本發(fā)明涉及在許多應用中(具體為在高溫熱泵中)具有效用的方法和系統(tǒng)。

背景技術：

當前形成全球能源格局的趨勢表明，在不久的將來將擴大低溫熱的利用。此類熱可通過各種商業(yè)或工業(yè)操作進行回收，或者可從地熱或水熱儲層提取，或者可通過太陽能集熱器生成。能源價格不斷提高以及人們逐漸認識到使用化石燃料一般來說對環(huán)境的影響尤其是對地球氣候帶來的威脅，為低溫熱的利用提供了推動力。

通過高溫機械壓縮式熱泵(HTHP)提高可用低溫熱的溫度以滿足加熱要求是一種有前景的使用低溫熱的方法。熱泵需要使用工作流體。需要新型的熱泵和高溫熱泵工作流體。

技術實現要素：

根據本發(fā)明提供了一種在高溫熱泵中產生加熱的方法。該方法包括從熱交換器中的工作流體中提取熱量，從而產生冷卻的工作流體，其中所述工作流體包含由1，1，2，2-四氟乙烷構成的制冷劑，并且所述高溫熱泵包括離心式壓縮機。

還提供了一種在高溫熱泵中產生加熱的方法，其中在以級聯配置布置的至少兩個級之間交換熱量。該方法包括在第一級聯級中的第一工作流體中在所選擇的較低溫度下吸收熱量并且將該熱量傳遞到在較高溫度下提供熱量的第二級聯級的第二工作流體；其中第一工作流體或第二工作流體包含由1，1，2，2-四氟乙烷構成的制冷劑。

還提供了一種提升高溫熱泵設備中的冷凝器操作溫度的方法。該方法包括向高溫熱泵中裝入包含由1，1，2，2-四氟乙烷構成的制冷劑的工作流體；其中所述高溫熱泵設備包括離心式壓縮機。

還提供了一種高溫熱泵設備。該設備容納有工作流體，該工作流體包含由1，1，2，2-四氟乙烷構成的制冷劑；其中所述設備包括離心式壓縮機。

還提供了一種替換高溫熱泵中的HFC-134a的方法。該方法包括向所述高溫熱泵中裝入包含由HFC-134構成的制冷劑的工作流體；其中所述高溫熱泵包括離心式壓縮機。

還提供了一種改進使用HFC-134a操作的離心式高溫熱泵的能量效率的方法。該方法包括向所述離心式高溫熱泵中裝入包含由HFC-134構成的制冷劑的工作流體。

還提供了一種在高溫熱泵中產生加熱的方法。該方法包括從熱交換器中的工作流體中提取熱量，從而產生冷卻的工作流體，其中所述工作流體包含由1，1，2，2-四氟乙烷構成的制冷劑，并且所述高溫熱泵包括螺桿式壓縮機。

還提供了一種高溫熱泵設備，其容納有工作流體，該工作流體包含由1，1，2，2-四氟乙烷構成的制冷劑；其中所述設備包括螺桿式壓縮機。

附圖說明

圖1為根據本發(fā)明的溢流式蒸發(fā)器熱泵設備的一個實施例的示意圖。

圖2為根據本發(fā)明的直接膨脹式熱泵設備的一個實施例的示意圖。

圖3為根據本發(fā)明的級聯熱泵系統(tǒng)的示意圖。

具體實施方式

在陳述下文實施例的詳情之前，首先定義或闡明一些術語。

全球變暖潛勢值(GWP)是由大氣排放一千克具體溫室氣體與排放一千克二氧化碳相比而得的評估相對全球變暖影響的指數?？捎嬎愠霾煌瑫r間范圍的GWP，其顯示指定氣體的大氣壽命效應。100年時間范圍的GWP通常是參考值。

“The Scientific Assessment of Ozone Depletion，2002，A report of the World Meteorological Association’s Global Ozone Research and Monitoring Project，”section 1.4.4，pages 1.28to 1.31(“臭氧損耗的科學評估，2002年，世界氣象協會的全球臭氧研究和監(jiān)測計劃的報告”，第1.4.4部分，第1.28至1.31頁)(參見該部分的第一段)中定義了臭氧損耗潛勢(ODP)。ODP代表一種化合物相對于同質量的三氯氟甲烷(CFC-11)在平流層中導致的臭氧損耗程度。

制冷量(有時稱為冷卻容量)是定義每單體質量的循環(huán)制冷劑或工作流體在蒸發(fā)器中制冷劑或工作流體的焓的變化的術語。體積冷卻容量是指在蒸發(fā)器中每單位體積的制冷劑蒸氣離開蒸發(fā)器，由制冷劑或工作流體移除的熱量。制冷量是制冷劑、工作流體或傳熱組合物制冷能力的量度。因此，工作流體體積冷卻容量越高，可在蒸發(fā)器處產生的冷卻速率越大，并且用指定壓縮機可達到的最大體積流量越大。冷卻速率是指每單位時間被蒸發(fā)器內制冷劑移除的熱量。

相似地，體積熱容量是定義每單位體積進入壓縮機的制冷劑或工作流體蒸氣在冷凝器中被制冷劑或工作流體提供的熱量的術語。制冷劑或工作流體的體積熱容量越高，在冷凝器處產生的加熱速率越大，并且用指定壓縮機可達到的最大體積流量越大。

性能系數(COP)是在蒸發(fā)器中去除的熱量除以操作壓縮機所需的能量。COP越高，能量效率越高。COP與能量效率比率(EER)直接相關，即在一組具體內溫和外溫下制冷設備或空調設備的效率等級。

如本文所用，傳熱介質(本文還稱為加熱介質)包含用于從待冷卻的主體攜帶熱至冷卻器蒸發(fā)器或從冷卻器冷凝器至冷卻塔或其中熱能夠被排放到環(huán)境中的其他配置的組合物。對于熱泵而言，傳熱介質將熱從熱源攜帶至熱泵蒸發(fā)器(熱交換器)或從熱泵冷凝器攜帶至將待加熱的主體。

如本文所用，工作流體包括化合物或化合物的混合物，其功能是在蒸汽壓縮循環(huán)中傳遞熱。在一些實施例中，在一個重復循環(huán)中，工作流體經歷了從液體到氣體并回到液體的相變化。

過冷為液體溫度降至低于給定壓力下液體的飽和點。飽和點是蒸氣組合物被完全冷凝成液體時的溫度(還被稱為泡點)。但是在給定壓力下，過冷持續(xù)將液體冷卻成更低溫度的液體。通過將液體冷卻至飽和溫度以下，能夠提高凈制冷量。從而過冷改善了系統(tǒng)的制冷量和能量效率。過冷量是冷卻到飽和溫度以下的量值(以度為單位)或液體組合物被冷卻至其飽和溫度以下的程度。

“過熱”是用來定義蒸氣組合物被加熱超過其飽和蒸氣溫度(在該溫度下，如果組合物被冷卻，將形成第一滴液體，也稱為“露點”)的程度的術語。

如本文所用，術語“包含”、“包括”、“具有”或它們的任何其他變型均旨在涵蓋非排他性的包括。例如，包含一系列元素的組合物、過程、方法、制品或設備不必僅限于那些元素，而可以包括其它未明確列出的元素，或此類組合物、過程、方法、制品或設備固有的元素。此外，除非明確相反說明，“或”是指排他性的或。例如，下列任一種情況都表示條件A或B得到滿足：A為真(或存在)且B為假(或不存在)，以及A為假(或不存在)且B為真(或存在)。

連接短語“由...組成”不包括任何沒有指定的元素、步驟或成分。如果是在權利要求中，此類詞限制權利要求，以不包含除了通常與之伴隨的雜質以外不是所述那些的材料。當短語“由...組成”出現在權利要求正文的條款中，而不是緊接在前序之后時，該短語限定只在該條款中列出的要素；其他要素不排除于作為整體的權利要求。

連接短語“基本上由...組成”用于限定所述組合物、方法或設備除了字面公開的那些以外，還包括物質、步驟、部件、組分或元素，前提條件是，這些附加包含的物質、步驟、部件、組分或元素不會實質上影響受權利要求書保護的本發(fā)明的基本特征和新穎特征。術語“基本上由...組成”居于“包含”和“由...組成”的中間。

當申請人已經用開放式術語如“包含”定義了本發(fā)明或其一部分時，則應易于理解(除非另外指明)，說明書應被解釋為還使用術語“基本上由...組成”或“由...組成”描述本發(fā)明。

而且，采用“一個”或“一種”來描述本文所述的要素和組件。這樣做只是為了方便，并給出本發(fā)明范圍的一般意義。除非意思明顯相反，否則該描述應當理解為包括一個/種或至少一個/種，并且單數也包括復數的意思。

除非另外規(guī)定，否則本文所用的全部科技術語的含義都與本發(fā)明所屬領域的普通技術人員通常理解的一致。盡管與本文描述的方法和材料類似或等同的方法和材料也可用于實踐或測試本發(fā)明的實施例，但下文描述了合適的方法和材料。除非引用具體段落，否則本文提及的全部出版物、專利申請、專利以及其他參考文獻均以全文引用方式并入本文。如發(fā)生矛盾，以本說明書及其包括的定義為準。此外，描述的材料、方法和實例只是示例性的，而非限制性的。

1，1，2，2-四氟乙烷(HFC-134、CHF₂CHF₂)可商購獲得，或可通過1，2-二氯-1，1，2，2-四氟乙烷(即CClF₂CClF₂或CFC-114)的氫脫氯化氫作用制得?；蛘?，HFC-134可通過四氟乙烯(TFE)的催化氫化作用制得，其中催化劑可以是能夠有效產生所需產物的任何催化劑，包括但不限于鈀和鉑等。

高溫熱泵方法

根據本發(fā)明，提供了一種在高溫熱泵中產生加熱的方法。該方法包括從熱交換器中的工作流體中提取熱量，從而產生冷卻的工作流體，其中所述工作流體包含由1，1，2，2-四氟乙烷(HFC-134)構成的制冷劑，并且所述高溫熱泵包括離心式壓縮機。用于產生加熱方法中的工作流體還可任選地包含潤滑劑。

在產生加熱方法的一個實施例中，熱交換器選自超臨界工作流體冷卻器和冷凝器。

在產生加熱方法的一些實施例中，熱交換器在高于55℃的溫度下操作。在另一個實施例中，熱交換器在高于71℃的溫度下操作。在另一個實施例中，熱交換器在約71℃至約80℃、約71℃至約115℃、約71℃至約135℃、約80℃至約135℃、約90℃至約135℃的溫度下操作。

在產生加熱方法的一個實施例中，該方法還包括使第一傳熱介質通過熱交換器，由此所述提取熱量加熱第一傳熱介質，并且使經加熱的第一傳熱介質從熱交換器傳送到待加熱的主體。

待加熱的主體可為可被加熱的任何空間、物體或流體。在一個實施例中，待加熱的主體可為房間、建筑物、或汽車的乘客室?；蛘撸诹硪粋€實施例中，待加熱的主體可為傳熱介質或傳熱流體，在這種情況下，傳熱介質或傳熱流體可被傳遞至需要加熱的空間或物體。

在產生加熱方法的一個實施例中，第一傳熱介質為水，并且待加熱的主體為水。在另一個實施例中，第一傳熱介質為水，并且待加熱的主體為用于空間加熱的空氣。在另一個實施例中，第一傳熱介質為工業(yè)傳熱液體，并且待加熱的主體為化學工藝物流。

在產生加熱方法的另一個實施例中，產生加熱方法還包括在離心式壓縮機中壓縮工作流體。

在產生加熱方法的一個實施例中，在具有熱交換器的熱泵中產生加熱包括使待加熱的傳熱介質通過所述熱交換器，從而加熱傳熱介質。在一個實施例中，傳熱介質為空氣，并且將經加熱的空氣從熱交換器通到待加熱的空間。在另一個實施例中，所述傳熱介質為工藝物流的一部分，并且使所述經加熱的部分返回至所述工藝中。

在產生加熱方法的一些實施例中，傳熱介質(或加熱介質)可選自水或二醇(如乙二醇或丙二醇)。尤其值得注意的是其中第一傳熱介質為水并且待冷卻的主體為用于空間冷卻的空氣的實施例。

在產生加熱方法的另一個實施例中，傳熱介質可為工業(yè)傳熱液體，其中待加熱的主體為化學工藝物流，其包括工藝管道和工藝設備如蒸餾塔。值得注意的是工業(yè)傳熱液體，所述液體包括離子液體、多種鹽水(如含水氯化鈣或氯化鈉)、二醇(如丙二醇或乙二醇)、甲醇以及其他傳熱介質(如“2006年ASHRAE制冷手冊(2006ASHRAE Handbook on Refrigeration)”第4章中所列的那些)。

在一個實施例中，產生加熱的方法包括在如上文結合圖1所述的溢流式蒸發(fā)器高溫熱泵中提取熱量。在該方法中，液體工作流體在第一傳熱介質附近蒸發(fā)形成工作流體蒸氣。第一傳熱介質為溫熱液體如水，其經由管從低溫熱源傳送到蒸發(fā)器中。溫熱液體被冷卻，并且返回至低溫熱源，或傳送到待冷卻的主體如建筑物。工作流體蒸氣被壓縮，然后在第二傳熱介質附近被冷卻，所述第二傳熱介質為冷凍液體，來自待加熱的主體(散熱器)附近。第二傳熱介質冷卻工作流體，使得在一些情況下其被冷凝形成液體工作流體。在該方法中，溢流式蒸發(fā)器熱泵也可用于加熱家用或工業(yè)用水或工藝物流。

在另一個實施例中，產生加熱方法包括在如上文結合圖2所述的直接膨脹式高溫熱泵中產生加熱。在該方法中，液體工作流體通過蒸發(fā)器并且蒸發(fā)以產生工作流體蒸氣。第一液體傳熱介質通過蒸發(fā)工作流體而冷卻。第一液體傳熱介質離開蒸發(fā)器至低溫熱源或待冷卻的主體。工作流體蒸氣被壓縮，然后在第二傳熱介質附近被冷凝，所述第二傳熱介質為冷凍液體，來自待加熱的主體(散熱器)附近。第二傳熱介質冷卻工作流體，使得在一些實施例中其被冷凝形成液體工作流體。在該方法中，直接膨脹式熱泵也可用于加熱家用或工業(yè)用水或工藝物流。

在產生加熱方法的一個實施例中，高溫熱泵包括為離心式壓縮機的壓縮機。

在產生加熱方法的一個實施例中，在至少兩個加熱級之間進行熱交換，該方法包括吸收在選定冷凝溫度下操作的加熱級的工作流體中的熱量，并且將該熱量傳遞到在較高冷凝溫度下操作的另一個加熱級的工作流體；其中所述工作流體中的至少一者包含由HFC-134構成的制冷劑。

在一個實施例中，提供了在高溫熱泵中產生加熱的方法，其中在以級聯配置布置的至少兩個加熱級之間進行熱交換，該方法包括在選定的較低溫度下吸收第一級聯加熱級的第一工作流體中的熱量，并且將該熱量傳遞到在較高溫度下供熱的第二級聯加熱級的第二工作流體；其中第一工作流體或第二工作流體包含由HFC-134構成的制冷劑。在HFC-134為第一工作流體的實施例中，第二工作流體可包含至少一種選自以下的制冷劑：HFC-245fa(1，1，1，3，3，-五氟丙烷)、HFC-245eb(1，1，1，2，3，-五氟丙烷)、HFC-365mfc(1，1，1，3，3-五氟丁烷)、HFC-4310mee(1，1，1，2，3，4，4，5，5，5-十氟戊烷)、HFO-1336mzz-E(E-1，1，1，4，4，4-六氟-2-丁烯)、HFO-1336mzz-Z(Z-1，1，1，4，4，4-六氟-2-丁烯)、HFO-1438mzz-E(E-1，1，1，4，4，5，5，5-八氟-2-戊烯)、HFO-1438mzz-Z(Z-1，1，1，4，4，5，5，5-八氟-2-戊烯)、HFO-1438ezy-E(E-1，3，4，4，4-五氟-3-三氟甲基-1-丁烯)、HFO-1438ezy-Z(Z-1，3，4，4，4-五氟-3-三氟甲基-1-丁烯)、HFO-1336yf(3，4，4，5，5，5-六氟-1-丁烯)、HFO-1336ze-E(E-1，3，3，4，4，4-六氟-1-丁烯)、HFO一1336ze-Z(Z-1，3，3，4，4，4-六氟-1-丁烯)、E-HFO-1234ye(E-1，2，3，3-四氟丙烯)、Z-HFO-1234ye(Z-1，2，3，3-四氟丙稀)、HCFO-1233zd-E(E-1-氯-3，3，3-三氟丙烯)、HCFO-1233zd-Z(Z-1-氯-3，3，3-三氟丙烯)、HCFO-1233xf(2-氯-3，3，3-三氟丙烯)、HFO-1234ze-Z(Z-1，3，3，3-四氟丙烯)、HFC-236ea(1，1，1，2，3，3-六氟丙烷)、HFC-236fa(1，1，1，3，3，3-六氟丙烷)以及它們的混合物。在HFC-134為第二工作流體的實施例中，第一工作流體可包含至少一種選自以下的制冷劑：HFO-1234yf(2，3，3，3-四氟丙烯)、E-HFO-1234ze(E-1，3，3，3-四氟丙烯)、HFO-1243zf(3，3，3-三氟丙烯)、HFC-161(氟代乙烷)、HFC-32(二氟甲烷)、HFC-125(五氟乙烷)、HFC-245cb(1，1，1，2，2-五氟丙烷)、HFC-134a(1，1，1，2-四氟乙烷)、HFC-143a(1，1，1-三氟乙烷)、HFC-152a(1，1-二氟乙烷)、HFC-227ea(1，1，1，2，3，3，3-七氟丙烷)以及它們的混合物。

在一個實施例中，第一工作流體包含由HFC-134構成的制冷劑，并且傳遞到第二級聯級的熱量的溫度為至少10℃、至少20℃、至少30℃、至少40℃、至少50℃、至少60℃、65℃、至少70℃、至少72℃、至少75℃、至少80℃、至少90℃、至少100℃、至少110℃、至少115℃或至少117℃。

在另一個實施例中，第二工作流體包含由HFC-134構成的制冷劑，并且第二級聯級供應的熱量的溫度為至少65℃、至少70℃、至少72℃、至少75℃、至少80℃、至少90℃、至少100℃、至少110℃、至少115℃或至少117℃。

在本發(fā)明的另一個實施例中，公開了一種提升高溫熱泵設備中的冷凝器操作溫度的方法，該方法包括向高溫熱泵中裝入包含由HFC-134構成的制冷劑的工作流體。

在高溫熱泵中使用HFC-134提高了這些熱泵的能力，因為它允許在比當前類似系統(tǒng)中所用的HFC-134a可達到的冷凝器溫度更高的冷凝器溫度下操作。

因此提供了一種提升高溫熱泵設備中的冷凝器操作溫度的方法。該方法包括向高溫熱泵中裝入包含1，1，2，2-四氟乙烷的工作流體；其中所述高溫熱泵設備包括離心式壓縮機。

在一個實施例中，提升高溫熱泵設備中的冷凝器操作溫度的方法使用包含由HFC-134構成的制冷劑的工作流體。

當使用HFC-134a作為常用高溫離心式熱泵中的工作流體時，最高實際冷凝器操作溫度為約71℃。在提升冷凝器操作溫度的方法的某些實施例中，當使用包含由HFC-134構成的制冷劑的組合物作為熱泵工作流體時，冷凝器操作溫度提升至高于約71℃、高于約72℃、高于約73℃、高于約75℃、高于約76℃、高于約77℃、高于約78℃、高于約79℃、高于約80℃。在其他實施例中，冷凝器操作溫度提升至約71℃至約80℃。

根據本發(fā)明，還有可能在原本設計成使用常規(guī)冷卻器工作流體的冷卻器(例如使用HFC-134a或HCFC-123或HFC-245fa的冷卻器)的系統(tǒng)中使用包含由HFC-134構成的制冷劑的工作流體，從而用于將所述系統(tǒng)轉換成高溫熱泵系統(tǒng)，條件是冷卻器裝置能夠承受使用HFC-134的預期操作壓力。例如，在現有的冷卻器系統(tǒng)中，可用包含由HFC-134構成的制冷劑的工作流體替換常規(guī)的冷卻器工作流體來達到該目的。

根據本發(fā)明，還有可能在原本設計成使用常規(guī)適宜熱泵(例如使用HFC-134a或HCFC-123或HFC-245fa的熱泵)工作流體的適宜(即低溫)熱泵系統(tǒng)的系統(tǒng)中使用包含由HFC-134構成的制冷劑的工作流體，從而用于將所述系統(tǒng)轉換成高溫熱泵系統(tǒng)，條件是適宜熱泵裝置能夠承受使用HFC-134的預期操作壓力。例如，在現有的適宜熱泵系統(tǒng)中，可用包含由HFC-134構成的制冷劑的工作流體替代常規(guī)的適宜熱泵工作流體來達到該目的。

在另一個實施例中，已經發(fā)現HFC-134可用作包括離心式壓縮機的高溫熱泵中的工作流體。在該實施例中，所述高溫熱泵還包括冷凝器，并且所述冷凝器操作溫度高于約71℃。

在另一個實施例中，提供了一種替換高溫熱泵中的HFC-134a的方法。該方法包括向所述高溫熱泵中裝入包含由HFC-134構成的制冷劑的工作流體；其中所述高溫熱泵包括離心式壓縮機。在替代HFC-134a中，所述高溫熱泵還可包括冷凝器，并且該冷凝器操作溫度提升至高于約71℃。此此外，冷凝器操作溫度可提升至約71℃至約117℃、約71℃至約115℃、約71℃至約110℃、約71℃至約100℃、約71℃至約90℃、約71℃至約80℃、約71℃至約79℃、約71℃至約78℃、約71℃至約77℃、約71℃至約76℃或約71℃至約75℃。

在一個實施例中，高溫熱泵可適用于與HFC-134a一起使用。在另一個實施例中，高溫熱泵已經可被設計為與HFC-134a一起使用。在另一個實施例中，高溫熱泵按照之前的方法使用HFC-134a操作。

在另一個實施例中，改進使用HFC-134a操作的離心式高溫熱泵的能量效率的方法包括向所述離心式高溫熱泵中裝入包含由HFC-134構成的制冷劑的工作流體。已經發(fā)現，通過用HFC-134替換HFC-134a，性能系數(COP)可增加至少5％。

高溫熱泵設備

在本發(fā)明的一個實施例中，提供了高溫熱泵設備，該高溫熱泵設備容納有工作流體，該工作流體包含由HFC-134構成的制冷劑；其中所述設備包括離心式壓縮機。

熱泵為用于產生加熱和/或制冷的一類設備。熱泵包括蒸發(fā)器、壓縮機、冷凝器或超臨界工作流體冷卻器，以及膨脹裝置。工作流體在反復循環(huán)中循環(huán)通過這些部件。在冷凝器或超臨界工作流體冷卻器中產生加熱，其中從工作流體中提取能量(以熱量形式)以形成冷卻的工作流體。在蒸發(fā)器中制冷，其中通過工作流體吸收能量。

在一個實施例中，本發(fā)明的高溫熱泵設備包括(a)蒸發(fā)器，工作流體流動通過所述蒸發(fā)器并蒸發(fā)；(b)與所述蒸發(fā)器流體連通的壓縮機，其將經蒸發(fā)的工作流體壓縮至更高的壓力；(c)與所述壓縮機流體連通的冷凝器，高壓工作流體蒸氣流動通過所述冷凝器并冷凝；以及(d)與所述冷凝器流體連通的減壓裝置，其中減小經冷凝的工作流體的壓力并且所述減壓裝置還與蒸發(fā)器流體連通，使得工作流體隨后在反復循環(huán)中反復流動通過組件(a)、(b)、(c)和(d)。

在本發(fā)明的一個實施例中，高溫熱泵設備使用工作流體，該工作流體包含由HFC-134構成的制冷劑。

熱泵可包括其一個實施例示于圖1中的溢流式蒸發(fā)器，或其一個實施例示于圖2中的直接膨脹式蒸發(fā)器。

熱泵可利用容積式壓縮機或離心式壓縮機。容積式壓縮機包括往復式、螺桿式或渦旋式壓縮機。值得注意的是使用離心式壓縮機的熱泵。

使用家用熱泵產生熱空氣來溫暖住宅或居室(包括獨戶住宅或多戶聯排住宅)，并且產生約30℃至約50℃的最高冷凝器操作溫度。

值得注意的是容納有工作流體的高溫熱泵，該工作流體包含由HFC-134構成的制冷劑，該高溫熱泵可用于加熱空氣、水、另一種傳熱介質或工業(yè)工藝的某些部分如一件設備、儲存區(qū)域或工藝物流。在一個實施例中，高溫熱泵在高于約55℃的冷凝器溫度下操作。在另一個實施例中，高溫熱泵在高于約70℃的冷凝器溫度下操作。在另一個實施例中，高溫熱泵在高于約72℃的冷凝器溫度下操作。在另一個實施例中，高溫熱泵在高于約75℃的冷凝器溫度下操作。高溫熱泵中可達到的最高冷凝器操作溫度將取決于所用的工作流體。該最高冷凝器操作溫度受限于工作流體的標準沸騰特性，并且還受限于熱泵的壓縮機可使蒸氣工作流體壓力升至的壓力。在在某些實施例中，用于高溫熱泵的最高冷凝器操作溫度為約71℃至約115℃、約71℃至約110℃、約71℃至約100℃或約71℃至約80℃。

HFC-134使離心式熱泵的設計和操作成為可能，所述離心式熱泵在高于可使用HFC-134a實行的那些冷凝器溫度的冷凝器溫度下操作。在一個實施例中，高溫熱泵還包括在高于約71℃的溫度下操作的冷凝器。在在另一個實施例中，熱交換器在約71℃至約80℃、約71℃至約115℃、約71℃至約135℃、約80℃至約135℃、約90℃至約135℃的溫度下操作。

還值得注意的是用于同時產生加熱和冷卻的熱泵。例如，單個熱泵單元可產生加熱以用于生成工業(yè)用途的高溫蒸氣，并且還可以制冷以用于冷卻工業(yè)工藝物流。

熱泵(包括溢流式蒸發(fā)器和直接膨脹式蒸發(fā)器)可與空氣調節(jié)和分配系統(tǒng)聯接，以提供干燥和除濕。在另一個實施例中，熱泵可用于加熱水或生成蒸氣。

為說明熱泵如何運行，圖中做出注釋。溢流式蒸發(fā)熱泵示于圖1中。

在該熱泵中，第二傳熱介質(如箭頭3處進入熱泵所示)進入攜帶來自低溫源(未示出)的熱量的熱泵，通過具有入口和出口的蒸發(fā)器6中的管束或旋管9，所述第二傳熱介質在一些實施例中為可包含水的溫熱液體，并且在一些實施例中，包含添加劑或其他傳熱介質例如二醇(如，乙二醇或丙二醇)，所述低溫源例如工業(yè)容器或工藝物流。溫熱的第二傳熱介質被遞送到蒸發(fā)器6中，其中所述第二傳熱介質被示于蒸發(fā)器6下部的液體工作流體冷卻。液體工作流體在比流經管束或旋管9的溫熱的第一傳熱介質更低的溫度下蒸發(fā)。冷卻的第二傳熱介質如箭頭4所示經由管束或旋管9的返回部分再循環(huán)回到低溫熱源。圖1中蒸發(fā)器6下部所示的液體工作流體蒸發(fā)并進入壓縮機7，該壓縮機使工作流體蒸氣的壓力和溫度升高。壓縮機7壓縮此蒸氣，使得在冷凝器5中，它可在比工作流體蒸氣離開蒸發(fā)器6時的壓力和溫度更高的壓力和溫度下冷凝。第一傳熱介質從圖1的箭頭1處提供高溫熱量的位置(“散熱器”)，如家用水加熱器或蒸氣生成系統(tǒng)，經由冷凝器5中的管束或旋管10進入冷凝器。所述第一傳熱介質在過程中升溫，并且經由管束或旋管10的歸返環(huán)路和箭頭2返回至散熱器。該第一傳熱介質使冷凝器5中的工作流體蒸氣冷卻，并使得蒸氣冷凝成液體工作流體，使得如圖1所示的冷凝器5的下部中存在液體工作流體。冷凝器5中的經冷凝的液體工作流體經過膨脹裝置8流回到蒸發(fā)器6中，該膨脹裝置可為孔口、毛細管或膨脹閥。膨脹裝置8降低了液體工作流體的壓力，并且將液體工作流體至少部分地轉化為蒸氣，換句話講，當冷凝器5與蒸發(fā)器6之間的壓力下降時，液體工作流體閃蒸。將工作流體即液體工作流體和工作流體蒸氣快速冷卻至蒸發(fā)器壓力下的飽和溫度，使得液體工作流體和工作流體蒸氣均存在于蒸發(fā)器6中。

在一些實施例中，將工作流體蒸氣壓縮至超臨界狀態(tài)，并且冷凝器5被氣體冷卻器代替，其中工作流體蒸氣被冷卻成液態(tài)而不冷凝。

在一些實施例中，用于圖1所示設備中的第二傳熱介質是從為待冷卻的流或主體提供冷卻的位置返回的介質。在蒸發(fā)器6處從返回的第二傳熱介質中提取熱量，并且將冷卻的第二傳熱介質供回到待冷卻的位置或主體。在該實施例中，圖1中所示的設備用于同時冷卻第二傳熱介質和加熱第一傳熱介質，所述第二傳熱介質向待冷卻的主體(如工藝物流)供冷，所述第一傳熱介質向待加熱主體(如家用水或蒸氣或工藝物流)供熱。

應當理解，圖1中所示的設備可在蒸發(fā)器6處從多種熱源中提取熱量，所述熱源包括太陽熱、地熱和廢熱，并且將熱量從冷凝器5供往多種散熱器。

應當指出的是，就單組分工作流體組合物而言，蒸發(fā)器和冷凝器中蒸氣工作流體的組成與蒸發(fā)器和冷凝器中液體工作流體的組成相同。在這種情況下，蒸發(fā)將在如本發(fā)明的一些實施例中的恒定溫度下發(fā)生。

直接膨脹式熱泵的一個實施例示于圖2中。在如圖2所示的熱泵中，第一液體傳熱介質(在一些實施例中為溫熱液體，如溫水)在入口14處進入蒸發(fā)器6′。大多數液體工作流體(和少量工作流體蒸氣)在箭頭3′處進入蒸發(fā)器的旋管9′并且蒸發(fā)。因此，第一液體傳熱介質在蒸發(fā)器6′中冷卻，并且經冷卻的第一液體傳熱介質在出口16處離開蒸發(fā)器6′，并被送至低溫熱源(例如流至冷卻塔的溫水)。工作流體蒸氣在箭頭4′處離開蒸發(fā)器6′，并被送至壓縮機7′，其中所述工作流體蒸氣被壓縮并且作為高溫高壓工作流體蒸氣離開。該工作流體蒸氣通過1′處的冷凝器旋管10′進入冷凝器5′。該工作流體蒸氣由冷凝器5′中的第二液體傳熱介質(如水)冷卻并且變成液體。第二液體傳熱介質通過冷凝器傳熱介質入口20進入冷凝器5′。第二液體傳熱介質從冷凝工作流體蒸氣中提取熱量，該冷凝工作流體蒸氣變?yōu)橐后w工作流體，這溫熱了冷凝器5′中的第二液體傳熱介質。第二液體傳熱介質通過冷凝器傳熱介質出口18離開冷凝器5′。冷凝的工作流體通過如圖2所示的較低旋管或管束10’離開冷凝器5′并流經膨脹裝置12，所述膨脹裝置可為孔口、毛細管或膨脹閥。膨脹裝置12降低液體工作流體的壓力。由于膨脹而產生的少量蒸氣與液體工作流體一起通過旋管9′進入到蒸發(fā)器6′中，并且反復循環(huán)。

在一些實施例中，將工作流體蒸氣壓縮至超臨界狀態(tài)，并且圖2中的容器5’代表氣體冷卻器，其中工作流體蒸氣被冷卻成液態(tài)而不冷凝。

在一些實施例中，用于圖2所示設備中的第一液體加熱介質是從為待冷卻的流或主體提供冷卻的位置返回的介質。在蒸發(fā)器6’處從返回的第一傳熱介質中提取熱量，并且將冷卻的第一傳熱介質供回到待冷卻的位置或主體。在該實施例中，圖2中所示的設備用于同時冷卻第一傳熱介質(可被稱為工作流體加熱介質，因為其為工作流體提供了加熱，或在一些實施例中被稱為液體加熱介質)和加熱第二傳熱介質(或工作流體冷卻介質，或在一些實施例中為液體工作加熱介質)，所述第一傳熱介質向待冷卻的主體(如工藝物流)供冷，所述第二傳熱介質向待加熱的主體(如家用水或工藝物流)供熱。

應當理解，圖2中所示的設備可在蒸發(fā)器6′處從多種熱源中提取熱量，所述熱源包括太陽熱、地熱和廢熱，并且將熱量從冷凝器5′供往多種散熱器。

可用于本發(fā)明中的壓縮機包括動力式壓縮機。值得注意的是，動力式壓縮機的例子為離心式壓縮機。離心式壓縮機使用旋轉元件來徑向加速工作流體，并且通常包括容納于殼體中的葉輪和擴散器。離心式壓縮機通常在葉輪入口處或旋轉葉輪的中心入口處吸入工作流體，并且將其徑向向外離心加速。一定的靜壓升出現在葉輪中，但是大多數壓升出現在殼體的擴散器段，其中速度被轉化成靜壓。每個葉輪-擴散器組為壓縮機的一級。離心式壓縮機可由1至12級或更多的級組成，這取決于所需的最終壓力以及待處理的制冷劑體積。

壓縮機的壓力比或壓縮比為絕對出口壓力與絕對入口壓力的比率。離心式壓縮機可產生的壓力取決于葉輪的端速。端速是在葉輪頂端處測定的葉輪速度，并且與葉輪直徑及其每分鐘轉速相關。具體應用中所需的端速取決于壓縮機將工作流體的熱力學狀態(tài)從蒸發(fā)器條件提升至冷凝器條件所需的功。離心式壓縮機的容積流通能力取決于通過葉輪的通道尺寸。

還值得注意的是，動力式壓縮機的例子為軸流式壓縮機。

可用于高溫熱泵的壓縮機還包括容積式壓縮機。容積式壓縮機將蒸氣吸入室中，并且使所述室的體積減小以壓縮蒸氣。在壓縮后，通過進一步將所述室的體積減小至零或幾乎為零來迫使蒸氣離開所述室。值得注意的是，容積式壓縮機的例子為往復式壓縮機、螺桿式壓縮機、渦旋式壓縮機。

值得特別注意的是，用于本發(fā)明的高溫熱泵中的是螺桿式壓縮機。根據本發(fā)明，提供了高溫熱泵設備，該高溫熱泵設備容納有工作流體，該工作流體包含由1，1，2，2-四氟乙烷構成的制冷劑；其中所述設備包括螺桿式壓縮機?？梢灶A料，包括螺桿式壓縮機的設備將會提供改進的能量效率。

在一個實施例中，高溫熱泵設備具有至少兩個加熱級。在一個實施例中，高溫熱泵設備可包括多于一個的級聯布置的加熱回路(或環(huán)路或加熱級)。當蒸發(fā)器在接近應用所需的冷凝器溫度的溫度下操作時，使用由HFC-134構成的制冷劑作為工作流體操作的高溫熱泵的性能(加熱性能系數和體積加熱容量)將大為改善。當供給蒸發(fā)器的熱量僅在大大低于所需加熱溫度的溫度下可獲得，從而要求溫度升高進而導致性能不佳時，具有多個回路(或環(huán)路或加熱級)的級聯循環(huán)配置將是有利的。用于每個級聯回路(或環(huán)路或加熱級)的工作流體被選擇為對于在其中使用所述流體的級聯回路或加熱級中所遇到的溫度范圍而言，具有最佳的熱力學和化學穩(wěn)定特性。

在級聯熱泵的一個實施例中，熱泵具有兩個回路或加熱級。在一個實施例中，具有兩個回路或加熱級的級聯循環(huán)的低級或低溫回路可使用沸點比上級或高級所用工作流體的沸點低的工作流體操作。

在另一個實施例中，高溫熱泵設備包括布置成級聯加熱系統(tǒng)的第一級和最終級以及任選的至少一個中間級，每一級均使工作流體從其中循環(huán)通過，其中熱量從第一級或中間級被傳遞至最終級，并且其中至少一個級中的工作流體包含由1，1，2，2-四氟乙烷構成的制冷劑。

在一些實施例中，級聯循環(huán)的高級或高溫回路(也被稱為最終級)可使用包含由HFC-134構成的制冷劑的工作流體操作。在這些實施例中，級聯循環(huán)的低級或低溫回路可使用工作流體(在本實施例中可被稱為第一工作流體)操作，該工作流體包含至少一種選自以下的制冷劑：HFC-161、HFC-32、HFC-125、HFC-143a、HFC-152a、HFC-134a、HFC-227ea、HFC-245cb、HFO-1234yf、HFO-1234ze-E、HFO-1243zf或它們的混合物。在另一個實施例中，第一工作流體包含至少一種選自CO₂、NH₃或N₂O的工作流體。

在其他實施例中，級聯循環(huán)的低級或低溫回路(或第一級)可使用包含由HFC-134構成的制冷劑的工作流體操作。在這些實施例中，級聯循環(huán)的高級或高溫回路可使用包含至少一種選自以下的化合物的工作流體操作：HFC-245fa、HFC-245eb、HFC-236ea(1，1，1，2，3，3-六氟丙烷)、HFC-236fa(1，1，1，3，3，3，-六氟丙烷)、HFC-365mfc、HFC-4310mee、HFO-1336mzz-E、HFO-1336mzz-Z、HFO-1234ze-Z(Z-1，3，3，3-四氟丙烯)、HFO-1234ye-E或Z(1，2，3，3-四氟丙烯)、HFO-1438mzz-E、HFO-1438mzz-Z、HFO-1438ezy-E、HFO-1438ezy-Z、HFO-1336yf、HFO-1336ze-E、HFO-1336ze-Z、HCFO-1233zd-E、HCFO-1233zd-Z、HCFO-1233xf、HFE-7000(又稱HFE-347mcc或n-C₃F₇OCH₃)、HFE-7100(又稱HFE-449mccc或C₄F₉OCH₃)、HFE-7200(又稱HFE-569mccc或C₄F₉OC₂H₅)、HFE-7500(又稱3-乙氧基-1，1，1，2，3，4，4，5，5，6，6，6-十二氟-2-三氟甲基-己烷或(CF₃)₂CFCF(OC₂H₅)CF₂CF₂CF₃)、1，1，1，2，2，4，5，5，5-九氟-4-(三氟甲基)-3-戊酮(由美國明尼蘇達州圣保羅3M公司(3M，St.Paul，Minnesota，USA)以商標Novec^TM 1230銷售)、八甲基環(huán)四硅氧烷、十甲基環(huán)五硅氧烷、八甲基三硅氧烷(OMTS)、六甲基二硅氧烷(HMDS)、正戊烷、異戊烷、環(huán)戊烷、己烷、環(huán)己烷、庚烷和甲苯或它們的混合物。

級聯熱泵的另一個實施例有三個回路或加熱級。如果供給蒸發(fā)器的熱量只能在甚至比前一實例還低的溫度下獲得，則要求較高的溫升會導致熱泵性能變差，此時，有三個回路或加熱級的級聯循環(huán)構型的優(yōu)勢就顯現出來了。在一個實施例中，級聯循環(huán)的最低級或最低溫回路可使用沸點比第二級或中級所用工作流體的沸點低的工作流體操作。在一個實施例中，級聯循環(huán)的高級或高溫回路可使用包含由HFC-134構成的制冷劑的工作流體操作。在一個實施例中，級聯循環(huán)的中間級或中間溫回路可使用包含由HFC-134構成的制冷劑的工作流體操作。在一個實施例中，級聯循環(huán)的低級或低溫回路可使用包含由HFC-134構成的制冷劑的工作流體操作。在另一個實施例中，級聯循環(huán)的低級或低溫回路可使用包含至少一種選自以下的化合物的工作流體操作：HFC-161、HFC-32、HFC-125、HFC-143a、HFC-152a、HFC-134a、HFC-227ea、HFC-245cb、HFO-1234yf、HFO-1234ze-E或它們的混合物。

在一個實施例中，三級級聯循環(huán)的低級或低溫回路(或第一級)可使用包含至少一種選自以下的化合物的工作流體操作：HFC-161、HFC-32、HFC-125、HFC-143a、HFC-152a、HFC-245cb、HFC-134a、HFC-227ea、HFO-1234yf、HFO-1234ze-E、HFO-1243zf(3，3，3-三氟丙烯)。值得注意的是用于三級級聯熱泵的低級的工作流體，諸如HFO-1234yf/HFC-32、HFO-1234yf/HFC-32/HFC-125、HFO-1234yf/HFC-134a、HFO-1234yf/HFC-134a/HFC-32、HFO-1234yf/HFC-134、HFO-1234yf/HFC-134a/HFC-134、HFO-1234yf/HFC-32/HFC-125/HFC-134a、E-HFO-1234ze/HFC-32、E-HFO-1234ze/HFC-32/HFC-125、E-HFO-1234ze/HFC-134a、E-HFO-1234ze/HFC-134、E-HFO-1234ze/HFC-134a/HFC-134、E-HFO-1234ze/HFC-227ea、E-HFO-1234ze/HFC-134/HFC-227ea、E-HFO-1234ze/HFC-134/HFC-134a/HFC-227ea、HFO-1234yf/E-HFO-1234ze/HFC-134/HFC-134a/HFC-227ea等。

兩級級聯循環(huán)的低溫回路(或低溫環(huán)路)在蒸發(fā)器處接收可用的低溫熱，將該熱量升至介于可用低溫熱的溫度與所需供熱負荷的溫度之間的溫度，然后把該熱量傳遞至級聯系統(tǒng)的級聯熱交換器處的高級或高溫回路(或高溫環(huán)路)。接著，使用包含由HFC-134構成的制冷劑的工作流體操作的高溫回路進一步將在級聯熱交換器處接收到的熱量升至所需的冷凝器溫度，從而滿足預期的供熱負荷?？裳由旒壜摳拍钪辆哂腥齻€或更多個回路的配置，這種配置可在較寬溫度范圍內搬走熱量，并可針對不同溫度子范圍選用不同的工作流體，來優(yōu)化性能。

在具有一個以上的加熱級的高溫熱泵設備的一個實施例中，用于最低溫級中的工作流體包含至少一種選自以下的制冷劑：HFO-1234yf、E-HFO-1234ze、HFO-1243zf、HFO-1234ze-Z、HFC-161、HFC-32、HFC-125、HFC-245cb、HFC-134a、HFC-143a、HFC-152a、HFC-227eac、HFC-236ea、HFC-236fa以及它們的混合物。

在一個以上的加熱級的高溫熱泵設備的另一個實施例中，最終級或最高溫級的工作流體包含至少一種選自以下的制冷劑：HFC-245fa、HFC-245eb、HFC-236ea、HFC-236fa、HFC-365mfc、HFC-4310mee、HFO-1336mzz-E、Z-HFO-1234zecHFO-1234ye-E或Z(1，2，3，3-四氟丙烯、E-或Z-異構體)、HFO-1336mzz-Z、HFO-1438mzz-E、HFO-1438mzz-Z、HFO-1438ezy-E、HFO-1438ezy-Z、HFO-1336yf、HFO-1336ze-E、HFO-1336ze-Z、HCFO-1233zd-E、HCFO-1233zd-Z、HCFO-1233xf以及它們的混合物。

根據本發(fā)明提供的級聯熱泵系統(tǒng)具有至少兩個加熱環(huán)路，工作流體在每個環(huán)路內循環(huán)流動。在一個實施例中，高溫熱泵設備具有布置成級聯加熱系統(tǒng)的至少兩個加熱級，其中每個加熱級與下一加熱級熱連通，并且其中每一級均使工作流體從其中循環(huán)通過，其中熱量從緊接的前一加熱級被傳遞至最終級或上級或最高溫級，并且其中第一級或中間級的加熱工作流體包含由HFC-134構成的制冷劑。

在另一個實施例中，高溫熱泵設備具有布置成級聯加熱系統(tǒng)的至少兩個加熱級，每一級均使工作流體從其中循環(huán)通過，該級聯加熱系統(tǒng)包括(a)用于降低第一工作流體液體的壓力和溫度的第一膨脹裝置；(b)與第一膨脹裝置流體連通的蒸發(fā)器，其具有入口和出口；(c)與蒸發(fā)器流體連通的第一壓縮機，其具有入口和出口；(d)級聯熱交換器系統(tǒng)，具有：(i)第一入口和第一出口，所述第一入口與第一壓縮機流體連通，第一工作流體穿過所述第一入口和所述第一出口，以及(ii)第二入口和第二出口，與第一工作流體熱連通的第二工作流體穿過所述第二入口和所述第二出口；(e)與級聯熱交換器的第二出口流體連通且具有入口和出口的第二壓縮機；(f)與第二壓縮機流體連通且具有入口和出口的冷凝器；以及(g)與冷凝器流體連通的第二膨脹裝置；其中第一工作流體或第二工作流體包含由HFC-134構成的制冷劑。在具有至少兩個加熱級的高溫熱泵設備的一個實施例中，第一工作流體包含至少一種選自以下的制冷劑：HFO-1234yfE-HFO-1234ze、HFO-1243zf、HFC-161、HFC-32、HFC-125、HFC-245cb、HFC-134aH、HFC-143a、HFC-152a、HFC-227ea以及它們的混合物；并且第二工作流體包含由HFC-134構成的制冷劑。在具有至少兩個加熱級的高溫熱泵設備的另一個實施例中，第二工作流體包含至少一種選自以下的制冷劑：HFC-236ea、HFC-236fa、HFC-245fa、HFC-245eb、E-HFO-1234ye、Z-HFO-1234ye、Z-HFO-1234ze、HFC-365mfc、HFC-4310mee、HFO-1336mzz-E、HFO-1336mzz-Z、HFO-1438mzz-E、HFO-1438mzz-Z、HFO-1438ezy-E、HFO-1438ezy-Z、HFO-1336yf、HFO-1336ze-E、HFO-1336ze-Z、HCFO-1233zd-E、HCFO-1233zd-Z、HCFO-1233xf以及它們的混合物；并且第一工作流體包含由HFC-134構成的制冷劑。

根據本發(fā)明提供的級聯熱泵系統(tǒng)具有至少兩個加熱環(huán)路，工作流體在每個環(huán)路內循環(huán)流動。圖3中的110大致展示了這種級聯系統(tǒng)的一個實施例。本發(fā)明的級聯熱泵系統(tǒng)110具有至少兩個加熱環(huán)路，分別是第一環(huán)路或低環(huán)路112(其為低溫環(huán)路)、第二環(huán)路或高環(huán)路114(其為高溫環(huán)路)，如圖3所示。工作流體在每個環(huán)路內循環(huán)流動。

級聯熱泵系統(tǒng)110包括第一膨脹裝置116。第一膨脹裝置116具有入口116a和出口1 16b。第一膨脹裝置116用于降低第一環(huán)路或低溫環(huán)路112內循環(huán)流動的第一工作流體液體的壓力和溫度。

級聯熱泵系統(tǒng)110還包括蒸發(fā)器118。蒸發(fā)器118具有入口118a和出口118b。來自第一膨脹裝置116的第一工作流體液體通過蒸發(fā)器入口118a進入蒸發(fā)器118，并在蒸發(fā)器118內蒸發(fā)形成第一工作流體蒸氣。第一工作流體蒸氣然后循環(huán)至蒸發(fā)器出口118b。

級聯熱泵系統(tǒng)110還包括第一壓縮機120。第一壓縮機120具有入口120a和出口120b。來自蒸發(fā)器118的第一工作流體蒸氣循環(huán)至第一壓縮機120的入口120a并被壓縮，從而提升第一工作流體蒸氣的壓力和溫度。經壓縮的第一工作流體蒸氣然后循環(huán)至第一壓縮機120的出口120b。

級聯熱泵系統(tǒng)110還包括級聯熱交換器系統(tǒng)122。級聯熱交換器122具有第一入口122a和第一出口122b。來自第一壓縮機120的第一工作流體蒸氣進入熱交換器122的第一入口122a，并在熱交換器122中冷凝形成第一工作流體液體，從而放出熱量。然后第一工作流體液體循環(huán)至熱交換器122的第一出口122b。熱交換器122還包括第二入口122c和第二出口122d。第二工作流體液體從第二入口122c循環(huán)至熱交換器122的第二出口122d并被蒸發(fā)以形成第二工作流體蒸氣，從而吸收第一工作流體(在其冷凝時)放出的熱量。然后第二工作流體蒸氣循環(huán)至熱交換器122的第二出口122d。所以，在圖3的實施例中，第一工作流體放出的熱量直接被第二工作流體吸收。

級聯熱泵系統(tǒng)110還包括第二壓縮機124。第二壓縮機124具有入口124a和出口124b。來自級聯熱交換器122的第二工作流體蒸氣通過入口124a被吸入壓縮機124并被壓縮，從而提升第二工作流體蒸氣的壓力和溫度。第二工作流體蒸氣然后循環(huán)至第二壓縮機124的出口124b。

級聯熱泵系統(tǒng)110還包括冷凝器126，其具有入口126a和出口126b。來自第二壓縮機124的第二工作流體循環(huán)至入口126a，并在冷凝器126中冷凝形成第二工作流體液體，并產生熱量。第二工作流體液體由出口126b離開冷凝器126。

級聯熱泵系統(tǒng)110還包括第二膨脹裝置128，其具有入口128a和出口128b。所述第二工作流體液體流經第二膨脹裝置128，該第二膨脹裝置降低了排出冷凝器126的第二工作流體液體的壓力和溫度。第二工作流體液體在該膨脹期間，可部分蒸發(fā)。壓力和溫度都降低的第二工作流體液體從膨脹裝置128循環(huán)至級聯熱交換器系統(tǒng)122的第二入口122c。

此外，HFC-134在高于其臨界溫度的溫度下具有穩(wěn)定性，這使得能夠設計根據超臨界/跨臨界循環(huán)操作的熱泵，其中熱量由超臨界狀態(tài)下的工作流體排放，并且可用于一定范圍的溫度(包括高于HFC-134臨界溫度的溫度)。該超臨界液體不經過等溫冷凝過渡階段直接冷卻為液態(tài)。

為了獲得高冷凝器操作溫度(與溫升較高和壓縮機排出的溫度較高相關)，HFC-134與具有高熱穩(wěn)定性的潤滑劑的配方(可結合油冷卻或其他平緩方法，例如在壓縮級注入液體)將是有利的。

為了獲得高冷凝器工作溫度(與溫升較高和壓縮機排出的溫度較高相關)，使用無需潤滑劑的磁力離心式壓縮機(如Danfoss-Turbocor型壓縮機)將是有利的。

為了獲得高冷凝器工作溫度(與溫升較高和壓縮機排出的溫度較高相關)，還可能需要使用熱穩(wěn)定性高的壓縮機材料(如軸封等)。

可在高溫熱泵設備中將包含由HFC-134構成的制冷劑的組合物與有助于除去水分的分子篩結合使用。干燥劑可由活性氧化鋁、硅膠或基于沸石的分子篩構成。在一些實施例中，最常用的分子篩具有約3埃至6埃的孔徑。代表性的分子篩包括MOLSIV XH-7、XH-6、XH-9和XH-11(美國伊利諾伊州德斯普蘭斯UOP有限責任公司(UOP LLC，Des Plaines，IL))。

高溫熱泵組合物

本發(fā)明提供了用于高溫熱泵的組合物。該組合物包括(i)由HFC-134構成的制冷劑；以及(ii)防止在55℃或更高溫度下降解的穩(wěn)定劑；或(iii)適合在55℃或更高溫度下使用的潤滑劑，或者(ii)和(iii)兩者。

包含由HFC-134構成的制冷劑的組合物還可包含至少一種潤滑劑，和/或與至少一種潤滑劑組合使用，所述潤滑劑選自聚亞烷基二醇、多元醇酯、聚乙烯醚、礦物油、烷基苯、合成鏈烷烴、合成環(huán)烷烴、全氟聚醚、聚(α)烯烴以及它們的混合物。

可用的潤滑劑包括適合與高溫熱泵設備一起使用的那些。這些潤滑劑中包括通常用于采用氯氟烴制冷劑的蒸氣壓縮制冷設備中的那些潤滑劑。在一個實施例中，潤滑劑包括在壓縮制冷潤滑領域中通常稱為“礦物油”的那些。礦物油包括鏈烷烴(即直鏈和支碳鏈飽和烴)、環(huán)烷烴(即環(huán)狀鏈烷烴)和芳烴(即包含一個或多個環(huán)的不飽和環(huán)狀烴，所述環(huán)的特征為具有交替的雙鍵)。在一個實施例中，潤滑劑包括在壓縮制冷潤滑領域中通常稱為“合成油”的那些。合成油包括烷基芳烴(即直鏈和支鏈烷基烷基苯)、合成鏈烷烴和環(huán)烷烴，以及聚(α-烯烴)。代表性的常規(guī)潤滑劑為可商購獲得的BVM 100N(由BVA油品(BVA Oils)公司出售的鏈烷烴礦物油)、從康普頓公司(Crompton Co.)以商標3GS和5GS商購獲得的環(huán)烷烴礦物油、從斯達特公司(Pennzoil)以商標372LT商購獲得的環(huán)烷烴礦物油、從卡柳梅特公司(Calumet Lubricants)以商標RO-30商購獲得的環(huán)烷烴礦物油、從瑞孚化工公司(Shrieve Chemicals)以商標75、150和500商購獲得的直鏈烷基苯，以及HAB22(由新日本石油株式會社(Nippon Oil)銷售的支鏈烷基苯)。

可用的潤滑劑還可包括被設計為與氫氟烴制冷劑一起使用，并且在壓縮制冷、空調和熱泵設備的操作條件下可與本發(fā)明的制冷劑混溶的那些。此類潤滑劑包括(但不限于)多元醇酯(POE)，例如100(英國嘉實多公司(Castrol))；聚亞烷基二醇(PAG)，例如購自陶氏公司(美國密歇根州米德蘭陶氏化學公司(Dow Chemical，Midland，Michigan))的RL-488A；聚乙烯醚(PVE)；和聚碳酸酯(PC)。

考慮給定壓縮機的要求和潤滑劑將暴露的環(huán)境，來挑選合適的潤滑劑。

在高溫下穩(wěn)定的高溫潤滑劑值得注意。熱泵將達到的最高溫度決定選用何種潤滑劑。在一個實施例中，潤滑劑必須在溫度達到至少55℃時保持穩(wěn)定。在另一個實施例中，潤滑劑必須在溫度達到至少71℃時保持穩(wěn)定。在另一個實施例中，潤滑劑必須在溫度達到至少75℃時保持穩(wěn)定。在另一個實施例中，潤滑劑必須在溫度達到至少79℃時保持穩(wěn)定。在另一個實施例中，潤滑劑必須在溫度達到至少115℃時保持穩(wěn)定。在另一個實施例中，潤滑劑必須在溫度達到至少135℃時保持穩(wěn)定。溫度高達約200至250℃時仍保持穩(wěn)定的聚(α-烯烴)(POA)潤滑劑，和溫度高達約200至250℃時仍保持穩(wěn)定的多元醇酯(POE)潤滑劑尤其值得注意。溫度高達約220至約350℃時仍保持穩(wěn)定的全氟聚醚潤滑劑也尤其值得注意。PFPE潤滑劑包括從美國特拉華州威爾明頓杜邦公司(DuPont，Wilmington，DE)購得的商標為的那些，例如溫度高達約300至350℃時仍保持熱穩(wěn)定的XHT系列潤滑劑。其他PFPE潤滑劑包括日本大金工業(yè)株式會社(Daikin Industries)以商標Demnum^TM銷售、在溫度高達約280至330℃時仍保持熱穩(wěn)定的那些PFPE潤滑劑；以商標和購自意大利米蘭奧塞蒙特公司(Ausimont)的那些PFPE潤滑劑，例如商標為或在溫度高達約220至260℃時仍保持熱穩(wěn)定的PFPE潤滑劑。

為了獲得高冷凝器操作溫度(與溫升較高和壓縮機排出的溫度較高相關)，包含由HFC-134構成的制冷劑的工作流體與具有高熱穩(wěn)定性的潤滑劑的配方(可結合油冷卻或其他平緩方法)將是有利的。

在一個實施例中，本發(fā)明包括一種組合物，該組合物包含：(a)由HFC-134構成的制冷劑；以及(b)至少一種適合在至少約55℃的溫度下使用的潤滑劑。值得注意的是其中潤滑劑在溫度達到至少約71℃時仍適用的實施例。還值得注意的是其中潤滑劑在溫度達到至少約75℃時仍適用的實施例。還值得注意的是其中潤滑劑在溫度達到至少約79℃時仍適用的實施例。還值得注意的是其中潤滑劑在溫度達到至少約115℃時仍適用的實施例。還值得注意的是其中潤滑劑在溫度達到至少約135℃時仍適用的實施例。

在一個實施例中，本發(fā)明的任一種組合物還可包含0.01重量％至5重量％的穩(wěn)定劑、自由基清除劑或抗氧化劑。此類穩(wěn)定劑包括但不限于硝基甲烷、受阻酚、羥胺、硫醇、亞磷酸鹽或內酯。既可使用單種添加劑，也可使用多種添加劑的組合。

任選地，在另一個實施例中，可根據需要向本文公開的任一種工作流體添加某些其他的制冷添加劑、空調添加劑或熱泵系統(tǒng)添加劑，以便增強熱泵的性能和系統(tǒng)穩(wěn)定性。這些添加劑是制冷、空調和熱泵領域已知的，包括但不限于抗磨劑、極壓潤滑劑、腐蝕和氧化抑制劑、金屬表面去活化劑、自由基清除劑和泡沫控制劑。一般來講，這些添加劑可以相對于總組合物來說較少的量存在于工作流體中。通常情況下，每種添加劑的使用濃度從小于0.1重量％到3重量％之多。這些添加劑根據個別系統(tǒng)的要求來選擇。這些添加劑包括極壓潤滑添加劑中磷酸三芳基酯類成員，例如丁基化磷酸三苯酯(BTPP)，或其他烷基化的磷酸三芳基酯，如得自阿克蘇化學公司(Akzo Chemicals)的Syn-0-Ad 8478，磷酸三甲苯酯及相關化合物。此外，可在本發(fā)明的組合物中使用二烷基二硫代磷酸金屬鹽(例如二烷基二硫代磷酸鋅(或ZDDP)，Lubrizol 1375)以及此類化學品的其他成員。其他抗磨添加劑包括天然成品油和非對稱性多羥基潤滑添加劑，例如Synergol TMS(國際潤滑劑公司(International Lubricants))。類似地，可采用穩(wěn)定劑，例如抗氧化劑、自由基清除劑、去水劑。此類化合物可包括(但不限于)丁基化羥基甲苯(BHT)、環(huán)氧化物，以及它們的混合物。腐蝕抑制劑包括十二烷基琥珀酸(DDSA)、磷酸胺(AP)、油酰肌氨酸、咪唑衍生物、和取代的磺酸酯。金屬表面去活化劑包括草酰雙(亞芐基)酰肼、N，N′-雙(3，5-二叔丁基-4-羥基氫化肉桂?；?酰肼、2，2，′-草酰胺基雙-乙基-(3，5-二叔丁基-4-羥基氫化肉桂酸酯)、N，N′-二(鄰羥基亞芐基)-1，2-二氨基丙烷、乙二胺四乙酸及其鹽以及它們的混合物。

本發(fā)明的任一種組合物可包含穩(wěn)定劑，所述穩(wěn)定劑包含至少一種選自以下物質的化合物：受阻酚、硫代磷酸鹽、丁基化硫代磷酸三苯酯、有機磷酸酯或亞磷酸酯、芳基烷基醚、萜烯、萜類化合物、環(huán)氧化物、氟化環(huán)氧化物、氧雜環(huán)丁烷、抗壞血酸、硫醇、內酯、硫醚、胺、硝基甲烷、烷基硅烷、二苯甲酮衍生物、芳基硫醚、二乙烯基對苯二甲酸、二苯基對苯二甲酸、離子液體，以及這些物質的混合物。代表性的穩(wěn)定劑化合物包括但不限于：生育酚；對苯二酚；叔丁基對苯二酚；單硫代磷酸酯；和二硫代磷酸酯，可以商品名63從瑞士巴塞爾的汽巴特殊化學品公司(Ciba Specialty Chemicals(Basel，Switzerland))商購獲得，下文稱為“汽巴公司(Ciba)”；二烷基硫代磷酸酯，可以商品名353和350分別從汽巴公司商購獲得；丁基化的硫代磷酸三苯酯，可以商品名232從汽巴公司商購獲得；磷酸胺，可以商品名349(汽巴)從汽巴公司商購獲得；受阻亞磷酸酯，可以商品名168從汽巴公司商購獲得；磷酸酯諸如可以商品名OPH從汽巴公司商購獲得的三(二叔丁基苯基)酯；(亞磷酸二正辛酯)；以及可以商品名DDPP從汽巴公司商購獲得的亞磷酸異癸基二苯基酯；苯甲醚；1，4-二甲氧基苯；1，4-二乙氧基苯；1，3，5-三甲氧基苯；d-檸檬烯；視黃醛；蒎烯；薄荷醇；維生素A；萜品烯；二戊烯；番茄紅素；β-胡蘿卜素；莰烷；1，2-環(huán)氧丙烷；1，2-環(huán)氧丁烷；正丁基縮水甘油醚；三氟甲基環(huán)氧乙烷；1，1-雙(三氟甲基)環(huán)氧乙烷；3-乙基-3-羥甲基氧雜環(huán)丁烷，諸如OXT-101(東亞合成株式會社(Toagosei Co.，Ltd))；3-乙基-3-((苯氧基)甲基)氧雜環(huán)丁烷，諸如OXT-211(東亞合成株式會社)；3-乙基-3-((2-乙基己氧基)甲基)氧雜環(huán)丁烷，諸如OXT-212東亞合成株式會社)；抗壞血酸；甲硫醇(甲基硫醇)；乙硫醇(乙基硫醇)；輔酶A；二巰基丁二酸(DMSA)；圓柚硫醇((R)-2-(4-甲基環(huán)己-3-烯基)丙烷-2-硫醇))；半胱氨酸((R)-2-氨基-3-硫烷基丙酸)；硫辛酰胺(1，2-二硫戊環(huán)-3-戊酰胺)；5，7-雙(1，1-二甲基乙基)-3-[2，3(或3，4)-二甲基苯基]-2(3H)-苯并呋喃酮，可以商品名HP-136從汽巴公司商購獲得；芐基苯基硫醚；二苯基硫醚；二異丙胺；3，3′硫代二丙酸雙十八烷酯，可以商品名PS 802從汽巴公司(Ciba)商購獲得；3，3’-硫代丙酸雙十二烷基酯，可以商品名PS 800從汽巴公司商購獲得；癸二酸二-(2，2，6，6-四甲基-4-哌啶基)酯，可以商品名770從汽巴公司商購獲得；琥珀酸多-(N-羥乙基-2，2，6，6-四甲基-4-羥基-哌啶基)酯，可以商品名622LD(汽巴)從汽巴公司商購獲得；甲基雙牛脂胺；雙牛脂胺；苯酚-α-萘胺；雙(二甲基氨基)甲基硅烷(DMAMS)；三(三甲基甲硅烷基)硅烷(TTMSS)；乙烯基三乙氧基硅烷；乙烯基三甲氧基硅烷；2，5-二氟二苯甲酮；2’，5’-二羥基苯乙酮；2-氨基二苯甲酮；2-氯二苯甲酮；芐基苯基硫醚；二苯基硫醚；二芐基硫醚；離子液體；等等。

在一個實施例中，離子液體穩(wěn)定劑包含至少一種離子液體。離子液體是呈液體狀態(tài)或熔點低于100℃的有機鹽。在另一個實施例中，離子液體穩(wěn)定劑包含含有陽離子和陰離子的鹽，所述陽離子選自吡啶鎓、噠嗪鎓、嘧啶鎓、吡嗪鎓、咪唑鎓、吡唑鎓、噻唑鎓、噁唑鎓和三唑鎓；并且陰離子選自[BF₄]-、[PF₆]-、[SbF₆]-、[CF₃SO₃]-、[HCF₂CF₂SO₃]-、[CF₃HFCCF₂SO₃]-、[HCClFCF₂SO₃]-、[(CF₃SO₂)₂N]-、[(CF₃CF₂SO₂)₂N]-、[(CF₃SO₂)₃C]-、[CF₃CO₂]-和F-。代表性離子液體穩(wěn)定劑包括emimBF₄(1-乙基-3-甲基咪唑鎓四氟硼酸鹽)；bmim BF₄(1-丁基-3-甲基咪唑鎓四硼酸鹽)；emim PF₆(1-乙基-3-甲基咪唑鎓六氟磷酸鹽)；和bmim PF₆(1-丁基-3-甲基咪唑鎓六氟磷酸鹽)，所有這些均可購自Fluka公司(西格瑪奧德里奇公司(Sigma-Aldrich))。

實例

下面用實例進一步描述本文提及的概念，但這些實例不對本發(fā)明的范圍構成限制，本發(fā)明的范圍只由權利要求書限定。

實例1

通過用HFC-134替換HFC-134a改進HFC-134a離心式高溫熱泵的能量效率

表1比較了在一組代表性條件下使用HFC-134作為工作流體操作與使用HFC-134a作為工作流體操作的離心式高溫熱泵的計算性能。用HFC-134替換HFC-134a使用于加熱的熱泵性能系數COP加熱增加了7.3％。HFC-134所需的葉輪端速接近HFC-134a所需的葉輪端速，因此能夠用HFC-134替換HFC-134a而不需要很大的熱泵改良。使用HFC-134的體積加熱容量相對于使用HFC-134a的體積加熱容量降低了約11％。然而，這種容量降低在許多裝置中是可以接受的，在這些裝置中，例如最初熱泵容量相對于現有加熱負荷是超額設計的，或者可添加附加的熱泵以滿足所需的總加熱容量。考慮到操作熱泵每年通常需要大量的電力成本，能量效率提高7.3％在許多情況下將比添加加熱容量的成本更有價值。此外，使用HFC-134相對于使用HFC-134a所提高的熱泵能量效率，以及使用HFC-134相對于使用HFC-134a所降低的GWP將降低分別與操作熱泵所需的發(fā)電和制冷劑泄露相關的溫室氣體排放。

表1

實例2

通過用HFC134替換HFC134a來升高使用HFC-134a操作的高溫離心式熱泵的加熱溫度的方法

在使用HFC-134a作為工作流體的常用大型離心式熱泵中，通常將最高工作壓力限于2.18Mpa。隨后將可使用HFC-134a實行的最高冷凝溫度限于約71.2℃。通過用HFC-134替換HFC-134a，可使此類HFC-134a離心式熱泵的最高冷凝溫度升高達到80.5℃，而不會超過可允許的最高壓力2.18Mpa。表2比較了改裝為HFC-134的熱泵操作與使用HFC-134a操作的原始操作。使用HFC-134需要葉輪端速明顯增加16.93％，才能實現在較高冷凝溫度下操作。在某些情況下，可能優(yōu)選的是，將使用HFC-134的冷凝溫度限制在低于80.5℃(但仍高于71.2℃)的值，從而對熱泵進行最小的改良便可實現相對于使用HFC-134a的較高所需葉輪端速。

表2

如果熱源允許在轉換為HFC-134后適當升高蒸發(fā)溫度，則可將使用HFC-134的所需葉輪端速調整為匹配使用HFC-134a的所需葉輪端速。表3比較了在71.2℃的冷凝溫度和40℃的蒸發(fā)溫度下使用HFC-134a操作的改裝離心式熱泵的性能與在80.5℃的冷凝溫度和50℃的蒸發(fā)溫度下使用HFC-134操作的離心式熱泵的性能。蒸發(fā)溫度升高不僅避免了轉化為HFC-134后調整葉輪端速的需要，而且相對于較低蒸發(fā)溫度下的操作明顯改進了用于加熱的COP和體積加熱容量(表3中HFC-134列對比表2中HFC-134列)。

表3