热力设备以及生产热力设备的方法

摘要

一种热力设备，包括：第一液体容器(100)，该第一液体容器(100)构造成在操作期间保持第一压力，该第一液体容器(100)在操作期间部分地填充有工作流体(110)；第二液体容器(200)，该第二液体容器(200)构造成在操作期间保持第二压力，该第二压力比第一压力高，该第二液体容器在操作期间部分地填充有工作流体(210)；以及补偿管道(300)，该补偿管道(300)对工作流体而言是可透过的，该补偿管道(300)包括入口(310)并且包括出口(320)，入口(310)设置在第二液体容器(200)内以便在操作期间限定第二液体容器内的工作流体液位(215)，出口(320)设置在第一液体容器内使得工作流体能够从入口(310)被输送到出口(320)中，入口(310)设置成在安装方向上高于出口(310)，补偿管道(300)包括弯曲部(330)，弯曲部(330)的最低区域在操作期间布置成低于出口(320)，并且热力设备构造成(400)在操作期间将工作流体从第一液体容器(100)向前输送至第二液体容器(200)，并且构造成通过补偿管道(300)将工作流体从第二液体容器(200)输送回至第一液体容器(100)。

说明书

技术领域

本发明涉及热力设备，并且特别地，涉及例如如热泵情况那样具 有在不同的压力下操作的数个液体容器的热力设备。

背景技术

欧洲专利EP2016349B1公开了一种包括水蒸发器、压缩机和 液化器的热泵。在热泵操作期间，蒸发器内的压力设定成使得待被 蒸发的工作流体比如例如水将在要求的温度下蒸发，该要求的温度 例如可以是+10°摄氏度。压缩机——该压缩机构造成具有径向叶轮 的连续流动式机器——压缩蒸汽并且将压缩的蒸汽输送到液化器 中。由于蒸汽压缩，蒸汽的温度从蒸发器内的温度上升至更高的温 度，比如例如40或50°摄氏度。加热的蒸汽在液化器内将冷凝并且 因此加热液化器内的工作流体。当热泵进行加热时，通过压缩的蒸 汽引入液化器内的热量可以被用于加热建筑物。然而，当热泵进行 冷却时，引入液化器内的热量将作为废热被排放，而蒸发器内通过 蒸发冷却的工作流体将被用于冷却目的。

由于热泵的操作，材料从蒸发器被连续地向前输送到液化器中。 为了确保液化器不会溢流，提供了排出口，液化的水穿过该排出口 并且经由用于压力控制的泵或阀朝向蒸发器向回传送。

作为用于压力控制的泵或阀，典型的热泵包括可调节的节流阀 以便实现液化器内的高压至蒸发器内的低压的转换。由于被向前输 送的工作流体由于蒸发/压缩/液化过程会有很大变化，因此通过排出 口被向回输送的工作流体的量也变化很大。这是由于热泵随着功率 增大或者随着温度差距(即液化器内存在的高温与蒸发器内存在的 低温之间的温差)增大而产生变化。如果热泵必须提供大量的功率 以实现加热或冷却，则将会比当热泵必须提供小的功率以实现加热 或冷却时输送更多的工作流体。因此，节流阀一般是可调节的以便 能够适应排出口中较大范围的不同流动。

该概念的缺点在于如下事实：节流阀——甚至必须是可调节的 ——需要附加的成本和热泵处理中额外的损失。特别是由于在这样 的节流阀内通常发生的热工作流体的自发的蒸发，所述热工作流体 进入低压区域，产生能量损失，并且附加地产生促进热泵的整体噪 音水平的噪音。特别是当热泵意在被大规模使用——通常的热泵均 为这种情况——时，所述附加部件的成本和所需控制也是不可被低 估的一部分；另外，还涉及到故障的易发性。

发明内容

本发明的目的是提供一种更有效的热力设备。

该目的通过如权利要求1所述的热力设备或者通过如权利要求 15所述的生产热力设备的方法而得以实现。

本发明基于如下发现：作为可调节的节流阀的替代，简单的补 偿管道足以使工作流体从第二液体容器被输送回至第一液体容器， 其中，在热泵的情况下，第二液体容器例如可以是液化器，在热泵 的情况下，第一液体容器可以是蒸发器。补偿管道包括入口，该入 口设置在比如例如液化器的第二液体容器内以便在操作期间限定第 二液体容器内的工作流体液位。补偿管道的出口又设置在第一液体 容器内使得工作流体能够通过补偿管道从入口被输送至出口。另外， 入口设置成在安装方向上高于出口。此外，补偿管道包括弯曲部， 在操作期间该弯曲部的最低区域设置在出口下方。因而，存在这样 的热力设备，在该热力设备中，在操作期间，工作流体从第一液体 容器被向前输送至第二液体容器，并且在该热力设备中，通过补偿 管道将工作流体从第二液体容器输送回至第一液体容器以便防止第 二液体容器的溢流或者以便避免第一液体容器内的工作流体不足。

由于入口和出口的特定布置，补偿管道用作重力节流阀，其另 外还能够自调节。同时，重力节流阀基于入口在第二液体容器内的 定位而限定第二液体容器内的液体液位，第二液体容器的压力比第 一液体容器高。只要高压液体容器内一存在附加的工作流体，所述 工作流体就返回至第一液体容器。根据第二液体容器与第一液体容 器之间的热力设备的特定最大压差，补偿管道的弯曲部的最大高度 构造成使得入口附近的液体液位不会到达最低区域，即，使得在热 力设备的最大压差的情况下工作流体将仍存在于弯曲部内以便保持 高压与低压之间的压力屏障。

在本发明的另外的优选实施方式中，其中，第二液体容器内的 工作流体比第一液体容器内的工作流体热，可以明显地减小弯曲部 的高度。这是由于如下事实：其中，在补偿管道中，热的工作流体 进入第一液体容器，即，靠近补偿管道外侧的出口或者靠近位于补 偿管道内的出口，形成附加的蒸汽屏障。这是由于如下事实：热的 工作流体开始蒸发，即，在靠近出口而遇到第一液体容器内的冷的 工作流体时表现出沸腾和/或形成气泡的趋势。因而，补偿管道内出 现“蒸汽屏障”以及因而出现附加的压降。这种附加的压降能够明 显地减小弯曲部的高度，即，通常为U形补偿管道的高度。

当热力设备必须处理作为最大值的特定的压差例如为200mbar 时——这是特别地当普通的水用作工作流体时的情况，弯曲部的所 需高度最大为2m。这意味着热泵当其待被设定为用于进行加热或 冷却时，需要2m的附加空间以用于在液化器下方进行安装以便形 成本发明的重力节流阀。

所述附加高度导致整个热泵组件的尺寸增大。由于附加的压差 ——在第一液体容器内的工作流体的温度比第二液体容器内的工作 流体的温度低的情况下该附加的压差将会升高——即由于因蒸汽屏 障所造成的附加的压降，会使例如2m的所述高度明显减小，即减 小为低至5cm或者甚至2cm，然而仍然能够提供可靠的热力设备， 该热力设备包括如下的重力节流阀，该重力节流阀提供第二液体容 器内的压力与第一液体容器内的压力的可靠的分离而不需要通过补 偿管道在液体容器之间进行压力补偿。

本发明的优点在于不需要可控制阀，可控制阀将引起附加的损 失、易受故障以及附加成本所有的问题。作为替代，需要简单的补 偿管道，该简单的补偿管道例如可以构造为非常简单的导管的由塑 料或金属制成的的软管，其直径可以小于10cm。另一方面，优选 地，最小的直径至少为1cm或最小的截面面积为0.8cm²。

特别地，当蒸汽屏障附加地支持重力节流阀时，该热力设备的 特征还在于低安装高度，因为将安装重力节流阀的“在下方的”空 间由于附加的蒸汽屏障而明显地减小。

包括简单的补偿管道的热力设备的另外的优点包括：补偿管道 免于维修；自动调节第二液体容器内的液体液位，这由补偿管道的 入口所确定而无需进一步提供比如浮体的任何物品；以及只要出口 定位成低于第一液体容器内存在的操作液体液位就可在结构量度允 许的情况下将出口灵活地安装在第一液体容器内。只要入口限定液 体液位，入口也可以根据需要安装，例如穿过第二液体容器的底部 安装为突出管道，或者在限定的液体液位应当所处的位置处侧向地 安装在第二液体容器处。

包括重力节流阀的本发明的热力设备因而可以在工作流体从第 一液体容器被向前输送至第二液体容器的情况下被使用并且必须通 过补偿管道被补偿。特别地，在构造为热泵并且其中向前输送装置 构造成包括具有相应的蒸汽进入口和蒸汽排出口的压缩机这样的热 力设备的情况下，由于由机械特征所决定的补偿管道的可灵活的安 装性和功能性，补偿管道特别适于低维修且特别有效的热泵，该热 泵不会引起可能由可控制的节流阀或类似元件造成的任何损失。

本发明的另外的主要优点在于，不会像现有技术的情况那样由 于可调节的节流阀处发生自发性蒸发而在可调节的节流阀中耗损压 差。替代地，在本发明中，压差被直接引入到第一液体容器——第 一液体容器例如是热泵的蒸发器——中。第一液体容器中发现的趋 于进行核沸腾的蒸发趋势形成了附加的压力屏障，通过该压力屏障， 可以显著地减小安装高度即补偿管道的弯曲部的高度，这进一步导 致蒸发器内的更有效的蒸发以便增强正常的或“常规的”蒸发过程。 因而，不仅已知的热力设备的损失——所述损失通过可调节的节流 阀被接收——被完全消除，而且另外返回输送以主动的方式被使用 以增大蒸发效率，这是由于在出口附近产生的工作流体蒸汽有助于 热泵效果，正如通过“正常的”蒸发过程而在蒸发器内产生的工作 流体蒸汽实现的那样。

附图说明

下面将参照附图详细地说明本发明的优选实施方式，在附图中：

图1示出了根据本发明的实施方式的热力设备的示意图；

图2a示出了压力相同的连通管道，图2b示出了压力不同的连 通管道；

图3示出了作为热力设备的实施方式的热泵的示意图；以及

图4示出了具有液体容器的补偿管道的示意图，其中，附加的压 力屏障靠近出口。

具体实施方式

图1示出了热力设备，该热力设备包括第一液体容器100，第一 液体容器100构造成在操作期间保持第一压力p₁，第一液体容器100 在操作期间部分地填充有工作流体110。特别地，图1中示意性地 示出了液体液位115。液体液位115以下有工作流体110，液体液位 115以上有空气、蒸发的工作流体、真空或类似物，即有气体隔室 120。

另外，该热力设备包括第二液体容器200，第二液体容器200 又包括工作流体液位215，在工作流体液位215下方第二液体容器 内置有由210表示的工作流体，第二液体容器具有位于工作流体液 位215之上的气体隔室220，气体隔室220可以包括空气或蒸发的 工作流体，并且气体隔室220的压力p₂比第一液体容器100内的第 一压力p₁高。因而，正如第一液体容器一样，第二液体容器在操作 期间部分地填充有工作流体210。

另外，设置有工作流体可透过的补偿管道300，补偿管道300 包括入口310，入口310设置在第二液体容器200内以便在操作期 间限定第二液体容器内的工作流体液位215。另外，补偿管道包括 出口320，出口320设置在第一液体容器100内使得工作流体能够 从入口310被输送到出口320中。此外，如图1中所示出的，入口 310设置成在热力设备的安装方向上高于出口320。此外，补偿管道 包括弯曲部330，弯曲部330的最低区域布置成在操作期间在安装 方向上低于出口320。根据该实施方式，最低区域距出口——即， 出口进入到第一液体容器中的位置——的距离和/或距第一液体容 器的底部的距离至少为2并且优选地至少为5cm。根据该实施方案， 弯曲部的最大高度高达2m，然而，该最大高度不应当大于由第一 液体容器与第二液体容器之间的确定的最大压差所预先确定的高 度。在工作流体例如是水的情况下，并且在最大压差是200mbar， 例如如EP2016349B1中所描述的诸如通常的水操作式热泵中的 情况下，弯曲部的高度即弯曲部的最低区域与第一液体容器的底部 之间的差将会是2m。该高度不大于2m，但如下面将所阐述的， 特别地由于附加的蒸汽屏障该高度可以小于2m，如将参照图4所 述。

在本发明的优选实施方式中，图1中示出的具有向前输送装置 400的热力设备构造为热泵。则，如图3中所表示的或如EP2016349 B1中所描述的，图1的向前传送装置400构造为热泵的压缩机C 410。应当明确指出的是，在实施方式中，除了发明性的特征外，本 发明的热泵可以构造成完全如EP2016349B1中描述的热泵一样， 所述文献的全部内容通过参引被明确地包括到本说明书中。第一液 体容器100构造为蒸发器150，第二液体容器构造为液化器250。

在操作期间，热泵内呈现特定的压力状况和温度状况。特别地， 蒸发器内具有的压力p₁比液化器内具有的压力p₂低。另外，液化器 内的温度T2比蒸发器内的温度T1高。待被冷却的工作流体经由蒸 发器进入口160被给送到蒸发器中，并且冷却下来的工作流体经由 蒸发器排出口170被排出。如果热泵用于进行冷却，经由排出口170 排出的冷却的工作流体用于进行冷却，比如用于冷却例如计算机或 者其它电气或电子设备。

另外，液化器也包括进入口260和排出口270。如果热泵例如用 于进行加热，则排出口270表示进入到建筑的加热系统中的供给， 而回流元件260——在回流元件260中，冷却下来的工作流体被再 次供给到液化器250中——表示加热系统的回流。特别地，蒸发器 包括用于使工作流体有效地蒸发的扩展单元180。则工作流体蒸汽 190由压缩机410借助特定的吸入装置195吸入并压缩，并且以压 缩的工作流体蒸汽260的形式经由特定的蒸汽绕行组件270进入液 化器容积中以便与液化器内的工作流体一起冷凝，其中，液化器内 的工作流体的液体液位由215表示。该液体液位215进而限定补偿 管道300的入口，此外，图3中示出了补偿管道300的弯曲部330。

优选地，入口310构造为从液化器的底部280突出的管道，由 此，入口从底部280突出的高度限定了液化器内即图1中的第二液 体容器内的液体液位215。

由于两个液体容器内存在的压力比不同，因此如图2b中所示出 的在以连通管道形式的补偿管道内形成了不同高度的液体液位。相 比之下，图2a示出了比较性情况，在该情况中，连通管道的两个分 支即U形补偿管道的两个端部中的液体液位同样高。相比之下，如 果连通管道的一侧上的压力比另一侧上的高，压力较高的一侧上的 液体液位将会降低，降低的量与压差Δp成正比。从这点来看，最 大高度H限定成使得U形补偿管道的两个部分中的两个液位可以不 同并且不会使在图2b中的左手侧上液位到达弯曲部的稍端；在到达 稍端的情况下，压力不同的两个液体容器之间将不再具有可靠的压 力密封或者压力屏障。如所提出的，对于水用作工作流体时的最大 压差200mbar的情况而言，最大高度H_max等于两米。当如热发动 机/制冷机中常见的并且本领域技术人员已知的其它液体用作工作 流体时，不同的高度和压力差将会变化。

此外，图3示出了热泵操作的不同趋势。在温度差——即液化 器250内存在的温度与蒸发器内存在的温度之间的差值——增大 时，即，在特别地由于增长的制冷或加热需求而使热泵必须提供更 大的动力时，压缩机C——该压缩机C优选地构造为具有径向叶轮 的涡轮压缩机——的旋转速度增大。压缩机C或者压缩机的径向叶 轮旋转得更快。因而，能够吸入更多的蒸汽体积并且所述蒸汽体积 能够从蒸发器被向前输送到液化器中。为了保持液化器内的限定的 液体液位，因此还必需将更多的工作流体从液化器通过补偿管道 330输送回至蒸发器。这种情况会自动地发生而不需要特定的控制， 这具体地是由于补偿管道的作用，该补偿管道用作重力的、自动调 节的节流阀。然而，在对于热泵的温度和/或动力要求再次降低的情 况下，将向前输送较少的工作流体，并且于是补偿管道会将较少的 工作流体输送回到蒸发器中。这个过程也完全自动发生而不需要任 何进一步的控制或干预。

图3还示出了本发明的补偿管道的另一有利效果，该补偿管道 在其排放点处连接至蒸发器而没有任何特定的节流阀。由于热的工 作流体被直接给送到冷的蒸发器中的事实，热的工作流体在其进入 到压力低的冷的蒸发器中的位置处、即在出口320附近引起趋于进 行核沸腾的趋势。因而，蒸发器工作流体由于出口320的作用—— 该作用就蒸发而言是积极的——而额外地蒸发，这种额外的蒸发如 用另外的蒸汽198所示意性描绘的，另外的蒸汽198对于热泵的工 作而言显然具有与由“正常的”蒸发过程所产生的工作流体蒸汽190 相同的效果。

参照图4，下面将更详细地论述压力屏障，例如由于热的工作流 体膨胀以进行蒸发和/或由于趋于形成气泡的趋势而产生用于热的 工作流体比如水的压力屏障。图4中以199示意性地描绘所述压力 屏障。

在出口320的区域中围绕出口320形成有压力屏障199，因此存 在从高压区域p₂至低压区域p₁的额外的压力降。这导致高度差340 ——高度差340在不存在压力屏障的情况下将占主导——降至高度 差350。因而，压力屏障199已经适应与高度差340和350的差值 360对应的压力差。特别是热温度T₂与冷温度T₁之间的温差越大， 这种有利的现象就越显著，根据本发明，有利地利用了这种有利的 现象以用于将弯曲部330的高度从例如如图2b中所描绘的最大高度 减小50％或80％，该实施方案的作用为使得将弯曲部的最低区域在 操作期间设置成仅略低于出口例如2cm、以及在具有一定的间隙的 情况下低于至少5cm已经足以确保两个液体容器之间的可靠的压 力密封。因而，例如热泵的热力设备的安装高度减小高达2m，这 会致使组件的尺寸减小很多，并且因此致使显著增强市场接受力。

优选地，补偿管道300的最大直径为10cm或者最大截面面积 为80cm²。另一方面，补偿管道的直径至少为1cm，并且截面面积 至少为0.8cm²。

优选地，弯曲部的最低区域布置成低于出口最大距离H_max，最 大距离H_max由第二压力与第一压力之间的最大压差所决定。除了图 1中的向前输送装置400——向前输送装置400可以是任何所需的类 型——之外，补偿管道是第一液体容器与第二液体容器之间仅有的 液体连通元件，使得经由补偿管道发生整个回流，补偿管道不包括 可控制的节流阀或者不包括可控制的阀，而是能够构造为在整个长 度上直径恒定的简单的管道或简单的软管，

如图3中所示出的，出口320安装在第一液体容器的容器底部 191上。补偿管道300的弯曲部330还构造为U形，出口320设置 在弯曲部的一端处。管道的线性长度395设置在入口310与弯曲部 的另一端之间，所述另一端在图3中由390表示。

如已经说明的，第二液体容器250还设置有底部280，补偿管道 从底部280突出长度396，长度396限定液化器250内的最大液体 液位。然而，替代性地，入口310也可以在液体容器的限定第二液 体容器内的液体液位的所述高度处侧向地设置。

在生产热力设备的方法中，补偿管道的入口被连接至第一液体 容器，并且补偿管道的出口被连接至第二液体容器，从而第二液体 容器内的工作流体液位由入口在第二液体容器内的布置所决定。

本发明提供了一种有效、低成本且低维护的热力设备。