AT512651B1 - Verfahren zur Energierückgewinnung mit Expansionsturbine und Verdichter in einem Kältekreislauf - Google Patents

Abstract

In einem Kältekreislauf gemäß Fig. 1 bestehend aus Kompressor (2) , Verdampfer (1) und Kondensator (3) wird anstatt des Expansionsventiles eine Expanisonsturbinen-Verdichter-Einheit (15) gemäß Fig.2 bestehend aus einer Turbine (5), die über eine Welle (16) direkt mit dem Turboverdichter (7) verbunden ist, eingebaut. Dadurch kann die im expandierenden Kältemittel enthaltene Energie für die Vorverdichtung des verdampften Kältemittels verwendet werden. Mit dem Regelventil (4a) und den Sensoren (12) und (13) wird die Kältemitteleinspritzung so geregelt, dass der Kompressor (2) optimal überhitzten Kältemitteldampf erhält. Der Drehzahlregler (9), der aus den Sensoren (11), (12) und (14) die optimale Turbinendrehzahl ermittelt, regelt über die Leiteinrichtung (6) die Leistung des Turboverdichters (7) so, dass die optimale Turbinen- und Verdichterdrehzahl entsprechend des jeweiligen Betriebspunktes erreicht wird. Die im Kältemittel enthaltene Expansionsenergie kann dadurch maximal genutzt werden. Dadurch wird der elektrische Leistungsbedarf des Kompressors (2), je nach Anwendungsfall und Betriebspunkt, aus dem Stromnetz um 8 - 30%, reduziert.

Description

österreichisches Patentamt AT 512 651 B1 2013-10-15

Beschreibung

VERFAHREN ZUR ENERGIERÜCKGEWINNUNG MIT EXPANSIONSTURBINE UND VERDICHTER IN EINEM KÄLTEKREISLAUF

[0001] Wärmepumpen und Kältemaschinen sind in unserem Leben nicht mehr wegzudenken. Durch die hohen Energiepreise und die Notwendigkeit den C02 Ausstoß in unsere Umwelt zu reduzieren ist die Effizienzsteigerung von Wärmepumpen und Kühlanlagen das Gebot der Stunde. Das Verfahren zur Energierückgewinnung mit Expansionsturbine und Turboverdichter in einem Kältekreislauf kann dazu einen wesentlichen Beitrag leisten. Dieses Verfahren kann bei Wärmepumpen, Klima- und Kühlanlagen sowie bei ähnlich ausgeführten Kältekreisläufen angewendet werden. Vor allem aber bei Anlagen mit höherer Leistung.

[0002] Das oben angeführte Verfahren bezieht sich auf einen Kompressionskältekreislauf. Die wichtigsten Bauteile sind gemäß Fig. 1 ein Kompressor, ein Verdampfer, ein Kondensator und ein Expansionsventil, die zu einem Kreislauf durch Rohrleitungen verbunden sind. In diesem System zirkuliert ein Fluid, das Kältemittel genannt wird. Im Expansionsventil wird die vom Kompressor aufgebaute Druckenergie wieder abgebaut, dabei entspannt sich das Kältemittel und kühlt dabei ab. Stand der Technik ist, dass die im Kältemittel enthaltene Druckenergie in einer Drossel (Kapillarrohr oder Expansionsventil) abgebaut wird. Die darin enthaltene Druck-und Expansionsenergie wird dabei in Wärme umgewandelt. Bei der einfachen Expansion in einem Ventil geht dabei wertvolle Exergie verloren.

[0003] Weitere Kältekreisläufe umfassend einen Verdampfer, Kompressor und Kondensator wurden in der JP 2005345083 und der JP 2012102968 beschrieben, wobei ein Regelventil und eine Turbine, die durch ihre Welle direkt mit einem Turboverdichter verbunden ist, eingebaut sind, und die Verwendung zusätzlicher Kompressoren vorgeschlagen wird.

[0004] Ziel der Erfindung ist, diese Energie, deren mechanisch nutzbarer Teil Exergie genannt wird, durch eine kontrollierte Expansion in einer Expansionsturbine (zB: ähnlich einem Pelton-rad) nutzbar zu machen.

[0005] Dieses Ziel wird durch die Merkmale von Anspruch 1 erreicht. Anspruch 1 sieht vor, dass ein Regelventil und eine Turbine, die durch ihre Welle direkt mit einem Turboverdichter verbunden ist, eingebaut sind, wobei erfindungsgemäß die Verstellung des Regelventils über einen Regler, einen Drucksensor und einen Temperatursensor so erfolgt, dass die Kältemittel Überhitzung am Ausgang des Verdampfers konstant bleibt. Mit der gewonnenen mechanischen Energie kann der Turboverdichter angetrieben werden. Dieser Turboverdichter komprimiert nun das aus dem Verdampfer strömende Kältemittel vor, bevor es vom Kompressor (Hauptkompressor) angesaugt wird. Der Kompressor muss daher bei der Verdichtung einen geringeren Druckunterschied überwinden und spart dadurch elektrische Energie.

[0006] Je nach Betriebspunkt können im Wärmepumpenbetrieb 8 -16% und im Kühlbetrieb 10 -30% an elektrischer Energie für den Antrieb des Kompressors eingespart bzw. zurück gewonnen werden.

[0007] Im Folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung mit Hilfe der beiliegenden Figuren näher erläutert. Es zeigen hierbei die [0008] Fig. 1 einen herkömmlichen Kältekreislauf und [0009] Fig. 2 eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Kältekreislaufes.

[0010] Die Erfindung besteht darin, dass in einem Kältekreislauf gemäß Fig. 1 bestehend aus Verdampfer 1, Kompressor 2, Kondensator 3 und Expansionsventil 4, anstatt des Expansions-ventiles, eine Expanisonsturbinen-Verdichtereinheit 15 gemäß Fig.2, bestehend aus Regelventil 4a, Turbine 5, die über eine Welle 16 direkt mit dem Turboverdichter 7 verbunden ist, eingebaut wird.

[0011] Damit die Kältemitteleinspritzung in den Verdampfer geregelt werden kann und der 1 /4 österreichisches Patentamt AT 512 651 B1 2013-10-15

Kompressor korrekt überhitzten Kältemitteldampf erhält, wird das Regelventil 4a eingebaut. Der Regler 10 mit dem Drucksensor 12 und dem Temperaturfühler 13 verstellt das Regelventil 4a so, dass der eingestellte Überhitzungssollwert eingehalten wird und der Kompressor optimal überhitzten Kältemitteldampf erhält.

[0012] Da sich in einem Wärmepumpen- oder Kältekreislauf die Betriebsbedingungen ändern, ändert sich auch der Verdampfungs- und der Kondensationsdruck. Damit ändert sich auch der Betrag an rückgewinnbarer Energie. Um die Turbine 5 immer im optimalen Wirkungsgradbereich betreiben zu können, muss deren Drehzahl geregelt werden. Da die Turbine 5 über eine Welle 16 direkt mit dem Turboverdichter 7 verbunden ist, hat dieser die gleiche Drehzahl. Nachdem durch die wechselnden Betriebsbedingungen die Turbinenleistung variiert, muss auch die Leistung des Turboverdichters 7 verstellt werden können. Dies geschieht durch eine verstellbare Leiteinrichtung 6, die durch die Verstelleinrichtung 8 verstellt wird. Die Ermittlung der optimalen Drehzahl erfolgt über die Drucksensoren 11 und 12 und dem Drehzahlmesser 14. Der Drehzahlregler 9 verarbeitet diese Signale und verstellt die Leiteinrichtung 6 so, dass die optimale Drehzahl eingehalten wird. Auf diese Art kann auch bei variablen Betriebsbedingungen immer die maximal zur Verfügung stehende Energie mit dem optimalen Wirkungsgrad rückgewonnen werden. Der Turboverdichter 7 verdichtet das aus dem Verdampfer 1 ausströmende Kältemittel und nutzt die mit der Expansionsturbine 5 rückgewonnene mechanische Energie. Der Kältemittelverdichter 2 erhält dadurch einen höheren Eingangsdruck (Saugdruck) und muss daher weniger Energie für die Verdichtung in Form elektrischer Energie aus dem Stromnetz aufwenden.

[0013] Die oben angeführten Bauteile werden gemäß Fig. 2 in ein gemeinsames Gehäuse 15 eingebaut. Somit ist diese Einheit direkt gegen ein herkömmliches Expansionsventil 4 austauschbar. Mit dem Vorteil, dass durch die Expansionsturbinen-Verdichter-Einheit die Kälteanlage oder Wärmepumpe weniger elektrische Energie verbraucht.

[0014] Akzeptiert man einen geringeren Wirkungsgrad der beschriebenen Expansionsturbinen-Verdichter-Einheit vor allem bei variablen Betriebsbedingungen kann diese auch in einer vereinfachten Form ohne Drehzahlregeleinheit gebaut werden. Dadurch entfallen die Leiteinrichtung 6 und die Verstelleinrichtung 8, sowie der Drehzahlregler 9 mit dem Drehzahlmesser 14 und dem Drucksensor 11.

[0015] Diese Vereinfachung ist deshalb möglich, weil der Kältemittel- Massenstrom für Turbine 5 und Verdichter 7 gleich hoch ist. Allerdings wird die Expansionsturbine bei Betriebsbedingungen außerhalb des Auslegungspunktes einen etwas geringeren Wirkungsgrad erzielen, weil die Leistungskennlinien von Turbine 5 und Verdichter 7 außerhalb des Auslegungspunktes nicht parallel verlaufen.

[0016] Die gesamte Expansionsturbinen-Verdichter-Einheit 15 bestehend aus Regelventil 4a, Expansionsturbine 5, Leiteinrichtung 6, Turboverdichter 7, Verstelleinrichtung 8, die Regler 9 und 10, die Sensoren 11, 12, 13 und 14, werden zu einer gemeinsamen Funktionseinheit 15 zusammengebaut. Dies hat den Vorteil, dass diese Funktionseinheit einfach zu montieren ist und auch einfach wie ein herkömmliches Expansionsventil 4 in den Kältekreis eingebaut werden kann, oder ein bereits eingebautes Expansionsventil 4 gegen die neue Expansionsturbinen-Verdichter-Einheit ausgetauscht werden kann. Mit dem Vorteil, dass durch diese Einrichtung das Kältemittel vorverdichtet wird und der Kompressor 2 eine geringere Druckdifferenz zu überwinden hat und dadurch eine Menge an elektrischer Energie einspart. 2/4

Claims (3)

1. österreichisches Patentamt AT 512 651 B1 2013-10-15 Patentansprüche 1. Kältekreislauf umfassend einen Verdampfer (1), Kompressor (2) und Kondensator (3), wobei ein Regelventil (4a) und eine Turbine (5), die durch ihre Welle (16) direkt mit einem Turboverdichter (7) verbunden ist, eingebaut sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstellung des Regelventils (4a) über einen Regler (10), einen Drucksensor (12) und einen Temperatursensor (13) so erfolgt, dass die Kältemittelüberhitzung am Ausgang des Verdampfers konstant bleibt.
2. 2. Kältekreislauf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich eine Leiteinrichtung (6), eine Verstelleinrichtung (8), ein Drehzahlregler (9) und ein Drehzahlmesser (14) eingebaut sind.
3. 3. Kältekreislauf nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass Regelventil (4a), Turbine (5), Leiteinrichtung (6), Turboverdichter (7), Verstelleinrichtung (8), sowie die Druck- und Temperaturensoren (11, 12, 13), der Drehzahlmesser (14) und die Regler (9) und (10) zu einer gemeinsamen Einheit (15) zusammengebaut sind. Hierzu 1 Blatt Zeichnungen 3/4