 92 aus dem Kondensierer 60 in den Verdampfer 50 geführt werden. In einem geöffneten Zustand des Querschnittreduzierungselements 70 kann dampfförmiges Fluid über den Überbrückungskanal 62 direkt zu dem Kondensierer 60 geleitet werden. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die Wärmepumpe 100 den Verdampfer 50 zum Verdampfen eines Fluids, um ein verdampftes Fluid zu erhalten, wobei der Verdampfer 50 den Verdampfersumpf 52 aufweist. Ferner umfasst die Wärmepumpe 100 den Kondensierer 60, um verdampftes und von einem N-stufigen Verdichter 10, 80, 20 verdichtetes Fluid zu kondensieren, wobei der Kondensierer 60 einen Kondensierersumpf 64, einen Kondensationsbereich 66 und einen Haltebereich 67 zum Halten von einem nach dem Kondensationsbereich 66 noch verbliebenen dampfförmigen Fluid aufweist. Der N-stufige Verdichter 10, 20, 80 umfasst N Verdichter, wobei N eine natürliche Zahl größer oder gleich eins ist, wobei der N-stufige Verdichter 10, 20, 80 zwischen dem Verdampfer 50 und dem Kondensierer 60 angeordnet ist. Außerdem umfasst die Wärmepumpe 100 den Dampfkanal 30, welcher wenigstens zwei der N Verdichter des N-stufigen Verdichters 10, 20, 80 zwischen dem Verdampfer 50 und dem Kondensierer 60 koppelt. In Fig. 4 beispielsweise ist ein N-stufiger Verdichter, 10, 20, 80 gezeigt, bei dem N=3 ist. Ferner umfasst die Wärmepumpe 100 eine Dampfführungsleitung 92, die zwischen dem Kondensierer 60 und dem Verdampfer 50 angeordnet ist, um dampfförmiges Fluid aus dem Haltebereich 67 des Kondensierers 60 in den Verdampfer 50 zu führen. Figs. 2 und 4 zeigen beispielsweise eine einzige Dampfführungsleitung 92, in welcher jeweils die Dampfübertragungsklappe 90 angeordnet ist.
Fig. 3 zeigt einen schematischen Prüfstand, der dazu dient, einen einzigen Verdichter der Wärmepumpe 100 unter realen Betriebsbedingungen auf seine Funktionsfähigkeit zu prüfen. Gemäß dem Prüfstand 300 aus Fig. 3 ist N=1. Der Prüfstand 300 umfasst einen zu prüfenden Verdichter 301 und mindestens einen Drucksensor 302 zum Messen eines Verdichtungsdrucks des verdichteten Fluids. Außerdem umfasst der Prüfstand 300 mindestens einen Temperatursensor 303 zum Messen der Temperatur des verdichteten Fluids. Der mindestens eine Drucksensor 302 und der mindestens eine Temperatursensor 303 sind nahe dem zu prüfenden Verdichter 301 angeordnet. In den Prüfstand 303 hinein führt eine Fluidleitung 15 und eine Fluidleitung 15 hinaus, um Fluid, insbesondere Kühlwasser, der Rohrleitung 56 zuzuleiten bzw. von dieser abzuleiten. In Abhängigkeit eines Verflüssigungsdruckes wird der Durchfluss in den Fluidleitungen 15 geregelt. Vorzugsweise sind die Fluidleitungen 15 des Prüfstandes 300 an eine Kaltwasserringleitung (bei etwa 17°Grad Wassertemperatur) angeschlossen. Der Prüfstand 300 umfasst ein Jacob-Rohr, welches einen K4-Verflüssiger umfasst. Vorzugsweise weist das Jacob-Rohr eine Höhe von bis zu 650 mm, insbesondere 600 mm, und einen Durchmesser von bis zu 600 mm, insbesondere 500mm oder 550 mm, auf. Außerdem umfasst der Prüfstand ein weiteres Jacob-Rohr, welches eine Höhe von bis zu 300 mm, insbesondere 240 mm, und einen Durchmesser von bis zu 600 mm, insbesondere 500mm oder 550 mm, aufweist. Die Jacob-Rohre sind auf einem Behälter 45 angeordnet, in welchem das Fluid ein Fluidniveau 51 einnimmt. In dem Behälter 45 ist ein Temperatursensor 303 zum Messen eine Sumpftemperatur in dem Behälter 45 angeordnet. Oberhalb des Fluidniveaus 51 ist mindestens ein Füllkörper 7 angeordnet. Der Füllkörper 7 umfasst vorzugsweise mehrere einzelne Füllkörper, die dazu vorgesehen sind, den Dampf an einer größeren Oberfläche vorbeiströmen zu lassen, sodass dieser besonders vorteilhaft auskondensiert. Das Fluidniveau 51 ist derart in dem Behälter 45 eingestellt, dass in einem Rohr 306, welches das Fluid dem Behälter 45 zuführt, ein Abstand zwischen flüssigen Fluid und Rohrwand besteht. Dieser Abstand bildet einen Dampfdurchfluss 304 zwischen dem Wasserstande und der Rohrwand. Das Rohr 306 stellt eine Verbindung zwischen einem Ausgang des zu prüfenden Verdichters 301 und einen Eingang zu dem Behälter 45 her, um verdampftes Fluid aus dem zu prüfenden Verdichter 301 in den Behälter 45 zurückzuführen. Dass Rohr 306 ist insbesondere zweiteilig ausgeführt, wobei zwischen den beiden Rohrstücken ein Drosselventil 307 angeordnet ist, um einen Widerstand des verdampften Fluid einzustellen. Ferner wird mittels des Drosselventils 307 die Verdampfungstemperatur eingestellt. Ein Anschluss 311 des Rohres 306 an den zu prüfenden Verdichter 301 ist derart ausgebildet, dass verschiedene Querschnitte verschiedener Verdichter 301 mit dem Rohr 306 verbunden werden können. Der Prüfstand 300 weist ferner eine geometrische Struktur auf, welche als Rücklauf 308 des kondensierten Fluids aus dem zu prüfenden Verdichter 301 dient. In dem Rohr 306 ist ferner ein Wirkungselement 43 zum Beregnen der verdampften Fluids vorgesehen. Mittels einer Pumpe 310 und einer zugehörigen Leitung wird Fluid aus dem Behälter 45 in das Wirkungselement 42 des Prüfstandes 300 gepumpt. Der Prüfstand umfasst ferner einen Sensor 309, welcher insbesondere ein Volumenstromsensor ist, um einen Volumenstrom des verdampften Fluids zu messen. Eine verbundene Regelungseinrichtung empfängt die Messsignale des Volumenstromsensors und ermittelt unter anderem aus diesem Signal das Steuersignal, um dem Verdichter seine Solldrehzahl vorzugeben.
Bevorzugt ist im Kondensierer 60 der Haltebereich 67 zwischen dem Kondensationsbereich 66 und dem Kondensierersumpf 64 mit kondensiertem Arbeitsfluid angeordnet. Eine Öffnung 65 der Dampfführungsleitung 92 ist in dem Haltebereich 67 oberhalb eines Füllstands 68, insbesondere eines Fluidniveaus 51, des Arbeitsfluids in dem Kondensierersumpf 64 angeordnet. Die Öffnung 65 der Dampfführungsleitung 92 umfasst ein Kanalstück, welches durch den Kondensierersumpf 64 hindurch in den Haltebereich 67 ragt, um verdampftes, also nicht kondensiertes, Fluid über die Dampfführungsleitung 92 zum Verdampfer 50 zu leiten.
Bevorzugt ist im Kondensierer 60 der Kondensierersumpf 64 mit kondensiertem Arbeitsfluid angeordnet. Die Dampfführungsleitung 92 erstreckt sich von dem Haltebereich 67 durch den Kondensierersumpf 64 hindurch und ist durch eine Wand, vorzugweise einen Boden, des Kondensierers 60 aus dem Kondensierer herausgeführt. In Figs. 2 und 4 beispielsweise ist gezeigt, wie sich die Dampfführungsleitung 92 durch einen Boden des Kondensierersumpfes 64 hindurch erstreckt. Es ist denkbar, dass sich die Dampfführungsleitung 92 durch eine Wand, insbesondere eine Seitenwand, durch den Kondensierersumpf 64 hindurch erstreckt.
Bevorzugt weist der Kondensierer 60 ein Rohrbündel 56a oder eine spiralförmige Rohranordnung 56b auf, das bzw. die von zu erwärmender Flüssigkeit durchflossen werden kann, wobei das Rohrbündel 56a oder die spiralförmige Rohranordnung 56b seitlich bezüglich der Öffnung 65 der Dampfführungsleitung 92 angeordnet ist, und wobei oberhalb des Rohrbündels 56a oder der spiralförmigen Rohranordnung 56b ein Ansaugstutzen 12 eines Verdichters des N-stufigen Verdichters 10, 20, 80 angeordnet ist. Das Rohrbündel 56a oder die spiralförmige Rohranordnung 56b werden vorliegend auch als Rohrleitung 56 bezeichnet.
Bevorzugt weist die Dampfführungsleitung 92 eine Öffnung 55 in den Verdampfer 50 auf, wobei die Öffnung 55 oberhalb des Verdampfersumpfs 52 in dem Verdampfer 50 angeordnet ist. Die Dampfführungsleitung 92 weist somit zwei Öffnungen 55, 65 auf, wobei die eine Öffnung durch den Kondensierersumpf 64 hindurchführt und die andere Öffnung 55 oberhalb des Verdampfersumpfes 52 in den Verdampfer 50 mündet. Dies ist beispielsweise den Figs. 2 und 4 zu entnehmen.
Bevorzugt ist im Verdampfer 50 ein Rohrbündel 56a für zu kühlende Flüssigkeit und eine Berieselungsvorrichtung 58 zum Berieseln des Rohrbündels 56a angeordnet, wobei die Öffnung 55 der Dampfführungsleitung in den Verdampfer 50 so angeordnet ist, dass dampfförmiges Fluid, das durch die Öffnung 55 in den Verdampfer 50 gelangt, seitlich auf das Rohrbündel 56a trifft, und/oder dass das dampfförmige Fluid, das aus der Dampfführungsleitung 92 austritt, in einen Berieselungsbereich 57 eintritt, der zumindest teilweise von der Berieselungsvorrichtung 58 berieselt wird. Wie beispielsweise Figs. 1, 2 oder 4 zu entnehmen ist, wird der Berieselungsvorrichtung 58 über eine erste Verdampfer-Leitung 59 zwischen dem Verdampfersumpf 52 bis zu der Berieselungsvorrichtung 58 Fluid aus dem Verdampfersumpf 52 zugeführt. Nach Berieselung des Rohrbündels 56a in dem Verdampfer 50 kann das zur Berieselung genutzte Fluid wieder durch den Verdampfersumpf 52 aufgefangen werden und erneut einem Kreislauf der Wärmepumpe 100 zugeführt werden.
Bevorzugt weist jeder Verdichter des N-stufigen Verdichters 10, 20, 80 eine eigene Welle auf, auf welcher der entsprechende Verdichter des N-stufigen Verdichters 10, 20, 80 während eines Betriebes betreibbar und einzeln ansteuerbar ist. Wie den Figs. 1, 2 oder 4 beispielsweise zu entnehmen ist, weist jeder Verdichter einen eigenen Motor M auf. Die Verdichter des N-stufigen Verdichters 10, 20, 80 können daher unabhängig voneinander betrieben oder einzeln gerade nicht betrieben werden.
Bevorzugt umfasst der N-stufige Verdichter 10, 20, 80 N in Reihe geschaltete Verdichter, wobei die Dampfführungsleitung 92 als eine einzige Dampfführungsleitung 92 ausgebildet ist und das dampfförmige Fluid, das von einer letzten Stufe in den Kondensierer 60 gebracht worden ist, von dem Kondensierer 60 in den Verdampfer 50 führt (siehe Figs. 2, 4 und 5). In Fig. 5 ist ein Hydraulikschema der N-Stufen Verdichtung gezeigt. In Fig. 5 beispielsweise ist das Querschnittreduzierungselement 70 als ein Ventil ausgebildet dargestellt. Der N-stufige Verdichter 10, 20, 80 ist als N in Reihe geschaltete Verdichter dargestellt, welche zwischen dem Verdampfer 50 und den Kondensierer 60 geschaltet sind.
Bevorzugt sind mindestens zwei Verdichter des N-stufigen Verdichters 10, 20, 80 über einen Dampfkanal 30 verbunden und zwischen zwei Verdichtern ist jeweils ein Zwischenkühler 40 angeordnet, um das dampfförmige Fluid zu kühlen (siehe Fig. 4). Jeder Zwischenkühler 40 umfasst ein Wirkungselement 42 und einen Zwischenkühlersumpf 44 (siehe Fig. 4). Der Zwischenkühlersumpf 44 ist jeweils zum Sammeln von Fluid und das Wirkungselement 42 des jeweiligen Zwischenkühlers 40 ist jeweils über eine erste Zwischenkühler-Leitung 46 miteinander gekoppelt, wobei Fluid aus dem Zwischenkühlersumpf 44 über die erste Zwischenkühler-Leitung 46 zum Wirkungselement 42 geführt werden kann. Nach Passage des jeweiligen Wirkungselements 42 kann das Fluid durch den Zwischenkühlersumpf 44 aufgefangen werden. Das Fluid kann dann erneut einem Kreislauf der Wärmepumpe 100 zugeführt werden. In Fig. 5 wurde der Übersichtlichkeit wegen verzichtet, zwischen den Verdichtern des N-stufigen Verdichters 10, 20, 80 jeweils einen Zwischenkühler 40 darzustellen.
Bevorzugt ist der Zwischenkühler 40 in einer Senke 32 des Dampfkanals 32 angeordnet und der Zwischenkühler 40 weist einen Zwischenkühlungssumpf 44 und ein Wirkungselement 42 auf, wobei das Wirkungselement 42 ausgebildet ist, um eine Interaktion zwischen einem Zwischenkühlungsfluid, dass durch eine Zuführungsleitung, insbesondere der ersten Zwischenkühler-Leitung 46, aus dem Zwischenkühlungssumpf 44 oder aus dem Verdampfersumpf 52 oder aus dem Kondensierersumpf 64 in das Wirkungselement 42 fließen kann, und einem von dem Verdichter ausgebbaren erwärmten dampfförmigen Fluid zu bewirken, wobei die Interaktion insbesondere ein Abkühlen des von dem Verdichter abgegebenen dampfförmigen Fluides durch das Zwischenkühlungsfluid bewirkt (siehe Figs. 2 und 4). Bevor das dampfförmige Fluid in dem Dampfkanal 30 von der zweiten Verdichterstufe 20 angesogen wird, wird das dampfförmige Fluid durch den Zwischenkühler 40 abgekühlt.
Bevorzugt weist jeder Zwischenkühler 40 einen Zwischenkühlungssumpf 44 und ein Wirkungselement 42 auf und ist in einer eigenen Senke 32 in dem Dampfkanal 30 angeordnet, insbesondere weist jeder Zwischenkühler 40 eine eigene erste Zwischenkühler-Leitung 46 zum Wirkungselement 42 auf. Die erste Zwischenkühler- Leitung 46 kann auch als Zuführungsleitung bezeichnet werden. Insbesondere bei mehreren Zwischenkühlungssümpfen 44 können die Zuführleitungen, also die ersten Zwischenkühler-Leitungen 46, auch untereinander verbunden sein (nicht in den Figs. gezeigt), so dass die Zuführungsleitungen dann insgesamt nur eine Zuführungsleitung ausbilden.
Bevorzugt weist der Dampfkanal 30 zwischen zwei Verdichtern eine gekrümmte Form mit der Senke 32 auf, sodass Fluid aus dem Dampfkanal 30 an dem Zwischenkühlungssumpf 44 vorbei strömt. Kondensierendes Fluid kann in dem Zwischenkühlungssumpf 44 aufgefangen werden.
Bevorzugt sind die Dampfführungsleitung 92 und der Dampfkanal 30 fluidisch voneinander getrennt. Mit fluidisch voneinander getrennt ist vorliegend gemeint, dass die Dampfführungsleitung 92 und der Dampfkanal 30 nicht ineinander zusammengeführt sind, welches eine Durchmischung des Fluids erlauben würde. Daher sind die Dampfführungsleitung 92 und der Dampfkanal 30 in den Figs. 2 und 4 zum Beispiel mit gestrichelten Linien gezeichnet, um dazustellen, dass die Dampfführungsleitung 92 und der Dampfkanal 30 voneinander getrennt sind. Wohlgemerkt bilden die Dampfführungsleitung 92 und der Dampfkanal 30 einen Kreislauf, in dem das Fluid in der Wärmepumpe 100 zirkuliert. Der Dampfkanal 30 oder die Dampfkanäle 30 ist/sind zwischen dem Verdampfer 50 und dem Kondensier 60 in dem oberen Strang angeordnet. Die Dampfführungsleitung 92 ist zwischen dem Verdampfer 50 und dem Kondensier 60 in dem unteren Strang angeordnet.
Bevorzugt sind weitere N Verdichter derart angeordnet, dass durch Schalten eines Schalters in einen geöffneten Zustand ein weiterer Verdichter der N Verdichter in Reihe zu einem ersten Verdichter des N-stufigen Verdichters 10, 20, 80 geschaltet ist. In Fig. 5 sind n+1 Verdichter zum ersten Verdichter 10 schematisch skizziert. Der n+1 Verdichter ist mit gestrichelten Linien gezeichnet, was das Hinzuschalten der einzelnen Verdichter des N-stufigen Verdichters 10, 20, 80 andeuten soll. Vorliegend umfasst die erste Verdichterstufe 10 den ersten Verdichter. Die zweite Verdichterstufe umfasst den zweiten Verdichter. Eine n-te Verdichterstufe umfasst einen n-ten Verdichter, wobei n eine natürliche Zahl ist.
Bevorzugt ist in der Dampfführungsleitung 92 eine Überbrückungsklappe 90 angeordnet, welche zum Führen des dampfförmigen Fluids von dem Kondensierer 60 zum Verdampfer 50 in eine geöffnete Stellung, eine Zwischenstellung oder, zum Vermeiden des Führens des dampfförmigen Fluids in den Verdampfer, in eine geschlossene Stellung überführbar ist. Ähnlich wie das Querschnittreduzierungselement 70 kann die Überbrückungsklappe 90 als eine Blende oder eine Flügeltür oder eine Rückschlagklappe oder als ein Ventil, wie beispielsweise in Fig. 5 gezeigt ist, ausgebildet sein. Die Wärmepumpe 100 umfasst ferner eine Steuerung zum Steuern der Überbrückungsklappe 90 in die geöffnete Stellung, in die Zwischenstellung oder in die geschlossene Stellung.
Bevorzugt ist die Überbrückungsklappe 90 als ein gesteuertes Überbrückungsventil ausgebildet, welches mittels der Steuerung ansprechbar ist, um nahe einer Grenzlinie eines dem N-stufigen Verdichter 10, 20, 80 zugeordneten Verdichterkennfeldes 170 betrieben zu werden. Die Ausbildung der Überbrückungsklappe 90 als ein gesteuertes Überbrückungsventil ist beispielsweise in Fig. 5 gezeigt. Die Überbrückungsklappe 90 kann vorliegend auch als Dampfübertragungsklappe 90 bezeichnet werden.
Ein dem N-stufigen Verdichter 10, 20, 80 zugeordnetes Verdichterkennfeld 170 definiert eine Beziehung zwischen einem Druckverhältnis und einem Massenstrom. Ein solches Verdichterkennfeld 170 ist beispielsweise in Fig. 15 gezeigt. Das Verdichterkennfeld 170 ist als dreidimensionales Feld zu verstehen, wobei die dritte Dimension durch Schattierungen in dem zweidimensionalen Koordinatensystem wiedergegeben ist, welches durch das Druckverhältnis PiC und dem, insbesondere korrigierten, Massenstrom WcCorr aufgespannt ist. Das Druckverhältnis PiC beschreibt ein Verhältnis der Drücke zwischen Verdampfer 50 und Kondensierer 60, d.h. zwischen den Verdichterstufen 10, 20, 80. Bei dem Verdichterkennfeld 170 ist eine Pumpgrenze 171 vorhanden ist, die eine monoton ansteigende Funktion zwischen dem Massenstrom und dem Druckverhältnis darstellt. Die Überbrückungsklappe 90 wird gesteuert, um sicherzustellen, dass für einen bestimmten Massenstrom das Druckverhältnis kleiner als ein Grenz-Druckverhältnis ist, das gemäß der Funktion dem bestimmten Massenstrom zugeordnet ist. In Fig. 15 zeigen die gepunkteten Linien 172 Linien gleicher Drehzahl bei einer gemessenen Verdampfungstemperatur von 18° Grad.
Bevorzugt ist die Steuerung dazu ausgebildet, die Überbrückungsklappe 90 in eine geschlossene Stellung, in eine geöffnete Stellung, oder in eine Zwischenzustellung zu überführen, um eine Last des N-stufigen Verdichters 10, 20, 80 während eines Betriebes mindestens auf einem Last-Sollwert zu halten. Die Pumpgrenze 171 kann insbesondere den Last-Sollwert beschreiben, welcher insbesondere auch eine Funktion in Abhängigkeit des Massenstroms WcCorr sein kann. Insbesondere ist die Steuerung dazu ausgebildet, die Überbrückungsklappe 90 derart anzusteuern, dass ein Betrieb der Wärmepumpe 100 im Wesentlichen entlang der Pumpgrenze 171 erfolgt bzw. in einem geringfügig zu größeren Massenströmen WcCorr verschobenen Bereich, sodass ein Betrieb des Verdichters unterhalb seiner Schluckgrenze in vorteilhafter Weise verhindert ist.
Bevorzugt ist die Steuerung dazu ausgebildet, um die Überbrückungsklappe 90 zu öffnen, wenn die Last des N-stufigen Verdichters 10, 20, 80 den Last-Sollwert unterschreitet; oder die Überbrückungsklappe 90 zu schließen, wenn die Last des N-stufigen Verdichters 10, 20, 80 den Last-Sollwert überschreitet, um eine zusätzliche Last zu erzeugen; oder die Zwischenstellung der Überbrückungsklappe 90 in Abhängigkeit der Unterschreitung des Last-Sollwertes zu steuern. Hierdurch kann erreicht werden, dass die Wärmepumpe im Wesentlichen entlang der Pumpgrenze 171 betrieben wird. Beispielsweise kann die Überbrückungsklappe 90 in die Zwischenstellung überführt werden, wenn die Last des N- stufigen Verdichters 10, 20, 80 von dem Last-Sollwert um bis zu 5% abweicht. Dieses kann ausgehend von der geöffneten oder von der geschlossenen Stellung der Überbrückungsklappe 90 erfolgen. Der Last-Sollwert gibt eine Last der Wärmepumpe 100 während eines Betriebes an, welche mindestens durch den N-stufigen Verdichter 10, 20, 80 zu erreichen ist.
Bevorzugt ist bei einem zweistufigen Verdichter 10, 20, wie dieser beispielsweise in Fig. 2 gezeigt ist, der zweite Verdichter ausgeschaltet, wenn die Überbrückungsklappe 90 geöffnet ist, oder bei einem mehrstufigen Verdichter (wie beispielsweise in Fig. 4 oder 5 gezeigt) alle Stufen außer einer ersten Stufe 10 ausgeschaltet sind, wenn die Überbrückungsklappe 90 geöffnet ist. Sobald also alle Verdichterstufen bis auf eine abgeschaltet sind, wird die Überbrückungsklappe 90 geöffnet. Sofern mindestens eine weitere Verdichterstufe neben der einen Verdichterstufe, welche bereits in Betrieb ist, angeschaltet wird, wird die Überbrückungsklappe 90 geschlossen oder gegebenenfalls in eine Zwischenstellung überführt. Beispielsweise kann der erste Verdichter 10 in Abhängigkeit von einer Drehzahl eines Verdichterantriebs gesteuert sein, um die Drehzahl der ersten Verdichterstufe 10 einer geforderten Leistung des ersten Verdichters 10 anzupassen.
Fig. 6 zeigt eine dreidimensionale Ansicht der erfindungsgemäßen Wärmepumpe 100. Die Wärmepumpe 100 umfasst die erste Verdichterstufe 10 und die zweite Verdichterstufe 20. Die erste Verdichterstufe 10 und die zweite Verdichterstufe 20 sind über den gekrümmten Dampfkanal 30 miteinander verbunden, wobei der Dampfkanal 30 den Zwischenkühler 40 aufweist. Ferner ist der Ansicht aus Fig. 6 zu entnehmen, dass die erste Verdichterstufe 10 mit dem Kondensierer 60 über den Überbrückungskanal 62 verbunden ist, wobei im Überbrückungskanal 62 das Querschnittreduzierungselement 70 angeordnet ist. Die Wärmepumpe 100 wurde auch schon in Bezug auf Fig. 1 beschrieben. Gemäß der Ansicht der Fig. 6 sind nicht alle Einzelheiten zu entnehmen, welche beispielsweise das Hydraulikschema nach Fig. 1 offenbart. Die Größenverhältnisse sind der in der Fig. 6 gezeigten Wärmepumpe 100 jedoch zu entnehmen, so weist beispielsweise der Dampfkanal 30 einen mittleren Durchmesser auf, der ungefähr der Hälfte der Breite des Kondensierers entspricht. Insofern wird zur Beschreibung der Fig. 6 auch auf die Beschreibung zu Fig. 1 oder einer anderen Fig., welche ein Hydraulikschema der erfindungsgemäßen Wärmepumpe 100 zeigt, verwiesen.
Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Wärmepumpe 100 umfasst einen Verdampfer 50 zum Verdampfen eines Fluids, um verdampftes Fluid zu erhalten. Ferner umfasst die Wärmepumpe 100 einen Kondensierer 60 zum Kondensieren eines verdichteten Fluids. Außerdem umfasst die Wärmepumpe 100 einen Verdichter mit einer ersten Verdichterstufe 10 und einer zweiten Verdichterstufe 20, wobei der Verdichter in Flussrichtung des verdampften Fluids in einem Betrieb der Wärmepumpe 100 zwischen dem Verdampfer 50 und dem Kondensierer 60 angeordnet ist und ausgebildet ist, um das verdampfte Fluid zu verdichten, um verdichtetes Fluid zu erhalten. Vorschlagsgemäß ist ein Überbrückungskanal 62 zwischen der ersten Verdichterstufe 10 und dem Kondensierer 60 angeordnet, um die zweite Verdichterstufe 20 zu überbrücken, wobei in dem Überbrückungskanal 62 ein Querschnittreduzierungselement 70 angeordnet ist, um einen Querschnitt des Überbrückungskanals 62 einzustellen, um einen Durchfluss von verdichtetem Fluid aus der ersten Verdichterstufe 10 zu dem Kondensierer 60 zu regeln. Nach Austritt aus der ersten Verdichterstufe 100 kann verdichtetes Fluid somit direkt zu dem Kondensierer 60 geleitet werden, sofern das Querschnittreduzierungselement 70 eine geöffnete Position einnimmt. Insbesondere wenn die zweite Verdichterstufe 20 nicht in Betrieb ist, d.h. sie sich in einem ausgeschalteten Zustand befindet, ist das Querschnittreduzierungselement 70 in der geöffneten Position.
Bevorzugt sind die erste Verdichterstufe 10 und die zweite Verdichterstufe 20 über den Dampfkanal 30 verbunden (siehe auch Beschreibung zu Fig. 1). Der Dampfkanal 30 ist gekrümmt, insbesondere bananenförmig, d.h. gebogen, ausgebildet. Der Dampfkanal 30 kann eine Senke 32 aufweisen, in welcher ein Behälter 45, oder auch Zwischenkühlersumpf 44 genannt, angeordnet ist, um Fluid, welches den Dampfkanal 30 passiert, zu sammeln, sofern das den Dampfkanal 30 passierende gasförmige Fluid kondensiert. Dadurch, dass der Behälter 45 in der Senke 32 angeordnet ist, kann durch Ausnutzung der Gravitationskraft kondensiertes Fluid automatisch, insbesondere ohne weitere technische Mittel, in den Behälter 45 geleitet werden.
Bevorzugt weist der Überbrückungskanal 62 eine Öffnung in die erste Verdichterstufe 10 auf, wobei die erste Verdichterstufe 10 einen Ansaugstutzen 12 zum Ansaugen des verdampften Fluids und einen Leitraum 14 aufweist, um das dampfförmige verdichtete Fluid in den Überbrückungskanal 62 zu leiten. Der Ansaugstutzen 12 kann konus-förmig ausgebildet sein, wobei ein erster Durchmesser in einem Ansaugbereich des Ansaugstutzens 12 zum Ansaugen des Fluids angeordnet ist und ein zweiter Durchmesser des Ansaugstutzen 12 unmittelbar an den Leitraum 14 anschließt. Insbesondere ist der erste Durchmesser größer als der zweite Durchmesser ausgebildet. Vorliegend ist der erste Durchmesser ein maximaler Durchmesser 16 und der zweite Durchmesser ein minimaler Durchmesser 17. Der Leitraum 14 ist quer, insbesondere im Wesentlichen orthogonal, zu dem zweiten Durchmesser des Ansaugstutzen 12 angeordnet.
Bevorzugt weist der Kondensierer 60 eine Rohrleitung 56 auf. Die Rohrleitung 56 ist bevorzugt als ein Rohrbündel 56a oder eine spiralförmige Rohranordnung 56b ausgebildet, das bzw. die von zu erwärmender Flüssigkeit durchflossen werden kann, wobei das Rohrbündel 56a oder die spiralförmige Rohranordnung 56b seitlich bezüglich einer weiteren Öffnung des Überbrückungskanals 62 angeordnet ist, und wobei oberhalb des Rohrbündels 56a oder der spiralförmigen Rohranordnung 56b ein Ansaugstutzen 12 eines Verdichters der zweiten Verdichterstufe 20 angeordnet ist.
Bevorzugt ist die weitere Öffnung des Überbrückungskanals 62 so angeordnet, dass dampfförmiges Fluid, das durch die weitere Öffnung in den Kondensierer 60 gelangt, seitlich auf das Rohrbündel 56 trifft. Dadurch das die Rohrleitung 56, d.h. das Rohrbündel 56a oder die spiralförmige Rohranordnung 56b, seitlich bezüglich einer weiteren Öffnung des Überbrückungskanals 62 in dem Kondensierer 60 angeordnet ist, trifft verdampftes verdichtetes Fluid nach Passage des Überbrückungskanals 62 direkt aus die Rohrleitung 56, an welcher das verdampfte und verdichtete Fluid abgekühlt werden kann. Dadurch das die Rohrleitung 56 mit zu erwärmenden Fluid durchflossen werden kann, erfolgt ein Wärmeübertrag von dem verdampften und verdichteten Fluid, welches aus dem Überbrückungskanal 62 seitlich auf die Rohrleitung 56 trifft, über die Rohrleitung 56 auf das die Rohrleitung durchströmende zu erwärmende Fluid. Bei Auftreffen des verdampften und verdichteten Fluids an der Rohrleitung 56 wird das verdampfte und verdichtete Fluid abgekühlt, so dass es zu einer Kondensation kommen kann. Ein an der Rohrleitung 56 kondensiertes Fluid kann, insbesondere schwerkraftbedingt, in den Kondensierersumpf 64 tropfen.
Bevorzugt ist das Querschnittreduzierungselement 70 dazu ausgebildet, in Abhängigkeit des Betriebs der zweiten Verdichterstufe 20 eine geschlossene Position oder eine geöffnete Position einzunehmen, wobei das Querschnittreduzierungselement 70 dazu ausgebildet ist, die geschlossene Position einzunehmen, wenn die zweite Verdichterstufe 20 eingeschalten ist, oder die geöffnete Position einzunehmen, wenn die zweite Verdichterstufe 20 ausgeschalten ist. Abhängig von dem Betrieb der zweiten Verdichterstufe 20 kann das Querschnittreduzierungselement 70 in die geschlossene oder die geöffnete Position überführt werden. Es ist außerdem denkbar, das Querschnittreduzierungselement 70 in eine Zwischenposition, also eine Position zwischen der geöffneten und der geschlossenen Position zu überführen, insbesondere dann, wenn die zweite Verdichterstufe 20 herunter- (ausgeschaltet) oder hochgefahren (eingeschaltet) wird.
Bevorzugt ist das Querschnittreduzierungselement 70 in der geschlossenen Position mittels einem Federelement (nicht gezeigt) vorgespannt. Sofern die zweite Verdichterstufe 20 abgeschaltet wird, kann das vorgespannte Federelement, insbesondere durch Fehlen eines Ansaugens von verdichteten Fluid der ersten Verdichterstufe 10 durch den Dampfkanal 30, entspannen, so dass das Querschnittreduzierungselement 70 in die geöffnete Position übergeht. Das verdichtete Fluid aus der ersten Verdichterstufe 10 kann darauf hin den Überbrückungskanal 62 passieren, wodurch die zweite Verdichterstufe 20 überbrückt wird.
Bevorzugt ist das Querschnittreduzierungselement 70 eine Klappe oder eine Blende oder eine Flügeltür oder eine Rückschlagklappe. Fig. 7 zeigt in Fig. 7a eine Draufsicht auf das Querschnittreduzierungselement 70 und in Fig. 7b eine Seitenansicht aus das Querschnittreduzierungselement 70. Das Querschnittreduzierungselement 70 ist in dem Überbrückungskanal 62 zwischen einem Ausgang der ersten Verdichterstufe 10 und dem Kondensierer 60 angeordnet (siehe. Beispielsweise Fig. 1, Fig. 2 oder Fig. 4). Ein Durchmesser 72 des Querschnittreduzierungselements 70 (wie in Fig. 7a gezeigt) kann einem Durchmesser des Überbrückungskanals 62 entsprechen oder kleiner als der Durchmesser des Überbrückungskanals 62 sein. Der Durchmesser des Überbrückungskanals 62 kann beispielsweise 10mm aufweisen. Selbstverständlich kann der Durchmesser des Überbrückungskanals 62 auch einen anderen Durchmesser aufweisen. In der Seitenansicht des Querschnittreduzierungselements 70 (wie in Fig. 7b gezeigt) ist der Durchmesser 72 des Querschnittreduzierungselements 70 kleiner als der Durchmesser des Überbrückungskanals 62 ausgebildet. Fig. 7c zeigt einen Ausschnitt aus Fig. 7b hinsichtlich eines Anschlusses des Querschnittreduzierungselements 70 zum Steuern des Querschnittreduzierungselements 70 in die geöffnete oder geschlossene Position. Weitere Anforderungen des Querschnittreduzierungselements 70 können beispielsweise der DIN EN ISO 5211 entnommen werden.
Bevorzugt weist die Wärmepumpe 100 eine Steuerung zum Steuern des Querschnittreduzierungselements 70 in die geöffnete Position oder die geschlossene Position auf. Je nach Ausbildung des Querschnittreduzierungselements 70 als Klappe oder Blende oder Flügeltür oder Rückschlagklappe ist die Steuerung ausgebildet die Klappe oder Blende oder Flügeltür oder Rückschlagklappe anzusteuern. Bei Ausbildung beispielsweise als Blende ist die Steuerung dazu ausgebildet, einen Durchmesser der Blende zu vergrößern oder zu verkleinern.
Bevorzugt ist die erste Verdichterstufe 10 dazu ausgebildet, einen maximal leistbaren Druck aufzubauen, und das Querschnittreduzierungselement 70 ist dazu ausgebildet, die geöffnete Position einzunehmen, wenn ein Druckverhältnis zwischen dem Kondensiererdruck Tl2und dem Verdampferdruck Th kleiner als der maximal leistbare Druck der ersten Verdichterstufe ist, um verdichtetes Fluid aus der ersten Verdichterstufe 10 über den Überbrückungskanal 62 zu dem Kondensierer 60 zu führen. Das Druckverhältnis zwischen dem Kondensiererdruck TI2und dem Verdampferdruck Th kann beispielsweise durch Messen von Temperaturen berechnet werden. Insbesondere kann die Temperatur Th im Verdampfersumpf 52 und die Temperatur TI2im Kondensierersumpf 64 jeweils gemessen werden, um hieraus das Druckverhältnis zwischen dem Kondensiererdruck (TI2) und dem Verdampferdruck Th zu bestimmen. Vorliegend wird die gemessene Temperatur Th im Verdampfersumpf 52 mit dem Verdampferdruck Th assoziiert. Vorliegend wird außerdem die gemessene Temperatur TI2im Kondensierersumpf 64 mit dem Kondensiererdruck Tl2assoziiert. Daher werden für den jeweiligen Druck im Kondensierersumpf 64 bzw. im Verdampfersumpf 52 als Bezugszeichen die entsprechenden gemessenen Temperaturbezugszeichen Th und Tl2verwendet. Fig. 18 zeigt beispielsweise, wo die Temperaturen Th, Tl2gemessen werden.
Bevorzugt ist das Querschnittreduzierungselement 70 dazu ausgebildet, die geschlossene Position einzunehmen, wenn das Druckverhältnis zwischen dem Kondensiererdruck Tl2und dem Verdampferdruck Th größer als der maximal leistbare Druck der ersten Verdichterstufe 10 ist, um verdichtetes Fluid aus der ersten Verdichterstufe 10 über den Dampfkanal 30 zu der zweiten Verdichterstufe 20 zu führen. In der zweiten Verdichterstufe 20 angekommen, wird das verdichtete Fluid weiter verdichtet, bevor es über einen Leitraum 14 dem Kondensierer 60 zugeführt wird. Der Leitraum 14, welcher dem Kondensierer 60 zugeordnet ist, ist analog zu dem Leitraum 14 ausgebildet, welcher dem Verdampfer 50 in dem oberen Verdampferoberteil 54 zugeordnet ist.
Bevorzugt ist die erste Verdichterstufe 10 mit N weiteren Verdichterstufen betreibbar ist, wobei N eine natürliche Zahl größer oder gleich zwei ist. In Fig. 4 sind beispielsweise drei Verdichterstufen 10, 20, 80 gezeigt. Gemäß der Darstellung in Fig. 4 ist N hier gleich drei. Es ist denkbar, beliebig viele Verdichterstufen zwischen dem Verdampfer 50 und dem Kondensierer 60 vorzusehen. Bevorzugt sind die erste Verdichterstufe 10 und die N weiteren Verdichterstufen 80, 30 in einer Reihenschaltung angeordnet, wobei bei N- Verdichterstufen zwei benachbarte Verdichterstufen jeweils über einen Dampfkanal 30 verbunden sind (s. Fig. 4, wo N=3 dargestellt ist, oder Fig. 5).
Fig. 8 zeigt ein Hydraulikschema nach Fig. 1, in welchem ein Kreislauf einer indirekten Zwischenkühlung 8 eingezeichnet ist. Die indirekte Zwischenkühlung 8 findet in einer bevorzugten Ausführungsform der Wärmepumpe 100 Verwendung.
In der bevorzugten Ausführungsform der Wärmepumpe 100, wie in Fig. 8 gezeigt ist, umfasst die Wärmepumpe 100 den Verdampfer 50 zum Verdampfen eines Fluids, um ein verdampftes Fluid zu erhalten, wobei der Verdampfer 50 den Verdampfersumpf 52 aufweist. Ferner umfasst die Wärmepumpe 100 den Kondensierer 60 zum Kondensieren eines verdichteten Fluids, wobei der Kondensierer 60 den Kondensierersumpf 64 aufweist. Die Wärmepumpe 100 weist ferner den Verdichter mit der ersten Verdichterstufe 10 und der zweiten Verdichterstufe 20 auf, wobei der Verdichter in Flussrichtung des verdampften Fluids in einem Betrieb der Wärmepumpe 100 zwischen dem Verdampfer 50 und dem Kondensierer 60 angeordnet ist und ausgebildet ist, um das verdampfte Fluid zu verdichten, um das verdichtete Fluid zu erhalten. Die Wärmepumpe, wie in Fig. 8 gezeigt, umfasst ferner einen Behälter 45 zum Sammeln eines Zwischenkühlungsfluids. Insbesondere ist der Behälter 45 ein Zwischenkühlungssumpf 44. Die Wärmepumpe umfasst ferner einen Wärmeübertrager 82 mit einer Rohrleitung 56, die ausgebildet ist, um von dem Zwischenkühlungsfluid aus dem Behälter 45 durchströmt zu werden, wobei die Rohrleitung 56 in einem Strömungsbereich 11 zwischen der ersten Verdichterstufe 10 und der zweiten Verdichterstufe 20 angeordnet ist, um dampfförmiges Fluid in dem Strömungsbereich 11 zu kühlen. In Fig. 8 ist beispielsweise gezeigt, dass der Wärmeübertrager 82 um einen Ansaugstutzen 12 der ersten Verdichterstufe 10 angeordnet ist. Mit anderen Worten, gemäß der Ausführungsform nach Fig. 8 ist die Rohleitung 56 im Bereich der ersten Verdichterstufe 10 angeordnet. Wie in Fig. 14 gezeigt, kann der Wärmeübertrager 82 zur indirekten Kühlung zwischen der ersten Verdichterstufe 10 und der zweiten Verdichterstufe 20 angeordnet sein, insbesondere dort, wo ein Zwischenkühler 40 und/oder ein weiterer Zwischenkühler 4 und/oder ein noch weiterer Zwischenkühler 5 vorgesehen sein können.
Bevorzugt ist die Rohrleitung 56 metallisch, vorzugsweise weist die Rohrleitung 56 Edelstahl und/oder Kupfer auf. Die metallische Rohrleitung 56 verbessert einen Wärmeübertrag zwischen Fluid innerhalb der Rohrleitung 56 und Fluid außerhalb der Rohrleitung 56.
Die Rohrleitung 56 des Wärmeübertragers 82 ist beispielsweise in Figs. 8 bis 10 gezeigt. Bevorzugt weist die Rohrleitung 56 des Wärmeübertragers 82 einen Bereich auf, in dem die Rohrleitung 56 spiralförmig oder federförmig verläuft, wobei der federförmig oder spiralförmig verlaufende Bereich Windungen 83 mit unterschiedlichen Windungsabständen aufweist. Bei einer federförmig verlaufenden Rohrleitung 56 ist ein Durchmesser von einer zur nächsten Windung konstant. Bei einer spiralförmig verlaufenden Rohrleitung 56 ist ein Durchmesser einer Windung zu dem Durchmesser einer nachfolgenden Windung unterschiedlich groß. Eine spiralförmig verlaufende Rohrleitung 56 kann als konische Spirale ausgebildet sein. Eine federförmig verlaufende Rohrleitung 56 entsteht bei einer Zentralprojektion einer Schraubenlinie 101 auf eine zur Schraubachse 102 senkrechten Ebene, wie dies beispielsweise in Fig. 10 dargestellt ist. Fig. 10 zweigt schematisch den Wärmeübertrager 82.
Bevorzugt weist die erste Verdichterstufe 10 einen Ansaugstutzen 12 zum Ansaugen des verdampften Fluids und einen Leitraum 14 auf, um das dampfförmige Fluid in den Strömungsbereich 11 zu leiten. Der Strömungsbereich 11 umfasst ein Volumen eines oberen Verdampferteils 54, den Dampfkanal 30 als auch den Überbrückungskanal 62. Der Strömungsbereich 11 umfasst jene Bereiche der Wärmepumpe 100, in welche verdampftes und verdichtetes Fluid fließen kann.
Wie beispielsweise in Figs. 8 und 9 gezeigt ist, ist die Rohrleitung 56 des Wärmeübertragers 82 um den Ansaugstutzen 12 der ersten Verdichterstufe 10 angeordnet, wobei ein Windungsabstand zwischen zwei Windungen 83 in einem Einströmungsbereich des dampfförmigen Fluids der ersten Verdichterstufe 10 größer ist als in einem Ausströmungsbereich des dampfförmigen Fluids in den Leitraum 14. Dieses ist beispielsweise in den Figs. 8 und 9 zu sehen. Dadurch, dass der Windungsabstand zwischen zwei Windungen 83 in einem Einströmungsbereich größer ausfällt, wird die Strömungsgeschwindigkeit des Dampfes wenig abgebremst. In dem Ausströmungsbereich des dampfförmigen Fluids in den Leitraum 14 ist der Windungsabstand zwischen zwei Windungen 83 größer, um eine Abkühlung des Dampfes zu verbessern, insbesondere zu erhöhen.
Fig. 11 zeigt beispielsweise eine diametrale perspektivische Ansicht des Wärmeübertragers 82. Fig. 11 ist zu entnehmen, dass es auch denkbar ist, dass in dem Ausströmungsbereich des dampfförmigen Fluids aus dem Leitraum 14 heraus der Windungsabstand zwischen zwei Windungen 83 kleiner ist als in dem Einströmungsbereich.
Bevorzugt ist ein Dampfkanal 30 zwischen der Rohrleitung 56 und dem Behälter 45 angeordnet ist, wobei der Ausströmungsbereich 11, insbesondere welcher auch als Strömungsbereich 11 bezeichnet ist, mit dem Dampfkanal 30 verbunden ist, um das dampfförmige Fluid über den Dampfkanal 30 durch den Behälter 45 hindurch zu leiten, "durch den Behälter 45 hindurch zuleiten" ist als "über den Behälter 45 hinweg zuleiten" zu verstehen. Das dampfförmige Fluid wird bei einem Betrieb der zweiten Verdichterstufe 20 durch den zweiten Verdichter angezogen. Hierdurch wird das dampfförmige Fluid durch den Dampfkanal 30 geleitet, wie dies beispielsweise der Fig. 8 zu entnehmen ist.
Bevorzugt erstreckt sich ein Fluidleitungskanal 15 von dem Ausströmungsbereich 11 seitlich in den Dampfkanal 30 erstreckt, um das den Wärmeübertrager 82 durchströmende Zwischenkühlungsfluid über den Dampfkanal 30 dem Behälter 45 zuzuführen (siehe Fig. 8). Der Ausströmungsbereich 11 erstreckt sich von einem Ausgang der ersten Verdichterstufe in den Dampfkanal 30 und in den Verdampferteil 54. Der Fluidleitungskanal 15 erstreckt sich durch eine Wand, insbesondere einen Boden, des oberen Verdampferteils 54. In einem Bodenbereich des oberen Verdampferteils 54 sammelt sich das den Wärmeübertrager 82 durchströmende Zwischenkühlungsfluid und bildet ein Fluidniveau 51 aus. Liegt das Fluidniveau 51 des oberen Verdampferteils 54 oberhalb der Erstreckung des Fluidleitungskanals 15 durch die Wand hindurch, so kann das Zwischenkühlungsfluid, insbesondere schwerkraftbedingt, in den Dampfkanal 30 über den Fluidleitungskanal 15 abfließen.
Bevorzugt weist der Ansaugstutzen 12 eine Trichterform auf, welche gegenüberliegend einen maximalen Durchmesser 16 und einen minimalen Durchmesser 17 aufweist, wobei der Leitraum 14 zum Leiten des verdichteten dampfförmigen Fluids axial zu dem minimalen Durchmesser 17 der Trichterform verläuft. Der maximale Durchmesser 16 kann an den Boden des oberen Verdampferteils 54 angrenzen, wodurch das den Wärmeübertrager 82 durchströmende Zwischenkühlungsfluid außerhalb dem Ansaugstutzen 12 der ersten Verdichterstufe 10 in dem Bodenbereich aufgefangen wird (siehe Fig. 8).
Bevorzugt ist der Leitraum 14 an einem Ende, das in den oberen Verdampferteil 54 übergeht, gekrümmt ausgebildet ist, um das durch den Leitraum 14 strömende dampfförmige Fluid in eine zu einer Gasflussrichtung in dem Ansaugstutzen entgegengesetzte Richtung zu leiten. Insbesondere wird das den Leitraum 14 verlassende dampfförmige Fluid in den Dampfkanal 30, sofern die zweite Verdichterstufe in Betrieb ist, oder in die die Dampfführungsleitung 92, sofern die zweite Verdichterstufe nicht in Betrieb ist, geleitet.
Bevorzugt weist der Leitraum 14 ein Volumen mit einem Kreis oder einem Oval als Grundfläche auf. Der Leitraum 14 ist im Wesentlichen senkrecht zu dem minimalen Durchmesser 16 des Ansaugstutzen 12 der ersten Verdichterstufe 10 angeordnet. Der Leitraum ist insbesondere in dem oberen Verdampferteil 54 angeordnet. Ferner weist die zweite Verdichterstufe 20 auch einen Leitraum 14 aus, welcher im Wesentlichen senkrecht zu dem minimalen Durchmesser 16 des Ansaugstutzen 12 der zweiten Verdichterstufe 20 angeordnet. Der Leitraum 14 der ersten bzw. der zweiten Verdichterstufe 10, 20 kann auch eine andere beliebig ausgebildete Grundfläche aufweisen.
Bevorzugt ist ein weiterer Wärmeübertrager 82 in dem Dampfkanal 30 beabstandet von dem Ausströmungsbereich 11 angeordnet. Vorzugweise ist der weitere Wärmeübertrager 82 in einem Ansaugstutzen 12 der zweiten Verdichterstufe 20 angeordnet. Die erste und die zweite Verdichterstufe 10, 20 sind durch den Dampfkanal 30 verbunden, wobei der Dampfkanal 30 zwischen einer Druckseite der ersten Verdichterstufe 10 und einer Saugseite der zweiten Verdichterstufe 20 angeordnet ist. Vorzugweise weist der Dampfkanal 30 eine gekrümmte Form mit einer Senke 32 auf. Vorzugsweise ist der Behälter 45 in der Senke 32 angeordnet, sodass flüssiges Zwischenkühlungsfluid aus dem Dampfkanal 30 in den Behälter 45 fließt. Diese kann der Fig. 8 beispielsweise entnommen werden. Bevorzugt weist/weisen der Wärmeübertrager 82 und/oder der weitere Wärmeübertrager 82 an seiner Außenoberfläche eine wenigstens teilweise konturierte Außenoberfläche auf, welche in Kontakt mit dem dampfförmigen Fluid steht, um einen Wärmeübertrag zwischen dem Wärmeträger 82 und dem dampfförmigen Fluid zu verbessern. Bevorzugt weist/weisen der Wärmeübertrager 82 und/oder der weitere Wärmeübertrager 82 an seiner Innenoberfläche eine wenigstens teilweise konturierte Innenoberfläche aufweist, welche in Kontakt mit dem Fluid aus dem Behälter 45 steht, um an seiner Innenoberfläche die Ausbildung einer turbulenten Strömung zu bewirken. Die konturierten Innen- und/oder Außenoberflächen können Rillen und/oder Reliefe, d.h. Ausnehmungen/ Erhebungen beliebiger Form, aufweisen.
Bevorzugt ist/sind zur Selbst-Regulierung eines Fluidfüllstandes der Kondensierersumpf 64 und/oder der Verdampfersumpf 52 und/oder der Behälter 45 jeweils über einen Fluidleitungskanal 15 fluidleitend miteinander verbunden, sodass das Fluidniveau 51 der einzelnen Sümpfe 52, 45, 64, insbesondere nur unter Ausnutzung der Schwerkraft, geregelt ist. Mit anderen Worten, das Fluidniveau 51 der einzelnen Sümpfe 52, 45, 64 stellt sich passiv aufgrund der geometrischen Anordnung und der Verbindung der der einzelnen Sümpfe 52, 45, 64 untereinander ein (siehe beispielsweise Figs. 1 , 2, 8, oder 12 bis14). Mit Selbst-Regulierung ist vorliegend eine passive Regulierung, d.h. ohne weitere technische Mittel, gemeint. Es ist jedoch denkbar, auch eine aktive Regulierung des Fluidfüllstandes der Sümpfe 52, 45, 64 durch Pumpen vorzusehen, bei welcher beispielsweise eine Steuerung vorgesehen sein kann sowie Füllstandsensoren, welche den Füllstand in den Sümpfen 52, 45, 64 erfassen.
Vorzugsweise erstreckt sich eine Zurückführungsleitung 2, welche insbesondere auch als ein Fluidleitungskanal 15 bezeichnet wird, zum Leiten von Fluid aus dem Kondensierersumpf 64 von dem Kondensierersumpf 64 in den Behälter 45 oder dem Zwischenkühlungssumpf 44. Ferner vorzugsweise erstreckt sich ein Fluidleitungskanal 15 zum Leiten von Fluid aus dem Behälter 45 oder dem Zwischenkühlungssumpf 44 von dem Behälter 45 bzw. dem Zwischenkühlungssumpf 44 in den Verdampfersumpf 52, wobei sich insbesondere der Fluidleitungskanal 15 ausgehend von einem Boden des Behälters 45 bzw. bzw. des Zwischenkühlungssumpfes 44 seitlich in den Verdampfersumpf 52 unterhalb des Fluidniveaus 51 des Verdampfersumpfes 52 hinein erstreckt. Bevorzugt ist der Behälter 45 ein Zwischenkühlungssumpf 44 eines Zwischenkühlers 40. Bevorzugt weist die Wärmepumpe 100 eine Zwischenkühlungs-Umwälzpumpe 22 auf, um Zwischenkühlungsfluid aus dem Behälter 45 der Rohrleitung 56 zuzuführen. Die Zwischenkühlungsfluidzuführungsleitung 3 kann sich bei dieser Ausführungsform der Wärmepumpe 100 von dem Behälter 45 zu der Rohrleitung 56 erstrecken (s. Fig. 8). Bei den Ausführungsformen der Figs. 12, 13 und 14 kann die Zwischenkühlungs- Umwälzpumpe 22 Zwischenkühlungsfluid aus dem Verdampfersumpf 52 der Rohrleitung 56 zuführen.
Fig. 9 zeigt ein Hydraulikschema der indirekten Zwischenkühlung 8 mit indirektem Wärmeübertrager 82. Der Fig. 9 kann in vereinfachter Darstellung entnommen werden, dass sich von dem oberen Verdampferteil 54, in welchem insbesondere der erste Verdichter der ersten Verdichterstufe 10 angeordnet ist und in welchem der Wärmeübertrager 82 angeordnet sein kann, sich der Dampfkanal 30 zur zweiten Verdichterstufe 20 erstreckt. Verdichtetes, aus der ersten Verdichterstufe 10 herauskommendes Fluid kann also über den Dampfkanal 30 zu der zweiten Verdichterstufe 20 geführt werden. Ferner erstreckt sich ausgehend von dem angeordneten Wärmeübertrager 82 der Fluidleitungskanal 15, in welchem das den Wärmeübertrager 82 durchströmende Fluid in den Behälter 45 geleitet werden kann. Die Legende der Fig. 9 zeigt ferner, dass die Fluidleitungskanäle 15 und die Zwischenkühlungsfluidzuführungsleitung 3 flüssiges Fluid, d.h. vorliegend Wasser, leiten. Ferner ist zu entnehmen, dass der Dampfkanal 30 zwischen der ersten und der zweiten Verdichterstufe 10, 20 ein aktiver Dampfweg ist. Aktiver Dampfweg bedeutet vorliegend, dass die zweite Verdichterstufe 20 in Betrieb ist, so dass verdichtetes Fluid, welches die erste Verdichterstufe verlässt, durch die zweite Verdichterstufe 20 angesaugt wird. Der Überbrückungskanal 62 zwischen der ersten Verdichterstufe und dem Kondensierer 60 hingegen ist ein inaktiver Dampfweg. Inaktiver Dampfweg bedeutet vorliegend, dass die zweite Verdichterstufe 20 außer Betrieb ist und das Querschnittsreduzierungselement 70 geöffnet ist, sodass verdichtetes Fluid, welches die erste Verdichterstufe verlässt über den Überbrückungskanal 62 direkt in den Kondensierer 60 geführt wird.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform umfasst die Wärmepumpe 100 den Verdampfer 50 zum Verdampfen eines Fluids, um ein verdampftes Fluid zu erhalten, wobei der Verdampfer 50 den Verdampfersumpf 52 aufweist. Ferner umfasst die Wärmepumpe 100 den Verdichter mit der ersten Verdichterstufe 10 und der zweiten Verdichterstufe 20, wobei der Verdichter in Flussrichtung des verdampften Fluids in einem Betrieb der Wärmepumpe 100 zwischen dem Verdampfer 50 und dem Kondensierer 60 angeordnet ist und ausgebildet ist, um das verdampfte Fluid zu verdichten, um verdichtetes Fluid zu erhalten. Der Kondensierer 60 dient zum Kondensieren des verdichteten Fluids. Außerdem umfasst die Wärmepumpe 100 den Zwischenkühler 40, der mit einer Zwischenkühlungsfluidzuführungsleitung 3 verbunden ist und das Wirkungselement 42 aufweist, wobei das Wirkungselement zwischen der ersten Verdichterstufe 10 und der zweiten Verdichterstufe 20 angeordnet und ausgebildet ist, um eine Interaktion zwischen einem Zwischenkühlungsfluid, das durch die Zwischenkühlungsfluidzuführungsleitung 3 zuführbar ist, und einem von der ersten Verdichterstufe 10 ausgebbaren erwärmten dampfförmigen Fluid zu bewirken. Die Zwischenkühlungsfluidzuführungsleitung 3 erstreckt sich von dem Verdampfersumpf 52 zu dem Wirkungselement 42. Eine solche bevorzugte Ausführungsform der Wärmepumpe ist als Hydraulikschema beispielsweise in Fig.12 gezeigt. Fig. 12 zeigt ferner das Hydraulikschema, aus dem eine Speisung der Zwischenkühlung hervorgeht, wobei die Zwischenkühlung aus dem Verdampfersumpf 52 gespeist wird. Fluid aus dem Verdampfersumpf 52 wird über die Zwischenkühlungsfluidzuführungsleitung 3 dem Wirkungselement 42 zugeführt, so dass das Fluid aus dem Verdampfersumpf 52 zum Beregnen von verdampftem und verdichtetem Fluid verwendet werden kann, welches den Zwischenkühler 40, welcher im Dampfkanal 30 angeordnet ist, passiert.
Bevorzugt erstreckt sich die Zwischenkühlungsfluidzuführungsleitung 3 durch eine Öffnung in dem Verdampfersumpf 52, wobei die Öffnung der Zwischenkühlungsfluidzuführungsleitung 3 unterhalb eines Fluidniveaus 51 des Fluids in dem Verdampfersumpf 52 liegt. Das Fluid aus dem Verdampfersumpf 52 kann, insbesondere unter Ausnutzung der Schwerkraft, in die Zwischenkühlungsfluidzuführungsleitung 3 fließen. Insbesondere bedarf die Zwischenkühlungsfluidzuführungsleitung 3 keiner Steuerung zum Zuführen von Fluid aus dem Verdampfersumpf 52. Es ist jedoch denkbar, eine Steuerung zum Zuführen von flüssigen Fluid die Zwischenkühlungsfluidzuführungsleitung 3 vorzusehen.
Wie in Fig. 12 gezeigt, weist bevorzugt der Zwischenkühler 40 einen Zwischenkühlungssumpf 44 auf, wobei sich ausgehend von einem Boden des Zwischenkühlungssumpfes eine Zurückführungsleitung 2 bzw. ein Fluidleitungskanal 15 zum Zurückführen von Fluid aus dem Zwischenkühlungssumpf 44 in den Verdampfersumpf 52, vorzugsweise seitlich, in den Verdampfersumpf 52 erstreckt. Insbesondere sind das von der ersten Verdichterstufe 10 ausgebbare erwärmte dampfförmige Fluid und das Zwischenkühlungsfluid jeweils aus dem Verdampfersumpf 52 entnommen. Bevorzugt erstreckt sich eine weitere Zurückführungsleitung 1, welche insbesondere auch als Fluidleitungskanal 15 bezeichnet werden kann, zum Zurückführen von Fluid aus dem Kondensierersumpf 64 in den Verdampfersumpf 52 von dem Kondensierersumpf 64 direkt, vorzugsweise seitlich, in den Verdampfersumpf 52. Insbesondere sind die Zurückführungsleitung 2 und die weitere Zurückführungsleitung 1 fluidisch voneinander getrennt. "Fluidisch voneinander getrennt" bedeutet, dass sich das Fluid aus der Zurückführungsleitung 2 und der weiteren Zurückführungsleitung 1 nicht in einer Leitung mischen können, sondern erst in dem Verdampfersumpf 52 miteinander vermischt werden. Hinsichtlich der Leitungen 1, 2 und 3 zeigen Figs. 12 und 14 eine identische Anordnung der Leitungen 1, 2, 3.
Fig. 14 zeigt eine weitere bevorzugte Ausführungsform der Wärmepumpe 100, wie sie in Fig. 12 gezeigt ist. Fig. 14 zeigt ein Hydraulikschema wie in Fig. 12, aus dem eine Speisung der Zwischenkühlung hervorgeht, mit zusätzlichen Füllkörpern 7 und/oder zusätzlichen weiteren Zwischenkühlungen 4, 5, wobei jede Zwischenkühlung 4, 5 aus dem Verdampfersumpf 52 gespeist wird.
Gemäß der weiteren bevorzugten Ausführungsform der Wärmepumpe, wie in Fig. 14 gezeigt, ist die Zwischenkühlungsfluidzuführungsleitung 3 mit mindestens einem weiteren Zwischenkühler 4, 5 verbunden. Der weitere Zwischenkühler 5 kann in dem Dampfkanal 30 zwischen dem Verdampfer 50 und dem Kondensierer 60 angeordnet sein. Der weitere oder der noch weitere Zwischenkühler 4, 5 kann insbesondere nach einem Ausgang der ersten Verdichterstufe 10 angeordnet sein.
Wie in den Ausführungsformen nach Fig. 12 und 14 gezeigt, ist der Zwischenkühlungssumpf 44 zum Sammeln von Fluid, das durch die Zwischenkühlungsfluidzuführungsleitung 3 fließen kann, ausgebildet, wobei das Fluid aus dem Zwischenkühlungssumpf 44 zum Verdampfersumpf 52 über die Zurückführungsleitung 2, oder auch Fluidleitungskanal 15 genannt, zuführbar ist. Insbesondere weisen die Zurückführungsleitung 2 und die weitere Zurückführungsleitung 1 jeweils eine Öffnung 55 zu dem Verdampfersumpf 52 an beabstandeten Positionen des Verdampfersumpfes 52 auf. Insbesondere ist die Öffnung 55 der weiteren Zurückführungsleitung 1 in den Verdampfersumpf 52 unterhalb eines Fluidniveaus 51 des Verdampfersumpfes 52 angeordnet. Ferner insbesondere ist die Öffnung 55 der Zurückführungsleitung in den Verdampfersumpf 52 unterhalb eines Fluidniveaus 51 des Verdampfersumpfes 52 angeordnet. Bevorzugt ist die Zwischenkühlungsfluidzuführungsleitung 3 oder eine Motorkühlungsleitung 33 vom Verdampfersumpf 52 zu einer Motorkühlung 34 der ersten Verdichterstufe 10 angeordnet, um Fluid aus dem Verdampfersumpf 52 zu der Motorkühlung 34 zum Kühlen eines der ersten Verdichterstufe 10 zugeordneten Motors M zu leiten. Insbesondere erstreckt/erstrecken sich die Zwischenkühlungsfluidzuführungsleitung 3 und/oder die Motorkühlungsleitung 33 von dem Verdampfersumpf 52 über die Motorkühlung 34 der ersten Verdichterstufe 10 zu dem Wirkungselement 42, um Fluid aus dem Verdampfersumpf 52 zu der Motorkühlung 34 zum Kühlen eines der ersten Verdichterstufe 10 zugeordneten Motors M und zu dem Wirkungselement 42 zu leiten (siehe Figs. 12 und 14).
Wie den Figs. 12 und 14 ferner zu entnehmen ist, ist eine weitere Motorkühlungsleitung 35 vom Verdampfersumpf 52 zu einer weiteren Motorkühlung 36 der zweiten Verdichterstufe 20 angeordnet ist, um Fluid aus dem Verdampfersumpf 52 zu der weiteren Motorkühlung 36 zum Kühlen eines der zweiten Verdichterstufe 20 zugeordneten Motors M zu leiten. Die Motoren M, welche den Verdichterstufen 20, 30, 80 zugeordnet sind, können mit Fluid aus dem Verdampfersumpf 52 gekühlt werden. Das Fluid aus dem Verdampfersumpf 52 ist kühler als das Fluid aus einem Zwischenkühlungssumpf 44. Das Fluid aus einem der Zwischenkühlungssumpfe 44 ist wiederum kühler als das Fluid aus dem Kondensierersumpf 64.
Wie beispielsweise den Figs. 1, 2, 8 oder 12 bis 15 entnommen werden kann, ist bevorzugt eine Kugellageradapterleitung 74 von dem Zwischenkühlungssumpf 44 zu einem Kugellageradapter 76, welcher der ersten Verdichterstufe 10 zugeordnet ist, angeordnet ist, um Fluid aus dem Zwischenkühlungssumpf 44 zum Kühlen des mindestens einen Kugellageradapters 76 zu leiten. Insbesondere ist von einem Ausgang des Kugellageradapters 76 zur ersten Verdichterstufe 10 ein Verdichterkühlungskanal 77 angeordnet ist, um Fluid aus dem Kugellageradapter 76 zu der ersten Verdichterstufe 10 zu leiten, um verdichtetes Fluid in der ersten Verdichterstufe 10 mit dem Fluid aus dem Kugellageradapter 76 zu beregnen.
Ferner bevorzugt ist eine Kugellageradapterleitung 74 von dem Kondensierersumpf 64 zu einem Kugellageradapter 76, welcher der zweiten Verdichterstufe 20 zugeordnet ist, angeordnet, um Fluid aus dem Kondensierersumpf 64 zum Kühlen des mindestens einen Kugellageradapters 76 zu leiten. Insbesondere ist von einem Ausgang des Kugellageradapters 76 zur zweiten Verdichterstufe 20 ein Verdichterkühlungskanal 77 angeordnet, um Fluid aus diesem Kugellageradapter 76 zu der zweiten Verdichterstufe 20 zu leiten, um verdichtetes Fluid in der zweiten Verdichterstufe 20 mit dem Fluid aus dem Kugellageradapter 76, welcher der zweiten Verdichterstufe 20 zugeordnet ist, zu beregnen. In einer nicht dargestellten Ausführungsform kann der Kugellageradapter auch Fluid zum Kühlen aus der Zwischenkühlungsfluidzuführungsleitung 3 erhalten und somit in Reihe oder Parallel an die gleiche Leitung angeschlossen sein, an welche auch die Motorkühlung 36 angeschlossen ist.
Bevorzugt ist in einem Bereich um die erste Verdichterstufe 10 mindestens ein Füllkörper 7 zur Ableitung von Wärme, insbesondere zur Vergrösserung der Oberfläche und damit für eine optimierte Kühlung des Dampfes, angeordnet. Der mindestens eine Füllkörper 7 ist insbesondere um den Ansaugstutzen 12 der ersten Verdichterstufe 10 herum angeordnet (vgl. mit Fig. 14). In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform umfasst der mindestens eine Füllkörper zahlreiche einzelne Füllkörper, die sich um den Ansaugstutzen 12 der ersten Verdichterstufe 10 herum verteilen.
Wie beispielsweise der Fig. 14 zu entnehmen ist, ist bevorzugt ein noch weiterer Zwischenkühler 4 in der Zwischenkühlungsfluidzuführungsleitung 3 angeordnet. Insbesondere passiert durch die Anordnung des Zwischenkühlers 40, des Weiteren Zwischenkühlers 4 und des noch weiteren Zwischenkühlers 5 der Dampf, d.h. das verdampfte und verdichtete Fluid, in der Zwischenkühlungsfluidzuführungsleitung 3 nach Austritt aus der ersten Verdichterstufe 10 zuerst den weiteren Zwischenkühler 4 und anschließend den noch weiteren Zwischenkühler 5 und/oder den Zwischenkühler 40. Es ist denkbar, dass die Wärmepumpe 100 nur den weiteren Zwischenkühler 4 und den noch weiteren Zwischenkühler 5 umfasst (siehe Fig. 14). Es ist ferner denkbar, dass die Wärmepumpe 100 nur den Zwischenkühler 40 umfasst (siehe Fig. 12). Es ist ferner denkbar, dass die Wärmepumpe 100 nur den Zwischenkühler 40 und den weiteren Zwischenkühler 4 oder den noch weiteren Zwischenkühler 5 umfasst. In einer nicht dargestellten Ausführungsform ist es auch möglich, dass sich der Zwischenkühler 5 über die gesamte Länge des Dampfkanals 30 erstreckt und somit eine besonders effiziente Kühlung des vorbeiströmenden Dampfes bewirkt ist.
Bevorzugt ist der weitere Zwischenkühler 4 als Wärmeübertrager 82 ausgebildet, welcher als Rohrleitung 56 und/oder als Rohrbündel 56a ausgebildet ist und ein Rohrvolumen aufweist, welches mit Fluid aus dem Verdampfersumpf 52 durchströmt ist, um eine indirekte Kühlung 8 des Dampfes zu ermöglichen. Figs. 8 bis 10 zeigen beispielsweise die indirekte Kühlung 8 durch den Wärmeübertrager 82. Der Wärmeübertrager 82 wurde bereits ausführlich diskutiert, worauf an dieser Stelle Bezug genommen ist.
Bevorzugt ist die zweite Verdichterstufe 20 zwischen dem Verdampfer 50 und dem Kondensierer 60 angeordnet und der Zwischenkühler 40, der weitere Zwischenkühler 4 und/oder der noch weitere Zwischenkühler 5 sind in einem Abstand zu einem Ansaugbereich der zweiten Verdichterstufe 20 angeordnet. Wie beispielsweise in Fig. 14 zu sehen ist, können der Zwischenkühler 40 und/oder der weitere Zwischenkühler 4 und/oder der noch weitere Zwischenkühler 5 in dem oberen Verdampferteil 54 und/oder ausgehend von der ersten Verdichterstufe 10 in dem Dampfkanal 30 bis zur Senke 32 angeordnet sein.
Zur Regulierung eines Fluidfüllstandes, also eines Fluidniveaus 51, können der Kondensierersumpf 64 und/oder der Verdampfersumpf 52 und/oder der Zwischenkühlungssumpf 44 jeweils eine Niveauregelung aufweisen. Bevorzugt kann auf eine Niveauregelung verzichtet werden, sofern sich das Fluidniveau 51 in den einzelnen Sümpfen 52, 44, 64 über die Höhe der Abflüsse von alleine steuert, d.h. sofern eine Selbst-Regulierung, wie bereit beschrieben, möglich ist. Dann braucht das Fluidniveau 51 nicht aktiv geregelt zu werden. Mit Abflüssen ist vorliegend beispielsweise die Öffnung 65 der Dampfführungsleitung 92 in den Kondensierer 60, und/oder die Öffnung 65 der Zurückführungsleitung 2 in den Zwischenkühlungssumpf 44 und/oder die Öffnung 65 der Zwischenkühlungsfluidzuführungsleitung 3 in den Verdampfersumpf 52 gemeint, wie dies beispielsweise in Figs. 12, 13 und 14 gezeigt ist.
Wie bereits erläutert zeigt Fig. 15 ein Verdichterkennfeld 170 eines N-stufigen Verdichters, wobei das Verdichterkennfeld 170 eine Beziehung zwischen einem Druckverhältnis und einem Massenstrom definiert.
Fig. 16 zeigt eine dreidimensionale Hüllfläche 180 über einem korrigierten Massenstrom, wobei die gepunkteten Linien gemessene Drehzahlkennlinien 181 darstellen. Die Drehzahlkennlinien 181 sind abhängig von dem korrigierten Massestrom WCcorr und dem Verdichtungsverhältnis PiC. Ähnlich wie in Fig. 15 ist in Fig. 16 die Pumpgrenze 171 in Abhängigkeit von dem korrigierten Massestrom und dem Verdichterverhältnis eingezeichnet. Die Hüllfläche 180 ist als eine Ausgleichsfläche (3D-Fit) dargestellt, welche an die gemessenen Drehzahlkennlinien 181 angepasst worden ist. Die Hüllfläche 180 steigt zunächst mit steigendem korrigierten Massestrom und steigender Drehzahl, uns ist durch eine dreidimensional monoton steigende Funktion wiedergeben. Nacherreichen eines Massestroms von etwa 0,8 zweigt die Hüllfläche 180 einen monoton fallenden Verlauf.
Fig. 17 zeigt eine dreidimensionale Darstellung zur Bestimmung eines Volumenstromes zur Ermittlung des korrigierten Massenstromes. Der Volumenstrom ist durch eine Funktion gegeben, welche von der ausgenommenen elektrischen Leistung Peiund der Drehzahl der Verdichtersstufe 10, 20 abhängt. Bevorzugt werden bei der Wärmepumpe 100 Verdichterstufen 10, 20 verwendet, welche baugleich sind. Es ist denkbar, Verdichterstufen 10, 20 zu verwenden, welche sich voneinander unterscheiden.
Der Volumenstrom kann nicht direkt gemessen werden. Dieser wird stattdessen indirekt über ein hinterlegtes 3D-Kennfeld 190 bestimmt, welches spezifisch für einen verwendeten Verdichterantrieb ist. Der Volumenstrom wird in Abhängigkeit der aufgenommenen elektrischen Leistung Peiund der Drehzahl des Verdichterantriebs unter zu Hilfenahme des 3D-Kennfeldes in dem 3D-Kennfeld 190 abgeleitet (siehe gepunktete Kurven 191), in dem die gemessenen Werte 191 in dem 3D-Kennfeld 190 eingetragen werden. Nach bestimmen das Volumentstroms kann Massenstrom korrigiert werden, insbesondere durch Anwenden des Wissens über die molare Masse des Fluid bei einem gegebenen Druck und einer gegebenen Temperatur.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die Wärmepumpe 100 den Verdampfer 50 zum Verdampfen eines Fluids, um ein verdampftes Fluid zu erhalten; den Kondensierer 60 zum Kondensieren eines verdichteten Fluids; und den Verdichter mit einer ersten Verdichterstufe 10 und einer zweiten Verdichterstufe 20, wobei der Verdichter in Flussrichtung des verdampften Fluids in einem Betrieb der Wärmepumpe 100 zwischen dem Verdampfer 50 und dem Kondensierer 60 angeordnet ist und ausgebildet ist, um das verdampfte Fluid zu verdichten, um das verdichtete Fluid zu erhalten. Außerdem umfasst die Wärmepumpe 100 eine Werterfassungseinrichtung 95 zum Erfassen eines ersten Werts P1 , der einem ersten Druckverhältnis zwischen einem Eingang der ersten Verdichterstufe 10 und einem Ausgang der ersten Verdichterstufe 10 entspricht oder von dem ersten Druckverhältnis abhängig ist; und einer Steuerung 96 zum Steuern einer ersten Drehzahl der ersten Verdichterstufe 10 und einer zweiten Drehzahl der zweiten Verdichterstufe 20, wobei die Steuerung 96 ausgebildet ist, um die zweite Drehzahl der zweiten Verdichterstufe 20 in Abhängigkeit von dem ersten Wert P1 zu steuern. Die Werterfassungseinrichtung 95 und die Steuerung 96 können untereinander kommunizieren und können jeweils mit Komponenten der Wärmepumpe 100 kommunizieren, wie dies in Fig 18 durch die Pfeile in entgegengesetzt Richtungen angedeutet ist. Der Ausgang der ersten Verdichterstufe 10 umfasst einen Bereich unmittelbar nach der ersten Verdichterstufe 10 als auch einen Bereich zwischen der ersten Versichterstufe 10 und der zweiten Verdichterstufe 20, insbesondere einen Bereich in dem Dampfkanal 30.
Bevorzugt ist die Werterfassungseinrichtung 95 ausgebildet ist, um einen zweiten Wert P2 zu erfassen, der einem zweiten Druckverhältnis zwischen einem Ausgang der zweiten Verdichterstufe 20 und einem Eingang der ersten Verdichterstufe 10 entspricht oder von dem zweiten Druckverhältnis abhängig ist, und wobei die Steuerung 96 ausgebildet ist, um die zweite Drehzahl ferner in Abhängigkeit von dem zweiten Wert P2 zu steuern. Insbesondere kann ein Bereich des Eingangs der zweiten Verdichterstufe 20 an dem Bereich des Ausgangs der ersten Verdichterstufe 10 anschließen. Beispielsweise kann der Bereich des Ausgangs der ersten Verdichterstufe 10 in der Senke 32 enden und der Bereich des Eingangs der zweiten Verdichterstufe 20 in der Senke 32 des Dampfkanals 30 beginnen (siehe Fig. 18).
Fig. 18 zeigt das Hydraulikschema der Wärmepumpe 100, in welchem der erste Temperatursensor 91, der zweite Temperatursensor 92 und der dritte Temperatursensor 93 eingezeichnet sind. Außerdem zeigt Fig. 18 die Steuerung 96 und die Werterfassungseinrichtung 95, welche jeweils mit den einzelnen Komponenten der Wärmepumpe 100 als auch untereinander kommunizieren. Die Kühlungsflüssigkeit 97 gibt die Kaltwassertemperatur an, die ein Anwender der Wärmepumpe 100 als Ist-Temperatur zur Verfügung gestellt bekommt. Der erste Temperatursensor 91 misst die erste Temperatur Tl1 in dem Verdampfersumpf 52 und damit vor der ersten Verdichterstufe 10. Der zweite Temperatursensor 92 misst die zweite Temperatur Tl3 in dem Zwischenkühlungssumpf 44 und damit nach der ersten Verdichterstufe 10 und vor der zweiten Verdichterstufe 20. Der dritte Temperatursensor 93 misst die dritte Temperatur Tl2 in dem Kondenierersumpf 64 und damit nach der zweiten Verdichterstufe. Wie Fig. 18 andeutet, wird dem Anwender eine Kältleistung 103 zur Verfügung gestellt, welche als Leistung zur Kühlung von Kundenwasser dient. Hierbei handelt es sich um Leistung, die dem Anwender bzw. Kunden bereitgestellt wird. Bei der abgeführten Wärmeleistung 105 handelt es sich um Wärmeleistung, die über einen Rückkühler abgeführt wird. Die Motoren M der Verdichterstufen 10, 20 nehmen die elektrische Leistung 104 auf, bei welcher es sich um die aufgenommene Leistung der Wärmepumpe 100 handelt, die über die beiden Verdichterstufen 10, 20 aufgenommen wird. Beispielsweise kann ein maximales Druckverhältnis der ersten Verdichterstufe 10 P1 =3,7 betragen. Beispielsweise kann ein maximales Druckverhältnis der zweiten Verdichterstufe 20 P2=3,7 betragen. In diesem Fall kann beispielsweise das maximale Gesamtdruckverhältnis Pgesder Wärmepumpe 100 Pges=P1 * P2 =3,7 *3,7 =13,7 betragen. In Verbindung mit Fig. 19 kann ferner zusammengefasst werden, dass in dem Fall 1 die erste Verdichterstufe 10 konstant bei einem Druckverhältsnis von beispielsweise P1 =2,7 betrieben wird und die zweite Verdichterstufe 20 in einem Druckverhältnis P2 zwischen null und 2,7 betrieben wird. Wenn die erste Verdichterstufe 10 und die zweite Verdichterstufe 20 jeweils bei einem Druckverhältnis von P1 =P2=2,7 betrieben werden, schaltet die Wärmepumpe 100 von Fall (erster Leistungsbereich 98) zu Fall 2 (zweiter Leistungsbereich 99. In dem zweiten Leistungsbereich 99 steigen die Verdichtungsverhältnisse der ersten Verdichterstufe 10 und der zweiten Verdichterstufe 20 jeweils gleichmäßig von P1 =P2=2,7 bis P1 =P2=3,7 an.
Bevorzugt ist die Steuerung 96 dazu ausgebildet, um den ersten Wert P1 als Istwert und den zweiten Wert P2 als Sollwert zu verwenden. Ferner bevorzugt ist die Steuerung 96 dazu ausgebildet, um die Drehzahl der zweiten Verdichterstufe 20 zu erhöhen, wenn der Istwert größer als der Sollwert ist, oder um die Drehzahl der zweiten Verdichterstufe 20 zu erniedrigen, wenn der Istwert kleiner als der Sollwert ist. Durch Vergleichen des Istwertes mit dem Sollwert können die Drehzahlen der ersten und zweiten Verdichterstufe 10, 20 jeweils derart eingestellt werden, dass die zweite Verdichterstufe unabhängig von der ersten Verdichterstufe 10 effizient genutzt werden kann. Eine unabhängie Einstellung der Drehzahlen der ersten und zweiten Verdichterstufe 10, 20 wird dadurch erreicht, dass jeder Motor M der Verdichterstufen 10, 20 eine eigene Motorwelle aufweist, die anzutreiben ist. Der erste Wert P1 gibt ein Verdichtungsverhältnis der ersten Verdichterstufe 10 gemäß P1 =Tl3/Tl1 an. Der zweite Wert P2 gibt ein Verdichtungsverhältnis der zweiten Verdichterstufe 20 gemäß P2=Tl2/Tl3 an.
Bevorzugt ist die Werterfassungseinrichtung 95 ferner dazu ausgebildet, um eine Ist-Temperatur einer verdampferseitig ausgegebenen Kühlflüssigkeit 97 zu ermitteln, und bei der die Steuerung 96 ausgebildet ist, um die Drehzahl der ersten Verdichterstufe 10 abhängig von der Ist-Temperatur der Kühlflüssigkeit 97 und einer vordefinierten Soll- Temperatur der Kühlflüssigkeit 97 einzustellen. Während eines Betriebes der Wärmepumpe 100 kann sie die Ist-Temperatur der verdampferseitig ausgegebenen Kühlflüssigkeit 97 erhöhen, da durch den Betrieb der Wärmepumpe 100 das in der Wärmepumpe zirkulierende Fluid, d.h. die Kühlflüssigkeit 97, im Laufe der Zeit eine höhere Temperatur annimmt. Bevorzugt ist die Steuerung dazu ausgebildet, um abhängig von einer Leistungsanforderung in einem ersten Leistungsbereich 98 die erste Verdichterstufe 10 mit einem höheren Druckverhältnis als die zweite Verdichterstufe 20 zu betreiben, wobei ein Unterschied der Druckverhältnisse der ersten Verdichterstufe 10 und der zweiten Verdichterstufe 20 zu größer werdenden Leistungsanforderungen abnimmt (siehe Fall 1 in Fig. 19), und um in einem zweiten Leistungsbereich 99 sowohl die erste Verdichterstufe 10 als auch die zweite Verdichterstufe 20 so zu betreiben, dass Druckverhältnisse der beiden Verdichterstufen 10, 20 in dem zweiten Leistungsbereich 99 näherungsweise gleich, oder insbesondere innerhalb eines Bereichs von plus/minus 20 Prozent gleich, sind und/oder bei zunehmender Leistungsanforderung gleich zunehmen (siehe Fall 2 in Fig. 19), wobei der zweite Leistungsbereich 99 größere Leistungsanforderungen als der erste Leistungsbereich 98 umfasst, wobei eine Grenze 94 zwischen dem ersten Leistungsbereich 98 und dem zweiten Leistungsbereich 99 durch die erste Verdichterstufe 10 und/oder durch die zweite Verdichterstufe 20 festgelegt ist. Fig. 19 zeigt ein Schema zur Veranschaulichung einer Regelung der Verdichterstufen 10, 20 der Wärmepumpe 100 in Abhängigkeit der Drehzahlen der ersten und zweiten Verdichtungsstufen 10, 20 im ersten Leistungsbereich 98 und in dem zweiten Leistungsbereich 99. In Fall 2, also dem zweiten Leistungsbereich 99, wird eine höhere Leistung TT umgesetzt als im ersten Fall, also im ersten Leistungsbereich 98 (vgl. mit Fig. 19). Der Fig. 19 kann ferner entnommen werden, dass die erste Verdichterstufe 10 bei einem konstanten Leistungswert, insbesondere von TT=2,7, arbeitet. Der konstante Leistungswert TT der ersten Verdichterstufe 10 entspricht einem Sollwert in dem ersten Leitungsbereich 98, bei dem die erste Verdichterstufe betrieben werden soll. Die zweite Verdichterstufe 20 beginnt mit einer zunächst geringeren Leistung TT, nähert sich aber dem Sollwert der ersten Leistungsstufe 10 zunehmend an. Erreicht auch die zweite Verdichterstufe 20 den Sollwert der Leistung TT, schalten beide Verdichterstufen 10, 20 in einem Betrieb über, welcher dem Fall zwei, also den zweiten Leistungsbereich 99, entspricht. In dem zweiten Leistungsbereich steigt das Druckverhältnis der ersten Verdichterstufe 10 und der zweiten Verdichterstufe 20 bevorzugt gleichmäßig an. An der Grenze 94 wird von einem Betrieb in dem ersten Leistungsbereich 98 auf einen Betrieb in dem zweiten Leistungsbereich 99 I /O geschaltet. Insbesondere bei einem Gesamtdruckverhältnis von p(TI2)/p(TII)) schaltet die Wärmepumpe 100 von einem Betrieb in dem ersten Leistungsbereich 98 in einen Betrieb des zweiten Leistungsbereich 99, wobei p(TZI) einen Sattdampfdruck in dem Verdampfersumpf 52 angibt, welcher insbesondere durch den ersten Temperatursensor 91 messbar ist, und wobei p(TL2') einen Sattdampfdruck in dem Kondensierersumpf 64 angibt, welcher insbesondere durch den dritten Temperatursensor 93 messbar ist (vgl. mit Fig. 18).
Bevorzugt weisen die erste Verdichterstufe 10 und die zweite Verdichterstufe 20 unterschiedlich große Radialräder auf, wobei die Steuerung 96 ausgebildet ist, um die erste Verdichterstufe 10 in dem ersten Leistungsbereich 98 auf ein konstantes erstes Druckverhältnis als Sollwert zu steuern, und um die zweite Verdichterstufe 20 bei zunehmenden Leistungsanforderung zu einem zunehmenden zweiten Druckverhältnis als Sollwert zu steuern, und um in dem zweiten Leistungsbereich 99 eine zunehmende Leistungsanforderung sowohl durch die erste Verdichterstufe 10 als auch durch die zweite Verdichterstufe 20 aufzunehmen (vgl. mi Fig. 19). Beispielsweise liegt der Sollwert bei den verwendeten Verdichterstufen 10, 20 bei 2,7, wie bereits ausgeführt worden ist. Bei Verwendung anderer Verdichterstufen kann der Sollwert ein anderer sein. Insbesondere ist der Sollwert Verdichter spezifisch. Bevorzugt ist das Radialrad der ersten Verdichterstufe 10 größer als das Radialrad der zweiten Verdichterstufe 20 ausgebildet. Beide Radialräder sind insbesondere so ausgelegt, dass sie beide näherungsweise den gleichen Massenstrom durchsetzen. Da vor dem zweiten Radialrad, d.h. dem Radialrad der zweiten Verdichterstufe 20, die Temperatur höher als vor dem ersten Radialrad, d.h. dem Radialrad der ersten Verdichterstufe 10, ist, muss das zweite Radialrad kleiner ausgeführt sein.
Bevorzugt ist die Steuerung 96 dazu ausgebildet, um als Sollwert für die Steuerung der zweiten Drehzahl der zweiten Verdichterstufe 20 einen Maximalwert aus einer Funktion von dem zweiten Wert P2 oder einer vordefinierten Konstante konst, zu verwenden. Die vordefinierte Konstante hängt von den verwendeten Verdichtern ab und ist vorzugsweise im Bereich zwischen 1 und 5, d.h. 1 < konst. <5, weiter vorzugsweise im Bereich zwischen 2 und 4, besonders vorteilhaft ist die Konstante konst=2,7. Die Konstante ist das optimale Druckverhältnis des ersten Verdichters.
Der Maximalwert der zweiten Drehzahl der zweiten Verdichterstufe 20 ist daher gegeben durch: $Maximalwert = P 2 oder konst .$
Der Maximalwert ist durch eine Maximalfunktion gegeben, welche den höchsten Wert aus dem zweiten Wert P2 oder einer vordefinierten Konstante konst, nimmt. Bevorzugt ist die Maximalfunktion eine Wurzelfunktion und die vordefinierte Konstante die Grenze 94 zwischen dem ersten und dem zweiten Leistungsbereich 98, 99 ist. Die Maximalfunktion ist insbesondere gegeben durch Zeichnungen siehe Ansicht "Originaldokument" wobei p(TZI) einen Sattdampfdruck in dem Verdampfersumpf (52) angibt, welcher insbesondere durch den ersten Temperatursensor 91 messbar ist, und wobei p(TL2) einen Sattdampfdruck in dem Kondensierersumpf 64 angibt, welcher insbesondere durch den dritten Temperatursensor 93 messbar ist (vgl. mit Fig. 18).
Der erste Wert P1 ist gegeben durch das Verhältnis aus: P1 =Tl3/Tl1.
Der zweite Wert P2 ist gegeben durch das Verhältnis aus: P2 =TI2/TI3.
Ein gesamtes Verdichtungsverhältnis Pges, wie es in Fig. 19 eingezeichnet ist, ist durch das Produkt aus dem ersten Wert P1 und dem zweiten Wert P2 gegeben, nämlich durch: $Pges = P 1 * P 2 = (TI 3 / TI 1) * (TI 2 / TI 3) = TI 2 / TI 1$
Wie beispielsweise der Fig. 19 zu entnehmen ist, werden der erste Wert P1 und der zweite Wert P2 geometrisch addiert (daher 2* a/2= a), um das gesamte Verdichtungsverhältnis Pges zu erhalten.
Bevorzugt umfasst die Werterfassungseinrichtung 95 einen ersten Temperatursensor zum Erfassen einer ersten Temperatur Tl1 bezüglich des Verdampfers 50, und einen zweiten Temperatursensor zum Erfassen einer zweiten Temperatur Tl3 bezüglich eines Ausgangs der ersten Verdichterstufe 10, wobei die Werterfassungeinrichtung 95 ausgebildet ist, um den ersten Wert P1 aus der ersten Temperatur Tl1 und der zweiten Temperatur Tl3 zu ermitteln. Fig. 18 zeigt beispielsweise, wo im Hydraulikschema der Wärmepumpe 100 die Temperatursensoren angeordnet sein könnten in dem angedeutet ist wo welche der Temperaturen TU, Tl2 und Tl3 gemessen werden kann.
Bevorzugt ist der erste Temperatursensor in dem Verdampfersumpf 52 des Verdampfers 50 angeordnet, um die erste Temperatur Tl1 vor der ersten Verdichterstufe 10 zu erfassen, und der zweite Temperatursensor ist in einem Zwischenkühlungssumpf 44 angeordnet, um die zweite Temperatur Tl3 nach einem Ausgang des ersten Verdichters 10 zu erfassen. Vorzugsweise umfasst der Ausgang des ersten Verdichters 10 die Senke 32 in dem Dampfkanal 30, welcher die erste Verdichterstufe 10 und die zweite Verdichterstufe 20 fluidisch verbindet.
Bevorzugt ist zwischen der ersten Verdichterstufe 10 und der zweiten Verdichterstufe 20 der Dampfkanal 30 vorgesehen, um verdichtestes Fluid aus der ersten Verdichterstufe 10 in die zweite Verdichterstufe 20 zu führen, wobei in dem Dampfkanal 30 der Zwischenkühlungssumpf 44 oder der Behälter 45 angeordnet ist. Durch den Dampfkanal 30 werden die erste Verdichterstufe 10 und die zweite Vedichterstufe 20 fluidisch miteinander verbunden.
Wie der Fig. 18 zu entnehmen ist, umfasst die Werterfassungseinrichtung 95 einen dritten Temperatursensor, um eine dritte Temperatur Tl2 zu messen, wobei die Werterfassungeinrichtung 95 dazu ausgebildet ist, um den zweiten Wert P2 aus der dritten Temperatur Tl2 und der ersten Temperatur (TI1) zu ermitteln. Bevorzugt ist der dritte Temperatursensor im Kondensierersumpf 64 angeordnet ist, um die dritte Temperatur Tl2 nach der zweiten Verdichterstufe 20 zu erfassen. Fig. 18 zeigt ein Hydraulikschema, welches Temperatursensoren für eine Führung des zweiten Verdichters hervorhebt, insbesondere wo die Temperatursensoren in der Wärmepumpe 100 angeordnet sein könnten, um die jeweilige Temperatur TU, Tl2 oder Tl3 zu messen. Wie beispielsweise in Fig. 8 zeigt, kann der zweite Temperatursensor statt in dem Zwischenkühlungssumpf 44 auch in dem Behälter 45 angeordnet sein, also in einem Sumpf 44, 45, welcher die erste Verdichterstufe 10 und die zweite Verdichterstufe fluidisch miteinander fluidisch verbindet.
Bevorzugt erstreckt sich von dem Kondensierersumpf 64 in den Zwischenkühlungssumpf 44 (Fig. 18) oder in den Behälter 45 (Fig 8) ein Fluidleitungskanal 15 erstreckt, um Fluid aus dem Kondensierersumpf 64 in den Zwischenkühlungssumpf 44 bzw. In den Behälter 45 zu leiten, und wobei sich von dem Zwischenkühlungssumpf 44 bzw. dem Behälter 45 in dem Verdampfersumpf 52 ein weiterer Fluidleitungskanal 15 erstreckt, um Fluid aus dem Zwischenkühlungssumpf 44 bzw. dem Behälter 45 in den Verdampfersumpf 52 zu leiten. Durch die Verbindung der Sümpfe 64, 44, 45 und 52 über die Fluidleitungen 15 miteinander, wird im Laufe des Betriebes der Wärmepumpe 100 das Fluid in jedem der Sümpfe 64, 44, 45 und 52 erhöht. Hierdurch kann es schon aufgrund einer Laufzeit des Betriebes der Wärmepumpe 100 dazu kommen, dass es einer Regelung der Verdichterstufen der Wärmepumpe, wie in Fig. 19 gezeigt ist, bedarf.
Bevorzugt ist zwischen der ersten Verdichterstufe 10 und dem Kondensierer 60 ein Überbrückungskanal 62 angeordnet, um die zweite Verdichterstufe 20 zu überrücken, wobei in dem Überbrückungskanal 62 ein Querschnittreduzierungselement 70 angeordnet ist, um einen Querschnitt des Überbrückungskanals 62 einzustellen, um einen Durchfluss von verdichtetem Fluid aus der ersten Verdichterstufe 10 zu dem Kondensierer 60 zu regeln, wobei das Querschnittreduzierungselement 70 bei einem Betrieb der zweiten Verdichterstufe 20 eine geschlossene Position einnimmt. Der Überbrückungskanal 62 und das Querschnittreduzierungselement 70 wurden bereits ausführlich beschrieben, worauf Bezug genommen wird.
Die Drehzahlen der Verdichterstufen 10, 20 können aus zwei Gründen erhöht werden, da sowohl die Anwenderseite als auch die Rückkühlerseite auf die Wärmepumpe wirken. Beispielsweise kann die die Kaltwassertemperatur 97 steigen. Das vom Anwender genutzte Wasser, was ihm bereitgestellt wird, hat einfach eine höhere Temperatur, d.h. der Anwende benötigt mehr Kälteleistung. In diesem Fall wird die Drehzahl der ersten Verdichterstufe 10 hochgeregelt, wodurch der Wärmepumpe 100 mehr elektrische Leistung 104 zugeführt wird. Hierdurch steigt die von der Wärmepumpe erzeugte Kälteleistung 103. In einem anderen Fall kann Kaltwassertemperatur 97 steigen, wenn die Wassertemperatur vom Rückkühler zum Verflüssiger steigt, beispielsweise wenn die Außentemperatur steigt und der Rückkühler die Wärmeenergie nur mit größerem Energieaufwand abführen kann. In diesem Fall steigen beispielsweise die gemessenen Temperaturen TU, Tl3 und Tl2, wodurch schließlich die Kaltwassertemperatur ansteigt, welche dem Anwender zugeht. Für den Betrieb der Verdichterstufen 10, 20 bedeutet dies, dass zunächst die erste Verdichterstufe in ihrer Drehzahl hochgeregelt wird und zweitversetzt dann auch die zweite Verdichterstufe in ihrer Drehzahl hochgeregelt wird. Bei einem Anstieg der Kühlwassertemperatur steigt damit auch die aufgenommene eletrische Leistung 104 der Wärmepumpe 100.
Durch die hierin beschriebene Wärmepumpe kann der zweite Verdichter effizienter genutzt werden, wodurch die Wärmepumpe als solche effizienter genutzt werden kann. Zudem wird verhindert, dass die zweite Verdichterstufe in der Pumpgrenze oder in der Schluckgrenze betrieben wird. Insbesondere stellt die erste Verdichterstufe dem Anwender eine angeforderte Kälteleistung zu Verfügung. Die zweite Verdichterstufe 20 führt die Wärme von der Wärmepumpe 100 an den Rückkühler ab. Wenn die erste Verdichterstufe 10 dem Anwender mehr Kälteleistung zu Verfügung stellt, wird durch die Verdichterstufe 20 das Mehr an Wärmeleistung an den Rückkühler abgegeben, wodurch die aufgenommene elektirsche Leistung der Wärmepumpe steigt.
Ein weiterer Aspekt betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Wärmepumpe 100 mit einem Verdampfer 50 zum Verdampfen eines Fluids, um ein verdampftes Fluid zu erhalten, wobei der Verdampfer 50 einen Verdampfersumpf 52 aufweist; einem Kondensierer 60, um verdampftes und von einem N-stufigen Verdichter verdichtetes Fluid zu kondensieren, wobei der Kondensierer 60 einen Kondensierersumpf 64, einen Kondensationsbereich 66 und einen Haltebereich 67 zum Halten von einem nach dem Kondensationsbereich 66 noch verbliebenen dampfförmigen Fluid aufweist; dem N- stufigen Verdichter, welcher N Verdichter umfasst, wobei N eine natürliche Zahl größer oder gleich eins ist, wobei der N-stufige Verdichter zwischen dem Verdampfer 50 und dem Kondensierer 60 angeordnet ist; einen Dampfkanal 30, welcher wenigstens zwei der N Verdichter des N-stufigen Verdichters zwischen dem Verdampfer 50 und dem Kondensierer 60 koppelt, und einer Dampfführungsleitung 92, die zwischen dem Kondensierer 60 und dem Verdampfer 50 angeordnet ist, um dampfförmiges Fluid aus dem Haltebereich 67 des Kondensierers 60 in den Verdampfer 50 zu führen, mit folgenden Schritten:

Verdampfen von Fluid durch den Verdampfer 50;
Zuführen des verdampften Fluid in die erste Verdichterstufe 10, um das verdampfte Fluid zu verdichten,
Leiten des verdichteten Fluid durch den Dampfkanal 30, um die N Verdichter zu passieren; um schließlich den Kondensierer 60 zu erreichen;
Kondensieren des verdichteten Fluids im Kondensationsbereich 66 und
Halten von nicht kondensiertem Fluid in dem Haltebereich 67; und Zurückführen des verdampften Fluids über die Dampfführungsleitung 92 aus dem Haltebereich 67 zu dem Verdampfer 50.

Ein weiterer Aspekt betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer Wärmepumpe 100 mit einem Verdampfer 50 zum Verdampfen eines Fluids, um ein verdampftes Fluid zu erhalten, wobei der Verdampfer 50 einen Verdampfersumpf 52 aufweist; einem Kondensierer 60, um verdampftes und von einem N-stufigen Verdichter verdichtetes Fluid zu kondensieren, wobei der Kondensierer 60 einen Kondensierersumpf 64, einen Kondensationsbereich 66 und einen Haltebereich 67 zum Halten von einem nach dem Kondensationsbereich 66 noch verbliebenen dampfförmigen Fluid aufweist; dem N- stufigen Verdichter, welcher N Verdichter umfasst, wobei N eine natürliche Zahl größer oder gleich eins ist, wobei der N-stufige Verdichter zwischen dem Verdampfer 50 und dem Kondensierer 60 angeordnet ist; einen Dampfkanal 30, welcher wenigstens zwei der N Verdichter des N-stufigen Verdichters zwischen dem Verdampfer 50 und dem Kondensierer 60 koppelt, und einer Dampfführungsleitung 92, die zwischen dem Kondensierer 60 und dem Verdampfer 50 angeordnet ist, um dampfförmiges Fluid aus dem Haltebereich 67 des Kondensierers 60 in den Verdampfer 50 zu führen, mit folgenden Schritten:

Anordnen des Verdampfers 50, des N-Stufigen Verdichters und des Kondensierer 60; Verbinden des Verdampfers, des N-Stufigen Verdichters und des Kondensierers 60 über den Dampfkanal 30; und
Verbinden des Verdampfers und des Kondensierers 60 über die Dampfführungsleitung 92, um ein Kreislauf herzustellen, in dem das Fluid zirkuliert.

Ein weiterer Aspekt betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Wärmepumpe 100 mit einem Verdampfer 50 zum Verdampfen eines Fluids, um ein verdampftes Fluid zu erhalten, wobei der Verdampfer 50 einen Verdampfersumpf 52 aufweist; einem Kondensierer 60 zum Kondensieren eines verdichteten Fluids, wobei der Kondensierer 60 einen Kondensierersumpf 64 aufweist; einem Verdichter mit einer ersten Verdichterstufe 10 und einer zweiten Verdichterstufe 20, wobei der Verdichter in Flussrichtung des verdampften Fluids in einem Betrieb der Wärmepumpe 100 zwischen dem Verdampfer 50 und dem Kondensierer 60 angeordnet ist und ausgebildet ist, um das verdampfte Fluid zu verdichten, um das verdichtete Fluid zu erhalten; wobei das Verfahren die Schritte umfasst:

Sammeln eines Zwischenkühlungsfluids in einem Behälter 45; und
Durchströmen eines Wärmeübertragers 82 mit einer Rohrleitung 56 mit dem Zwischenkühlungsfluid aus dem Behälter 45, wobei die Rohrleitung 56 in einem Strömungsbereich 11 zwischen der ersten Verdichterstufe 10 und der zweiten Verdichterstufe 20 angeordnet ist, um dampfförmiges Fluid in dem Strömungsbereich 11 zu kühlen.

Ein weiterer Aspekt betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer Wärmepumpe 100 mit einem Verdampfer 50 zum Verdampfen eines Fluids, um ein verdampftes Fluid zu erhalten, wobei der Verdampfer 50 einen Verdampfersumpf 52 aufweist; einem Kondensierer 60 zum Kondensieren eines verdichteten Fluids, wobei der Kondensierer 60 einen Kondensierersumpf 64 aufweist; einem Verdichter mit einer ersten Verdichterstufe 10 und einer zweiten Verdichterstufe 20, wobei das Verfahren umfasst:
Anordnen des Verdichters in Flussrichtung des verdampften Fluids, sodass während eines Betriebes der Wärmepumpe 100 der Verdichter zwischen dem Verdampfer 50 und dem Kondensierer 60 angeordnet ist, um das verdampfte Fluid zu verdichten, um das verdichtete Fluid zu erhalten;
Anordnen eines Behälters 45 zum Sammeln eines Zwischenkühlungsfluids; und Anordnen eines Wärmeübertragers 82 mit einer Rohrleitung 56 in einem Strömungsbereich 1 1 zwischen der ersten Verdichterstufe 10 und der zweiten Verdichterstufe 20, um in einem Betrieb der Wärmepumpe die Rohrleitung 56 von dem Zwischenkühlungsfluid aus dem Behälter 45 zu durchströmen und um dampfförmiges Fluid in dem Strömungsbereich 11 zu kühlen.
Ein weiterer Aspekt betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Wärmepumpe 100 mit einem Verdampfer 50 zum Verdampfen eines Fluids, um ein verdampftes Fluid zu erhalten, wobei der Verdampfer 50 einen Verdampfersumpf 52 aufweist; einem Verdichter mit einer ersten Verdichterstufe 10 und einer zweiten Verdichterstufe 20, wobei der Verdichter in Flussrichtung des verdampften Fluids in einem Betrieb der Wärmepumpe 100 zwischen dem Verdampfer 50 und einem Kondensierer 60 angeordnet ist und ausgebildet ist, um das verdampfte Fluid zu verdichten, um verdichtetes Fluid zu erhalten; und dem Kondensierer 60 zum Kondensieren des verdichteten Fluids; und einem Zwischenkühler 40, der der mit einer Zwischenkühlungsfluidzuführungsleitung 3 verbunden ist und der ein Wirkungselement 42 aufweist, wobei das Wirkungselement 42 zwischen der ersten Verdichterstufe 10 und der zweiten Verdichterstufe 20 angeordnet ist, wobei das Verfahren umfasst:

Zuführen von Zwischenkühlungsfluid über die Zwischenkühlungsfluidzuführungsleitung 3 aus dem Verdampfersumpf 52 in das Wirkungselement 42;
Ausgeben eines erwärmten dampfförmigen Fluids durch die erste Verdichterstufe 10; Interagieren des Zwischenkühlungsfluids, das durch die Zwischenkühlungsfluidzuführungsleitung 3 zuführbar ist, mit dem von der ersten Verdichterstufe 10 ausgegebenen erwärmten dampfförmigen Fluid, um das dampfförmige Fluid zu kühlen.

Ein weiterer Aspekt betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer Wärmepumpe 100 mit einem Verdampfer 50 zum Verdampfen eines Fluids, um ein verdampftes Fluid zu erhalten, wobei der Verdampfer 50 einen Verdampfersumpf 52 aufweist; einem Verdichter mit einer ersten Verdichterstufe 10 und einer zweiten Verdichterstufe 20, wobei der Verdichter in Flussrichtung des verdampften Fluids in einem Betrieb der Wärmepumpe 100 zwischen dem Verdampfer 50 und einem Kondensierer 60 angeordnet ist und ausgebildet ist, um das verdampfte Fluid zu verdichten, um verdichtetes Fluid zu erhalten; und dem Kondensierer 60 zum Kondensieren des verdichteten Fluids;wobei das Verfahren umfasst:
Anordnen eines Zwischenkühlers 40 mit einem Wirkungselement 42 zwischen der ersten Verdichterstufe 10 und der zweiten Verdichterstufe 20
Verbinden des Zwischenkühlers 40 mit einer Zwischenkühlungsfluidzuführungsleitung 3, die sich von dem Verdampfersumpf 52 zu dem Wirkungselement 42 erstreckt, um in einem Betrieb der Wärmepumpe 100 eine Interaktion zwischen einem Zwischenkühlungsfluid, welches durch die Zwischenkühlungsfluidzuführungsleitung 3 zuführbar ist, und einem von der ersten Verdichterstufe 10 ausgebbaren erwärmten dampfförmigen Fluid zu bewirken.
Ein weiterer Aspekt betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Wärmepumpe 100 mit einem Verdampfer 50 zum Verdampfen eines Fluids, um verdampftes Fluid zu erhalten; einem Kondensierer 60 zum Kondensieren eines verdichteten Fluids; einem Verdichter mit einer ersten Verdichterstufe 10 und einer zweiten Verdichterstufe 20, wobei der Verdichter in Flussrichtung des verdampften Fluids in einem Betrieb der Wärmepumpe 100 zwischen dem Verdampfer 50 und dem Kondensierer 60 angeordnet ist und ausgebildet ist, um das verdampfte Fluid zu verdichten, um verdichtetes Fluid zu erhalten; und einem Überbrückungskanal 62 zwischen der ersten Verdichterstufe 10 und dem Kondensierer 60, wobei das Verfahren umfasst:
Überbrücken der zweiten Verdichterstufe 20 durch Einstellen eines Querschnitts eines Querschnittreduzierungselements 70 in dem Überbrückungskanal 62, um einen Durchfluss von verdichtetem Fluid aus der ersten Verdichterstufe 10 zu dem Kondensierer 60 zu regeln.
Ein weiterer Aspekt betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer Wärmepumpe 100 mit einem Verdampfer 50 zum Verdampfen eines Fluids, um verdampftes Fluid zu erhalten; einem Kondensierer 60 zum Kondensieren eines verdichteten Fluids; einem Verdichter mit einer ersten Verdichterstufe 10 und einer zweiten Verdichterstufe 20, wobei der Verdichter in Flussrichtung des verdampften Fluids in einem Betrieb der Wärmepumpe 100 zwischen dem Verdampfer 50 und dem Kondensierer 60 angeordnet ist und ausgebildet ist, um das verdampfte Fluid zu verdichten, um verdichtetes Fluid zu erhalten; wobei das Verfahren umfasst:

Anordnen eines Überbrückungskanal 62 zwischen der ersten Verdichterstufe 10 und dem Kondensierer 60, um die zweite Verdichterstufe 20 zu überbrücken,
Anordnen eines Querschnittreduzierungselements 70 in dem Überbrückungskanal 62, um einen Querschnitt des Überbrückungskanals 62 einzustellen, um einen Durchfluss von verdichtetem Fluid aus der ersten Verdichterstufe 10 zu dem Kondensierer 60 zu regeln.

Ein weiterer Aspekt betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Wärmepumpe 100 mit einem Verdampfer 50 zum Verdampfen eines Fluids, um ein verdampftes Fluid zu erhalten; einem Kondensierer 60 zum Kondensieren eines verdichteten Fluids; und einem Verdichter mit einer ersten Verdichterstufe 10 und einer zweiten Verdichterstufe 20, wobei der Verdichter in Flussrichtung des verdampften Fluids in einem Betrieb der Wärmepumpe 100 zwischen dem Verdampfer 50 und dem Kondensierer 60 angeordnet ist und ausgebildet ist, um das verdampfte Fluid zu verdichten, um das verdichtete Fluid zu erhalten, mit folgenden Schritten:
Erfassen eines ersten Werts P1, der einem ersten Druckverhältnis zwischen einem Eingang der ersten Verdichterstufe und einem Ausgang der ersten Verdichterstufe entspricht oder von dem ersten Druckverhältnis abhängig ist; und Steuern einer ersten Drehzahl der ersten Verdichterstufe 10 und einer zweiten Drehzahl der zweiten Verdichterstufe 20, wobei die zweite Drehzahl der zweiten Verdichterstufe 20 in Abhängigkeit von dem ersten Wert P1 gesteuert wird.
Ein weiterer Aspekt betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer Wärmepumpe 100 mit: einem Verdampfer 50 zum Verdampfen eines Fluids, um ein verdampftes Fluid zu erhalten; einem Kondensierer 60 zum Kondensieren eines verdichteten Fluids; und einem Verdichter mit einer ersten Verdichterstufe 10 und einer zweiten Verdichterstufe 20, mit folgenden Schritten:
Anordnen des Verdichters in Flussrichtung des verdampften Fluids in einem Betrieb der Wärmepumpe 100 zwischen dem Verdampfer 50 und dem Kondensierer 60, um das verdampfte Fluid zu verdichten, um das verdichtete Fluid zu erhalten; und Verbinden einer Werterfassungseinrichtung zum Erfassen eines ersten Werts, der einem ersten Druckverhältnis zwischen einem Eingang der ersten Verdichterstufe und einem Ausgang der ersten Verdichterstufe entspricht oder von dem ersten Druckverhältnis abhängig ist mit dem Verdichter, dem Verdampfer oder dem Kondensieren; und Verbinden einer Steuerung zum Steuern einer ersten Drehzahl der ersten Verdichterstufe 10 und einer zweiten Drehzahl der zweiten Verdichterstufe 20 mit dem Verdichter, wobei die zweite Drehzahl der zweiten Verdichterstufe 20 in Abhängigkeit von dem ersten Wert gesteuert wird.
Wie bereits im allgemeinen Teil erwähnt, können einzelne Aspekte, welche in Bezug auf die Wärmepumpe beschrieben sind, auch als Verfahrensschritt umgesetzt werden.
Bevorzugt kann ein Verfahren zum Herstellen einer Wärmepumpe 100, wie oben beschrieben, durch Anfertigen der einzelnen Merkmale und Zusammenfügen der einzelnen Merkmale zu einer der oben beschriebenen Wärmepumpe 100 bereitgestellt werden. Auf die einzelnen Merkmale wird vorliegend in Zusammenhang mit dem Herstellungsverfahren der Wärmepumpe nicht erneut eingegangen. Vielmehr wird an dieser Stelle Bezug auf die obige Beschreibung der einzelnen Merkmale genommen, welche auch als Verfahrensschritt zur Herstellung verstanden werden kann.
Ferner bevorzugt umfasst ein Verfahren zum Betreiben einer Wärmepumpe 100 zunächst ein Bereitstellen einer Wärmepumpe 100, wie oben beschrieben.
Zum Betreiben der Wärmepumpe wird zumindest eine, insbesondere die erste, Verdichterstufe 10 betrieben. Während eines Betreibens der ersten Verdichterstufe 10, wird Fluid über den Verdampfer 50 verdampf und so der ersten Verdichterstufe zugeführt. Zeitgleich wird flüssiges Fluid über die Zwischenkühlungsfluidzuführungsleitung 3 einem Wirkungselement 42 und/oder einem Wärmeübertrager 82 zugeführt. Verdampftes und verdichtetes Fluid, welches die erste Verdichterstufe 10 verlässt, wird wie oben bereits beschrieben gekühlt. Ferner umfasst das Verfahren zum Betreiben einer Wärmepumpe 100 ein Einstellen des Querschnittreduzierungselements 70 in eine geöffnete, geschlossene Stellung oder in eine Zwischenstellung, wie oben bereits beschrieben. In Abhängigkeit der Stellung des Querschnittreduzierungselements 70 wird das verdampfte und verdichtete Fluid, welches die erste Verdichterstufe 10 verlässt, entweder durch den Überbrückungskanal 62 direkt zum Kondensierer 60 geleitet (inaktiver Dampfweg) und/oder über den Dampfkanal 30 zur zweiten Verdichterstufe 20 geführt (aktive Dampfweg). Bei einer Zwischenstellung des Querschnittreduzierungselements 70 können insbesondere der inaktive und der aktive Dampfweg zum Leiten des verdampften und verdichteten Fluids verwendet werden. Eine Beschreibung der Zirkulation des Fluids geht bereit aus der obigen Beschreibung hervor, welche im Zusammenhang mit dem Verfahren zum Betreiben der Wärmepumpe nicht wieder wiederholt wird, um Redundanzen zu vermeiden. Vielmehr wird auch hier auf die obige Beschreibung verweisen, welche auch als Verfahrensschritte zum Betreiben der Wärmepumpe verstanden werden kann. Insbesondere können die verschiedenen beschriebenen Merkmale beliebig miteinander kombiniert oder gegeneinander ausgetauscht werden. Insbesondere werden Fluid uns Kühlwasser synonym zueinander verwendet. Insbesondere ist bei Verwendung des Wortes Dampf verdampftes Fluid gemeint.

Bezugszeichenliste

1 weitere Zurückführungsleitung
3 Zwischenkühlungsfluidzuführungsleitung
2 Zurückführungsleitung
4 weiterer Zwischenkühler
5 noch weiterer Zwischenkühler
7 Füllkörper
8 indirekte Zwischenkühlung
10 erste Verdichterstufe
11 Strömungsbereich
12 Ansaugstutzen
14 Leitraum
15 Fluidleitungskanal
16 maximaler Durchmesser
17 minimaler Durchmesser
20 zweite Verdichterstufe
22 Umwälzpumpe
30 Dampfkanal (Banane)
32 Senke
33 Motorkühlungsleitung
34 Motorkühlung
35 weitere Motorkühlungsleitung
36 weitere Motokühlung
40 Zwischenkühler
42 Wirkungselement
44 Zwischenkühlungssumpf
45 Behälter
46 erste Zwischenkühler-Leitung
48 zweite Zwischenkühler-Leitung
49 Kugellageradapter
50 Verdampfer
51 Fluidniveau
52 Verdampfersumpf
54 oberes Verdampferteil
55 Öffnung in den Verdampfer
56 Rohrleitung
56a Rohrbündel
56b spiralförmige Rohranordnung
57 Berieselungsbereich
58 Berieselungsvorrichtung
59 erste Verdampfer-Leitung
60 Kondensierer
62 Überbrückungskanal
64 Kondensierersumpf
65 Öffnung einer Leitung in einen Sumpf
66 Kondensationsbereich
67 Haltebereich
68 Füllstand
70 Querschnittreduzierungselement
72 Durchmesser des Querschnittreduzierungselements
74 Kugellageradapterleitung
76 Kugellageradapter
77 Verdichterkühlungskanal
80 N-te Verdichterstufe
82 Wärmeübertrager
83 Windung
90 Dampfübertragungsklappe/ Überbrückungsklappe
92 Dampfführungsleitung
91 erster Temperatursensor
92 zweiter Temperatursensor
93 dritter Temperatursensor
94 Grenze
95 Werterfassungseinrichtung
96 Steuerung
97 Ist-Temperatur einer verdampferseitig ausgegebenen Kühlflüssigkeit
98 erster Leitungsbereich
99 zweiter Leistungsbereich
Tl1 erste Temperatur
Tl3 zweite Temperatur
Tl2 dritte Temperatur
100 Wärmepumpe
101 Schraubenlinie
102 Schraubachse
103 Kälteleistung
104 elektrische Leistung
105 abgeführte Leistung
170 Verdichterkennfeld/Grenzlinien
171 Pumpgrenze
172 gepunktete Linien
180 Hüllfläche
181 Drehzahlkennlinie
P1 erster Wert/ Istwert
P2 zweiter Wert/ Sollwert
M Motor
300 Prüfstand
301 zu prüfender Verdichter
302 Drucksensor
303 Temperatursensor
304 Dampfdurchfluss
306 Rohr
307 Drosselventil
308 Rücklauf
309 Sensor
310 Pumpe
311 Anschluss
2' Verdampfer
3' erster Verdichter
4' Zwischenkühlung
4a' Zwischenkühlungssumpf
4c' Pumpe
5' zweiter Verdichter
6' Kondensator
41 ' Behälter
71 ' Zuleitung
72' Zuleitung
V0 Dampfbypass
50' Verdampfer
60' Kondensierer

Claims

Wärmepumpe (100) mit folgenden Merkmalen:
einem Verdampfer (50) zum Verdampfen eines Fluids, um ein verdampftes Fluid zu erhalten, wobei der Verdampfer (50) einen Verdampfersumpf (52) aufweist;

einem Verdichter mit einer ersten Verdichterstufe (10) und einer zweiten Verdichterstufe (20), wobei der Verdichter in Flussrichtung des verdampften Fluids in einem Betrieb der Wärmepumpe (100) zwischen dem Verdampfer (50) und einem Kondensierer (60) angeordnet ist und ausgebildet ist, um das verdampfte Fluid zu verdichten, um verdichtetes Fluid zu erhalten, wobeider Kondensierer (60) zum Kondensieren des verdichteten Fluids vorgesehen ist; und

einem Zwischenkühler (40), der mit einer Zwischenkühlungsfluidzuführungsleitung (3) verbunden ist und der ein Wirkungselement (42) aufweist, wobei das Wirkungselement (42) zwischen der ersten Verdichterstufe (10) und der zweiten Verdichterstufe (20) angeordnet und ausgebildet ist, um eine Interaktion zwischen einem Zwischenkühlungsfluid, das durch die Zwischenkühlungsfluidzuführungsleitung (3) zuführbar ist, und einem von der ersten Verdichterstufe (10) ausgebbaren erwärmten dampfförmigen Fluid zu bewirken, und wobei sich die Zwischenkühlungsfluidzuführungsleitung (3) von dem Verdampfersumpf (52) zu dem Wirkungselement (42) erstreckt,

gekennzeichnet dadurch, dass

eine Kugellageradapterleitung (74) von dem Zwischenkühlungssumpf (44) zu einem Kugellageradapter (76), welcher der ersten Verdichterstufe (10) zugeordnet ist, angeordnet ist, um Fluid aus dem Zwischenkühlungssumpf (44) zum Kühlen des Kugellageradapters (76) zu leiten, und

wobei von einem Ausgang des Kugellageradapters (76) zur ersten Verdichterstufe (10) ein Verdichterkühlungskanal (77) angeordnet ist, um Fluid aus dem Kugellageradapter (76) zu der ersten Verdichterstufe (10) zu leiten, um verdichtetes Fluid in der ersten Verdichterstufe (10) mit dem Fluid aus dem Kugellageradapter (76) zu beregnen.
Wärmepumpe (100) nach Anspruch 1, wobei sich die Zwischenkühlungsfluidzuführungsleitung (3) durch eine Öffnung (55) in dem Verdampfersumpf (52) erstreckt, und wobei die Öffnung (55) der Zwischenkühlungsfluidzuführungsleitung (3) unterhalb eines Fluidniveaus (51) des Fluids in dem Verdampfersumpf (52) liegt.
Wärmepumpe (100) nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Zwischenkühler (40) einen Zwischenkühlungssumpf (44) aufweist, wobei sich ausgehend von einem Boden des Zwischenkühlungssumpfes (44) eine Zurückführungsleitung (2) zum Zurückführen von Fluid aus dem Zwischenkühlungssumpf (44) in den Verdampfersumpf (52), vorzugsweise seitlich, in den Verdampfersumpf (52) erstreckt, insbesondere wobei das von der ersten Verdichterstufe (10) ausgebbare erwärmte dampfförmige Fluid und das Zwischenkühlungsfluid jeweils aus dem Verdampfersumpf (52) entnommen sind.
Wärmepumpe (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei sich eine weitere Zurückführungsleitung (1) zum Zurückführen von Fluid aus dem Kondensierersumpf (64) in den Verdampfersumpf (52) von dem Kondensierersumpf (64) direkt, vorzugsweise seitlich, in den Verdampfersumpf (52) erstreckt, insbesondere wobei die Zurückführungsleitung (2) und die weitere Zurückführungsleitung (1) fluidisch voneinander getrennt sind.
Wärmepumpe (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Zwischenkühlungsfluidzuführungsleitung (3) ferner mit mindestens einem weiteren Zwischenkühler (4) verbunden ist, wobei der weitere Zwischenkühler (4) in einem Dampfkanal (30) zwischen dem Verdampfer (50) und dem Kondensierer (60) angeordnet ist, insbesondere wobei der weitere Zwischenkühler (4) nach einem Ausgang der ersten Verdichterstufe (10) angeordnet ist.
Wärmepumpe (100) nach einem der Ansprüche 3 bis 5, wobei der Zwischenkühlungssumpf (44) zum Sammeln von Fluid, das durch die Zwischenkühlungsfluidzuführungsleitung (3) fließen kann, ausgebildet ist, wobei das Fluid aus dem Zwischenkühlungssumpf (44) zum Verdampfersumpf (52) über die Zurückführungsleitung (2) zuführbar ist, insbesondere wobei die Zurückführungsleitung (2) und die weitere Zurückführungsleitung (1) jeweils eine Öffnung (55) zu dem Verdampfersumpf (52) an beabstandeten Positionen des Verdampfersumpfes (52) aufweisen.
Wärmepumpe (100) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Zwischenkühlungsfluidzuführungsleitung (3) oder eine Motorkühlungsleitung (33) vom Verdampfersumpf (52) zu einer Motorkühlung (34) der ersten Verdichterstufe (10) angeordnet ist, um Fluid aus dem Verdampfersumpf (52) zu der Motorkühlung (34) zum Kühlen eines der ersten Verdichterstufe (10) zugeordneten Motors (M) zu leiten, insbesondere wobei sich die Zwischenkühlungsfluidzuführungsleitung (3) oder die Motorkühlungsleitung (34) von dem Verdampfersumpf (52) über die Motorkühlung (34) der ersten Verdichterstufe (10) zu dem Wirkungselement (42) erstreckt, um Fluid aus dem Verdampfersumpf (52) zu der Motorkühlung (34) zum Kühlen des der ersten Verdichterstufe (10) zugeordneten Motors (M) und zu dem Wirkungselement (42) zu leiten.
Wärmepumpe (100) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei eine weitere Motorkühlungsleitung (35) vom Verdampfersumpf (52) zu einer weiteren Motorkühlung (36) der zweiten Verdichterstufe (20) angeordnet ist, um Fluid aus dem Verdampfersumpf (52) zu der weiteren Motorkühlung (36) zum Kühlen eines der zweiten Verdichterstufe (20) zugeordneten Motors (M) zu leiten.
Wärmepumpe (100) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei in einem Bereich um die erste Verdichterstufe (10) mindestens ein Füllkörper (7) zur Ableitung von Wärme angeordnet ist.
Wärmepumpe (100) nach einem der vorherigen Ansprüche in Kombination mit Anspruch 5, wobei ein noch weiterer Zwischenkühler (5) in der Zwischenkühlungsfluidzuführungsleitung (3) angeordnet ist, insbesondere wobei durch die Anordnung des Zwischenkühlers (40), des weiteren Zwischenkühlers (4) und des noch weiteren Zwischenkühlers (5) der Dampf in der Zwischenkühlungsfluidzuführungsleitung (3) nach Austritt aus der ersten Verdichterstufe (10) zuerst den weiteren Zwischenkühler (4) und anschließend den noch weiteren Zwischenkühler (5) und/oder den Zwischenkühler (40) passiert.
Wärmepumpe (100) nach Anspruch 5 oder 10, wobei der weitere Zwischenkühler (4) als Wärmeübertrager (82) ausgebildet ist, welcher als Rohrleitung (56) und/oder als Rohrbündel (56a) ausgebildet ist und ein Rohrvolumen aufweist, welches mit Fluid aus dem Verdampfersumpf (52) durchströmt ist, um eine indirekte Kühlung des Dampfes zu ermöglichen.