DE102004044252A1 - Kältemaschine unter Verwendung von flüssigkeitsüberlagerten Verdichtersystemen - Google Patents

Kältemaschine unter Verwendung von flüssigkeitsüberlagerten Verdichtersystemen Download PDF

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung, mit der eine Kältemaschine in der Weise realisiert wird, das der Wärmeeintrag zur Temperaturerhöhung des Arbeitsmediums in direkt induzierter Abhängigkeit von der Verdichtung erfolgt. Durch diese verfahrenstechnische Trennung lassen sich Arbeitsmedien mit besonders günstiger Verdampfungsenthalpie unabhängig von der Löslichkeit und dem Emulgierverhalten im Betriebsmedium einsetzen. DOLLAR A Nach der Erfindung kann ein derartig thermodynamisch entkoppeltes Verfahren zur Thermokompression günstig mit flüssigkeitsüberlagerten Verdichtersystemen, wie z. B. Flüssigkeitsringpumpen und Schraubenverdichtern, realisiert werden, da die Betriebsflüssigkeit solcher Pumpen keine Schmierfunktion, sondern allein eine Dichtfunktion erfüllt. Mit einer solchen Kältemaschine können bei gleichen Randbedingungen deutlich höhere Leistungszahlen im Vergleich zu Kältemaschinen mit herkömmlichen mechanischen Verdichtersystemen erreicht werden. DOLLAR A In einer günstigen Ausführungsform wird die Thermokompression mit azeotropen Gemischen durchgeführt, wobei eine Komponente durch Absorption in der Betriebsflüssigkeit extrahiert wird.

Description

  • Kältemaschinen realisieren die Änderungen zwischen den Temperaturniveaus des Arbeitsmediums vorwiegend durch Verdampfung und Kondensation. Dabei wird die Gasphase so weit verdichtet, dass das Arbeitsmedium über die Sättigung am Wärme aufnehmenden Wärmetauscher (Kondensator) kommt. Die dazu üblicherweise verwendeten Verdichter benötigen ein Betriebsmittel als Schmierung, d.h. das Betriebsmittel darf vom Arbeitsmittel weder gelöst noch emulgiert werden. Die Wahl der Arbeitsmittel ist daher auf Niedrigsieder beschränkt, die im Arbeitsbereich einen ausreichend hohen Dampfdruck haben, um vollständig aus dem Verdichter ausgetrieben zu werden. Die Arbeitsmittel sind daher auf Stoffe wie die FCKW oder kurzkettige Kohlenwasserstoffe (KW) beschränkt, die naturgemäß eine geringe molare Verdampfungswärme aufweisen. Außerdem müssen sie auf hohe Drücke verdichtet werden, um ausreichende Temperaturen zu erreichen, d.h. die Leistungsziffern werden durch den von der Verdichtung abhängigen Energieaufwand reduziert.
    •
  • In der vorliegenden Erfindung wird dieser Nachteil dadurch vermieden, dass als Verdichter flüssigkeitsüberlagerte Verdichtersysteme, wie z.B. Flüssigkeitsringpumpen und Schraubenverdichter, eingesetzt werden, die mit hochsiedenden Betriebsmitteln gefahren werden. Da in flüssigkeitsüberlagerten Verdichtersystemen die Betriebsflüssigkeit keine Schmierfunktion hat, können hier praktisch beliebige Arbeitsmittel eingesetzt werden, die hohe molare Verdampfungswärme aufweisen. Da die Ringpumpe einen großen Teil der Arbeitsleistung als Wärme auf das Arbeitsmedium überträgt, wird dieses bis zur oder über die Sättigung hinaus erwärmt. Außerdem wird sichergestellt, dass das Arbeitsmittel sich in der Pumpe nicht soweit anreichert, dass dadurch das Saugvermögen reduziert wird.
  • Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren lassen sich mit der beschriebenen Vorrichtung Leistungszahlen erreichen, die deutlich über dem Wert herkömmlicher Kältemaschinen liegen. Besonders günstig sind Betriebsmittel wie Silikonöle oder Diesteröle und Weichmacher wie Dioctylphtalat (DOP). Erfindungsgemäß wird die Betriebsflüssigkeit mit einer Ringbegasung vor Überverdichtung geschützt.
  • Beispiele für Arbeitsmedien und relevante Temperaturbereiche bei der Realisierung von Kältesystemen:
    • – Gemisch aus Alkoholen und Estern: Verdampfung ca. 20° C/Kondensation ca. 120° C
    • – Bromierte Kältemittel: Verdampfung ca. 5° C/Kondensation ca. 45° C
    • – FCKW: Verdampfung ca. –10° C bis –5° C/Kondensation ca. 50° C
  • Eine besonders günstige Ausführungsform der Erfindung sieht die Verwendung azeotroper Gemische als Arbeitsmedium vor, wobei die Betriebsflüssigkeit des Verdichtersystems als Absorbens für eine der Gemischkomponenten wirkt. Wird bei der Verdichtung nämlich diese Komponente beim Durchgang des Gemischdampfes durch die Betriebsflüssigkeit extrahiert, so wird die bei deren Phasenübergang frei werdende oder verbrauchte Wärme auf die weiterhin dampfförmige Komponente übertragen, so dass die Temperaturveränderung im Verdichtersystem vergrößert wird, ohne dass eine Volumenverminderung nötig ist, d.h. Verdichtungsarbeit geleistet wird. Besonders hohe Temperatursprünge erreicht man durch Verwendung eines immobilisierten Lösemittels der zu absorbierenden Arbeitsmittelphase, wie z.B. ionische Lösemittel, so dass das Absorbens ohne weitere physikalisch-chemische Abtrennung in die Verdampfung zurückgeführt werden kann.
    •
  • Das erfindungsgemäße Verfahren wird in der beiliegenden Abbildung schematisch wiedergegeben. Aus dem Verdampfer (1) wird das Arbeitsmedium mit Hilfe des Verdichters (2), im Beispiel ist als Verdichtersystem eine Flüssigkeitsringpumpe gewählt, angesaugt, wobei das verdampfende Arbeitsmedium Wärme von außen über einen Wärmeaustausch aufnimmt und dadurch die Umgebung kühlt. Der im Verdichtersystem (2) verdichtete Brüden gelangt über einen Flüssigkeitsabscheider (3) und einen Aerosolabscheider (4) in den Kondensator (5), wo das Arbeitsmedium unter erhöhtem Druck kondensiert und dabei im Wärmeaustausch Wärme auf einem höheren Temperaturniveau abgibt. Vom Kondensator (5) gelangt das kondensierte Arbeitsmedium über das Entspannungsventil (6) wieder zurück zum Verdampfer (1) und der Kältemaschinenkreislauf ist geschlossen. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass das sich im Verdampferraum (1) ansammelnde Verdichteröl über das Ventil (7) in den Verdichter (2) zurückgeführt wird, ebenso wie die im Flüssigkeitsabscheider (3) und Aerosolabscheider (4) abgeschiedenen Bestandteile des als Pumpenflüssigkeit eingesetzten Öls.

Claims (28)

  1. Verfahren zur Realisierung einer Kältemaschine mit verbesserter Leistungsziffer, bei der die Thermokompression des als Arbeitsmedium verwendeten Kältemittels so durchgeführt wird, dass Verdichtung und Erwärmung in einem Verdichtersystem thermodynamisch in indirekt induzierter Abhängigkeit voneinander gesteuert werden können.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Thermokompression des Kältemittels mit flüssigkeitsüberlagerten Verdichtersystemen erfolgt, bei denen die Betriebsflüssigkeit keine Schmierfunktion, sondern nur eine Dichtfunktion erfüllt.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass als Betriebsflüssigkeit ein Medium verwendet wird, dessen Siedepunkt höher als die gewünschte Arbeitstemperatur des Arbeitsmediums liegt.
  4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Betriebsflüssigkeit im Betrieb auf einem Temperaturniveau gehalten wird, dass eine Kondensation des Arbeitsmediums in der Pumpenflüssigkeit ausgeschlossen wird.
  5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Arbeitsmedien Lösemittel oder Flüssigkeiten mit ausgewählten thermodynamischen Eigenschaften eingesetzt werden.
  6. Verfahren nach Anspruch 1 und 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Erwärmung des Arbeitsmediums durch Wärmeaustausch mit der Betriebsflüssigkeit des Verdichtersystems erfolgt.
  7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Arbeitsmedium über die Sättigung erwärmt wird.
  8. Verfahren nach Anspruch 6 und 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Arbeitsmedium nach der Verdichtung durch Zugabe von Flüssigkeit gesättigt wird.
  9. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass während der Verdichtung durch Zugabe von flüssigem Arbeitsmedium die Wärme durch Verdampfung abgeführt wird.
  10. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass als Verdichtersystem eine Flüssigkeitsringpumpe eingesetzt wird.
  11. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass als Verdichtersystem Schraubenverdichter oder Wälzkolbengebläse mit Einspritzung eingesetzt werden.
  12. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass als Betriebsflüssigkeit hochsiedende Silikonöle oder Weichmacher mit Viskositäten kleiner als 50 cst verwendet werden.
  13. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass eine Ringbegasung Überverdichtung verhindert.
  14. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das System über Flüssigkeitsdosierung thermisch gesteuert wird.
  15. Vorrichtung nach Anspruch 10 und 11, dadurch gekennzeichnet, dass dem Verdichter ein Flüssigkeitsabscheider nachgeschaltet ist.
  16. Vorrichtung nach Anspruch 10 und 11, dadurch gekennzeichnet, dass dem Flüssigkeitsabscheider ein Aerosolabscheider nachgeschaltet ist.
  17. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass dem Verdichtersystem ein Wärmetauscher als Verdampfer vor- und als Kondensator nachgeschaltet ist.
  18. Vorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass das Kondensat aus dem Kondensator über ein Ventil in den Verdampfer zurückgeführt wird.
  19. Vorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass im Verdampfer sich ansammelnde Öle in den Verdichter zurückgeführt werden.
  20. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass Arbeitsmedien mit deutlich größerer molarer Verdampfungswärme, bis zu 120 kJ/mol, als bei als herkömmlich üblichen Kältemitteln eingesetzt werden.
  21. Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass als Arbeitsmedium ein dem entsprechend ausgewähltes Kältemittel verwendet wird.
  22. Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass als Arbeitsmedium ein organisches Lösemittel verwendet wird.
  23. Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass als Arbeitsmedium ein azeotropes Lösemittelgemisch verwendet wird.
  24. Verfahren nach Anspruch 6 und 23, dadurch gekennzeichnet, dass eine der Gemischkomponenten in der Betriebsflüssigkeit absorbiert wird.
  25. Verfahren nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass die bei der Absorption der Komponente in der Betriebsflüssigkeit frei werdende oder verbrauchte Wärme auf die weiterhin dampfförmige Komponente übertragen wird.
  26. Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, dass die in einem nachgeschalteten Separator absorbierte Komponente wieder desorbiert wird.
  27. Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, dass die desorbierte Komponente zur Bildung des Azeotropgemisches mit dem Kondensat gemischt wird.
  28. Verfahren nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass als Betriebsflüssigkeit eine immobilisierte Phase des Azeotrops benutzt wird.
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