DE10112763A1

DE10112763A1 - Appliance and method for operating compression refrigerator with water as refrigerant by provision of controlled bypasses between cold water pump and condenser and cooling water pump and evaporator

Info

Publication number: DE10112763A1
Application number: DE2001112763
Authority: DE
Inventors: Peter Albring; Rainer Apley; Bodo Burandt
Original assignee: Institut fuer Luft und Kaeltetechnik Gemeinnuetzige GmbH
Current assignee: Institut fuer Luft und Kaeltetechnik Gemeinnuetzige GmbH
Priority date: 2001-03-16
Filing date: 2001-03-16
Publication date: 2002-09-19

Abstract

The appliance has one bypass pipe (13) connected between the supply pipe of the cold water pump (5) and the condenser (3) and a second (14) between the supply pipe of the cooling water pump (6) and the evaporator (1). Each is fitted with a control valve (11,12). During normal operation and when starting the compressor the bypass valves are closed. Before shutting down the compressor (2) the bypass valves are opened and valves (9,10) closed and the compressor is then shut down.

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung und ein Verfahren zum Betreiben einer Kompressi onskälteanlage mit Wasser als Kältemittel, insbesondere in den Phasen des An- und Abfah rens der Turboverdichter.The invention relates to a device and a method for operating a compressor on refrigeration system with water as the refrigerant, especially in the phases of arrival and departure rens the turbo compressor.

Am Beispiel einer zweistufigen Kälteanlage soll die Wirkungsweise einer solchen Anlage mit Wasser als Kältemittel erläutert werden.Using the example of a two-stage refrigeration system, the mode of operation of such a system should be included Water can be explained as a refrigerant.

In einem Direktverdampfer wird Kaltwasser im Vakuum auf Verdampfungsdruck entspannt. Der verdampfende Anteil des Kaltwasserstromes wird durch diesen Vorgang zu Kältemittel. Die Verdampfungswärme kühlt den übrigen Kaltwasserstrom ab. Mit einer Pumpe wird das Kaltwasser auf Netzdruck gebracht und zum Kälteverbraucher, z. B. einer Klimaanlage, ge fördert, wo Wärme aufgenommen wird. Der Kaltwasserkreislauf wird danach mit Kältemittel aus dem Kühlwasserkreislauf ergänzt, um den durch den Abtransport von Dampf aus dem Verdampfer entstandenen Masseverlust wieder auszugleichen. Das Kältemittel wird im Tur boverdichter der ersten Stufe auf Mitteldruck verdichtet. Danach ist es erforderlich, das Käl temittel durch Zwischenkühlung bis in die Nähe der Sättigungstemperatur zu kühlen. Nach der zweiten Verdichterstufe ist der Verflüssigungsdruck erreicht. Der Dampf wird im direkten Kontakt mit Kühlwasser verflüssigt. Am Ende des Verflüssigungsvorganges haben Kältemit tel und Kühlwasser den gleichen Zustand. Der aus dem Verflüssiger austretende Wasser massenstrom ist um den Kältemittelanteil größer als der eintretende. Nach der Abkühlung in einem Kühlturm, wird ein Wasserteilstrom (Kältemittel) in den Kaltwasserkreislauf zurückge fördert, um auf diese Weise den Kältekreislauf zu schließen.In a direct evaporator, cold water is expanded to evaporation pressure in a vacuum. This process turns the evaporating part of the cold water flow into refrigerant. The heat of vaporization cools the rest of the cold water flow. With a pump it will Cold water brought to network pressure and to the cold consumer, e.g. B. an air conditioner, ge promotes where heat is absorbed. The cold water circuit is then refrigerant from the cooling water circuit is supplemented by the removal of steam from the Evaporator to compensate for the loss of mass. The refrigerant is in the door bompressor of the first stage compressed to medium pressure. After that, it is necessary to use the calf cool by means of intermediate cooling to near the saturation temperature. To the condensing pressure is reached in the second compressor stage. The steam is in the direct Liquefied contact with cooling water. At the end of the liquefaction process, refrigerants have tel and cooling water the same condition. The water leaving the condenser The mass flow is larger than the incoming refrigerant. After cooling in a cooling tower, a partial water flow (refrigerant) is returned to the cold water circuit promotes in order to close the refrigeration cycle.

Die in solchen Anlagen eingesetzten Wasserdampf-Turboverdichter sind dadurch gekenn zeichnet, daß wegen der kleinen Dichte des zu fördernden Wasserdampfes und des für die Kälteerzeugung erforderlichen großen Druckverhältnisses große Laufraddurchmesser und damit sehr große Umfangsgeschwindigkeiten, zum Teil im Überschallbereich, erforderlich sind. Damit sind die Turboverdichter die sensibelsten Baugruppen der Kälteanlagen mit Wasser als Kältemittel. Durch aufeinander abgestimmte Drehzahlregelung der Verdichter stufen wird die Leistung der Anlage geregelt. Außerdem verhindert die Regelung, daß die Verdichter im instabilen Ast der Kennlinie laufen. Wegen der Charakteristik einer jeden Strömungsmaschine steigt die Druckhöhe der Verdichterstufe mit der Reduzierung des Förderstromes an, bis die Strömung abreißt. Damit brechen die Förderung und der Druck kurz zeitig zusammen. Bei niedrigem Verdichterdruckverhältnis setzt die Förderung wieder ein. Dieser Vorgang wiederholt sich ständig, solange Anlagenkennlinie und Verdichterkennlinie keinen Schnittpunkt im stabilen Bereich finden. Dieser Vorgang ist mit großen dynamischen Belastungen für das Laufrad verbunden. Unvermeidlich ist das Arbeiten im instabilen Kennli nienfeld beim Start und Stoppvorgängen einer Anlage, wenn das Anlagendruckverhältnis durch äußere Bedingungen, z. B. große Kalt- und Kühlwassernetze, vorgegeben ist. In den Phasen des An- und Abfahrens wird das instabile Kennfeldgebiet links der Pumpgrenze ei nes Turboverdichters durchfahren. Bei trägen Kalt- und Kühlwassernetzen wird während des Abfahrvorganges das von außen vorgegebene Druckverhältnis größer sein als das vom Ver dichter bei Verringern der Geschwindigkeit erzeugte. Es kommt zum Strömungsabriß, was in Extremfällen zur Zerstörung der Verdichter führen kann.This characterizes the water vapor turbocompressors used in such systems records that because of the small density of the water vapor to be pumped and for the Refrigeration required large pressure ratio large impeller diameter and very high peripheral speeds, sometimes in the supersonic range, are required are. This makes the turbocompressors the most sensitive components of the refrigeration systems Water as a refrigerant. By coordinating the speed control of the compressors the performance of the system is regulated. The regulation also prevents the Compressors run in the unstable branch of the characteristic. Because of the characteristics of everyone Turbomachine increases the pressure level of the compressor stage with the reduction of the flow until the current stops. This means that funding and pressure break briefly together early. If the compressor pressure ratio is low, delivery starts again. This process is repeated continuously as long as the system curve and compressor curve find no intersection in the stable area. This process is very dynamic Loads connected to the impeller. Working in an unstable characteristic is inevitable field when starting and stopping a system, if the system pressure ratio by external conditions, e.g. B. large cold and cooling water networks is specified. In the The unstable map area to the left of the surge limit becomes phases of start-up and shutdown Drive through a turbo compressor. With sluggish cold and cooling water networks during the Shutdown the pressure ratio specified from the outside to be greater than that of the Ver generated more densely when the speed decreased. What comes in Extreme cases can lead to the destruction of the compressor.

Aufgabe der Erfindung ist es, die Kälteanlage so zu gestalten, daß ein An- und Abfahren in den stabilen Kennfeldgebieten der beteiligten Turboverdichter ermöglicht wird. Außerdem sollen die Verdichter auch bei kleinen geforderten Volumenstrom, d. h. bei extremer Teillast, betrieben werden können.The object of the invention is to design the refrigeration system so that starting and stopping in the stable map areas of the turbo compressors involved. Moreover the compressors should also with small required volume flow, d. H. at extreme partial load, can be operated.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die Merkmale des Patentanspruchs gelöst, indem während der An- und Abfahrvorgänge eine Annäherung des Druckes zwischen Verdampfer und Kondensator, unabhängig von dem von außen aufgeprägten Druckverhältnisses, vorge nommen wird. Außerdem besteht die Möglichkeit, unter Nutzung der erfindungsgemäßen Einrichtungen eine Leistungsregelung der Anlage vorzunehmen, d. h. die Anlage kann im Teillastfahrweise, bei höherem Druckverhältnis, gefahren werden.According to the invention the object is achieved by the features of the patent claim during the start-up and shutdown processes, an approximation of the pressure between the evaporator and condenser, regardless of the pressure ratio impressed from the outside is taken. There is also the possibility of using the invention Facilities to perform a power control of the system, d. H. the plant can in Partial load operation, with a higher pressure ratio.

An folgendem Ausführungsbeispiel wird die Erfindung näher erläutert. Die Abbildung zeigt eine erfindungsgemäß gestaltete, einstufige Kälteanlage in schematischer Darstellung.The invention is explained in more detail using the following exemplary embodiment. The picture shows a one-stage refrigeration system designed according to the invention in a schematic representation.

Mit 1 ist der Direktverdampfer bezeichnet, aus dem über den Turboverdichter 2 der Wasser dampf abgesaugt, auf Verflüssigungsdruck verdichtet und zum Kondensator 3 geleitet wird. Der Kondensator 3 ist über eine Kühlwasserpumpe 6 mit einem Kühlturm 8 verbunden. Am Verdampfer 1 befindet sich der Kaltwasserkreislauf mit einer Kaltwasserpumpe 5 und dem Verbraucher 7, z. B. dem Kaltwassernetz einer Klimaanlage. Die Kältemittelrückführung aus dem Kondensator 3 in den Verdampfer 1 erfolgt über das Ventil 4. Nach der Erfindung ver bindet eine Bypassleitung 13 den Vorlauf der Kaltwasserpumpe 5 mit der Eintrittsleitung in den Kondensator 3. Eine weitere Bypassleitung 14 ist in den Vorlauf der Kühlwasserpumpe 6 eingebunden und mündet in der Eintrittsleitung des Direktverdampfers 1. Damit wird bei geöffneten Absperr- und Regelorganen 11 und 12 und geschlossenen Absperr- und Regelor ganen 9 und 10 eine Druckdifferenzreduzierung zwischen Direktverdampfer 2 und Konden sator 3 erreicht. Als Absperr- und Regelorgane 11 und 12 können Ventile oder Schieber ein gesetzt werden. Der Turboverdichter 2 kann danach stabil abgebremst werden. Durch das Öffnen der Absperr- und Regelorgane 11 und 12 und das Schließen der Ventile 9 und 10 wird Wasser aus dem Kondensator 3 in den Direktverdampfer 1 und aus dem Direktver dampfer 1 in den Kondensator 3 gepumpt. 1 with the direct evaporator is referred to, from which the water is sucked off via the turbocompressor 2 , compressed to the condensing pressure and passed to the condenser 3 . The condenser 3 is connected to a cooling tower 8 via a cooling water pump 6 . At the evaporator 1 is the cold water circuit with a cold water pump 5 and the consumer 7 , z. B. the cold water network of an air conditioning system. The refrigerant is returned from the condenser 3 to the evaporator 1 via the valve 4 . According to the invention, a bypass line 13 binds the flow of the cold water pump 5 to the inlet line in the condenser 3 . Another bypass line 14 is integrated in the flow of the cooling water pump 6 and opens into the inlet line of the direct evaporator 1 . So that when the shut-off and control elements 11 and 12 are closed and the shut-off and control organs 9 and 10, a pressure difference reduction between the direct evaporator 2 and the condenser 3 is achieved. As shut-off and control elements 11 and 12 valves or slides can be set. The turbocompressor 2 can then be braked stably. By opening the shut-off and control elements 11 and 12 and closing the valves 9 and 10 , water is pumped from the condenser 3 into the direct evaporator 1 and from the direct evaporator 1 into the condenser 3 .

Beim Anfahren des Turboverdichters 2 sind die Absperr- und Regelorgane 11 und 12 ge schlossen. Mit der Einschaltung des Turboverdichters 2 werden die Kaltwasserpumpe 5 und die Kühlwasserpumpe 6 gleichzeitig einschaltet. Die Ventile 9 und 10 müssen folglich geöff net sein.When starting the turbocompressor 2 , the shut-off and control elements 11 and 12 are closed ge. When the turbocompressor 2 is switched on , the cold water pump 5 and the cooling water pump 6 are switched on simultaneously. The valves 9 and 10 must consequently be open.

Zur Leistungsregelung wird über die Regel- und Absperrorgane 11 und 12 ein Teilstrom ein gestellt der über die Bypassleitungen 13 und 14 geführt wird. Das kann auch durch hier nicht dargestellte Meß- und Steuereinrichtungen erfolgen, um ein Arbeiten im stabilen Kennfeld gebiet auch bei niedrigen Lastanforderungen zu gewährleisten.For power control, a partial flow is set via the control and shut-off devices 11 and 12, which is guided via the bypass lines 13 and 14 . This can also be done by measuring and control devices, not shown here, in order to ensure working in a stable map area even with low load requirements.

Claims

1. Device for operating a compression refrigeration system with water as the refrigerant, characterized in that between the evaporator ( 1 ) and condenser ( 3 ) via control and shut-off devices ( 11 , 12 ) actuated bypass lines ( 13 , 14 ) are attached.

2. Device according to claim 1, characterized in that the bypass line ( 13 ) in the flow of the cold water pump ( 5 ) and the bypass line ( 14 ) in the flow of the cooling water pump ( 6 ) are integrated and in the inlet lines of the condenser ( 3 ) or of the evaporator ( 1 ) open.

3. A method for operating the device according to claim 1 to 2, characterized in that

a) in the nominal load operation of the system, the control and shut-off devices ( 11 , 12 ) of the bypass lines ( 13 , 14 ) are closed
b) when starting the compressor ( 2 ) the cold water pump ( 5 ) and the cooling water pump ( 6 ) are switched on and the control and shut-off devices ( 11 , 12 ) are closed
c) before the compressor ( 2 ) is shut down, the control and shut-off devices ( 11 , 12 ) are opened and the valves ( 9 , 10 ) are closed, and then the compressor ( 2 ) is switched off
d) for power control via the control and shut-off devices ( 11 , 12 ), a partial flow is set, which is guided through the bypass lines ( 13 , 14 ).

4. The method according to claim 3, characterized in that via a measuring and control device, the regulating and shut-off elements ( 11 , 12 ) are controlled in order to ensure work in the stable map area even at part-load operation.