EP4621244A1

EP4621244A1 - Verdichtereinheit, wärmetechnische anlage umfassend die verdichtereinheit, und verfahren zum betrieb einer verdichtereinheit in einer wärmetechnischen anlage

Info

Publication number: EP4621244A1
Application number: EP24165176.9A
Authority: EP
Inventors: Dirk Drews
Original assignee: Kelvinpro Ag
Current assignee: Kelvinpro Ag
Priority date: 2024-03-21
Filing date: 2024-03-21
Publication date: 2025-09-24

Abstract

Vorgeschlagen ist eine Verdichtereinheit (10), bei der ein Verdichter und ein Antriebsmotor in einem Gehäuse angeordnet sind, das den Verdichter und den Antriebsmotor umschliesst. Das Gehäuse umschliesst weiterhin ein Schmierstoffreservoir für einen Schmierstoff. Innerhalb des Schmierstoffreservoirs ist wenigstens eine Wärmetauschvorrichtung (18) angeordnet. Die Verdichtereinheit (10) ist insbesondere zur Verwendung in einer wärmetechnischen Anlage, wie beispielsweise einer Wärmepumpenanlage, vorgesehen. Dabei ist der Wärmetauscher im Strömungsweg von verflüssigtem Prozessfluid (203) angeordnet und ist dem Kondensator (20) bzw. einem dem Kondensator nachgeordneten Phasentrennungsbehälter (21) zwischengeschaltet. Dergestalt wird die Wärmetauschvorrichtung beim Betrieb der wärmetechnischen Anlage von einem Fluid durchströmt, dessen Temperatur höher ist als die Siedetemperatur des Niederdruck-Prozessfluids (201). Dergestalt wird Schmierstoff im Schmierstoffreservoir der Verdichtereinheit beim Kontakt mit der Wärmetauschvorrichtung auf eine Temperatur erwärmt, bei der im Schmierstoff gelöstes Prozessfluid siedet und damit aus dem Schmierstoff ausgast. Die Akkumulation von Prozessfluid im Schmierstoff wird auf diese Weise verhindert.

Description

TECHNISCHES GEBIET

Die vorliegende Beschreibung betrifft eine Verdichtereinheit der in den Ansprüchen gekennzeichneten Art, eine wärmetechnische Anlage umfassend die Verdichtereinheit, sowie ein Verfahren zum Betrieb einer Verdichtereinheit in einer wärmetechnischen Anlage, wie sie ebenfalls in den Ansprüchen umrissen sind.

TECHNOLOGISCHER HINTERGRUND

Im Rahmen der angestrebten Verminderung des Verbrauchs fossiler Energieträger stehen insbesondere, aber nicht nur, im Gebäudeheizungsbereich Wärmepumpen im Mittelpunkt des Interesses. Deren Emissionen im Betrieb werden ausschliesslich durch die Erzeugung der zum Betrieb der Wärmepumpen benutzten elektrischen Energie bestimmt.
In einer Wärmepumpe wird ein Prozessfluid in einem als Verdampfer fungierenden Niederdruck-Wärmetauscher mithilfe einer Wärmequelle niedriger Temperatur verdampft. Als Wärmequelle können beispielsweise Erdreich, Wasser, Sole oder Umgebungsluft dienen. Das nach der Verdampfung gasförmige Prozessfluid wird durch einen Verdichter komprimiert, wodurch auch die Temperatur des gasförmigen Prozessfluids steigt. Das erwärmte gasförmige Prozessfluid, welches stromab des Verdichters üblicherweise als überhitzter Dampf vorliegt, wird anschliessend in einem als Kondensator für das Prozessfluid fungierenden Hochdruck-Wärmetauscher im Wärmetausch mit einem Sekundärfluid abgekühlt und vollständig kondensiert, wobei das Sekundärfluid von einer Rücklauftemperatur auf eine Vorlauftemperatur erwärmt wird. Das genannte Sekundärfluid kann beispielsweise Wasser eines Heizungskreislaufs oder Brauchwasser sein, oder ein anderes Wärmetransportfluid, welches die Wärme vom Hochdruck-Wärmetauscher, in dem die Wärmeübertragung vom Prozessfluid auf das Wärmetransportfluid übertragen wird, zu einem Heizkreislauf und/oder einem Brauchwassererwärmer transportiert. Das abgekühlte und verflüssigte Prozessfluid wird anschliessend in einem Mittel zur Druckminderung, beispiels- und üblicherweise einem Drosselorgan, wieder auf den Niederdruck entspannt und dabei selbstregelnd durch die Entspannung und damit verbundene teilweise Verdampfung auf eine Temperatur abgekühlt, die niedriger ist als die Temperatur der Wärmequelle und in den Niederdruck-Wärmetauscher zurückgeführt, in dem das Prozessfluid von neuem verdampft wird.
Der Vollständigkeit halber sei erwähnt, dass, wie dem Fachmann geläufig ist, auch andere wärmetechnische Anlagen, wie beispielsweise Klimaanlagen oder Kälteaggregate, mit dem grundsätzlich identischen Kreisprozess arbeiten. Diese können sich fallweise durch die konstruktive Ausgestaltung insbesondere der Wärmetauscher und physische Anordnung der Wärmetauscher von einer Wärmepumpe unterscheiden. Wie für den Fachmann aber leicht nachvollziehbar ist, können die der vorliegenden Erfindung zugrundeliegenden Probleme und vorgeschlagenen Lösungen, wenn auch in Bezug auf Wärmepumpen als Beispiel erläutert, ohne Weiteres auf jede Art von wärmetechnischen Anlagen, wie beispielsweise Klimaanlagen oder Kälteaggregate übertragen bzw. im Zusammenhang mit diesen angewendet werden. Die vorliegend vorgeschlagenen und/oder beanspruchten Gegenstände sind somit generell im Bereich der wärmetechnischen Anlagen anwendbar, insbesondere für Wärmepumpen, Klimaanlagen und Kühlaggregate.
Wenn als Vergleichsprozess des Wärmepumpenbetriebs ein idealisierter Carnot-Prozess herangezogen wird, zeigt sich, dass idealerweise - das heisst, wenn die Verdampfung bei der Temperatur der Wärmequelle stattfände, die Kondensation bei der Vorlauftemperatur stattfände, und Verdichtung und Druckabbau isentrop stattfänden - die zuzuführende auf das Prozessfluid bezogen massenstromspezifische Verdichterleistung der Temperaturdifferenz zwischen der Temperatur der Vorlauftemperatur des Sekundärfluids und der Temperatur der Wärmequelle nahezu proportional ist. Da alle Temperaturen als Absoluttemperaturen über dem absoluten Nullpunkt anzugeben sind, und als Wärmequelle in der Regel eine Wärmequelle bereitgestellt werden kann, deren Temperatur wenigstens einer auf der Erde herrschenden Umgebungstemperatur entspricht, zeigt sich, dass die zum Antrieb des Verdichters erforderliche Leistung signifikant geringer als die auf des Sekundärfluid übertragene Heizleistung ist.
Auch wenn diese Verhältnisse sich in realen wärmetechnischen Prozessen ungünstiger darstellen als in einem idealisierten Carnotprozess zwischen einer unteren und einer oberen Prozesstemperatur, zeigt sich hieran der grosse Nutzen von Wärmepumpen, nämlich, dass eine auf niedriger Temperatur an der Wärmequelle vorhandene Wärme im Verdichter auf eine höhere und für Heizzwecke nutzbare Temperatur «angehoben» wird. Dieser thermodynamische Prozess wird beispielsweise auch bei Klimaanlagen und Kälteaggregaten genutzt, indem die Wärme im zu kühlenden Raum oder des zu kühlenden Gegenstands über die Temperatur einer zur Verfügung stehenden Wärmesenke, wie beispielsweise Umgebungsluft, angehoben wird und somit an die Wärmesenke abgegeben werden kann, obschon die Temperatur der Wärmesenke über der Temperatur des zu kühlenden Raums oder des zu kühlenden Gegenstands liegt. Die durch Abkühlung und Kondensation des Prozessfluids zur Verfügung stehende Heizleistung übersteigt die Antriebsleistung des Verdichters, die üblicherweise über einen Elektromotor bereitgestellt wird, und damit die für den Antrieb des Verdichters erforderliche elektrische Leistung, idealerweise um ein Mehrfaches. Dieses Verhältnis von Heizleistung zur aufgenommenen mechanischen bzw. elektrischen Leistung wird als Leistungszahl bezeichnet, und die Wärmepumpe arbeitet umso effizienter, je kleiner die Differenz zwischen der oberen Prozesstemperatur und die unteren Prozesstemperatur des Prozessfluids ist.
Demnach ist schon beim idealisierten Carnot-Prozess unmittelbar erkennbar, welche negativen Auswirkungen es hat, wenn die untere Prozesstemperatur - also die Temperatur, bei der das Prozessfluid verdampft wird - gesenkt und/oder die obere Prozesstemperatur - die Temperatur bei der das Prozessfluid verflüssigt wird - erhöht wird. Auch wenn sich diese Zusammenhänge in realen Zweiphasenprozessen ungleich komplexer darstellen, wird unmittelbar ersichtlich, dass die untere Prozesstemperatur so hoch wie möglich und die obere Prozesstemperatur so tief wie möglich sein sollte.
Ebenso wird ersichtlich, dass der Auswahl eines Prozessfluids mit zum Prozess passenden thermodynamischen Eigenschaften ebenfalls entscheidend ist. Das Prozesssfluid muss zwingend bei den zu erwartenden Prozesstemperaturen bei technisch gut handhabbaren Drücken ein Zweiphasengebiet aufweisen und derart zu Verdampfen und zu kondensieren in der Lage sein, sowie bei den angestrebten Drücken eine möglichst hohe massenspezifische Verdampfungsenthalpie aufweisen. Eine Prozessführung bei niedrigen Drücken treibt bei gegebener massenspezifischer Verdampfungsenthalpie die zur Erzielung einer bestimmten maximalen Heizleistung erforderlichen Strömungsquerschnitte und/oder -geschwindigkeiten des Prozessfluids in die Höhe. Der gleiche Effekt resultiert, wenn die massenspezifische Verdampfungsenthalpie bei einem gegebenen Druck klein ist, da dies grosse Massenströme pro thermische Leistung erfordert. Hohe Drücke erfordern hingegen grosse Wandstärken und bergen ein latentes Leckagerisiko und sind aus Sicherheitsgründen unerwünscht. Auch andere thermodynamische Eigenschaften, wie zum Beispiel der Isentropenkoeffizient, haben Einfluss. Sehr wesentlich ist bei Hochdruckkältemitteln, wie beispielsweise R410a, die Einschränkung des Betriebsbereichs auf der Hochdruck- und Hochtemperaturseite, da die zulässigen Verdichtungsendtemperaturen sehr viel schneller erreicht werden als bei Niederdruckkältemitteln wie beispielsweise R134a.
Ammoniak oder R-717 bietet vorteilhafte thermodynamische Eigenschaften. Zwar ist Ammoniak auch hinsichtlich des nicht vorhandenen Ozonabbaupotenzials und Treibhauspotenzials vorteilhaft. Im Gegenzug ist es wassergefährdend und hoch toxisch. Daneben ist es korrosiv, und aufgrund der grossen spezifischen Enthalpiedifferenz erschwert in Anlagen geringer Leistung der geringe leistungsspezifische Massenstrom die Regelung der Anlage. Der Einsatz von Ammoniak als Prozessfluid ist daher in der Praxis auf Grossanlagen beschränkt. Dichlordifluormethan, R12 und alle anderen fluorierten Kältemittel werden aufgrund des massiven Schädigungspotenzials für die Ozonschicht nicht mehr verwendet. Tetrafluorethan findet in den Isomerformen R134 und R134a Verwendung. Die Verwendung ist bzw. wird jedoch durch Regulatorien zusehends beschränkt oder untersagt, aufgrund der starken Wirkung als Treibhausgas. Ausserdem gehören diese Stoffe, wie auch zahlreiche andere als Kältemittel verwendete Chemikalien, zu den sogenannten PFAS.
Zusehends findet in Wärmepumpen Propan, R290, Verwendung. Dieser natürliche vorkommende Stoff zeichnet sich insbesondere durch attraktive thermodynamische Eigenschaften aus, welche an sich in einer guten Effizienz der Wärmepumpenanlagen widerspiegelt, sowie durch die Umweltverträglichkeit und das geringe Treibhauspotenzial. Die potenzielle Brandgefahr kann durch Sicherheitsmassnahmen nach dem Stand der Technik beherrscht werden; zudem sind die Füllmengen in Wärmepumpen gerade bei Wärmepumpen für Ein- und Mehrfamilienhäuser gering.
Die mindeste Temperatur, auf die das Hochdruck-Prozessfluid für den Wärmetausch mit dem Sekundärfluid bzw. der Wärmesenke gebracht werden muss, ist die Vorlauftemperatur des Sekundärfluids. Da die Wärmetauschflächen des Hochdruck-Wärmetauschers aber nicht unendlich gross sein können, muss die Temperatur des Hochdruck-Prozessfluids stets um einige Kelvin grösser sein als die Vorlauftemperatur. Der niedrigste Druck, mit dem dies theoretisch möglich ist, entspricht daher dem Dampfdruck des Prozessfluids bei der Vorlauftemperatur des Sekundärfluids und entspricht real, wie oben angedeutet, dem Dampfdruck des Prozessfluids bei einer Temperatur, die etwas grösser ist als die Vorlauftemperatur des Sekundärfluids. Die maximale spezifische Wärme, die das Hochdruck-Prozessfluid bei konstanter Temperatur und konstantem Druck abgeben kann, ist die spezifische Kondensationswärme bei dem Druck, der dem Dampfdruck bei eben dieser Temperatur entspricht. Der Druck des Hochdruck-Prozessfluids entspricht daher idealerweise dem Dampfdruck des Hochdruck-Prozessfluids bei einer Temperatur, die um wenige Kelvin höher ist als die des Vorlaufs des Sekundärfluids. Das Prozessfluid wird je nach Auslegung des Hochdruck-Wärmetauschers vollständig kondensiert und allenfalls auch das Kondensat leicht unterkühlt.
Die höchste Temperatur, die das Niederdruck-Prozessfluid im Wärmetausch mit der Wärmequelle theoretisch erreichen kann, ist die Temperatur der Wärmequelle. Da auch die Wärmetauschflächen des Niederdruck-Wärmetauschers nicht unendlich gross sein können, muss die Temperatur des Niederdruck-Prozessfluids stets um einige Kelvin geringer sein als die Temperatur der Wärmequelle. Der höchste Druck, mit dem dies theoretisch möglich ist, entspricht daher dem Dampfdruck des Prozessfluids bei der Temperatur der Wärmequelle und entspricht real, wie oben angedeutet, dem Dampfdruck des Prozessfluids bei einer Temperatur, die etwas kleiner ist als die Temperatur der Wärmequelle.
Demnach ist der Unterschied zwischen der oberen Prozesstemperatur und der unteren Prozesstemperatur schon aus Gründen der Wärmeübertragung - es muss immer ein treibendes Temperaturgefälle vorhanden sein - grösser als von der Wärmequelle und vom Verbraucher - also dem Sekundärfluid - vorgegeben. Weiterhin ist zu verhindern, dass flüssiges Prozessfluid in den Verdichter eintritt. Ebenso muss ein sichergestellt sein, dass eine Regelung des Kältemittemassenstroms vor dem Eintritt in den Niederdruck-Wärmetauscher ermöglicht ist, ohne dass die Gefahr bestünde, dass aufgrund der begrenzten Dynamik dieser Regelung das Prozessfluid im Niederdruck-Wärmetauscher unvollständig verdampft würde. Daher wird das verdampfte Prozessfluid im Niederdruck-Wärmetauscher zusätzlich durch die Wärmequelle überhitzt. Um dies zu gewährleisten wird der Druck des Niederdruck-Prozessfluids noch weiter unter den Dampfdruck bei der Temperatur der Wärmequelle abgesenkt und somit die untere Prozesstemperatur des Niederdruck-Prozessfluids weiter reduziert. Diese liegt beispielsweise um 10 K unter der Temperatur der Wärmequelle. Schon allein eine Betrachtung des oben skizzierten idealen Carnot-Vergleichsprozesses sowie die Überlegung, dass damit auch der Druck im Niederdruckbereich gesenkt wird und der Verdichter einen grösseren Druckunterschied zu überwinden hat zeigt sofort, dass dies die Leistungszahl der Wärmepumpe negativ beeinflusst. Zusätzlich wirkt sich die Absenkung der Dichte und der damit einhergehenden Verdünnung des saugseitigen Massestroms negativ auf die volumetrische Kälteleistung und damit auf die Effizienz aus.
Gemäss dem üblichen Hermetik-Standard sind in der Verdichtereinheit einer Wärmepumpe üblicherweise ein Verdichter und ein Elektromotor zum Antrieb des Verdichters innerhalb eines Gehäuses gekapselt. Das Gehäuse ist bis auf einen Einlass für Niederdruck-Prozessfluid und einen Auslass für das vom Verdichter komprimierte Prozessfluid hermetisch geschlossen. Der gesamte Antrieb des Verdichters ist im Gehäuse der Verdichtereinheit integriert, so, dass keine beweglichen Elemente das Gehäuse durchdringen. Auf diese Weise sind Leckagen sowohl von umweltschädlichen oder toxischen Prozessfluiden, wie beispielsweise R717 oder R134 bzw. R134a, oder von entflammbaren Prozessfluiden, wie beispielsweise R290, aus der Verdichtereinheit nicht möglich, es sei denn, das Gehäuse der Verdichtereinheit würde gewaltsam zerstört. Das Gehäuse der Verdichtereinheit umschliesst einen Raum, in dem Niederdruck- bzw. in anderen Bauformen Hochdruckniveau herrscht. In Folge werden ausschliesslich Hermetikverdichter mit Niederdruckgehäuse betrachtet. Der eigentliche Verdichter mit seinem Saugeintritt befindet sich in dem Gasraum, in den das Niederdruck-Prozessfluid per Anschlussrohr vom Verdampfer kommend hinein gesaugt wird. Der Verdichter ist mit dem Antriebsmotor verbunden und wird von diesem angetrieben. Im unteren Bereich des Gehäuses ist ein Schmierstoffreservoir angeordnet. Schmierstoff wird durch geeignete Mittel zu Lagerstellen des Rotors gefördert und schmiert dort Lager. Danach tritt der Schmierstoff aus den Lagerstellen aus und wird durch die Drehung des Rotors verwirbelt. Dabei geraten die Schmierstofftropfen in den Gasraum und/oder werden.an die Wicklungen des Stators geschleudert. Ein grösserer Teil der Schmierstofftropfen gelangt unter Einfluss der Schwerkraft und der Kohäsionskräfte in das Schmierstoffreservoir zurück. Ein kleinerer Teil der Schmierstofftropfen bildet einen Nebel und vermischt sich mit dem Sauggasstrom, welcher frei in den Gasraum eintritt. Der Verdichter saugt das Prozessfluid-Schmierstoff-Gemisch an und verdichtet es. Weiter wandert es durch den hochdruckseitigen Wärmetauscher und geht mit dem nun flüssigen Prozessfluid in Lösung. Nach dem Passieren des Mittels zur Druckreduktion tritt es in den niederdruckseitigen Wärmetauscher ein. Das flüssige Prozessfluid verdampft, wobei sich der Schmierstoff und das Prozessfluid trennen. Das nun gasförmige Prozessfluid strömt danach zum Verdichter zurück. Die flüssigen Schmierstoffanteile werden durch den Gasstrom mitgetrieben und lösen auf dem Weg teilweise wieder Prozessfluid in sich, bis zum Einlass für das Niederdruck-Prozessfluid, wo es wieder in den Gasraum eintritt. Zwischen dem Rotor und dem Stator des Antriebsmotors ist im genannten Beispiel eine Fluidverbindung zwischen dem Gasraum und dem Schmierstoffreservoir hergestellt. Häufig ist die Welle des Rotors des Antriebsmotors senkrecht angeordnet, wobei sich der Verdichter und der Gasraum oberhalb des Antriebsmotors befinden, während sich das Schmierstoffreservoir unterhalb des Antriebsmotors befindet. Über der Flüssigkeitsoberfläche des Schmierstoffs im Schmierstoffreservoir lagert die Atmosphäre des Prozessfluids. Schmierstofftropen fallen der Schwerkraft folgend in das Schmierstoffreservoir. Dabei trifft ein Teil des Schmierstoffs auf die Wicklungen des Antriebsmotors und kühlt diese. Bei der Verwendung von beispielsweise R134 oder R134a als Prozessfluid genügt der Wärmeeintrag von den Wicklungen des Antriebsmotors in den Schmierstoff zusammen mit der Überhitzung des gasförmigen Niederdruck-Prozessfluids, um allenfalls im Schmieröl gelöstes Prozessfluid aus dem Schmieröl auszugasen und dieses auf diese Weise vom Prozessfluid zu trennen.
Propan, R290, jedoch ist in üblicherweise verwendeten Schmierstoffen derart gut löslich, dass die Gefahr besteht, dass das Prozessfluid den Schmierstoff zusehends verdünnt, was in einer Havarie der Verdichtereinheit resultieren kann. Die Hersteller der Verdichtereinheiten schreiben Mindest-Überhitzungen des Prozessfluids vor. Diese werden zwar häufig als Mindest-Überhitzungen am Verdichteraustritt definiert, können aber in Überhitzungswerte für das gasförmige Niederdruck-Prozessfluid transformiert werden. So zeigt sich, dass das gasförmige Niederdruck-Prozessfluid beim Betrieb einer Wärmepumpe mit R290 als Prozessfluid und unter Beachtung der Vorgaben der Verdichter-Hersteller durchaus um 15 K bis 20 K über die Verdampfungs- bzw. Siedetemperatur beim Druck des Niederdruck-Prozessfluids überhitzt ist bzw. der Druck des Niederdruck-Prozessfluids so weit abgesenkt ist, dass die Temperatur bei Austritt aus dem Niederdruck-Wärmetauscher oder Verdampfer um 15 K bis 20 K über der Verdampfungs- bzw. Siedetemperatur liegt. Wird weiter berücksichtigt, dass im Niederdruck-Wärmetauscher ein treibendes Temperaturgefälle von einigen K, beispielsweise 2 K, vorhanden sein muss, ergibt sich ohne Weiteres, dass die Verdampfungstemperatur des Prozessfluids, d.h. die untere Prozesstemperatur, signifikant unter der Temperatur der Wärmequelle liegt. Auch hier ist bereits aus einer Betrachtung des oben skizzierten idealen Carnot-Vergleichsprozesses sowie der Überlegung, dass damit der Druck im Niederdruckbereich gesenkt wird und der Verdichter einen grösseren Druckunterschied zu überwinden hat, die Verschlechterung der Leistungszahl aufgrund der notwendigen Überhitzung des Niederdruck-Prozessfluids qualitativ unmittelbar ersichtlich.

DARSTELLUNG DES GEGENSTANDES DER VORLIEGENDEN BESCHREIBUNG

Es sollen eine Verdichtereinheit, eine wärmetechnische Anlage umfassend die Verdichtereinheit sowie ein Verfahren zum Betrieb der Verdichtereinheit der einleitend beschriebenen Art angegeben werden. Gemäss bestimmter Aspekte des vorliegend beschriebenen Gegenstandes sollen oben dargelegte nachteilige Effekte des Standes der Technik vermieden oder zumindest gemildert werden. Eine Aufgabe, die in spezifischen Sichtweisen gelöst werden soll, ist, die erforderliche Überhitzung des Prozessfluides am Verdichtereintritt zu reduzieren, insbesondere bei der Verwendung von Propan als Prozessfluid. Gemäss weiterer Aspekte soll die Verdünnung des Schmierstoffs durch im Schmierstoff gelöstes Prozessfluid verhindert oder zumindest vermindert werden, derart, dass keine Gefahr besteht, dass aufgrund der Akkumulation von gelöstem Prozessfluid im Schmierstoff und einer daraus resultierenden Verminderung der Viskosität des Schmierstoffs eine Havarie des Verdichters droht. Es soll erreicht werden, dass beispielsweise eine Wärmepumpenanlage bei gegebenen Temperaturen der Wärmequelle und der Wärmesenke und unter Verwendung eines gegebenen Prozessfluids mit einer verbesserten Leistungszahl betrieben werden kann.
Die Begriffe Wärmepumpe und Wärmepumpenanlage werden in Rahmen des vorliegenden Dokuments synonym verwendet.
Weitere Wirkungen und Vorteile der hier beschriebenen Gegenstände, ob explizit angegeben oder nicht, ergeben sich im Lichte der vorliegenden Beschreibung.
Dies wird mittels der im Anspruch 1 beschriebenen Verdichtereinheit erreicht.
Beschrieben ist demnach eine Verdichtereinheit, umfassend einen Verdichter, einen Antriebsmotor sowie ein Gehäuse, das den Verdichter und den Antriebsmotor umschliesst. Der Verdichter ist insbesondere ein Scroll-Verdichter. Der Antriebsmotor umfasst einen Rotor und einen Stator. Der Rotor des Antriebsmotors steht mit dem Verdichter zum Antrieb des Verdichters in Wirkverbindung. Beispielsweise steht der Rotor des Antriebsmotors mit einem Rotor des Verdichters in Wirkverbindung. Es sind Ausführungsformen vorstellbar, in denen der Rotor des Antriebsmotor und der Rotor des Verdichters eine gemeinsame Welle aufweisen. In bestimmten Ausgestaltungen der Verdichtereinheit definiert der Rotor des Antriebsmotors eine Axialrichtung der Verdichtereinheit, die parallel zu einer Drehachse des Rotors liegt, sowie eine Radialrichtung und eine Umfangsrichtung. Der Rotor umfasst eine Welle, beispielsweise mit einer rotationsymmetrischen Permanentmagnetpackung oder mit einem rotationssymmetrischen Asynchronkäfigläufer. Der Stator umfasst Statorwicklungen, wobei insbesondere die Rotorwicklungen radial innerhalb der Statorwicklungen und weiterhin insbesondere radial innerhalb der Gesamtheit der Statorwicklungen angeordnet sind. Beispielsweise ist die Welle an wenigstens einer Lagerstelle und insbesondere an zwei Lagerstellen innerhalb des Gehäuses gelagert. Bei Ausführungsformen mit einer Lagerstelle stützt sich die Motorwelle beispielsweise zusätzlich über ein Lager des Verdichters ab. Das Gehäuse der Verdichtereinheit umschliesst einen Gasraum und ein Schmierstoffreservoir. Das Schmierstoffreservoir definiert einen Bereich im Inneren des Gehäuses, der vorgesehen ist, um einen Schmierstoff aufzunehmen und insbesondere einen Schmierstoffsumpf darin auszubilden. Dabei kann sich oberhalb einer Flüssigkeitsoberfläche des Schmierstoffsumpfes auch gasförmiges Prozessfluid im Schmierstoffreservoir befinden. Der Gasraum definiert einen Bereich des Gehäuseinneren, der nicht zur Ausbildung eines Schmierstoffsumpfes in dem Gasraum vorgesehen ist. Für den Fachmann sind diese beiden Bereiche eindeutig voneinander unterscheidbar, beispielsweise aufgrund der enthaltenen Einbauten, ihrer Gestaltung, und/oder ihrer Lage bei bestimmungsgemässer Anordnung. So wird das Schmierstoffreservoir im Allgemeinen mit einer Vorrichtung in Fluidverbindung stehen, welche geeignet ist, den Schmierstoff an zu schmierende Stellen wie Lager und dergleichen zu fördern. Ebenso wird das Schmierstoffreservoir bei bestimmungsgemässer Anordnung der Verdichtereinheit unten angeordnet sein, damit sich der Schmierstoff dort sammeln kann. Eine Einlassöffnung der Verdichtereinheit mündet in den Gasraum. Der Verdichter ist derart konfiguriert und innerhalb des Gasraums angeordnet, um Fluid aus dem Gasraum anzusaugen, das Fluid zu verdichten und das verdichtete Fluid durch eine Auslassöffnung der Verdichtereinheit zu fördern. In bestimmten Ausführungsformen ist vorgesehen, dass der Antriebsmotor zwischen dem Gasraum und dem Schmierstoffreservoir angeordnet ist und das Innere des Gehäuses in den Gasraum und das Schmierstoffreservoir unterteilt. Spezifischer kann vorgesehen sein, dass der Gasraum und das Schmierstoffreservoir an gegenüberliegenden axialen Enden des Antriebsmotors angeordnet sind. Die Verdichtereinheit ist insbesondere vorgesehen, um aufrecht stehend angeordnet zu werden, wobei das Schmierstoffreservoir unten bzw. unter dem Antriebsmotor zu liegen kommt und der Gasraum über dem Antriebsmotor definiert ist. Der Antriebsmotor kann insbesondere mit einer vertikalen Achse angeordnet sein. Sofern im Folgenden sinngemäss von einer aufrechten Aufstellung oder Anordnung der Verdichtereinheit die Rede ist, soll dies die vorstehend beschriebene Anordnung beschreiben. Dabei kann insbesondere weiterhin vorgesehen sein, dass die Achse des Rotors des Antriebsmotors zumindest im Wesentlichen senkrecht angeordnet ist. Auf diese Weise sammelt sich der Schmierstoff aufgrund der Schwerkraft im Schmierstoffreservoir und bildet dort einen Schmierstoffsumpf. Es ist eine Schmierstoff-Fördervorrichtung vorgesehen, welche angeordnet und konfiguriert ist, um einen Schmierstoff aus dem Schmierstoffreservoir, also dem Speichervolumen für den Schmierstoff, zu den wenigstens zwei Lagerstelle zu fördern, von wo der Schmierstoff schwerkraftgetrieben wieder im Schmierstoffreservoir gesammelt wird. Innerhalb des Schmierstoffreservoirs ist wenigstens eine Wärmetauschvorrichtung angeordnet. Diese ist insbesondere angeordnet und konfiguriert, um einen Wärmetausch zwischen einem innerhalb der Wärmetauschvorrichtung strömenden Heizmedium und einem im Schmierstoffreservoir enthaltenen Schmierstoff zu bewirken.
Die Schmierstofftropfen, die von der Welle des Rotors des Antriebsmotors abgeschleudert werden, weisen eine grosse Oberfläche auf, weshalb sich, je nach den Gegebenheiten, leicht Prozessfluid in den Schmierstofftropfen lösen kann. Dies ist insbesondere bei relativ geringen Temperaturen des Prozessfluids der Fall. Gerade Propan weisst eine hohe Löslichkeit in üblichen Schmierstoffen auf. In Ausgestaltungen der Verdichtereinheit ist vorgesehen, dass die Schmierstofftropfen durch Luftspalte des Antriebsmotors nach unten fallen, wobei sie auch auf Wicklungen des Antriebsmotors und diese kühlen. Die abgeschleuderten Schmierstoff-Tropfen beinhalten im Schmierstoff gelöstes Prozessfluid und werden auf die Wicklungs- und Blechpakete bzw. auf die Wandung des Gehäuses geschleudert. Dabei entweicht Prozessfluid aus dem Schmierstoff, wenn dieser die Siedetemperatur des Prozessfluids beim aktuell herrschenden Druck erreicht. Der Verdampfungsprozess kühlt die im Gehäuse liegenden Bauteile. Insbesondere wird die Motorabwärme aufgenommen. Je nach Gegebenheiten kann es aber vorkommen, dass dies nicht genügt und sich dergestalt gelöstes Prozessfluid im Schmierstoff akkumuliert, was letztlich in der einleitend genannten reduzierten Schmierstoffviskosität und damit einem Havarierisiko durch Lagerschäden resultiert. Üblicherweise wird daher gerade beim Betrieb mit Propan als Prozessfluid dafür Sorge getragen, dass die Temperatur des Prozessfluids am Eintritt in den Gasraum der Verdichtereinheit hinreichend hoch ist, um die Rate der Lösung von Prozessfluid im Schmierstoff hinreichend gering zu halten. Diese notwendige Überhitzung des Prozessfluids resultiert jedoch einerseits aufgrund des grösseren spezifischen Volumens des Prozessfluids in einer erhöhten spezifischen Verdichterarbeit und einer Erhöhung der Verdichtungsendtemperatur, andererseits beispielsweise beim Betrieb der Verdichtereinheit in einer Wärmepumpenanlage in einer notwendigen Reduktion des Drucks im Niederdruckbereich der Wärmepumpenanlage. Die Verdampfung des Prozessfluides erfolgt dann notwendigerweise bei einer Temperatur des Prozessfluids, welche wenigstens um den Betrag der Überhitzung unter der Temperatur der Wärmequelle liegt, was in einer grösseren Differenz zwischen der oberen und der unteren Prozesstemperatur und damit in einem Effizienzverlust resultiert, wie oben mehrfach dargelegt.
Innerhalb des Schmierstoffreservoirs ist gemäss dem vorliegend beschriebenen Gegenstand eine Wärmetauschvorrichtung angeordnet. Diese ermöglicht es, ein Heizmedium durch die Wärmetauschvorrichtung zu führen, dessen Eintrittstemperatur grösser als die Siedetemperatur des Prozessfluids bei dem innerhalb der Verdichtereinheit herrschenden Druck, also beispielsweise dem Niederdruck einer Wärmepumpenanlage, ist. Im Betrieb befindet sich die Wärmetauschvorrichtung wenigstens zum Teil innerhalb des Schmierstoffsumpfes bzw wird von Schmierstoff überströmt. Dadurch siedet im Schmierstoff gelöstes Prozessfluid und wird somit aus dem Schmierstoff ausgegast und gelangt wieder in den Gasraum. Das aus dem Schmierstoff ausgegaste Prozessfluid weist die Siedetemperatur beim herrschenden Druck über dem im Schmierstoffreservoir gebildeten Schmierstoffsumpf auf und ist damit kühler als das in die Verdichtereinheit eintretende überhitzte Prozessfluid. Hieraus resultiert der Effekt, dass, trotz der Zufuhr von Wärme in den Schmierstoffsumpf, die Temperatur des Prozessfluids am Eintritt in den Verdichter gesenkt wird. Daraus ergeben sich zwei vorteilhafte Effekte, nämlich, dass die notwendige Überhitzung des Prozessfluids am Eintritt in die Verdichtereinheit reduziert werden kann, wodurch wiederum die untere Prozesstemperatur einer Wärmepumpenanlage bei gegebener Temperatur der Wärmequelle erhöht wird, und andererseits die spezifische Verdichterarbeit, bezogen auf das Prozessfluid, reduziert wird. Beide Effekte resultieren in einer Effizienzsteigerung einer Wärmepumpenanlage. Zusätzlich wird die Verdichtungsendtemperatur gesenkt, was die Betriebseinsatzgrenzen erweitert.
"Ein" oder "eine" sind im Rahmen der vorliegenden Beschreibung als unbestimmte Artikel und nicht als Zahlwort zu verstehen, sofern nicht explizit auf eine andere Bedeutung, beispielsweise durch die Verwendung von "genau ein" oder "genau eine" hingewiesen wird.
In bestimmten Ausführungsformen der vorliegend beschriebenen Verdichtereinheit umfasst die Schmierstoff-Fördervorrichtung die Welle des Rotors des Antriebsmotors. Die Welle ist wenigstens entlang eines Teils ihrer Axialerstreckung hohl, wobei das hohle Innere der Welle mit dem Schmierstoffreservoir in Fluidverbindung steht. Beispielsweise ist die Welle ausgehend von einem Ende, das benachbart zum oder im Schmierstoffreservoir gelegen ist, hohl. Dabei führt das hohle Innere der Welle insbesondere zu allen Lagerstellen und steht mit diesen in Fluidverbindung, derart, dass eine Fluidverbindung vom Schmierstoffreservoir zu den Lagerstellen der Welle hergestellt ist. Im hohlen Inneren der Welle ist ein Schmierstoff-Vortriebsmittel angeordnet, welches derart konfiguriert ist, dass es beim Drehen der Welle in die Richtung, in der der Verdichter verdichtet, Schmierstoff aus dem Schmierstoffreservoir durch das hohle Welleninnere zu den Lagerstellen fördert.
Es kann vorgesehen sein, dass innerhalb des Schmierstoffreservoirs ein Zwischenboden angeordnet ist, der das Schmierstoffreservoir in einen Sammelraum und eine Schmierstoffkammer unterteilt. In spezifischeren Ausgestaltungen der Verdichtereinheit erfolgt diese Unterteilung quer zur Achse der Welle des Rotors des Antriebsmotors. Der Sammelraum liegt zwischen dem Gasraum und der Schmierstoffkammer. Es kann vorgesehen sein, dass der Sammelraum zwischen den Wicklungen des Motors und dem Zwischenboden gebildet ist, während die Schmierstoffkammer auf einer dem Sammelraum gegenüberliegenden Seite des Zwischenbodens gebildet ist, insbesondere zwischen dem Zwischenboden und einem Boden des Gehäuses. Weiterhin ist wenigstens eine Überströmpassage vom Sammelraum zu der Schmierstoffkammer angeordnet, welche eine Fluidverbindung zwischen dem Sammelraum und der Schmierstoffkammer bildet. Eine die Überströmpassage begrenzende Wand erstreckt sich ausgehend vom Zwischenboden in die Schmierstoffkammer hinein. Die begrenzende Wand erstreckt sich insbesondere wenigstens 50% und insbesondere mindestens 70% und weiterhin insbesondere mindestens 80% oder mindestens 90% des Abstandes vom Zwischenboden zum Boden des Gehäuses in die Schmierstoffkammer hinein. Dabei ist der genannte Abstand lokal, an der Stelle, an der die Wand gebildet ist, definiert. Damit ist eine zum Zwischenboden distale Öffnung der Überströmpassage in Ausführungsformen der Verdichtereinheit näher am Boden des Gehäuses als am Zwischenboden gelegen. Angestrebt ist insbesondere, dass die zum Zwischenboden distale Öffnung der Überströmpassage bei bestimmungsgemässer Aufstellung der Verdichtereinheit während des Betriebs der Verdichtereinheit im Schmierstoffsumpf innerhalb der Schmierstoffkammer eingetaucht ist. Ebenso ist vorgesehen, dass ein Ansaugende der Schmierstoff-Fördervorrichtung mit der Schmierstoffkammer in Fluidverbidung steht. Dergestalt wird zu den Lagern Schmierstoff aus der Schmierstoffkammer gefördert. Vorgesehen sein kann in diesem Zusammenhang insbesondere, dass ein Ansaugende der Welle des Rotors des Antriebsmotors mit der Schmierstoffkammer in Fluidverbindung steht. Derart ist die Verdichtereinheit so konfiguriert, dass Schmierstoff aus der Schmierstoffkammer durch das hohle Innere der Welle zu den Lagern gefördert werden kann. Insbesondere kann weiterhin vorgesehen sein, dass sich ein Steigrohr durch den Zwischenboden hindurch erstreckt und das Steigrohr sich vom Zwischenboden aus in die Schmierstoffkammer erstreckt und das Ansaugende der Welle im Inneren des Steigrohrs angeordnet ist.
Die Schmierstoffkammer ist in bestimmten Ausführungsformen bis auf die Überströmpassagen und die Fluidverbindung zum Ansaugende der Schmierstoff-Fördervorrichtung zumindest im Wesentlichen dicht, so, dass die Zufuhr von Fluiden in die Schmierstoffkammer und die Abfuhr von Fluiden aus der Schmierstoffkammer zumindest im Wesentlichen ausschliesslich durch die Überströmpassagen und über die Schmierstoff-Fördervorrichtung erfolgt. Die Formulierung «im Wesentlichen» bezieht sich dabei auf Leckagen, die, je nach Ausführung beispielsweise der Dichtung an der Durchführung der Welle durch den Zwischenboden in der Praxis unvermeidlich sind. Die genannte Dichtung wird insbesondere als berührungsfreie Dichtung und weiterhin beispielsweise als Gasspalt-Dichtung oder Labyrinth-Dichtung ausgeführt, um einen verschleissarmen und wartungsfreien Betrieb der Verdichtereinheit über mehrere 10'000 Betriebsstunden zu gewährleisten.
Sofern die Temperatur des Schmierstoffs in der Schmierstoffkammer oberhalb der Siedetemperatur des Prozessfluids beim Druck des Prozessfluids am Eintritt in die Verdichtereinheit liegt, kann innerhalb der Schmierstoffkammer ausgasendes Prozessfluid ein Gaspolster innerhalb der Schmierstoffkammer aufbauen, dessen Druck dem Dampfdruck des Prozessfluids bei der Temperatur des Schmierstoffs in der Schmierstoffkammer entspricht und der höher ist als der Druck in anderen Bereichen der Verdichtereinheit. Dies kann die Förderung von Schmierstoff zu den Lagern und insbesondere durch die hohle Welle des Antriebsmotors unterstützen, sowie den Dichtheitsgrad der berührungsfreien Dichtung erhöhen.
In nicht einschränkenden Beispielen ist wenigstens ein Teil der Wärmetauschvorrichtung innerhalb der Überströmpassage angeordnet. Die Überströmpassage kann ringspaltförmig ausgestaltet sein. Dabei kann vorgesehen sein, dass wenigstens ein Teil der Wärmetauschvorrichtung spiralförmig und zumindest im Wesentlichen koaxial mit der ringspaltförmigen Überströmpassage innerhalb der Überströmpassage verläuft. Dadurch strömt der Schmierstoff mit allenfalls darin gelöstem Prozessfluid beim Überströmen vom Sammelraum in die Schmierstoffkammer an der Wärmetauschvorrichtung vorbei und wird erwärmt, wodurch, sofern die Temperatur des Heizmediums innerhalb der Wärmetauschvorrichtung grösser ist als die Siedetemperatur des Prozessfluids beim vorherrschenden Druck, das gelöste Prozessfluid aus dem Schmierstoff ausgast. Innerhalb der Überströmpassage im Gegenstrom zum Schmierstoff aufsteigende Gasblasen verursachen dabei eine starke Turbulenz innerhalb der Überströmpassage, was wiederum in einem intensiven Wärmeübergang zwischen der Wärmetauschvorrichtung und dem Fluid in der Überströmpassage resultiert. Erwärmter Schmierstoff gelangt in die Schmierstoffkammer, wo gegebenenfalls weiteres gelöstes Prozessfluid ausgast und auf die oben beschriebene Weise ein Gaspolster ausbaut, dessen Druck höher sein kann als derjenige in anderen Bereichen der Verdichtereinheit.
Wie oben angedeutet, kann die Verdichtereinheit für eine aufrechtstehende Anordnung konfiguriert sein, wobei das Schmierstoffreservoir untenliegend angeordnet ist und der Gasraum obenliegend angeordnet ist. Weiterhin insbesondere ist dabei die Welle des Rotors des Antriebsmotors für eine zumindest im Wesentlichen senkrechte Anordnung vorgesehen und konfiguriert.
Gemäss weiterer Aspekte des vorliegend beschriebenen Gegenstandes ist eine wärmetechnische Anlage vorgeschlagen, welche eine Verdichtereinheit der oben beschriebenen Art umfasst. Die wärmetechnische Anlage ist insbesondere eine Wärmepumpe. Die Verdichtereinheit ist in einem Strömungsweg zwischen einem Auslass eines ersten Wärmetauschers und einem Einlass eines zweiten Wärmetauschers derart angeordnet, um über die Einlassöffnung der Verdichtereinheit ein Prozessfluid von dem Auslass des ersten Wärmetauschers anzusaugen und zu verdichten und das verdichtete Prozessfluid über die Auslassöffnung der Verdichtereinheit zu dem Einlass des zweiten Wärmetauschers zu fördern. Beispielsweise ist der erste Wärmetauscher ein Verdampfer für das Prozessfluid und der zweite Wärmetauscher ein Kondensator für das Prozessfluid. Weiterhin steht ein Auslass des zweiten Wärmetauschers mit einem Einlass des ersten Wärmetauschers in Fluidverbindung, wobei weiterhin ein Mittel zur Druckminderung in einem Strömungsweg zwischen dem Auslass des zweiten Wärmetauschers und dem Einlass des ersten Wärmetauschers angeordnet ist. Das Mittel zur Druckminderung kann ein Drosselorgan oder ein Druckminderungsventil sein. Ein Strömungsweg vom Auslass des zweiten Wärmetauschers zu dem Mittel zur Druckminderung ist derart konfiguriert, dass für wenigstens einen Teil eines vom zweiten Wärmetauscher zu dem Mittel zur Druckminderung gerichteten Prozessfluid-Massenstroms die Wärmetauschvorrichtung der Verdichtereinheit im Strömungsweg vom zweiten Wärmetauscher zu dem Mittel zur Druckminderung in Strömungsrichtung zwischengeordnet ist. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass die Wärmetauschvorrichtung der Verdichtereinheit rohrförmig ist und derart innerhalb der Verdichtereinheit angeordnet ist, dass sie vom Schmierstoff umgeben ist. Entsprechend strömt in diesem Falle wenigstens ein Teil des vom zweiten Wärmetauscher zu dem Mittel zur Druckminderung gerichteten Prozessfluid-Massenstroms durch die Wärmetauschvorrichtung der Verdichtereinheit. In beispielhaften Ausführungsformen ist vorgesehen, dass der gesamte vom zweiten Wärmetauscher zu dem Mittel zur Druckminderung gerichteten Prozessfluid-Massenstrom durch die Wärmetauschvorrichtung der Verdichtereinheit strömt. Dabei ist das stromab des zweiten Wärmetauschers bzw. des Kondensators zur Wärmetauschvorrichtung der Verdichtereinheit geführte Prozessfluid fluidisch vom in der Verdichtereinheit geförderten und verdichteten Prozessfluid und dem Schmierstoff der Verdichtereinheit getrennt, steht aber über die Wärmetauschvorrichtung der Verdichtereinheit mit dem Schmierstoff der Verdichtereinheit in einer Wärmetauschrelation, d.h., zwischen dem stromab des zweiten Wärmetauschers zur Wärmetauschvorrichtung der Verdichtereinheit geleiteten Prozessfluid und dem Schmierstoff der Verdichtereinheit kann Wärme übertragen werden. Insbesondere strömt das stromab des zweiten Wärmetauschers bzw. des Kondensators zur Wärmetauschvorrichtung der Verdichtereinheit geführte Prozessfluid zu einer Primärseite der Wärmetauschvorrichtung, während die Wärmetauschvorrichtung an ihrer Sekundärseite im Betrieb vom Schmierstoff der Verdichtereinheit umgeben ist.
In der genannten wärmetechnischen Anlage kann weiterhin vorgesehen sein, dass in dem Strömungsweg zwischen dem Auslass des zweiten Wärmetauschers und dem Mittel zur Druckminderung ein Phasentrennungsbehälter angeordnet ist. In einem oberen Bereich des Phasentrennungsbehälters ist ein Dampfraum angeordnet und in einem unteren Bereich des Phasentrennungsbehälters ist ein Kondensatsammler angeordnet. Ein Kondensatausgang des Phasentrennungsbehälters steht mit dem Kondensatsammler in Fluidverbindung und mündet insbesondere am Boden des Phasentrennungsbehälters. Die zu dem Mittel zur Druckminderung führende Leitung ist am Kondensatausgang des Phasentrennungsbehälters angeschlossen. Sowohl das Mittel zur Druckminderung als auch die Wärmetauschvorrichtung der Verdichtereinheit sind stromab des Kondensatausgangs des Phasentrennungsbehälters in strömungstechnischer Reihenschaltung angeordnet, wobei das Mittel zur Druckminderung stromab der Wärmetauschvorrichtung der Verdichtereinheit angeordnet ist. Auf diese Weise ist sichergestellt, dass die Wärmetauschvorrichtung der Verdichtereinheit primärseitig mit flüssigem Prozessfluid beaufschlagt wird, dessen Temperatur wenigstens in guter Näherung der Temperatur entspricht, bei der das Prozessfluid beim Druck auf der Hochdruckseite der wärmetechnischen Anlage kondensiert ist. Diese Temperatur ist selbstverständlich höher als die Siedetemperatur auf der Niederdruckseite der wärmetechnischen Anlage. Somit wird Prozessfluid, welches im Schmierstoff gelöst ist, auf der Sekundärseite der Wärmetauschvorrichtung der Verdichtereinheit aus dem Schmierstoff ausgegast und der Schmierstoff wird dergestalt vom Prozessfluid gereinigt.
Wie oben erwähnt, ist beispielsweise der erste Wärmetauscher ein Verdampfer für das Prozessfluid und der zweite Wärmetauscher ein Verflüssiger oder Kondensator für das Prozessfluid, der vorgesehen ist, das Prozessfluid wenigstens teilweise oder auch vollständig zu verflüssigen. Es ist dabei zu beachten, dass dem Mittel zur Druckminderung nur flüssiges Fluid zugeführt werden soll. Bei nur teilweiser Kondensation im zweiten Wärmetauscher ist es daher bevorzugt ein Phasentrennungsbehälter, wie oben dargelegt, dem zweiten Wärmetauscher und dem Mittel zur Druckminderung zwischengeordnet.
In weiteren nicht einschränkenden Beispielen ist ein Fluid, mit dem das Prozessfluid im ersten Wärmetauscher in Wärmetauschrelation steht, also die Wärmequelle, Luft.
In weiteren nicht einschränkenden Beispielen ist ein Fluid, mit dem das Prozessfluid im zweiten Wärmetauscher in Wärmetauschrelation steht, also die Wärmesenke, ein Wärmetransportfluid eines Wärmeverbrauchers. Der Wärmeverbraucher kann beispielsweise eine Raumheizung und/oder ein Brauchwassererhitzer sein, ist aber nicht hierauf eingeschränkt.
Insbesondere in Fällen, in denen die Temperaturen von Wärmequelle am Niederdruck-Wärmetauscher und/oder Wärmesenke am Verflüssiger stark schwanken können, erweist es sich als nützlich, wenn das Verhältnis zwischen dem hochdruckseitigen Druck des Prozessfluids am Hochdruck-Wärmetauscher und dem niederdruckseitigen Druck des Prozessfluids am Niederdruck-Wärmetauscher variabel gestaltet werden kann. Dies ist bei Wärmepumpenanwendungen der Fall, da die gewünschte Vorlauftemperatur eines Wärmeverbrauchers je nach Wärmebedarf schwanken kann. Dabei ist gewünscht, die Vorlauftemperatur des Wärmeverbrauchers und das hochdruckseitige Prozessfluid bei geringem Wärmebedarf des Verbrauchers auf möglichst geringer Temperatur zu halten, da dies die Leistungszahl positiv beeinflusst, muss aber bei hohem Wärmebedarf des Verbrauchers häufig erhöht werden, was eine relativ erhöhte hochdruckseitige Temperatur und einen relativ erhöhten hochdruckseitigen Druck des Prozessfluids bedingt. Insbesondere Wärmepumpen, welche die Umgebungsluft als Wärmequelle nutzen, müssen selbstverständlich mit stark schwankenden Temperaturen der Wärmequelle zurechtkommen. Da die Siedetemperatur des Prozessfluids im Niederdruckteil der Wärmepumpe - abgesehen von der für den sicheren Betrieb der Verdichtereinheit geforderten Überhitzung des Prozessfluids und/oder einer für eine effiziente Wärmeübertragung erforderlichen Temperaturdifferenz - möglichst wenig unter der Temperatur der als Wärmequelle dienenden Luft liegen soll, muss auch der Druck des Prozessfluids im Niederdruckteil der wärmetechnischen Anlage einstellbar sein. Daher können sich Ausführungsformen der wärmetechnischen Anlage als vorteilhaft erweisen, in denen das Mittel zur Druckminderung für einen unabhängig vom Eintrittsdruck in das Mittel zur Druckminderung einstellbaren Austrittsdruck des Mittels zur Druckminderung bzw. stromab des Mittels zur Druckminderung bzw. aus dem Mittel zur Druckminderung (wobei die genannten Termini äquivalent zu verstehen sind) konfiguriert ist und stromab des ersten Wärmetauschers und stromauf der Verdichtereinheit ein Temperaturfühler zur Bestimmung der Temperatur des Prozessfluids sowie eine Vorrichtung zur Bestimmung des Drucks des Prozessfluids angeordnet sind. Ein Regler ist derart konfiguriert, um den Austrittsdruck des ersten Wärmetauschers in Abhängigkeit von der gemessenen Temperatur des Prozessfluids stromab des ersten Wärmetauschers und stromauf der Verdichtereinheit so einzustellen, dass stromab des ersten Wärmetauschers und stromauf der Verdichtereinheit gerade die erforderliche Überhitzung des gasförmigen Niederdruck-Prozessfluids erreicht wird.
Weiterhin vorgeschlagen ist ein Verfahren zum Betrieb einer Verdichtereinheit in einer wärmetechnischen Anlage, umfassend, mittels eines Verdichters ein Prozessfluid aus einem Gasraum innerhalb der Verdichtereinheit anzusaugen und zu verdichten, wobei das Prozessfluid über einen Fluideinlass mit einem Eintritts-Totaldruck und einer dem Eintritts-Totaldruck entsprechenden Siedetemperatur in den Gasraum einströmt. Der Totaldruck entspricht dabei dem statischen Druck zuzüglich dem dynamischen Druck des Fluids. Er entspricht somit dem Druck, der in einem Staurohr gemessen würde. Das Verfahren umfasst weiterhin, den Verdichter mittels eines Antriebsmotors anzutreiben, Schmierstoff zu Wellenlagern eines Rotors des Antriebsmotors und/oder Wellenlagern eines Rotors des Verdichters zu fördern um die Wellenlager zu schmieren, wobei der Schmierstoff aus den Wellenlagern austritt, und den Schmierstoff in einem Schmierstoffreservoir zu sammeln, und den Schmierstoff anschliessend wieder zu den Wellenlagern zu fördern. Dem Schmierstoff wird im Schmierstoffreservoir Wärme aus einer Wärmequelle zugeführt, deren Temperatur wenigstens der Siedetemperatur des Prozessfluids beim Eintritts-Totaldruck entspricht und dergestalt im Schmierstoff gelöstes Prozessfluid auszugasen.
Mit den oben beschriebenen Gegenständen ist es möglich, auch dann, wenn das Prozessfluid eine hohe Löslichkeit im Schmierstoff der Verdichtereinheit aufweist, die Überhitzung des Prozessfluids am Austritt aus dem Niederdruck-Wärmetauscher auf ein Mass zu begrenzen, das notwendig ist, um den Regelprozess des Mittels zur Druckminderung mittels Schaffung einer mindesten Hysteresemöglichkeit zu ermöglichen. Es ist im Vergleich zum Stand der Technik nicht mehr erforderlich, eine signifikant erhöhte Überhitzung zu konfigurieren um die Lösung von Prozessfluid im Schmierstoff einzuschränken. Die Viskositätsverminderung des Schmierstoffs durch gelöstes Prozessfluid kann effizient vermieden werden, indem durch Wärmezufuhr im Schmierstoffresevoir das Prozessfluid aus dem Schmierstoff ausgegast wird.
Die oben genannten spezifischen Ausführungsformen können untereinander kombiniert werden. Weitere, nicht spezifisch offenbarte Ausführungsformen der Lehre dieses Dokumentes erschliessen sich dem Fachmann ohne Weiteres.

KURZE BESCHREIBUNG DER FIGUREN

Die hier dargelegten Sachverhalte werden nachfolgend anhand ausgewählter in der Zeichnung dargestellter Ausführungsbeispiele näher erläutert. Im Einzelnen zeigen

Fig. 1: ein beispielhaftes Zustandsdiagramm eines Prozessfluids, bei dem der Druck logarithmisch über der massenspezifischen Enthalpie aufgetragen ist und wobei der dargestellte Bereich einen Teil des Nassdampfbereichs des Prozessfluids umfasst:
Fig. 2: eine beispielhafte Ausführungsform einer vorliegend vorgeschlagenen Verdichtereinheit;
Fig. 3: ein Detail der Verdichtereinheit aus Figur 2;
Fig. 4: ein beispielhaftes Element zum Vortrieb von Schmierstoff in einer Schmierstoff-Fördervorrichtung in der Verdichtereinheit aus Fig. 2; und
Fig. 5: ein Beispiel für eine wärmetechnische Anlage, in die ein Verdichter der vorliegend vorgeschlagenen Art integriert ist.

Die Zeichnungen sind teilweise stark schematisiert. Nicht für das Verständnis der beschriebenen Gegenstände notwendige Einzelheiten sind weggelassen worden. Weiterhin zeigen die Zeichnungen nur ausgewählte Ausführungsbeispiele und dürfen nicht zur Einschränkung der in den Ansprüchen umschriebenen Gegenstände herangezogen werden. Nicht gezeigte Ausführungsformen können durchaus von den Ansprüchen abgedeckt sein.

AUSFÜHRUNGSBEISPIELE

In Figur 1 ist ein Diagramm dargestellt, in dem der Druck p logarithmisch über der massenspezischen Enthalpie h für ein beispielhaftes als Kältemittel verwendbares Fluid, im Folgenden auch als Prozessfluid bezeichnet, dargestellt ist. Die Darstellung umfasst den mit 100 bezeichneten Nassdampfbereich, der unter der mit 110 bezeichneten verschoben zuckerhutförmigen Kurve liegt. Das Diagramm ist dem Fachmann geläufig. Links vom Nassdampfgebiet 100 befindet sich das Fluid im flüssigen Aggregatzustand, rechts davon im gasförmigen Aggregatzustand, und oberhalb des kritischen Punktes 120 in einem überkritischen Zustand. Im Nassdampfgebiet liegen die flüssige und gasförmige Phase nebeneinander vor. Dargestellt sind einige Isothermen und einige Isentropen, was dem Fachmann ebenfalls geläufig ist. Im Nassdampfgebiet verlaufen die Isothermen waagerecht, also auf Linien konstanten Drucks. Dieser Druck ist der Dampfdruck bei der durch die Isotherme repräsentierten Temperatur. Die Isotherme T_AMB repräsentiert beispielsweise die Umgebungslufttemperatur einer Luft-Wasser-Wärmepumpe, oder, mit anderen Worten, die Temperatur der Wärmequelle. Das Prozessfluid einer Wärmepumpe soll mit von der Umgebungsluft aufgenommener Wärme verdampft werden. Da für die Wärmeübertragung von der Wärmequelle auf das Prozessfluid ein treibendes Temperaturgefälle vorliegen muss, erfolgt die Verdampfung des Prozessfluids bei der Temperatur Tv, die niedriger sein muss als die Temperatur T_AMB der Wärmequelle. Die Temperaturdifferenz beträgt beispielsweise 2 K. Hierzu muss das Prozessfluid beim Druck pv vorliegen, der dem Dampfdruck bei der Temperatur Tv entspricht. In einem idealen Prozess liegt das Prozessfluid beim Zustand 1 nach der Verdampfung genau im Sattdampfzustand vor. Anschliessend wird das Prozessfluid in einem Verdichter auf einen Zustand 2 verdichtet. Sofern die Verdichtung idealisiert und verlustfrei erfolgt, erfolgt die Zustandsänderung entlang einer Isentrope. Der Druck pc, auf den das gasförmige Arbeitsfluid verdichtet wird, ist durch die erforderliche Heissgastemperatur Tc gegeben, deren minimal möglicher Wert beispielsweise durch die Vorlauftemperatur eines Wärmeverbrauchers, also die Temperatur eines Wärmetransportfluids des Wärmeverbrauchers nach Erwärmung durch die Wärmepumpe, bedingt ist. An diese Wärmetransportfluid soll die Wärme beim Übergang vom Zustand 2 auf den Zustand 3 abgegeben werden. Während der Zustandsänderung vom Zustand 2 zum Zustand 1 gibt das verdichtete Prozessfluid zunächst unter Abkühlung sensible Wärme an das Wärmetransportfluid ab, ab dem Erreichen des Zweiphasengebiets wird unter Kondensation latente Wärme abgegeben. Der Zustand 3 liegt idealerweise auf der Siedelinie des Nassdampfgebiets. Anschliessend wird das Prozessfluid auf den Zustand 4 entspannt, wobei der Druck von pc auf pv und die Temperatur von Tc auf Tv sinkt. Anschliessend kann das Prozessfluid wieder durch Zufuhr von Umgebungswärme vom Zustand 4 auf den Zustand 1 verdampft werden. Während der Verdichtung vom Zustand 1 zum Zustand 2 wird vom Verdichter die auf das Prozessfluid bezogen massenspezifische mechanische Arbeit Δh_C aufgebracht, während die an den Heizkeislauf übertragene Wärme, entsprechend der Differenz der auf das Prozessfluid bezogen massenspezifischen Enthalpien der Zustände 2 und 3, signifikant grösser als die vom Verdichter auf das Prozessfluid bezogen massenspezifische mechanische Arbeit Δh_C ist.
In der Realität ist es, wie oben dargelegt, erforderlich, das gasförmige Niederdruck-Prozessfluid vor der Verdichtung zu überhitzen, also nach der Verdampfung weiter Wärme zuzuführen. Die Hersteller von Verdichtereinheiten für Wärmepumpenanlagen geben Mindestwerte für die notwendige Überhitzung des Prozessfluids vor und/oder nach dem Verdichter an. Die im Wärmetausch mit der Wärmequelle, also beispielsweise der Umgebungsluft, maximal erzielbare Temperatur bleibt aber Tv. Damit muss die Verdampfungstemperatur Tv,x im Prozess mit Überhitzung des Niederdruck-Prozessfluids um einen Betrag niedriger sein als die Umgebungstemperatur T_AMB, der der für die Wärmeübertragung notwendigen Temperaturdifferenz zuzüglich dem Wert der erforderlichen Überhitzung des Niederdruck-Prozessfluids ist. Die Verdampfung und Überhitzung erfolgt im dargestellten Ausführungsbeipiel bei der Temperatur Tv,x und dem dieser Temperatur entsprechenden Dampfdruck pv,x vom Zustand 4x auf den Zustand 1x. Die Verdichtung vom Zustand 1x auf den Zustand 2x erfordert eine auf das Prozessfluid bezogen massenspezifische Verdichterarbeit Δh_C,x, die grösser ist als die auf das Prozessfluid bezogen massenspezifische Verdichterarbeit Δh_C vom Zustand 1 auf den Zustand 2 im Prozess ohne Überhitzung des Niederdruck-Prozessfluids. Ohne weiteres erkennbar ist, dass ein grösserer Teil der auf das Prozessfluid bezogen massenstromspezifisch nutzbaren Wärme bei der Zustandsänderung vom Zustand 2x zum Zustand 3 aus Verdichterarbeit kommt als bei der Zustandsänderung vom Zustand 2 auf den Zustand 3 im Prozess ohne Überhitzung. Mit anderen Worten in einem Prozess mit Überhitzung des Niederdruck-Prozessfluids muss ein grösserer Anteil der nutzbaren Wärme als Verdichterarbeit in den Prozess gesteckt werden als in einem Prozess ohne Überhitzung oder mit geringerer Überhitzung des Niederdruck-Prozessfluids. Die Effizienz des Wärmepumpenprozesses, gemessen mit der Leistungszahl, sinkt mit steigender Überhitzung des Niederdruck-Prozessfluids. Dieser Effekt akzentuiert sich bei realer, verlustbehafteter und nichtisentroper Verdichtung der Prozessfluids.
Die getroffenen Aussagen gelten analog auch für Kälteprozesse.
Ein weiterer Faktor, der die notwendige Überhitzung des Niederdruck-Prozessfluids beeinflusst, ist die Löslichkeit des Prozessfluids im Schmierstoff der Verdichtereinheit. Es besteht die Gefahr, dass das Prozessfluid sich im Schmierstoff löst und dort anreichert und dadurch die Viskosität des Schmierstoffs reduziert, was letztlich in einer Havarie der Verdichtereinheit resultieren kann. Die Löslichkeit des Prozessfluids im Schmierstoff sinkt mit steigender Temperatur des Prozessfluids über dem Dampfdruck. Gerade bei der Verwendung von R290, also Propan, muss daher nach dem Stand der Technik die Überhitzung weiter angehoben werden. So kann es erforderlich sein, dass bei der Verwendung von Propan als Prozessfluid die Verdampfungstemperatur Tv,x um 20K oder sogar mehr unter der Temperatur T_AMB der Wärmequelle liegen muss, was, wie ohne Weiteres nachvollziehbar ist, in signifikanten Effizienzeinbussen resultiert. Die erforderliche Überhitzung des Niederdruck-Prozessfluids unabhängig vom eingesetzten Prozessfluid zu reduzieren ist also eine höchst effiziente Massnahme zur Verbesserung der Leistungszahl von Wärmepumpen.
Daher wird die im Zusammenhang mit den Figuren 2 und 3 erläuterte Verdichtereinheit 10 vorgeschlagen. Die Verdichtereinheit 10 umfasst ein Gehäuse 1, das bis auf eine Einlassöffnung 16 und eine Auslassöffnung 17 geschlossen ist. Innerhalb des Gehäuses sind der eigentliche Verdichter 12 und ein Antriebsmotor 13 zum Antrieb des Verdichters angeordnet. Der Antriebsmotor 13 umfasst einen Stator 131 mit Statorwicklungen und einen Rotor 132, der beispielsweise als BLDC-Läufer oder als Käfig-Läufer ausgeführt ist, mit einer Welle 133. Die Welle 133 ist in Gleitlagern 137 und 138 gelagert und zum Antrieb des Verdichters 12 mit einem Rotor des Verdichters 12 gekoppelt. Benachbart zu den Stirnseiten des Antriebsmotors sind ein Gasraum 14 und ein Schmierstoffreservoir 15 angeordnet. Die beispielhaft dargestellte Verdichtereinheit 10 ist für eine aufrechtstehende Anordnung vorgesehen, wobei die Welle 133 des Rotors 132 des Antriebsmotors, welche eine Achse des Antriebsmotors definiert, zumindest im Wesentlichen senkrecht angeordnet ist und der Gasraum 14 über dem Antriebmotor 13 und das Schmierstoffreservoir 15 unter dem Antriebsmotor 13 angeordnet sind. Wie ersichtlich, ist das Schmierstoffreservoir nicht vollständig mit Schmierstoff gefüllt, sondern über einer Flüssigkeitsoberfläche des Schmierstoffs befindet sich ebenfalls gasförmiges Prozessfluid. Der Verdichter 12 saugt über seine Ansaugöffnung 121 Prozessfluid 201a aus dem Gasraum 14 an, wobei gasförmiges Niederdruck-Prozessfluid 201 durch die Eintrittsöffnung 16 der Verdichtereinheit in den Gasraum eintritt. Verdichtetes gasförmiges Hochdruck-Prozessfluid 202 tritt vom Verdichter über die Auslassöffnung 17 aus.
Im Schmierstoffreservoir 15 ist ein Schmierstoffsumpf aus Schmierstoff 301, beispielsweise ein geeignetes Schmieröl, gebildet. Das Schmierstoffreservoir 15 ist durch einen Zwischenboden 112 in einen Sammelraum 151 und eine Schmierstoffkammer 152 unterteilt. Der Sammelraum 151 ist oberhalb des Zwischenbodens 112 zwischen dem Zwischenboden 112 und dem Antriebsmotor 3 gebildet, während die Schmierstoffkammer 152 unterhalb des Zwischenbodens 112 zwischen dem Zwischenboden 112 und einem Boden 111 des Gehäuses 11 der Verdichtereinheit gebildet ist. Dergestalt liegt der Sammelraum 151 zwischen dem Gasraum 14 und der Schmierstoffkammer 152. Wenigstens eine Überströmpassage 153, im gezeigten, nicht einschränkenden, Beispiel eine ringspaltförmige Überströmpassage 153, stellt eine Fluidverbindung zwischen dem Sammelraum 151 und der Schmierstoffkammer 152 her. Die Überströmpassage mit den darin erkennbaren Einbauten ist im Zusammenhang mit der Figur 3 näher erläutert.
Zur Versorgung der Lager 137 und 138 mit Schmieröl ist die Welle 133 des Antriebsmotors mit einem hohlen Welleninneren 134 versehen. Das hohle Welleninnere 134 steht mit der Schmierstoffkammer 152 über ein Ansaugende 135 der Welle in Fluidverbindung. Benachbart zum Ansaugende 135 der Welle 133 ist innerhalb der Welle 133 ein Schmierstoff-Vortriebsmittel 136 angeordnet. Das Schmierstoff-Vortriebsmittel 136 ist in Figur 4 grösser dargestellt. Das Schmierstoff-Vortriebsmittel 136 ist grundlegend ein tordiertes Blechelement, das innerhalb der Welle 133 eine Förderspirale bildet und so angeordnet ist, dass sie, wenn der Rotor 132 sich in eine Drehrichtung dreht, in der der Verdichter 12 zum Verdichten von Prozessfluid angetrieben wird, Schmierstoff 301 aus der Schmierstoffkammer 152 durch das hohle Welleninnere 134 zu den Lagern 137 und 138 fördert. Schmierstoff, der aus den Lagern 137 und 138 austritt, wird teilweise abgeschleudert und bildet Schmierstofftropfen in einer Umgebung aus Prozessfluid. Aufgrund der aufrechtstehenden Anordnung der Verdichtereinheit 10 mit untenliegendem Ölreservoir 15 fallen die Schmierstofftropfen in den Sammelraum 151 und den Schmierstoffsumpf zurück. Aufgrund des grossen Oberflächen-Volumenverhältnisses der Schmierstofftropfen bergen diese ein grosses Potenzial, Prozessfluid aufzunehmen und zu lösen. Schmierstofftropfen, die aus dem Gasraum 14 in das Schmierstoffreservoir 15 zurückfallen, kommen mit den Motorwindungen des Antriebsmotors 13 in Kontakt und kühlen diese, wobei aufgrund der Wärmeaufnahme in den Schmierstofftropfen gelöstes Prozessfluid aus dem Schmierstoff ausgegast wird.
Es zeigt sich jedoch, dass bei Prozessfluiden, deren Löslichkeit im Schmierstoff ein bestimmtes Niveau überschreitet, dieser Vorgang bei Temperaturen des gasförmigen Niederdruck-Prozessfluids 201, die beispielsweise sehr nahe an der Sattdampftemperatur des Niederdruck-Prozessfluids 201 liegen, nicht mehr ausreichen um eine Akkumulation von gelöstem Prozessfluid im Schmierstoff zuverlässig zu verhindern. Daher wird gemäss dem Stand der Technik bei der Verwendung derartiger Prozessfluide, wie beispielsweise R290, das gasförmige Niederdruck-Prozessfluid 201 derart stark überhitzt, dass die Löslichkeit im Schmierstoff hinreichend reduziert ist, mit den oben beschriebenen Auswirkungen auf die Effizienz eines Wärmepumpenprozesses.
Mit der vorgeschlagenen Verdichtereinheit ist dies nicht erforderlich und eine Überhitzung des Niederdruck-Prozessfluids ist nur in dem Rahmen notwendig, wie es erforderlich ist, den Regelprozess des Mittels der Druckreduzierung zu ermöglichen und um zu verhindern, dass flüssiges Prozessfluid in die Ansaugöffnung 121 eintritt. Beispielsweise kann bei der Verwendung von R290, Propan, als Prozessfluid die Überhitzung des gasförmigen Niederdruck-Prozessfluids von 20K auf 6K reduziert werden. Bei Betrachtung der im Zusammenhang mit der Figur 1 gemachten Ausführungen wird klar, dass dies in einer signifikanten Verbesserung der Effizienz einer wärmetechnischen Anlage, beispielsweise einer Wärmepumpe, resultiert. Unter bestimmungsgemässer Verwendung der vorgeschlagenen Verdichtereinheit ist es kein Problem, wenn der Schmierstoff, der in das Schmierstoffreservoir 15 zurückkommt, zunächst vergleichsweise hohe Anteile an gelöstem Prozessfluid enthält. Figur 3 zeigt eine Ansicht des in Figur 2 mit III gekennzeichneten Details. Wie oben dargelegt, unterteilt der Zwischenboden 112 das Schmierstoffreservoir 15? in den oben liegenden Sammelraum 151 und die unten liegende Schmierstoffkammer 152. Der Sammelraum 151 und die Schmierstoffkammer 152 sind durch wenigstens eine Überströmpassage, im beispielhaft gezeigten Ausführungsbeispiel die ringspaltförmige Überströmpassage 153, miteinander verbunden. Die Überströmpassage 153 erstreckt sich vom Zwischenboden 112 nach unten in die Schmierstoffkammer 152. Im Ausführungsbeispiel ist die Überströmpassage durch die Aussenwand des Gehäuses 11 der Verdichtereinheit sowie eine ringförmige Wand 154 gebildet, die sich vom Zwischenboden 112 nach unten bzw. in die Schmierstoffkammer hinein erstreckt. Die ringförmige Wand 154, welche die Überströmpassage 153 radial innen begrenzt, erstreckt sich insbesondere wenigstens 50% und insbesondere mindestens 70% und weiterhin insbesondere mindestens 80% oder mindestens 90% des Abstandes vom Zwischenboden zum Boden des Gehäuses in die Schmierstoffkammer hinein. Die hierdurch definierte Mündung der Überströmpassage soll so weit unterhalb des Zwischenbodens liegen, dass diese im Betrieb der Verdichtereinheit unterhalb des Spiegels des Schmierstoffs 301 in der Schmierstoffkammer 152 liegt. Im Schmierstoffreservoir 15, und spezifisch innerhalb der Überströmpassage 153, ist eine Wärmetauschvorrichtung 18 angeordnet. Diese besteht im Ausführungsbeispiel aus einem Wärmetauschrohr, das spiralförmig innerhalb der ringförmigen Überströmpassage 153 angeordnet ist. Hierbei ist vorgesehen, dass die Wärmetauschvorrichtung 18 von einem Heizmedium 203 durchströmt wird, dessen Temperatur grösser als die Siedetemperatur des Niederdruck-Prozessfluids 201 ist. Wie unten im Zusammenhang mit Figur 5 ausgeführt wird, findet als Heizmedium vornehmlich verflüssigtes Prozessfluid Verwendung, welches durch die Wärmetauschvorrichtung geleitet wird. Schmierstoff 301 aus dem Sammelraum 151 fliesst durch die Überströmpassage 153 in den Schmierstoffraum 152- Dabei kommt der Schmierstoff in Kontakt mit der Wärmetauschvorrichtung 18 und wird im Wärmetausch mit dem Heizmedium 203 im Inneren des Wärmetauschrohrs auf eine Temperatur erwärmt, die zumindest lokal über der Siedetemperatur des Niederdruck-Prozessfluids 201 liegt. Dadurch siedet das im Schmierstoff 301 gelöste Prozessfluid und trennt sich vom Schmierstoff 301 bzw. wird aus dem Schmierstoff 301 ausgegast. Das derart vom Schmierstoff 301 getrennte gasförmige Prozessfluid tritt an der Oberfläche des Schmierstoffs 301 im Sammelraum 151 aus und strömt durch die Luftspalte des Antriebsmotors 13 in den Gasraum 14. Dabei vermischt sich dieses mit dem frisch zuströmenden gasförmigen Niederdruck-Prozessfluid 201. Da das zuströmende gasförmige Niederdruck-Prozessfluid 201 überhitzt ist, das aus dem Schmierstoff ausgegaste Prozessfluid aber zumindest näherungsweise die Siedetemperatur des Niederdruck-Prozessfluids 201 aufweist, können Fälle auftreten, in denen das vom Verdichter angesaugte Prozessfluid 201a eine niedrigere Temperatur aufweist als das in die Verdichtereinheit einströmende Niederdruck-Prozessfluid 201, was die aufzuwendende spezifische Verdichterarbeit weiter reduziert. Ein Teil des im Schmierstoff 301 gelösten Prozessfluids gast, aufgrund der begrenzten Siedegeschwindigkeit, erst innerhalb der Schmierstoffkammer 152 aus dem Schmierstoff 301 aus und bildet dort ein Gaspolster. Der Druck dieses Gaspolsters ist spätestens durch den Dampfdruck des Prozessfluids bei der Temperatur des zuströmenden Heizmediums 203 und abhängig von der Leistung der Wärmetauschvorrichtung 18 nach oben begrenzt. Vom Zwischenboden 112 erstreckt sich ein Steigrohr 19 nach unten unter die Oberfläche des Schmierstoffs 301 in der Schmierstoffkammer 152. Das Ansaugende 135 der Welle 133 ragt von oben in das Steigrohr hinein. Das Gaspolster in der Schmierstoffkammer 152 befindet sich auf einem höheren Druck als dem Druck im Sammelraum 151 und im Gasraum 14 der Verdichtereinheit und damit auch auf einem höheren Druck als das hohle Welleninnere 134. Hierdurch drückt das Gaspolster eine Schmierstoffsäule nach oben in das Steigrohr 19 und unterstützt dergestalt die Förderung von Schmierstoff zu den Lagerstellen 137 und 138. Abgekühltes Heizmedium 203a strömt aus der Wärmetauschvorrichtung 18 ab.
In der Figur 5 ist eine Wärmepumpenanlage als Beispiel für eine wärmetechnische Anlage dargestellt, welche die oben beschriebene Verdichtereinheit 10 integriert. Der Fachmann wird ohne Weiteres dieses Beispiel auf andere wärmetechnische Anlagen wie Klimaanlagen oder Kälteaggregate übertragen können. Die Verdichtereinheit 10 verdichtet gasförmiges Niederdruck-Prozessfluid 201 und erzeugt damit stromab der Verdichtereinheit 10 gasförmiges Hochdruck-Prozessfluid 202. Das gasförmige Hochdruck-Prozessfluid 202 wird in den Hochdruck-Wärmetauscher 20 geleitet und gibt Wärme an einen Heizkreislauf ab, der bei 20a angedeutet ist. Das aus dem Hochdruck-Wärmetauscher 20 austretende abgekühlte Hochdruck-Prozessfluid ist wenigstens teilweise kondensiert. Der Hochdruck-Wärmetauscher 20 wird daher auch als Kondensator bezeichnet. Das abgekühlte Hochdruck-Prozessfluid 203' strömt in einen Phasentrennungsbehälter 21. Dort setzt sich die flüssige Phase am Boden ab, während allenfalls noch vorhandene Gasphase im oberen Teil verbleibt bzw. in den Hochdruck-Wärmetauscher zurückgeführt wird. Am Boden des Phasentrennungsbehälters 21, oder jedenfalls unter der Oberfläche der flüssigen Phase, strömt verflüssigtes Hochdruck-Prozessfluid 203 ab. Dessen Temperatur entspricht zumindest im Wesentlichen der Kondensationstemperatur des Prozessfluids beim Hochdruck, kann aber auch leicht unterkühlt sein. Grundsätzlich sind die Kondensationstemperatur eines Fluids und dessen Siedetemperatur bei einem bestimmten Druck identisch und äquivalent. In jedem Fall ist der Prozess so ausgelegt, dass die Temperatur des verflüssigten Hochdruck-Prozessfluids 203 beim Austritt aus dem Hochdruck-Wärmetauscher 20 bzw. dem Phasentrennungsbehälter 21 höher liegt als die Siedetemperatur des Niederdruck-Prozessfluids. Das verflüssigte Hochdruck-Prozessfluid 203 wird als Heizmedium in die Wärmetauschvorrichtung 18 der Verdichtereinheit 10 eingeleitet. An dieser Stelle kann prinzipiell auch vorgesehen sein, dass nur ein Teilmassenstrom des verflüssigten Hochdruck-Prozessfluids 203 zur Wärmetauschvorrichtung 18 der Verdichtereinheit 10 geführt wird, wenn beispielsweise ein zu grosser unkontrollierter Drosseleffekt in der Wärmetauschvorrichtung 18 zu befürchten wäre. In der Wärmetauschvorrichtung 18 der Verdichtereinheit 10 kühlt das flüssige Hochdruck-Prozessfluid im Wärmetausch mit dem Schmierstoff in der Verdichtereinheit 10 ab. Wie erwähnt, ist die Temperatur des verflüssigten Hochdruck-Prozessfluids 203 höher als die Siedetemperatur des Niederdruck-Prozessfluids. Daher wird im Wärmetausch mit dem verflüssigten Hochdruck-Prozessfluid 203 im Schmierstoff der Verdichtereinheit 10 gelöstes Prozessfluid über seinen Siedepunkt erhitzt und somit aus dem Schmierstoff der Verdichtereinheit ausgegast, wie im Zusammenhang mit den Figuren 2 und 3 erläutert. Hierdurch wird eine Verdünnung des Schmierstoffs der Verdichtereinheit durch eine Akkumulation von darin gelöstem Prozessfluid verhindert. Abgekühltes flüssiges Hochdruck-Prozessfluid 203a strömt aus der Wärmetauschvorrichtung 18 der Verdichtereinheit 10 ab zu einem als Mittel zur Druckminderung fungierenden regelbaren Drosselorgan 30. In dem regelbaren Drosselorgan 30 wird das abgekühlte Niederdruck-Prozessfluid 203a expandiert. Dabei erfolgt diese Expansion im Allgemeinen in den Nassdampfbereich des Prozessfluids. Stromab des regelbaren Drosselorgans 30 liegt das Prozessfluid als Niederdruck-Prozessfluid im Nassdampfzustand 204 vor. Dieses wird in den auch als Verdampfer bezeichneten Niederdruck-Wärmetauscher 40 eingeleitet und durchströmt einen für den Wärmeaustausch mit Luft geeigneten Lamellenwärmetauscher 40a. Mittels eines Gebläses 40b wird im vorliegend gezeigten Ausführungsbeispiel ein Luftstrom über den Lamellenwärmetauscher geleitet, dem die Wärme für die Verdampfung des Niederdruck-Prozessfluids entzogen wird. Es sind such Beispiele bekannt, bei denen auf ein Gebläse verzichtet wird und Konvektionsströmungen der Umgebungsluft genutzt werden. Ebenso könnten als Wärmequelle auch Solarkollektoren, Erdreich, Sole oder Grundwasser Verwendung finden, wobei diese Aufzählung keineswegs als abschliessend verstanden werden soll.
An Sensoren 43 und 44 werden die Temperatur und der Druck des Prozessfluids stromab des Niederdruck-Wärmetauschers 40 gemessen. Die Sensoren 43 und 44 sind aus Gründen der zeichnerischen Darstellbarkeit in Strömungsrichtung des Prozessfluids versetzt dargestellt, was aber nicht der realen Anordnung entsprechen muss. Die Temperatur des Prozessfluids liegt dabei bei zweckmässiger Auslegung des Lamellenwärmetauschers und einer ausreichenden Luftströmung über den Lamellenwärmetauscher etwas unterhalb der Temperatur der als Wärmequelle dienenden überströmenden Luft. Von den Sensoren 43 und 44 werden die Messwerte zum regelbaren Drosselorgan 30 geführt. Das regelbare Drosselorgan 30 stellt den Massenstrom durch das regelbare Drosselorgan 30 und im Zusammenhang damit den Druck stromab des regelbaren Drosselorgans so ein, dass diese Werte eben so gross sind, dass im Niederdruck-Wärmetauschers 40 die gesamte Feuchte des Zweiphasen-Niederdruckprozessfluids 204 verdampft und stromab des Niederdruck-Wärmetauschers 40 das gasförmige Niederdruck-Prozessfluid 201 mit der gewünschten Überhitzung vorliegt. Regeleingriffe am regelbaren Drosselorgan 30 werden erst mit einer gewissen Verzögerung stromab des Niederdruck-Wärmetauschers 40 registriert. Daher ist eine gewisse Überhitzung des gasförmige Niederdruck-Prozessfluid 201 stromab des Niederdruck-Wärmetauschers 40 auch gewünscht, um trotz dieser eingeschränkten Dynamik des Regelkreises sicherzustellen, dass stromab des Niederdruck-Wärmetauschers 40 tatsächlich nur noch ausschliesslich gasförmiges Niederdruck-Prozessfluid vorliegt. Im Vergleich dazu, das verflüssigte Hochdruck-Prozessfluid direkt zum regelbaren Drosselorgan 30 zu führen, wird in der vorliegenden Ausführungsform die Feuchte des Zweiphasen-Niederdruckprozessfluids 204 erhöht bzw. der Anteil an gasförmigen Prozessfluid nach der Expansion im Drosselorgan vermindert. Die aufgrund der vergleichsweise höheren Feuchte verminderte Enthalpie des Prozessfluids kann durch Verdampfung im Niederdruck-Wärmetauscher 40 im Wärmetausch mit der Umgebungsluft dem Prozessfluid «kostenlos» zugeführt werden; allenfalls ist eine entsprechende Dimensionierung der Wärmetauschflächen des Plattenwärmetauschers 40a erforderlich. Allerdings wird der Wärmeübergang im Niederdruck-Wärmetauscher 40 aufgrund der höheren Feuchte ebenfalls verbessert und dem Prozessfluid im Niederdruck-Wärmetauscher 40 kann mehr Wärme aus der Wärmequelle zugeführt werden.
Obschon der Gegenstand der vorliegenden Beschreibung anhand ausgewählter Ausführungsbeispiele erläutert wurde, sollen diese nicht einer Einschränkung der beanspruchten Erfindung dienen. Die Ansprüche umfassen Ausführungsformen, die nicht explizit dargestellt sind, und Ausführungsformen, die von den gezeigten Beispielen abweichen, sind dennoch von den Ansprüchen gedeckt.

Claims

Verdichtereinheit (10), umfassend einen Verdichter (12), einen Antriebsmotor (13) sowie ein Gehäuse (11), das den Verdichter und den Antriebsmotor umschliesst
wobei der Antriebsmotor einen Rotor (132) und einen Stator (131) umfasst,

wobei der Rotor des Antriebsmotors mit dem Verdichter (12) zum Antrieb des Verdichters in Wirkverbindung steht,

wobei das Gehäuse (11) der Verdichtereinheit (10) einen Gasraum (14) und ein Schmierstoffreservoir (15) umschliesst, wobei eine Einlassöffnung (16) der Verdichtereinheit in den Gasraum (14) mündet und der Verdichter (12) derart konfiguriert und innerhalb des Gasraums angeordnet ist, um Fluid (201a) aus dem Gasraum anzusaugen, das Fluid zu verdichten, und das verdichtete Fluid (202) durch eine Auslassöffnung (17) der Verdichtereinheit zu fördern,

wobei weiterhin eine Schmierstoff-Fördervorrichtung vorgesehen ist, welche angeordnet und konfiguriert ist, um einen Schmierstoff (301) aus dem Schmierstoffreservoir (15) zu fördern, und wobei innerhalb des Schmierstoffreservoirs wenigstens eine Wärmetauschvorrichtung (18) angeordnet ist.
Verdichtereinheit gemäss dem vorstehenden Anspruch, wobei der Antriebsmotor (13) zwischen dem Gasraum (14) und dem Schmierstoffreservoir (15) angeordnet ist und das Innere des Gehäuses (11) in den Gasraum (14) und das Schmierstoffreservoir (15) unterteilt.
Verdichtereinheit gemäss einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Schmierstoff-Fördervorrichtung die Welle (133) umfasst, wobei die Welle wenigstens entlang eines Teils ihrer Axialerstreckung hohl ist und das hohle Innere (134) der Welle (133) mit dem Schmierstoffreservoir (15) in Fluidverbindung steht, und wobei im hohlen Inneren der Welle ein Schmierstoff-Vortriebsmittel (136) angeordnet ist.
Verdichtereinheit gemäss einem der vorstehenden Ansprüche, wobei innerhalb des Schmierstoffreservoirs (15) ein Zwischenboden (112) angeordnet ist, der das Schmierstoffreservoir in einen Sammelraum (151) und eine Schmierstoffkammer (152) unterteilt, wobei der Sammelraum (151) zwischen dem Gasraum (14) und der Schmierstoffkammer (152) liegt und wobei wenigstens eine Überströmpassage (153) vom Sammelraum zu der Schmierstoffkammer angeordnet ist, welche eine Fluidverbindung zwischen dem Sammelraum und der Schmierstoffkammer bildet, wobei eine die Überströmpassage begrenzende Wand (154) sich ausgehend vom Zwischenboden (112) in die Schmierstoffkammer (152) hinein erstreckt und wobei ein Ansaugende (135) der Schmierstoff-Fördervorrichtung mit der Schmierstoffkammer (152) in Fluidverbindung steht.
Verdichtereinheit gemäss Anspruch 4 in Verbindung mit Anspruch 3, wobei ein Ansaugende (135) der Welle (133) mit der Schmierstoffkammer (152) in Fluidverbindung steht und insbesondere sich ein Steigrohr (19) durch den Zwischenboden (112) hindurch erstreckt und das Steigrohr (19) sich vom Zwischenboden (112) aus in die Schmierstoffkammer (152) erstreckt, wobei das Ansaugende (135) der Welle (133) im Inneren des Steigrohrs angeordnet ist.
Verdichtereinheit gemäss einem der Ansprüche 4 oder 5, wobei wenigstens ein Teil der Wärmetauschvorrichtung (18) innerhalb der Überströmpassage (153) angeordnet ist.
Verdichtereinheit gemäss einem der Ansprüche 4 bis 6, wobei die Überströmpassage (153) ringförmig umlaufend gestaltet ist.
Verdichtereinheit gemäss dem vorstehenden Anspruch, wobei wenigstens ein Teil der Wärmetauschvorrichtung (18) spiralförmig ausgebildet und in der ringförmigen Überströmpassage (153) angeordnet ist.
Verdichtereinheit gemäss einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Verdichtereinheit für eine aufrechtstehende Anordnung konfiguriert ist, wobei das Schmierstoffreservoir (15) untenliegend angeordnet ist und der Gasraum (14) obenliegend angeordnet ist.
Wärmetechnische Anlage, welche einen Prozessfluidkreislauf umfasst, in welchem Prozessfluidkreislauf eine Verdichtereinheit (10) gemäss einem der vorstehenden Ansprüche in einem Strömungsweg zwischen einem Auslass eines ersten Wärmetauschers (40) und einem Einlass eines zweiten Wärmetauschers (20) derart angeordnet ist, um über die Einlassöffnung (16) der Verdichtereinheit (10) ein Prozessfluid (201)von dem Auslass des ersten Wärmetauschers (40) anzusaugen und zu verdichten und das verdichtete Prozessfluid (202) über die Auslassöffnung (17) der Verdichtereinheit (10) zu dem Einlass des zweiten Wärmetauschers (20) zu fördern, und wobei weiterhin ein Auslass des zweiten Wärmetauschers mit einem Einlass des ersten Wärmetauschers in Fluidverbindung steht, wobei ein Mittel zur Druckminderung (30) in einem Strömungsweg zwischen dem Auslass des zweiten Wärmetauschers (20) und dem Einlass des ersten Wärmetauschers (40) angeordnet ist, wobei ein Strömungsweg vom Auslass des zweiten Wärmetauschers (20) zu dem Mittel zur Druckminderung (30) derart konfiguriert ist, dass für wenigstens einen Teil eines vom zweiten Wärmetauscher zu dem Mittel zur Druckminderung gerichteten Prozessfluid-Massenstroms die Wärmetauschvorrichtung (18) der Verdichtereinheit (10) im Strömungsweg vom zweiten Wärmetauscher zu dem Mittel zur Druckminderung in Strömungsrichtung zwischengeordnet ist.
Wärmetechnische Anlage gemäss dem vorstehenden Anspruch, wobei in dem Strömungsweg zwischen dem Auslass des zweiten Wärmetauschers (20) und dem Mittel zur Druckminderung (30) ein Phasentrennungsbehälter (21) angeordnet ist, wobei in einem oberen Bereich des Phasentrennungsbehälters ein Dampfraum angeordnet ist und in einem unteren Bereich des Phasentrennungsbehälters ein Kondensatsammler angeordnet ist, wobei sowohl das Mittel zur Druckminderung (30) als auch die Wärmetauschvorrichtung (18) der Verdichtereinheit stromab des Kondensatausgangs des Phasentrennungsbehälters (21) angeordnet ist.
Wärmetechnische Anlage gemäss einem der Ansprüche 10 oder 11, wobei der erste Wärmetauscher (40) ein Verdampfer für das Prozessfluid ist und der zweite Wärmetauscher (20) ein Verflüssiger für das Prozessfluid ist.
Wärmetechnische Anlage gemäss einem der Ansprüche 10 bis 12, wobei ein Fluid, mit dem das Prozessfluid im ersten Wärmetauscher (40) in Wärmetauschrelation steht, Luft ist und ein Fluid, mit der das Prozessfluid im zweiten Wärmetauscher (20) in Wärmetauschrelation steht, ein Wärmetransportfluid (20a) eines Wärmeverbrauchers ist.
Wärmetechnische Anlage gemäss einem der Ansprüche 10 bis 13, wobei das Mittel zur Druckminderung (30) für einen einstellbaren Austrittsdruck des Mittels zur Druckminderung konfiguriert ist, wobei stromab des ersten Wärmetauschers (40) und stromauf der Verdichtereinheit (10) ein Temperaturfühler (43) zur Bestimmung der Temperatur des Prozessfluids (201) und eine Vorrichtung (44) zur Bestimmung des Drucks des Prozessfluids (201) angeordnet sind, wobei ein Regler derart konfiguriert ist, um den Austrittsdruck des ersten Wärmetauschers (40) in Abhängigkeit von der gemessenen Temperatur des Prozessfluids stromab des ersten Wärmetauschers und stromauf der Verdichtereinheit einzustellen.
Verfahren zum Betrieb einer Verdichtereinheit (10) in einer wärmetechnischen Anlage, umfassend, mittels eines Verdichters (12) ein Prozessfluid (201a) aus einem Gasraum (14) innerhalb der Verdichtereinheit anzusaugen und zu verdichten, wobei das Prozessfluid (201) über einen Fluideinlass (16) mit einem Eintritts-Totaldruck und einer dem Eintritts-Totaldruck entsprechenden Siedetemperatur in den Gasraum (14) einströmt,
wobei das Verfahren umfasst, den Verdichter (12) mittels eines Antriebsmotors (13) anzutreiben, Schmierstoff (301) zu Wellenlagern (137, 138) eines Rotors (132) des Antriebsmotors und/oder Wellenlagern eines Rotors des Verdichters zu fördern um die Wellenlager zu schmieren, wobei der Schmierstoff aus den Wellenlagern austritt, und den Schmierstoff wieder in einem Schmierstoffreservoir (15) zu sammeln, um den Schmierstoff anschliessend wieder zu den Wellenlagern zu fördern,

wobei das Verfahren weiterhin umfasst, dem Schmierstoff im Schmierstoffreservoir Wärme aus einer Wärmequelle zuzuführen, deren Temperatur wenigstens der Siedetemperatur des Prozessfluids beim Eintritts-Totaldruck entspricht und dergestalt im Schmierstoff gelöstes Prozessfluid auszugasen.