DE10138255B4

DE10138255B4 - Anordnung für Kaskadenkälteanlage

Info

Publication number: DE10138255B4
Application number: DE10138255A
Authority: DE
Inventors: Dr.-Ing. Mosemann Dieter; Andreas Thiel
Original assignee: GEA Grasso GmbH
Current assignee: GEA Refrigeration Germany GmbH
Priority date: 2001-08-03
Filing date: 2001-08-03
Publication date: 2012-06-06
Anticipated expiration: 2021-08-04
Also published as: US20030024262A1; DE10138255A1; US6519967B1

Abstract

Anordnung in einer Kaskadenkälteanlage mit Schraubenverdichtern mit einem Niedertemperaturkreislauf und einem Hochtemperaturkreislauf, die über einen Wärmetauscher (5) miteinander thermisch verbunden sind, wobei das Kältemittel aus dem Niedertemperaturkreislauf in diesem Wärmetauscher (5) verflüssigt wird und das Kältemittel aus dem Hochtemperaturkreislauf in diesem Wärmetauscher (5) verdampft, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich zu dem Wärmetauscher (5) ein Enthitzer (8) in Strömungsrichtung vor diesen Wärmetauscher (5) auf der Fluidseite des Niedertemperaturkreislaufs angeordnet ist und der Enthitzer (8) über Rohrleitungen mit dem Hochtemperaturkreislauf so verbunden ist, dass eine Rohrleitung über ein Regelorgan (9) zu dem Enthitzer (8) führt, der über eine weitere Rohrleitung (11) mit der Economizeröffnung (12) des Schraubenverdichters (3) verbunden ist.

Description

Der Gegenstand der Erfindung betrifft eine Anordnung in einer Kaskadenkälteanlage mit Schraubenverdichtern mit einem Niedertemperaturkreislauf und einem Hochtemperaturkreislauf, die über einen Wärmetauscher miteinander thermisch verbunden sind, wobei das Kältemittel aus dem Niedertemperaturkreislauf in diesem Wärmetauscher verflüssigt wird und das Kältemittel aus dem Hochtemperaturkreislauf in diesem Wärmetauscher verdampft. In dem Verdampferteil des Hochtemperaturkreislaufes wird die Energie aus dem Verdampfer des Niedertemperaturkreislaufes und die Antriebsleistung vermindert um eine Ölkühlungsleistung abgeführt.
Nach dem Stand der Technik arbeitet in solchen Systemen der Hochtemperaturkreislauf bei einer Verdampfungstemperatur die unter der Kondensationstemperatur des Niedertemperatursystems liegt. Das zu kondensierende Kältemittel aus dem Niedertemperaturkreislauf weist eine relativ starke Überhitzung auf, so dass in dem bereits erwähnten Wärmeübertrager relativ große Temperaturdifferenzen auftreten.
Nachteilig am Stand der Technik ist, dass mit dem erwähnten System in der bekannten Anordnung wird zur Abfuhr der Wärmemenge aus dem Niedertemperaturkreislauf ein erhöhter Energieverbrauch auf der Hochtemperaturseite erforderlich, da die Kälteerzeugung auf der Hochtemperaturseite in Bezug auf die Austrittstemperatur des Kältemittels auf der Niedertemperaturseite bei der Temperatur erfolgt, bei der später die Kondensation des Kältemittels auf der Tieftemperaturseite erfolgen muß, gewöhnlich 2 bis 5 Kelvin unterhalb der Kondensationstemperatur des Niedertemperaturkreislaufes. Damit ist die Kälteerzeugung auf der Hochtemperaturseite für die Wärmeabfuhr aus dem Niedertemperaturkreislauf unwirtschaftlich und kann verbessert werden.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen Teil der Enthitzungswärme auf einem anderen Verdampfungstemperaturniveau aus dem Prozeß der Niedertemperaturkälteanlage abzuführen.
Bekannt ist eine Kaskadenkälteanlage gemäß Patent EP 1 134 514 A1 , die einen ersten und einen zweiten geschlossenen Kältekreislauf aufweist. Der zweite Kältekreislauf ist so angeordnet, dass der erste Kältekreislauf durch einen Kaskaden-Wärmeübertrager gekühlt werden kann. Dazu wird das Kältemittel des ersten Kältekreislaufes im Kaskaden-Wärmeübertrager enthitzt und danach verflüssigt, indem die Wärme im Kaskaden-Wärmeübertrager in den zweiten Kältekreislauf übertragen wird, so dass dabei das Kältemittel im Kaskaden-Wärmeübertrager verdampft. Das aus dem Verdichter des ersten Kältekreislaufes austretende Kältemittel gelangt stark überhitzt in den Kaskaden-Wärmeübertrager, wird dort abgekühlt und danach verflüssigt.
Nachteilig ist, dass die Enthitzungswärme im Kaskaden-Wärmeübertrager auf ein tieferes Temperaturniveau übertragen wird, um danach im zweiten Kreislauf durch den Verdichter auf eine Temperatur angehoben zu werden, die eine Wärmeabfuhr an die Umgebung erlaubt. Das führt zu energetischen Verlusten, die sich durch eine Abkühlung vor Eintritt in den Kaskaden-Wärmeübertrager reduzieren lassen. Die vorliegende Erfindung hat das Ziel, diesen Nachteil zu beseitigen.
Das Merkmal der Erfindung besteht darin, dass zusätzlich zu dem erwähnten Wärmeübertrager, in dem das Kältemittel der Niedertemperaturseite verflüssigt wird und das Kältemittel der Hochtemperaturseite verdampft, in Strömungsrichtung vor dem erwähnten Wärmeübertrager auf der Seite des zu kondensierenden Kältemittels ein zweiter Wärmeübertrager angeordnet ist, der zur Enthitzung dieses Medienstromes aus dem Niedertemperaturkreislauf mit Kältemittelflüssigkeit aus dem Hochtemperaturkältekreislauf gespeist wird. Dieser dabei verdampfende Kältemittelteilstrom des Hochtemperaturkreislaufes wird der Economizeröffnung des Schraubenverdichters der Hochtemperaturkälteanlage zugeführt, an der der Einlaßdruck größer ist als der Druck auf der Saugseite des Schraubenverdichters. Der Vorteil dieser technischen Lösung besteht darin, dass die Leistungszahl der Gesamtanlage um 5 bis 10% verbessert wird und damit 5 bis 10% Energiekosten eingespart werden und sich die Wirtschaftlichkeit einer solchen Anlage dadurch entscheidend verbessert.
Der Vorteil ergibt sich daraus, dass ein Teil der Wärmeabfuhr aus dem Niedertemperaturkreislauf bei einer höheren Verdampfungstemperatur erfolgt, wo der Carnotwirkungsgrad deutlich über dem Carnotwirkungsgrad liegt, bei dem die Kondensation des Kältemittels im Tieftemperaturkreislauf erfolgt. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass durch diese Anordnung der Ansaugvolumenstrom des Kältemittelverdichters auf der Hochtemperaturseite um 10 bis 20% reduziert werden kann, wodurch sich die Kosten für die Kälteanlage der Hochtemperaturseite verringern.
Die Ausführungsbeispiele zeigen 1 bis 4.
1 zeigt ein Anlagenschema gemäß der Erfindung bestehend aus einem Niedertemperaturkreislauf, der aus einem Verdichter 1 einer Bauart Hubkolbenverdichter, Schraubenverdichter o. ä., einem Verdampfer 2, einem Regelorgan 6 besteht und aus einem Hochtemperaturkältekreislauf, der aus einem Schraubenverdichter 3, einem Kondensator 4, Regelorganen 7, 9 zur Entspannung des flüssigen Kältemittels, einem Wärmetauscher 5 und einem Enthitzer 8 besteht, wobei Wärmetauscher 5 und Enthitzer 8 von beiden Kältemittelströmen aus dem Niedertemperatur- und dem Hochtemperaturkreislauf durchströmt werden.
Das Kältemittel aus dem Niedertemperaturkreislauf wird zuerst durch den Enthitzer 8 geführt. Dabei wird des Kältemittel des Niedertemperaturkreislaufes durch das Kältemittel, das aus dem Hochtemperaturkreislauf über die Rohrleitung 10 und das Regelorgan 9 in diesen Enthitzer 8 geführt wird, bis nahe an seine Kondensationstemperatur zurückgekühlt. Von dort gelangt das Kältemittel aus dem Niedertemperaturkreislauf in den Wärmetauscher 5, wo es durch das Kältemittel kondensiert wird, das aus dem Hochtemperaturkreislauf über das Regelorgan 7 in diesen Wärmetauscher 5 geführt wird. Dort verdampft das Kältemittel des Hochtempereturkreislaufes und wird vom Schraubenverdichter 3 wieder abgesaugt. Das Kältemittel, das über die Rohrleitung 10 und das Regelorgan 9 in den Enthitzer 8 geführt worden ist, gelangt über die Rohrleitung 11 zur Economizeröffnung 12 des Schraubenverdichters 3. Damit sind beide Kreisläufe geschlossen.
Der Vorteil dieser Lösung besteht darin, dass die Enthitzung des Kältemittels aus dem Niedertemperaturkreislauf im Enthitzer 8 bei einer höheren Verdampfungstemperatur als im Wärmetauscher 5 erfolgt, wodurch die Effizienz dieses Prozessteiles höher ist als bei der vollständigen Abfuhr der Wärmemenge des Kältemittels aus dem Niedertemperaturkreislauf im Wärmetauscher 5.
Die 2 zeigt ein Beispiel einer solchen erfindungsgemäßen Anordnung mit überflutet betriebenen Wärmeübertragern, die jeweils aus einem Flüssigkeitsabscheider 14 und Enthitzer 21, Abscheider 13 und Wärmeübertrager 20, in dem das Niedertemperaturkältemittel verflüssigt wird, während das Hochtemperaturkältemittel verdampft, sowie einem Regelorgan, vorzugsweise einem Hochdruckschwimmer 22, besteht. In der dargestellten Ausführung wird das Hochtemperaturkältemittel zweistufig entspannt. In der ersten Stufe gelangt das Kältemittel aus dem Kondensator 4 über das Regelorgan als Hochdruckschwimmer 22 in den Flüssigkeitsabscheider 14. Dabei wird der Flashgasanteil zur Economizeröffnung 12 des Schraubenverdichters 3 geführt. Das Niedertemperaturkältemittel wird über die Rohrleitung 15 durch den Flüssigkeitsteil des Flüssigkeitabscheiders 14 geführt, wobei das Kältemittel im Wärmetauscherrohr des Enthitzers 21 enthitzt wird. Es gelangt über die Rohrleitung 23 in den Wärmeübertrager 20, wo es kondensiert. Von dort wird das flüssige Kältemittel über die Rohrleitung 16 und das Regelventil 17, das vorzugsweise als Hochdruckschwimmer ausgeführt ist, in den Abscheider 18 der Niedertemperaturanlage geführt. Dort wird das Kältemittel auf bekanntem Wege in einem Rezirkulationssystem mit Kältemittelpumpe 19 über die Verdampfer 2 gefördert. Der Wärmeübertrager 20 wird auf der Hochtemperaturseite in bekannter Weise überflutet betrieben. Das Kältemittel gelangt durch Thermosyphonwirkung oder angetrieben durch eine Kältemittelpumpe oder durch die Entspannungsenergie des Kältemittels aus dem Flüssigkeitsabscheider 14 in den Wärmeübertrager 20 und verdampft dort, wobei die Verdampfungswärme dem Kältemittel aus dem Niedertemperaturteil entzogen wird, wodurch dieses kondensiert.
Der Vorteil dieser technischen Lösung besteht darin, dass zusätzlich zu der energetischen Verbesserung, die mit dem Schema gemäß 1 erzielt werden kann, eine weitere Prozessverbesserung dadurch erreicht wird, dass das Hochtamperaturkälemittel zweistufig entspannt wird, wodurch die volumetrische Kälteleistung der Hochtemperaturkälteanlage gesteigert und zusätzlich eine Verbesserung des Carnotwirkungsgrades erreicht wird, da diese Anlage nach dem Economizerprinzip betrieben wird. Der Schraubenverdichter 3 gemäß der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung im Hochtemperaturkreislauf kann gegenüber dem Stand der Technik um etwa 20% kleiner ausgeführt werden.
Die 3 zeigt einen Enthitzer 8 und Wärmetauscher 5 jeweils überflutet mit einem Zwischendruckabscheider 25, der mit der Economizeröffnung 12 strömungsmäßig verbunden ist. Die Regelung des Flüssigkeitsstandes in dem Abscheider 13 und in dem Zwischendruckabscheider 25 erfolgt durch Niveauregler.
Die 4 zeigt einen Enthitzer 8 und Wärmetauscher 5, die in einer Baueinheit 24 angeordnet sind.
Bezugszeichenliste

1: Verdichter
2: Verdampfer
3: Schraubenverdichter
4: Kondensator
5: Wärmetauscher
6: Regelorgan
7: Regelorgan
8: Enthitzer
9: Regelorgan
10: Rohrleitung
11: Rohrleitung
12: Economizeröffnung
13: Abscheider
14: Flüssigkeitsabscheider
15: Rohrleitung
16: Rohrleitung
17: Regelventil
18: Abscheider
19: Kältemittelpumpe
20: Wärmeübertrager
21: Enthitzer
22: Hochdruckschwimmer
23: Rohrleitung
24: Baueinheit
25: Zwischendruckabscheider

Claims

Anordnung in einer Kaskadenkälteanlage mit Schraubenverdichtern mit einem Niedertemperaturkreislauf und einem Hochtemperaturkreislauf, die über einen Wärmetauscher (5) miteinander thermisch verbunden sind, wobei das Kältemittel aus dem Niedertemperaturkreislauf in diesem Wärmetauscher (5) verflüssigt wird und das Kältemittel aus dem Hochtemperaturkreislauf in diesem Wärmetauscher (5) verdampft, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich zu dem Wärmetauscher (5) ein Enthitzer (8) in Strömungsrichtung vor diesen Wärmetauscher (5) auf der Fluidseite des Niedertemperaturkreislaufs angeordnet ist und der Enthitzer (8) über Rohrleitungen mit dem Hochtemperaturkreislauf so verbunden ist, dass eine Rohrleitung über ein Regelorgan (9) zu dem Enthitzer (8) führt, der über eine weitere Rohrleitung (11) mit der Economizeröffnung (12) des Schraubenverdichters (3) verbunden ist.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Hochtemperaturkreislauf mit einem Flüssigkeitsabscheider (14) ausgestattet ist, der mit der Economizeröffnung (12) am Schraubenverdichter (3) verbunden ist, dass der Erhitzer (21) in dem Flüssigkeitsabscheider (14) angeordnet ist und die Rohrleitung (15) mit dem Enthitzer (21) strömungsmäßig verbunden ist und der Ausgang des Enthitzers (21) über eine Rohrleitung (23) mit einem Wärmeübertrager (20) strömungsmäßig verbunden ist.
Anordnung in einer Kaskadenkälteanlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Enthitzer (8) und der Wärmetauscher (5) in einer Baueinheit (24) angeordnet sind.