DD299447A5 - METHOD FOR OPERATING A COMPRESSION WATER PUMP AND COMPRESSION WATER PUMP - Google Patents
METHOD FOR OPERATING A COMPRESSION WATER PUMP AND COMPRESSION WATER PUMP Download PDFInfo
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- F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
- F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
- F25B1/00—Compression machines, plants or systems with non-reversible cycle
- F25B1/06—Compression machines, plants or systems with non-reversible cycle with compressor of jet type, e.g. using liquid under pressure
Abstract
Bei einem Verfahren zum Betreiben einer Kompressionswaermepumpe mit Verdampfer, Verdichter, Kondensator und Heiszfluessigkeitsstrahlpumpe als Entspannungseinrichtung fuer das kondensierte Kaeltemittel ist vorgesehen, dasz zwei Heiszfluessigkeitsstrahlpumpen vorhanden sind, die intermittierend mit dem Kondensat beaufschlagt werden, wobei die beiden entstehenden Dampf-Fluessigkeitsgemische auf unterschiedlichen Druecken gehalten werden. Der Dampf-Anteil des Dampf-Fluessigkeitsgemisches mit dem hoeheren Druck wird der Saugseite des Verdichters zugefuehrt und der Dampfanteil des Dampf-Fluessigkeitsgemisches mit dem niedrigeren Druck der Heiszfluessigkeitsstrahlpumpe mit dem hoeheren Druck zugefuehrt. Weiterhin wird der Fluessigkeitsanteil des Dampf-Fluessigkeitsgemisches mit dem hoeheren Druck in den Fluessigkeitsanteil des Dampf-Fluessigkeitsgemisches mit dem niedrigeren Druck eingeleitet und der Fluessigkeitsanteil des Dampf-Fluessigkeitsgemisches mit dem niedrigeren Druck ueber eine isenthalpe Entspannung dem Verdampfer zugefuehrt und der entstehende Dampf in die Heiszfluessigkeitsstrahlpumpe mit dem niedrigeren Druck gefuehrt.{Kompressionswaermepumpe; Waermepumpe; Verdichter; Verdampfer; Heiszfluessigkeitsstrahlpumpe; Strahlapparta; Heiszwaermeerzeuger; Entspannungsduese; Waermeentnahmetemperatur; Entspannung, stoszfreie}In a method for operating a compression heat pump with evaporator, compressor, condenser and Heiszfluessigkeitsstrahlpumpe as a relaxation device for the condensed Kaeltemittel is provided daz two Heiszfluessigkeitsstrahlpumpen present, which are applied intermittently with the condensate, wherein the two resulting vapor-liquid mixtures are kept at different pressures , The vapor portion of the higher pressure vapor-liquid mixture is supplied to the suction side of the compressor, and the vapor portion of the lower-pressure vapor-liquid mixture is supplied to the higher pressure jet fluid jet pump. Furthermore, the liquid content of the vapor-liquid mixture with the higher pressure in the liquid portion of the vapor-liquid mixture is introduced at the lower pressure and the liquid content of the vapor-liquid mixture with the lower pressure via an isenthalp relaxation supplied to the evaporator and the resulting vapor in the Heiszfluessigkeitsstrahlpumpe the lower pressure. {Compression heat pump; Waermepumpe; Compressor; Evaporator; Heiszfluessigkeitsstrahlpumpe; Strahlapparta; Heiszwaermeerzeuger; expansion nozzle; Waermeentnahmetemperatur; Relaxation, non-stressing}
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Kompressionswärmepumpe mit Verdampfer, Verdichter, Kondensator und Heißflüssigkeitsstrahlpumpe als Entspannungseinrichtung für das kondensierte Kältemittel, sowie eine Kompressionswärmepumpe.The invention relates to a method for operating a compression heat pump with evaporator, compressor, condenser and hot liquid jet pump as expansion device for the condensed refrigerant, as well as a compression heat pump.
Mehrstufige Kompressionswärmepumpen und der ihnen zugrunde liegende thermodynamische Prozeß- und Verfahrensablauf erlauben es, einen höheren Druckunterschied zwischen Verdampfungs- und Verflüssigungsdruck effektiver zu überwinden. Bei Auswahl von geeigneten Kältemitteln lassen sich so z. B., wenn auch mit größerem Bauaufwand, höhere Vorlauftemperaturen für Wärmenutzungsanlagen als mit einstufig betriebenen Kompressionsmaschinen erzielen; somit aber auch durch elektrisch angetriebene Wärmepumpen unter Reduzierung von insgesamt aufgewendeter Exergie, z. B. unter anderem die weit verbreiteten Warmwasserheizungen als Wärmenutzungsanlage damit im monovalenten Betrieb betreiben, sofern Vorlauftemperaturen zwischen 9O0C und 70°C auch bei niedrigen Wärmequellentemperaturen im Hochwinter erzielt werden können und ein vertretbarer Bauaufwand eines solchen Wärmeerzeugers insgesamt von der Kostenseite gegeben ist. Bekannte mehrstufige Ausführungen („Wärmepumpen" Bd. 1, Herbert Kirn - Grundlagen der Wärmepumpentechnik, 6. Aufl., Abschnitt 5.6.1 bis 5.6.3) nutzen verfahrensmäßig Unterkühlungsenthalpie aus der Hochdruckstufe im Verbund mit Überhitzungswärme aus der Niederdruckstufe und machen eine Effektivitätssteigerung je nach Größe der übrigen Parameter von über ca. 15% möglich. Bei in Reihe über einen gemeinsamen Zwischenbehälter als Kopplungsglied geschalteten Kompressionsmaschinen wird ebenfalls eine ähnlich günstige Effektivitätssteigerung wie beim vorbenannten Beispiel erzielt; es ist aber auch eine Wärmepumpenkaskade mehrerer Maschinen gegeben, bei der die Möglichkeit besteht, jeder Stufe bei der vorherrschenden Wärmequellentemperatur die optimale Menge an Arbeitsmittel dem jeweiligen Kaskadenglied zuzuordnen, wobei sich allerdings durch eine höhere Anzahl an Wärmetauschern auch größere Temperatutverluste einstellen. Aus der DE-OS 3622743 ist ein Verfahren ontnehmbarzum Betreiben einer Kompressionswärmepumpe mit Verdampfer, Verdichter, Kondensator und Heißflüssigkeitsstrahlpumpe als Entspannungseinrichtung für das kondensierte Kältemittel. Außer don wie vor aufgeführten Lösungen zur Etfektivitätssteigerung soll mit einer Kompressorwärmepumpe nach der DE-OS 3622743, bei der die Entspannung des heißen Kondensats über einen nachgeschalteten Ejektor mit angekoppeltem Separator erfolgt, ein in etwa gleicher Steigerungssatz für den gesamten Prozeßablauf erzielbar sein. Allen vorbenannten Lösungen gemeinsam ist die Reduzierung der Bandbreite der jeweiligen Wärmequellentemperatur, die ganz wesentlich die Optimierung der Einzelmaschine als auch den Verbund von diesen hinsichtlich Regelbarkeit nebst maximaler Maschinenbeanspruchung im Hinblick auf Wartungsaufwand und Verschleiß beeinflußt. Gleichartig im Ablauf der thermodynamischen Teilprozesse in vorbenannter Verfahrensanordnung ist auch meist die Entspannung des verflüssigten Kondensats nach Abgabe von Verflüssigungs- und gegebenenfalls auch Unterkühlungswärme auf die Temperatur T0 und dem zugehörigen Druck p„ unter Entropieverlust, da die Entspannung infolge zu hohen Bauaufwandes meist nicht über eine Kraftmaschine, wie z. B. eine Turbine, unter Rückgewinnung von Exergie erfolgt, sondern schlagartig über ein Entspannungsorgan vorgenommen wird, wobei der Entspannungsvorgang selbst entlang der Isenthalpen verläuft und die Enthalpie des Arbeitsmittels als Dampf in etwa gleich bleibt, somit aber die Restwärme nebst ihrem Energieanteil aus dem höheren Energieniveau des Fluids bezüglich Druck und Temperatur dem Gesamtprozeß verlorengeht und dessen Gütegrad vermindert.Multi-stage compression heat pumps and the underlying thermodynamic process and process flow allow a higher pressure difference between evaporation and condensing pressure to be overcome more effectively. When selecting suitable refrigerants can be such. B., although with greater construction costs, achieve higher flow temperatures for heat recovery systems than single-stage operated compression machines; but also by electrically driven heat pumps with reduction of total exergy, z. Example, among other things, the widely used hot water heaters as heat recovery system so operate in monovalent operation, if flow temperatures between 9O 0 C and 70 ° C can be achieved even at low heat sources temperatures in winter and a reasonable construction cost of such a heat generator is given a total of the cost side. Known multi-stage versions ("heat pumps" Vol. 1, Herbert Kirn - Fundamentals of heat pump technology, 6th edition, Section 5.6.1 to 5.6.3) use procedurally enthalpy of supercooling from the high-pressure stage in conjunction with superheated heat from the low pressure stage and make each an increase in effectiveness 15% is possible according to the size of the other parameters In the case of compressors connected in series via a common intermediate container, a similarly favorable increase in efficiency is achieved as in the aforementioned example, but there is also a heat pump cascade of several machines, with which the possibility consists of assigning each stage at the prevailing heat source temperature, the optimum amount of working fluid to the respective cascade element, however, set by a higher number of heat exchangers and larger losses of temperature from DE-OS 3622743 a ontne method to operate a compression heat pump with evaporator, compressor, condenser and hot liquid jet pump as expansion means for the condensed refrigerant. Besides don as before solutions listed to Etfektivitätssteigerung to be achieved with a compressor heat pump according to DE-OS 3622743, in which the expansion of the hot condensate via a downstream ejector with coupled separator, a roughly equal rate of increase for the entire process flow can be achieved. Common to all the above-mentioned solutions is the reduction of the bandwidth of the respective heat source temperature, which significantly influences the optimization of the individual machine as well as the combination of these with regard to controllability together with maximum machine stress with regard to maintenance and wear. Likewise in the course of the thermodynamic sub-processes in the above-mentioned process arrangement is usually the relaxation of the liquefied condensate after delivery of liquefaction and possibly also supercooling heat to the temperature T 0 and the associated pressure p "entropy loss because the relaxation due to excessive construction costs usually not over an engine, such. B. a turbine, with the recovery of exergy, but is made abruptly via a relaxation organ, the relaxation process itself runs along the Isenthalpen and the enthalpy of the working fluid as a vapor remains approximately the same, but thus the residual heat together with their share of energy from the higher energy level the fluid is lost in terms of pressure and temperature to the overall process and reduces its quality.
Aus der DE-OS 3622743 ist ferner bekannt, die in einem Strahlapparat auftretenden Stoßverluste dadurch zu minimieren, daß die Saugleitung tangential in den Strahlapparat mündet, wobui die Saugleitung gegebenenfalls vor dem Strahler über einen Strömungsbeschleuniger, wie z. B. Venturirohr geführt wird und dem Sauggas im Eintrittsbereich eine schraubenförmige Bewegung aufgezwungen wird, bei der die Umlenkverluste, insbesondere Stoßverluste minimiert werden. ' Stoßverluste im Bereich des Strahlmischerdüsenhalses erfahren bei diesem Vorgehen mit über dem vollen Flächenquerschnitt der Treibdüsenbohrung abfließendem Treibmittelstrom an dieser Stelle aber kaum eine Minimierung. Der Pumpwirkungsgrad eines solchen Strahlers wird dadurch γ'Ή über den der bisher bekannten Ausführungen hinaus verbessert. Der bekannte Strahler ist daher für Erfordernisse eines stark intermittierenden Betriebes weniger geeignet.From DE-OS 3622743 is also known to minimize the shock losses occurring in a jet apparatus in that the suction line opens tangentially into the jet apparatus, wobui the suction line optionally in front of the radiator via a flow accelerator, such as. B. Venturi tube is guided and the suction gas in the inlet region a helical motion is imposed, in which the deflection losses, in particular shock losses are minimized. 'Impact losses in the area of the jet mixer nozzle neck experienced in this approach with over the full area cross section of the blowing nozzle bore effluent blowing agent flow at this point, but hardly a minimization. The pumping efficiency of such a radiator is thereby improved γ'Ή beyond that of the previously known embodiments. The known radiator is therefore less suitable for the requirements of a strongly intermittent operation.
Ziel der ErfindungObject of the invention
Es ist Ziel der Erfindung, ein Verfahren zum Betreiben einer Kompressionswärmepumpe anzugeben, das auch bei hohen Wärmenut/ungstemperaturen und niedrigen Wärmequellentemperaturen unter möglichst geringem Bauaufwand wirtschaftlich arbeitet.It is an object of the invention to provide a method for operating a compression heat pump, which operates economically even at high heat / temperature and low heat source temperatures with the least possible construction cost.
Der Erfindung liegt dieAufgabezugrunde, bei einer Kompressionswärmepumpe bzw. beim Betreiben derselben Veränderungen im Bereich der Heißflüssigstrahlpumpe vorzunehmen.It is the object of the invention to provide for a compression heat pump or to operate the same changes in the area of the hot liquid jet pump.
Erfindungsgemäß besteht das Verfahren zum Betreiben einer Kompressionswärmepumpe darin, daß zwei Heißflüssigkeitsstrahlpumpon vorgesehen sind, die intermettierend mit dem Kondensat beaufschlagt werden, daß die beiden entstehenden Dampf-Flüssigkeitsgemische auf unterschiedlichen Drücken gehalten werden, daß der Dampf-Anteil des Dampf-Flüssigkeitsgemisches mit dem höheren Druck der Saugseite des Verdichtors zugeführt wird und der Dampfanteil des Dampf-Flüssigkeitsgemisches mit dem niedrigen Druck der Heißflüssigkeitsstrahlpumpe mit dem höheren Druck zugeführt wird.According to the invention, the method for operating a compression heat pump is that two Heißflüssigkeitsstrahlpumpon are provided, which are intermittently acted upon with the condensate that the two resulting vapor-liquid mixtures are kept at different pressures, that the vapor portion of the vapor-liquid mixture with the higher pressure the suction side of the compressor is supplied and the vapor portion of the vapor-liquid mixture is fed to the low pressure of the hot liquid jet pump at the higher pressure.
daß der Flüssigkeitsanteil des Dampf-Flüssigkeitsgemisches mit dem höheren Druck in den Flüssigkeitsanteil des Dampf-Flüssigkeitsgemisches mit dem niedrigeren Druck eingeleitet wird,that the liquid portion of the vapor-liquid mixture having the higher pressure is introduced into the liquid portion of the vapor-liquid mixture having the lower pressure,
daß der Flüssigkeitsanteil des Dampf-Flüssigkeitsgemisches mit dem niedrigeren Druck über eine isenthalpe Entspannnung dem Verdampfer zugeführt wird und der entstehende Dampf in die Heißflüssigkeitsstrahlpumpe mit dem niedrigeren Druck geführt wird.that the liquid portion of the vapor-liquid mixture is supplied to the evaporator at the lower pressure via an isenthalp relaxation and the resulting vapor is fed into the hot liquid jet pump at the lower pressure.
Die mit diesem Verfahren erzielbaren Vorteile beruhen auf der Mehrstufigkoit der Heißflüssigkeitsstrahler, indem mindestens zwei Heißflüsslgkeitsstrahlstufen im Wechsel der Beaufschlagung eine variable Temperaturbandbreitenanpassung im * Vorstufenbereich an veränderliche Temperaturen der Wärmeentnahmequelle Q0 ermöglichen. Das ist selbst dann noch von Vorteil, wenn z. B. bei hohem Anfall von Verdampfungswärme aus Q0 (= Sommerbetrieb) die Heißfiüssigkeitsstrahlerstufung praktisch einstufig ist, was z. B. in fast gleicher Art der Fall ist, wenn die Wärmequelle Q0 aus konstanter Grundwassertemperatur gespeist wird; wesentlich ist hierbei die Tatsache, daß auch dann bei fast gleicher Effektivität im Gesamtprozeß der Kompressor mit gleich hoher Temperaturspreizung zwischen Wärmeaufnahmetemperatur und -abgabetemperatur betrieben werden kann. Markttechnisch gesehen ist bei monovalentem Betrieb ein vollwertiger Ersatz für Heizwärmeerzeuger mit höheren Vorlauftemperaturen möglich. Weiter wird durch die vorerwähnte Mehrstufigkeit im Strahlpumpenbereich der erforderliche Exergiebedarf aus dem heißen Kondensat praktisch halbiert, was bei Heißflüssigkeitsstrahlpumpen bzw. auch Dampfejektoren den Vorteil hat, in günstigster Druckstufung bei höchstmöglicher Effektivität Pumparbeit zu leisten und dabei unter Freisetzung und Rückführung von Wärme mit einer Temperatur über der von Q0 liegend, die Entnahmemenge von Wärme aus Q0 gegenüber bekannten Verfahren und den dazu erforderlichen Gerätekomponenten erheblich zu reduzieren.The achievable with this method advantages are based on the Mehrstufigkoit the hot liquid radiator by at least two Heißflüsslgkeitsstrahlstufen in the change of loading allow a variable temperature bandwidth adjustment in * preamplifier to variable temperatures of the heat source Q 0 . This is even more advantageous if z. B. at high rate of heat of evaporation from Q 0 (= summer operation) the Heißfiüssigkeitsstrahlerstufung is practically one step, which z. B. in almost the same way is the case when the heat source Q 0 is fed from a constant groundwater temperature; essential here is the fact that even with almost the same effectiveness in the overall process of the compressor with the same high temperature spread between heat input temperature and output temperature can be operated. From a market technical point of view, a complete replacement for heating heaters with higher flow temperatures is possible with monovalent operation. Next, the required Exergiebedarf from the hot condensate is practically halved by the above-mentioned multi-stage in the jet pump area, which has the advantage in the best possible pressure pumping at the highest possible efficiency pumping work and thereby releasing and recycling of heat at a temperature above in Heißflüssigkeitsstrahlpumpen or steam ejectors that of Q 0 lying, the removal amount of heat from Q 0 compared to known methods and the required equipment components to reduce significantly.
Vorzugsweise ist vorgesehen, daß die Entspannungsdüse der Heißflüssigkeitsstrahlpumpe den Flüssigkeitsstrahl in mehrere Einzelstrahlen zerlegt, deren Winkellage zur Düsenmitte in Strahlrichtung gesehen eine tangential und eine radial nach innen weisende Komponente aufweist.Preferably, it is provided that the expansion nozzle of the hot liquid jet pump decomposes the liquid jet into a plurality of individual jets whose angular position to the nozzle center in the jet direction has seen a tangent and a radially inwardly facing component.
Die mehrstrahlige Entspannungsdüse für die Heißflüssigkeitsstrahlpumpe macht es möglich, auch bei intermittierender Betriebsweise durch Anpassung von Anzahl und Größe der einzelnen Strahlerkanäle an das in der Anlage vorgegebene Druckniveau in Grenzen die sich einstellende Dampfüberschußbildung so zu beeinflussen, daß die Restfeuchte in den Dampfflüssigkeitsgemischen der Zyklone nur noch einen geringen Prozentsatz aufweist und zum anderen die bei Strahlern oft auftretenden Stoßverluste kaum auftreten.The multi-jet expansion nozzle for the hot liquid jet pump makes it possible, even with intermittent operation by adjusting the number and size of the individual radiator channels to the pressure level specified in the system limits the resulting steam excess formation so that the residual moisture in the vapor liquid mixtures of the cyclones only has a low percentage and on the other hand, the frequent occurrence of radiators shock losses hardly occur.
Der dem Verdichter zugeführte Dampf kann durch die Überhitzungswärme des Arbeitsmittels getrocknet werden. Der Teilprozeßablauf im Naßdampfbereich macht die Austreibung der Restfeuchte erforderlich, so daß im Wä-metausch mit Heißgas aus der Überhitzungswärme des Kompressors der noch gering feuchte Arbeitsmittelnaßdampfstrom in leicht überhitzten Dampf überführt wird.The steam supplied to the compressor can be dried by the superheated heat of the working fluid. The partial process sequence in the wet steam area makes the expulsion of the residual moisture required, so that in the heat exchange with hot gas from the superheated heat of the compressor, the still slightly moist Arbeitsemittelaßdampfstrom is converted into slightly superheated steam.
Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, daß die Temperaturbandbreitenregelung durch Veränderung der Intervallzeiten bei der Beaufschlagung der Heißflüssigkeitsstrahlerstufen mit Kondensat erfolgt.A further development of the invention provides that the temperature bandwidth control takes place by changing the interval times when the hot liquid jet stages are exposed to condensate.
Außer den wie vor gezeigten Teilprozeßabläufen macht diese Verfahrenskonzeption des weiteren bei Änderung der Wärmeentnahmetemperatur aus Q0 hier eine Temperaturbandbreitenanpassung durch Umschichten von Zyklonkondensat mittels Regelventil unter Veränderung der Druckstufung in den Zyklonen der Heißflüssigkeitsstrahlerstufen möglich, indem über unterschiedliche Intervallzeiten bei der Beaufschlagung der Heißflüssigkeitsstrahlerstufen mit heißem Kondensat dieses in ungleicher Arbeitsstoffmenge als Zyklonkondensat in die Jeweils betroffene Stufe eingebracht wird.In addition to the still shown thread processes this process design will additionally in case of change of heat removal temperature from Q 0 here a temperature bandwidth adaptation by reallocation from cyclone condensate with a control valve by changing the Druckstufung in the cyclones of the hot liquid jet stages possible by using different interval times upon the application of the hot liquid jet stages with hot condensate this is introduced in unequal amount of working as cyclone condensate in the respective affected stage.
Als ein nicht zu unterschätzender Vorteil bei dem beschriebenen Verfahren ist beim Betrieb des Kompressors auch zu beachten, daß dieser unabhängig von der jeweiligen Temperatur um Q0 ungeregelt immer im maximalen Leistungsspektrum der Kompressionswärmepumpe gefahren werden kann.As a not to be underestimated advantage in the described method, it should also be noted during operation of the compressor that it can be driven unregulated by Q 0 regardless of the respective temperature always in the maximum power range of the compression heat pump.
Erfindungsgemäß wird durch die vorgesehene Treibstrahldüsenausbildung der Mehrstrahldüse ein Strahler geschaffen, bei dem zur Erzielung optimaler nahezu stoßfreier Entspannung des Arbeitsmediums ein trichterförmiger Düsenkegel vorgesehen ist und zentripetal abfließende Einzelstrahlen des Arbeitsmittels gebildet werden. Der Düsenkegel weist Düsenkanäle auf, die in der Draufsicht in Form eines spiralig verlaufenden hyperbolischen Kurvenzugs entsprechend der nachfolgenden BeziehungAccording to the invention, a radiator is provided by the intended Treibstrahldüsenausbildung the multi-jet nozzle, in which a funnel-shaped nozzle cone is provided to achieve optimum almost bumpless relaxation of the working medium and centripetal effluent individual jets of the working fluid are formed. The nozzle cone has nozzle channels, which in plan view in the form of a spirally extending hyperbolic curve according to the following relationship
angeordnet sind. Der Verlauf der Düsenkanäle im Düsenkegel ist sowohl tangential und radial nach innen geneigt. Die tangentiale Neigung erstreckt sich in Richtung der sich verengenden spiralförmigen Anordnung der Düsenkanäle. Auf Grund der Neigung in Tangentialrichtung ergibt sich im weiteren Verlauf des abfließenden Düsenstrahls eine Verdrehung der Einzelstrahlen in einer zur Strahlrichtung orthogonalen Ebene um einen der Neigung aus der Senkrechten entsprechenden Winkel. Im folgenden wird unter Bezugnahme auf die Zeichnungen ein Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläutert. Es zeigenare arranged. The course of the nozzle channels in the nozzle cone is inclined both tangentially and radially inwards. The tangential inclination extends in the direction of the narrowing spiral arrangement of the nozzle channels. Due to the inclination in the tangential direction results in the further course of the outflowing nozzle jet, a rotation of the individual beams in a plane orthogonal to the beam direction to one of the inclination from the vertical corresponding angle. In the following an embodiment of the invention will be explained in more detail with reference to the drawings. Show it
Im folgenden wird erläutert, wie die verfahrensmäßig mehrstufig erzielte Effektivitätssteigerung gegenüber einstufig betriebenen Kompressionspumpen bei partieller Entspannung von heißem Fluid aus der motorisch angetriebenen Kompressorstufe 1, mittels vorgeschalteter Heißf lüssigkeitsstrahlerstufen 4,5 unter Freisetzung von Exergie zum Strahlpumpen im Naßdampfbereich ganz wesentlich gesteigert werden kann.In the following it will be explained how the procedurally multi-stage achieved effectiveness increase compared to single-stage operated compression pumps with partial relaxation of hot fluid from the motor-driven compressor stage 1, by means of upstream Heißf lüssigkeitsstrahlerstufen 4.5 with the release of exergy for jet pumping in the wet steam range can be significantly increased.
Beim intermittierenden wechselseitigen Beaufschlagen der Heißflüssigkeitsstrahler 4 und 5 über Ventil 3 resultieren im Strahlpumpenbereich zeitgleich Arbeitsmittelströme in Dampf· und Flüssigphase. Um im h,log p-Diagramm die somit zusätzlich im Strahlpumpenbereich vermehrten Massenströme nachweisen zu können, wurde letzteres in der Fig. 1 als modifiziertes h.log p-Diagramm gezeichnet, und u.a. die Richtungsbezogenheit von Dampf und Fluid durch weniger stark ausgezogene teilgestrichelte Linien angedeutet, so daß die kräftig ausgezogene Linie sich auch hier auf den Durchsatz von 1 kg an Arbeitsmittel als Naßdampf entsprechend der im Diagramm festgeschriebenen Parameter beziehen.When intermittently alternating the hot liquid radiators 4 and 5 via valve 3, working medium flows in the jet and liquid phase simultaneously result in the jet pump region. In order to be able to detect in the h, log p diagram the mass flows thus additionally increased in the jet pump region, the latter was drawn in FIG. 1 as a modified h.log p diagram, and i.a. the directionality of steam and fluid indicated by less strongly drawn part-dashed lines, so that the solid line here also refer to the throughput of 1 kg of working fluid as wet steam according to the prescribed parameters in the diagram.
Zur Trennung von Dampf- und Flüssigphase sind den Heißflüssigkeitsstrahlem 4 und 5 Zyklone 6 und 7 unterschiedlicher Größe und veränderlicher Volumina zugeordnet, worin sich bei Betrieb eine Kumulation von Dampf überschuß mit Wärme von einer Temperatur ergibt, die über der Temperatur der Kaltdampf Isobaren von T0 i.sitihientufe um Q0 (Fig. 1) liegt, und weiter die Größe dieses Dampfüberschusses ganz wesentlich von der Konstruktion und Ausbildung der Strahlerdüse abhängig ist (Fig. 3) und letztendlich aber noch eine restliche partielle Entspannung von Fluid aus den Zyklonen 6 und 7 entlang einer verkürzten Isenthalpen (Fig. 1) auf die Temperatur vorgenannter Kaltdampf Isobaren T0 t.stuhietitur· vorgenommen wird, womit bei konstant durchzusetzender Massengröße eine ausreichende Wärmeaufnahme über die Teilprozesse der Strahlerstufen bei erkennbar starker Reduzierung von dieser aus Q0 gegenüber derjenigen aus bekanntem Vorgehen für das TOKomprauor (= der Verdichtungsisobaren letzter Strahlerstufe Fig. 1) erzielt wird.For the separation of vapor and liquid phase are the Heißflüssigkeitsstrahlem 4 and 5 associated cyclones 6 and 7 different size and variable volumes, which results in an accumulation of excess steam with heat from a temperature above the temperature of the cold vapor isobars of T 0 i.sitihientufe to Q 0 (Fig. 1), and further the size of this vapor excess is very much dependent on the construction and design of the radiator nozzle (Fig. 3) and ultimately but a residual partial relaxation of fluid from the cyclones 6 and 7 along a shortened isenthalps (Fig. 1) isobars on the temperature of the aforementioned cold vapor T 0 t.stuhietitur · is made, thus at a constant durchzusetzender mass quantity sufficient heat absorption through the sub-processes of the emitter stages in apparent strong reduction of this from Q 0 relative to that of known procedure for the T O Komprauor (= the Verdic htungsisobaren last Strahlerstufe Fig. 1) is achieved.
Außer der wie vor aufgezeigten Funktion der Zyklone in den Strahlerstufen wird in diesem zudem noch mittels unterschiedlicher Fluidmassenverteilung (vergl. Fig. 2 a, Ziff. 9 und Fig. 2 b und 2c) die Temperaturbandbreitensteuerung des Strahlerstufenbereichs bei einer um Q0 sich verändernden Temperatur von T0 i.sinhi«muie durchgeführt. Die mit der neuen Verfahrensweise erzielten Vorteile unter Nutzung der dafür besonders ausgelegten Düsenkonstruktion der Heißflüssigkeitsstrahler bestehen insbesondere darin, daß die Mehrstufigkeit der Gesamtanlage mit Strahlpumpen im Naßdampfbereich des Arbeitsmittels durch eine Kategorie von Pumpen einfachster Bauart ohne bewegliche Teile und ohne Auftreten von Kavitation mit noch vorhandener Exergie aus dem vorangegangenen Teilprozeß des Arbeitsmittels als hoch effektive partielle Entspannung durchgeführt wird und die dabei im Dampfüberschuß als auch vom Fluid freigesetzte Wärme über der Temperatur von der partiellen Isenthalpenentspannung der Kaltisobaren um Q0 bleibt, was zur Rückgewinnung von sonst verlorener Wärme führt, wodurch über die vorgenannten Kaltdampf isobaren nur noch ein Bruchteil an Wärme von der Temperatur um Q0 hereingeholt werden muß, womit z. B. der Aufwand für Adsorber, Kaltwasserspeicher und dergleichen wesentlich verringert wird.In addition to the function of the cyclones in the radiator stages, as already indicated above, the temperature bandwidth control of the radiator stage region is also changed by means of a different fluid mass distribution (see Fig. 2 a, Fig. 9 and 2 b and 2c) with a temperature changing by Q 0 from T 0 i.sinhi «muie. The advantages achieved by the new method using the specially designed nozzle design of the hot liquid radiator consist in particular that the multi-stage of the entire system with jet pumps in the wet steam range of the working fluid by a category of pumps simplest design without moving parts and without occurrence of cavitation with exergy still present from the previous partial process of the working fluid is carried out as a highly effective partial relaxation and thereby remains in excess vapor as well as the fluid released heat above the temperature of the partial Isenthalpenentspannung the Kaltisobaren to Q 0 , resulting in the recovery of otherwise lost heat, which on the the aforementioned cold isobaric only a fraction of heat from the temperature must be brought in by Q 0 , bringing z. B. the cost of adsorber, cold water storage and the like is substantially reduced.
Außer der Einsparung von zusätzlicher Energie für z. B. motorisch angetriebene Stufen unter beachtlich vergrößertem Bauaufwand verursachen hier beim neuen Verfahren Strahler und Zyklone nur eine geringe Ausweitung von diesem, wobei zudem noch über einfache und betriebssichere Steuermechanismen die Strahlerstufen mit ihren Zyklonen in Doppelfunktion zur Temperaturbandbreitenregelung für ein sich veränderndes Toi.siiahiaittur« bei der Wärmeaufnahme um Q0 herangezogen werden und damit eine konstante Leistungsabgabe der Kompressorstufe im optimalen Leistungsspektrum der Maschine bei geringster Temperaturbandbreite um TOKomp,«i,o, (= der Verdichtungsisobaren in letzter Strahlerstufe) gewährleisten. Die Betrachtung eines Arbeitszyklus im neuen Verfahren beginnt zweckmäßigerweise an Hand der Fig. 1 und Fig. 2 funktionell mit dem Austritt des flüssigen Arbeitsmittels aus dem Wärmetauscher 2 der Wärmenutzungsanlage, was in Fig. 1 dem Endpunkt der Verflüssigungsisobaren auf der linken S ittigungslinie im h,log p-Diagramm entspricht. Über Wechselventil 3 wird das noch heiße Fluid sodann intermittierend durch die Heißflüssigkeitsstrahler 4 und 5 unter Abgabe von Pumpenenergie in die Zyklone 6 und 7 zur partiellen Entspannung gebracht, dabei wird zufließender angesaugter Kaltdampf aus T0 i.sinhur.tuit um Q0 als auch aus T02.s(iihtgr»tuft/ Fig.1, unter Bildung eines Dampfüberschusses auf die Temperatur und den Druck der jeweils zugehörigen Verdichtungsisobaren gebracht und zeitgleich die Trennung von Dampf- und Flüssigphase in gegenläufige Massenströme vollzogen; parallel zum ablaufenden Strahlpumpen wird über Entspannungsventil 8 aus Zyklon 6 entlang der restlichen Isenthalpen Fluid eingespritzt und bei der Temperatur um Q0 zur partiellen Wärmeaufnahme verdampft. Aus dem Dampfraum von Zyklon 7 strömt dann Arbeitsmittel von noch geringer Dampfnässe (vergl. Fig. 1 gemäß rechtem Eckpunkt der Verdichtungsisobaren in letzter Strahlerstufe) in den Wärmetauscher 10 und verläßt diesen als gesättigter bzw. leicht trockener Dampf zur Verdichtung in Kompressor 1, um als Fluid nach Abgabe von Nutzwärme in den Wärmetauscher 2 einen neuen Zyklus zu beginnen.Except the saving of additional energy for z. B. motor-driven stages under considerably increased construction costs cause here in the new method radiators and cyclones only a small expansion of this, in addition also simple and reliable control mechanisms the radiator stages with their cyclones in dual function for temperature bandwidth control for a changing Toi.siiahiaittur «at The heat absorption can be used to Q 0 and thus ensure a constant power output of the compressor stage in the optimum power range of the machine at lowest temperature bandwidth to T O K omp , "i, o, (= the compaction isobars in the last radiator stage). The consideration of a working cycle in the new method expediently begins with reference to FIGS. 1 and 2 functionally with the discharge of the liquid working fluid from the heat exchanger 2 of the heat utilization system, which in FIG. 1 corresponds to the end point of the liquefaction isobars on the left-hand side in the h, log p diagram corresponds. About the shuttle valve 3, the still hot fluid is then intermittently brought through the hot liquid radiator 4 and 5 with the release of pumping energy into the cyclones 6 and 7 for partial relaxation, this is inflowing sucked cold steam from T 0 i.sinhur.tuit to Q 0 and from T 0 2.s (Fig. 1), with the formation of an excess of steam, brought to the temperature and pressure of the respective associated compaction isobars and at the same time the separation of vapor and liquid phase into counter-current mass flows is carried out in parallel to the outgoing jet pumping via expansion valve 8 is injected from cyclone 6 along the remaining Isenthalpen fluid and evaporated at the temperature around partial absorption of heat by Q 0. Working medium of even low vapor wetness then flows from the vapor space of cyclone 7 (see Fig. 1 according to the right corner point of the compaction isobars in the last radiator stage). in the heat exchanger 10 and leaves this as saturated r or slightly dry steam for compression in compressor 1 to start as a fluid after discharge of useful heat in the heat exchanger 2 a new cycle.
Um im Ablauf der wie vor geschilderten Arbeitszyklen gemäß der Doppelfunktion der vorgeschalteten Heißflüssigkeitsstrahlergruppe und deren Zyklus bei der Wärmeaufnahme um Q0 zeitgleich zu einerTemperaturbandbreitenregelung zu kommen, wird in den Zyklonen bei einem sich ändernden To1.si„hie«tuf· der volumenbedingte Fluidmassenanteil entsprechend seiner temperaturabhängigen Größe zum einen in der Art und Weise verändert, daß über ein steuerbares Fluidventil 9 aus dem Zyklon mit höherem Druck Fluid in den mit niedrigerem Druck und größerem Volumen eingelassen wird; zum anderen bei erforderlicher Umschichtung von Fluid in umgekehrter oder auch in gleicher Richtung, je nach Höhe der Temperatur um Q0, diese auch über ein unterschiedliches Zeitintervall der Heißfluidzuführung mittels Wechselventil 3 in die Strahler und Ausgang über das Entspannungsorgan 8 erreicht wird. Beide Steuerungsvorgänge erlauben es, unter Veränderung optimal festgelegter, sich überschneidender Temperaturbandbreite der einzelnen Strahlerstufe diese so zu verändern, daß z. B. eine Wärmeentnahme aus Q0 im Hochsommer über Absorber und Kaltwasserspeicher bei einer mittleren .Maximaltemperatur um 140C einen Fluidpegel in den volumenverschiedenen Zyklonen verursachen würde, wie das aus der Fig. 2 c zu ersehen ist, wobei die Dampfvolumina V1", V2" annähernd gleich sind und damit einstufig bis zum TOKomPie»»ot gefahren wird, während die Fig. 2b eine Fluidmassenverteilung zeigt, die einem zweistufigen Betrieb mit optimaler Bandbreite der einzelnen Strahlerstufe bei einem T0 von unter O0C aus der Wärmequelle Q0 entspricht (V1" Φ V2").In order to simultaneously achieve a temperature bandwidth control in the course of the above-described working cycles according to the dual function of the upstream hot liquid radiator group and its cycle in the heat absorption by Q 0 , the volumetric fluid mass proportion in the cyclones is correspondingly changed with a changing oil flow its temperature-dependent variable is changed on the one hand in such a way that is introduced via a controllable fluid valve 9 from the cyclone with higher pressure fluid in the lower pressure and greater volume; on the other hand, when necessary redeployment of fluid in the reverse or in the same direction, depending on the height of the temperature to Q 0 , this is also achieved over a different time interval of the hot fluid supply by means of shuttle valve 3 in the radiator and output via the expansion device 8. Both control operations allow it, changing the optimally defined, overlapping temperature bandwidth of the individual radiator stage to change them so that z. B. a heat removal from Q 0 in the middle of summer over absorber and cold water storage at a mean .Maximal temperature around 14 0 C would cause a fluid level in the volume-different cyclones, as can be seen from Fig. 2 c, wherein the vapor volumes V 1 ", V 2 "are approximately the same and are therefore operated in one stage up to T O Kom P », »ot, while Fig. 2b shows a fluid mass distribution, the two-stage operation with optimum bandwidth of the individual radiator stage at a T 0 of below 0 0 C. from the heat source Q 0 (V 1 "Φ V 2 ").
Das Oberteil der Mischdüse 12 mit der Länge Li wird bezüglich deren Verjüngung im Übergang zum Halsdurchmesser an dieser Stelle so bemessen, daß funktionell im Betrieb die hier peripheren Einzelstrahlen aus der Mehrstrahldüse im engsten Querschnitt (B-B) in etwa die gleiche Kreisfläche abdecken wie dieser Querschnitt, ohne daß Verwirbelungen auftreten. Die Länge L2 des Mischerdüsenhalses wird entsprechend dem Druckverhalten des Arbeitsmittels im Bereich festgelegter Betriebsparameter durch empirisch zu ermittelnde Meßwerte optimiert. Außerdem erzeugen die aus der spiralig, vornehmlich in der peripheren Randzone der Mischstrahldüse eingebrachten Düsenkanäle im Kernbereich der Mischerdüse über die Länge L1 eine Zone C mit starkem Druckgefälle. Dieses Druckgefälle führt eine intensive Saugwirkung auf den zu verdichtenden Kaltdampf in der Art undThe top of the mixing nozzle 12 with the length of Li is in terms of their taper in the transition to the neck diameter at this point so dimensioned that functionally in operation here peripheral individual beams from the multi-jet nozzle in the narrowest cross-section (BB) cover approximately the same circular area as this cross section, without turbulence occurring. The length L 2 of the mixer nozzle neck is optimized according to the pressure behavior of the working medium in the range of specified operating parameters by empirically determined measured values. In addition, the nozzle channels introduced from the spiral, primarily in the peripheral edge zone of the mixing jet nozzle, produce in the core region of the mixer nozzle over the length L 1 a zone C with a strong pressure gradient. This pressure gradient leads to an intensive suction effect on the cold vapor to be compressed in the type and
Weise herbei, daß letzterem zwischen den mit Drall abfließenden Einzelstrahlen hoher kinetischer Energie strömungstechnisch eine fast parallel verlaufende Sekundärströmung unter intensiver Beschleunigung aufgezwungen wird, Dies führt unter anderem nach Passieren des Mischerdüsenhalses mit der Länge Lj im nachfolgenden Diffusor zu einer sehr effektive;; Verdichtung. Die Entspannungsdüse besteht aus einer Mehrstrahldüse 12, deren Düsenkanäle 16 tangential und radial nach innen geneigt sind, wobei die Eintrittsöffnungen 18 der Düsenkanäle 16 in der inneren konischen Mantelfläche 24 der Mehrstrahldüse 12 angeordnet sind. Die Düsenkanäle 16 enden In Austrittsöffnungen 19 in der äußeren Mantelfläche der Mehrstrahldüse 12, deren Ansicht in Fig.4b gezeigt ist. Die Eintrittsöffnungen 18 und Austrittsöffnungen 19 der Düsenkanäle 16 sind in der Draufsicht spiralförmig im peripheren Bereich der Mehrstrahldüse 12 angeordnet, wobei die tangentiale Neigung der Düsenkanäle 16 in Richtung der sich verengenden spiralförmig angeordneten Eintrittsöffnungen 18 verläuft. Die Mehrstrahldüse 12 weist einen zur Düseneintrittsöffnung 22 vorstehenden Innenkegel 20 in dem von Düsenkanälen 16 freien Bereich auf. Der Innenkegel 20 kann exzentrisch angeordnet sein und eine spiralförmige Strömung des in die Eintrittsöffnungen 18 eintretenden Kondensats induzieren.A wise cause that the latter between the swirling individual jets of high kinetic energy fluidically an almost parallel secondary flow is forced under intense acceleration, this leads inter alia after passing the mixer nozzle neck with the length Lj in the following diffuser to a very effective; Compression. The expansion nozzle consists of a multi-jet nozzle 12, the nozzle channels 16 are inclined tangentially and radially inwardly, wherein the inlet openings 18 of the nozzle channels 16 are arranged in the inner conical lateral surface 24 of the multi-jet nozzle 12. The nozzle channels 16 terminate in outlet openings 19 in the outer circumferential surface of the multi-jet nozzle 12, whose view is shown in Figure 4b. The inlet openings 18 and outlet openings 19 of the nozzle channels 16 are arranged spirally in the plan view in the peripheral region of the multi-jet nozzle 12, wherein the tangential inclination of the nozzle channels 16 in the direction of narrowing spirally arranged inlet openings 18 extends. The multi-jet nozzle 12 has an inner cone 20 protruding toward the nozzle inlet opening 22 in the region free of nozzle channels 16. The inner cone 20 may be arranged eccentrically and induce a spiral flow of the entering into the inlet openings 18 condensate.
Wesentlich ist dabei, daß die Düsenkanäle 16 einerseits zur Düsenachse bzw. zur Strahlachse hin und andererseits in einer Tangentialebene zur kreis· oder spiralförmigen Anordnung der Düsenkanäle 16 aus der Parallelen zur Strahlachse weg geneigt sind.It is essential that the nozzle channels 16 on the one hand to the nozzle axis or the beam axis and on the other hand in a tangential plane for circular or spiral arrangement of the nozzle channels 16 from the parallels to the beam axis are inclined away.
Bei spiralförmiger Anordnung der Düsenkanäle 16 in der Mehrstrahldüse 12 erfolgt die Neigung in der Tangentialebene bevorzugt in Richtung der sich verengenden Spirale. ,With a spiral arrangement of the nozzle channels 16 in the multi-jet nozzle 12, the inclination in the tangential plane is preferably in the direction of the narrowing spiral. .
Außer den zuvor genannten Vorteilen beeinflußt die Größe und Anzahl der spiralförmig eingebrachten Düsenkanäle die Dampfausbeute, wobei in Abhängigkeit vom äußeren Strahlumfang, bedingt durch den gewählten Düsenkanaldurchmesser, entsprechend dem spezifischen Dampfzustand des Arbeitsmittels im Zyklon eine Vielzahl kleiner Bohrungen gegenüber einer geringen Anzahl größerer Bohrungen eine wesentlich größere Dampfausbeute liefert. Der Dampfüberschuß resultiert aus der wirksam werdenden flüssigen Kondensatoberfläche in der Mischerdüse, was eine gezielte Optimierung der Druckstufen im Strahlpumpenbereich ermöglicht (s. Fig.1).In addition to the above-mentioned advantages, the size and number of helically introduced nozzle channels affect the vapor yield, depending on the outer beam circumference, due to the selected nozzle channel diameter, according to the specific vapor state of the working fluid in the cyclone a plurality of small holes compared to a small number of larger holes a significant provides greater vapor yield. The excess of steam results from the liquid condensate surface becoming active in the mixer nozzle, which enables a targeted optimization of the pressure stages in the jet pump area (see FIG.
Zur weiteren Verdeutlichung der Vorteile des neuen Verfahrens wird nachstehend ein Arbeitszyklus beschrieben, begonnen wird dabei hier mit dem Austritt des Kondensats aus dem Wärmetauscher 2 der Kompressionswärmepumpe, was dem Endpunkt der Verflüssigungsisobaren auf der linken Sättigungslinie im h.log p-Diagramm (Fig. 1) entspricht. Über das Wechselventil 3 wird das noch heiße Kondensat sodann intermittierend durch die Heißf lüssigkeitsstrahler 4,5 unter Abgabe von Pumpenenergie in die Zyklone 6,7 zur partiellen Entspannung gebracht, dabei wird zufließender, angesaugter Kaltdampf aus Toi.suihitiuut· um Q0 als auch aus Toj.s„lWlrnu[, unter Bildung eines Dampfüberschusses auf die Temperatur und den Druck der jeweils zugehörigen Verdichtungsisobaren gebracht. Zeitgleich wird die Trennung von Dampf· und Flüssigphase in gegenläufige Massenströme vollzogen; parallel zum ablaufenden Strahlpumpen wird über das Entspannungsorgan aus dem Zyklon 6 entlang der restlichen Isenthalpen Kondensat eingespritzt und bei der Temperatur um Q0 zur partiellen Wärmeaufnahme verdampft. Aus dem Dampfraum von Zyklon 7 höheren Druckes strömt dann Arbeitsmittel von noch geringer Dampfnässe gemäß rechtem Eckpunkt der Verdichtungsisobaren in letzter Strahlerstufe in den Wärmetauscher 10 und verläßt diesen als gesättigter bzw. leicht trockener Dampf zur Verdichtung in Kompressor 1, um als Kondensat nach Abgabe von Nutzwärme über den Wärmetauscher 10 einen neuen Zyklus zu beginnen.To further illustrate the advantages of the new method, a working cycle is described below, starting here with the discharge of the condensate from the heat exchanger 2 of the compression heat pump, which is the end point of the condensing isobars on the left line of saturation in the h.log p diagram (Fig ) corresponds. About the shuttle valve 3, the still hot condensate is then intermittently brought by the Heißf lüssigkeitsstrahler 4.5 with release of pump energy in the cyclones 6,7 for partial relaxation, this is inflowing, sucked cold steam from Toi.suihitiuut · to Q 0 and out T o j. s, brought "lWlrnu [to form a steam excess to the temperature and pressure of the respective associated Verdichtungsisobaren. At the same time, the separation of vapor and liquid phase into countercurrent mass flows is completed; In parallel to the outgoing jet pumping, condensate is injected via the expansion element from the cyclone 6 along the remaining Isenthalpen and vaporized at the temperature by Q 0 for partial heat absorption. From the vapor space of cyclone 7 higher pressure then working fluid flows from even low vapor pressure according to the right corner of the compaction isobars in the last Strahlerstufe in the heat exchanger 10 and leaves this as a saturated or slightly dry steam for compression in compressor 1, as condensate after delivery of useful heat via the heat exchanger 10 to start a new cycle.
Claims (12)
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DD33966590A DD299447A5 (en) | 1990-04-11 | 1990-04-11 | METHOD FOR OPERATING A COMPRESSION WATER PUMP AND COMPRESSION WATER PUMP |
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ID=5617769
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN113266609A (en) * | 2021-06-02 | 2021-08-17 | 傅朝清 | Hydrothermal solution injection multi-unit vapor compression device and heat pump |
-
1990
- 1990-04-11 DD DD33966590A patent/DD299447A5/en not_active IP Right Cessation
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN113266609A (en) * | 2021-06-02 | 2021-08-17 | 傅朝清 | Hydrothermal solution injection multi-unit vapor compression device and heat pump |
| CN113266609B (en) * | 2021-06-02 | 2023-04-07 | 傅朝清 | Hydrothermal solution injection multi-unit vapor compression device and heat pump |
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