DE102004056298A1 - Kombinierter Kolben-Expander-Verdichter - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen kombinierten Kolben-Expander-Verdichter mit mehreren mittels einer Kolbenstange (4) mechanisch gekoppelten Kolben (3, 14) sowie einem Hauptschieber (6), einem Hilfsschieber (7) und einem Regelventil (9) zur Steuerung, welcher dadurch gekennzeichnet ist, dass der Hauptschieber (6) aus mehreren nicht miteinander verbundenen Schieberkörpern aufgebaut ist, wobei zwei äußere Schieberkörper (6a, 6b) vorgesehen sind. Zwischen den als kleiner Kolben (6a) und als großer Kolben (6b) ausgeführten äußeren Schieberkörpern sind Steuerkolben (6c) mit steuernden Kanten und einfache Schieberkörper (6d) derart in einer Flucht angeordnet, dass eine auf die äußeren Schieberkörper (6a, 6b) wirkende Druckdifferenz den Hauptschieber (6) selbsttätig mechanisch zusammenhält.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen kombinierten Kolben-Expander-Verdichter mit mehreren mittels einer Kolbenstange mechanisch gekoppelten Kolben. Derartige Vorrichtungen werden beispielsweise in thermodynamischen Linksprozessen zur Kopplung von Entspannung und Verdichtung von Kältemitteln in einem Kreisprozess eingesetzt.
  • Kombinierte Kolben-Expander-Verdichter sind insbesondere vorteilhaft einsetzbar für das Kältemittel Kohlendioxid. Kälteanlagen bzw. Wärmepumpen mit dem Kältemittel Kohlendioxid werden bevorzugt mit mehreren arbeitsleistenden Entspannungsschritten ausgeführt, deren Energie zur Verdichtung des Kohlendioxids auf einen höheren Druck genutzt wird.
  • Im Stand der Technik ist aus der DE 102 42 271 B3 eine Kolbenexpansionsmaschine bekannt, die nach dem Freikolbenprinzip für einen thermodynamischen Linksprozess mit arbeitsleistender Entspannung des Kältemittels offenbart. Dabei wird die Energie zur Verdichtung des Kältemittels auf die Hochdruckstufe erzeugt durch die arbeitsleistenden Entspannungen mehrerer Expander. Die Kolben der Kolbenexpansionsmaschine und des Hochdruckverdichters sind dabei mit einer gemeinsamen Kolbenstange mechanisch gekoppelt.
  • Die Verdichtungsstufe wird dabei bevorzugt zweistufig ausgeführt, wobei der Verdichter der Niederdruckstufe das Kältemittel auf Mitteldruck verdichtet und die anschließende Verdichtung auf Hochdruck durch die arbeitsleistende Entspannung mittels der gekoppelten Kolbenexpansionsmaschine vorgenommen wird.
  • Kombinierte Kolben-Expander-Verdichter mit mehrstufiger Entspannung sind konstruktiv und fertigungstechnisch sehr aufwendig gestaltete Vorrichtungen. Insbesondere haftet den bekannten Vorrichtungen der Nachteil an, dass die Fertigungstoleranzen bei mehreren auf einer Kolbenstange angeordneten Kolben und die zugehörigen, zur Steuerung erforderlichen Haupt- und Hilfsschieber sehr gering sein müssen, um das einwandfreie Funktionieren der Vorrichtungen zu ermöglichen. Die hohen Anforderungen an die Fertigungsqualität führen zu außergewöhnlich hohen Kosten und zudem zu sehr schwer handhabbaren Baugruppen, welche bei der Montage in der Praxis zu langen Montagezeiten und Nacharbeiten führen.
    •
  • Es ist Aufgabe der Erfindung, einen kombinierten Kolben-Expander-Verdichter derart konstruktiv weiterzubilden, dass die Fertigungs- und Montagekosten durch eine einfache und robuste Konstruktion gesenkt werden können. Weiterhin ist es Ziel der Erfindung mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung verschiedene Prozesse realisieren zu können.
  • Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen kombinierten Kolben-Expander-Verdichter mit mehreren mittels einer Kolbenstange mechanisch gekoppelten Kolben sowie einem Hauptschieber, einem Hilfsschieber und einem Regelventil zur Steuerung dadurch gelöst, dass der Hauptschieber aus mehreren nicht miteinander verbundenen Schieberkörpern aufgebaut ist. Dabei sind zwei äußere Schieberkörper vorgesehen, die als kleiner Kolben und als großer Kolben ausgeführt sind, wobei zwischen diesen äußeren Schieberkörpern Steuerkolben mit steuernden Kanten und einfache Schieberkörper angeordnet sind. Erfindungsgemäß führt eine auf die äußeren Schieberkörper wirkende Druckdifferenz dazu, dass der Hauptschieber selbsttätig mechanisch zusammenhält, ohne dass mechanische Verbindungen zwischen den einzelnen Schieberkörpern erforderlich sind.
  • Erfindungsgemäß ist weiterhin eine Mitnehmerplatte an der Kolbenstange vorgesehen, welche in Abhängigkeit der Totlagen der Kolbenstange in den Hilfsschieber eingreifend und diesen bewegend ausgebildet ist. Die Mitnehmerplatte wird dabei bevorzugt als kreisrunde konzentrische Federstahlplatte ausgebildet. Zwischen dem Hilfsschieber und dem Hauptschieber ist weiterhin ein Regelventil vorgesehen. Eine besonders bevorzugte Ausgestaltung konstruktiver Art lässt sich dadurch erreichen, dass alternierend Zylinderdeckel und Zylindergehäuse sowie abschließend ein Mitnehmergehäuse vorgesehen sind, welche durch Zuganker zusammengehalten werden. Zwischen den benachbarten Komponenten sind Dichtungen, insbesondere Metalldichtungen, vorgesehen. Die doppelt wirkenden Kolben des Expanders, der Hochdruckverdichterkolben sowie die zwischen den Kolben angeordneten Kolbenstangenhülsen sowie die Mitnehmerplatte sind mittels einer Zentralschraube miteinander verbunden. An den Kolben und an den Kolbenstangenhülsen sind bevorzugt Kolbenringe als Dichtelemente vorgesehen. Die Verbindung zwischen dem Hauptschieber und den Expansionszylindern sind als Überströmkanäle in Form von Bohrungen ausgeführt. Die Verbindung zwischen dem Hauptschieber und den Verbindern werden als gefräste Kanäle in Zylinderdeckeln bzw. Zylindergehäusen ausgeführt.
  • Die Konzeption der Erfindung besteht darin, dass durch den Aufbau des Hauptschiebers aus mehreren nicht miteinander verbundenen Schieberkörpern ein Vorrichtungselement entsteht, welches in besonders effizienter Weise aus Einzelteilen gefertigt werden kann, und welches in der Montage Stück für Stück, ohne zusätzliche mechanische Verbindungen untereinander in die Vorrichtung eingesetzt werden kann, so dass keine aufwendigen Zentrier- und Positionierarbeiten für die Montage des Hauptschiebers erforderlich sind. Damit entstehen aus fertigungstechnischer Sicht deutliche Kosten- und Zeitersparnisse.
  • Der Expander besteht bei mehrstufiger Entspannung erfindungsgemäß im Wesentlichen aus der Anzahl der Stufen entsprechend mehreren doppeltwirkenden Kolben, welche in den zugehörigen Zylindern angeordnet sind. Die Entspannungsarbeit des Expanders wird auf den ebenfalls doppeltwirkenden Kolben des Hochdruckverdichters über die gemeinsame Kolbenstange übertragen. Die Verwendung einer gemeinsamen Kolbenstange erfordert, dass durch entsprechende Ansätze an den Zylinderdeckeln alle Zylinder fluchten, um nicht übermäßig große Spiele vorhalten zu müssen. Kleine Spiele sind grundsätzlich wichtig für die innere Dichtheit der Maschine.
  • Des Weiteren wird im Gegensatz zu den bei Dampflokomotiven verwendetem separaten Steuerblock aus Hauptschieber mit Gehäuse mit relativ langen freien Überströmleitungen zu den Zylinderarbeitsräumen eine kompakte Bauweise mit paralleler Anordnung der Arbeits- und Schieberkolbenachsen realisiert, die auf Grund der damit sehr kurzen Überströmleitungen bei kleinem Schadraum große Querschnitte mit günstigen Strömungsverhältnissen bietet.
  • Der Grundgedanke der Erfindung besteht darin, dass ein mehrteiliger Hauptschieber verwendet wird, der aber stets durch entsprechende Druckkräfte der beiden äußeren Schieberkörper zusammengehalten werden muss. Der Hauptschieber besteht bevorzugt aus drei verschiedenen Schieberkörpertypen, wovon nur die doppelten Schieberkolben, die Steuerkolben, eine steuernde Funktion besitzen. Die äußeren Kolben, der kleine Kolben und der große Kolben, besitzen unterschiedliche Durchmesser für eine Umkehr der Kraftrichtung beim Umsteuern. Dabei ist der kleinere Kolben stets mit Hochdruck, der große jedoch wechselnd mit Hoch- bzw. Verdampferdruck beaufschlagt.
  • Dies wird mit dem Hilfsschieber realisiert, der kurz vor Erreichen der Totlagen der Kolbenstange durch eine Mitnehmerplatte bewegt wird. Diese ist als kreisrunde konzentrische Federstahlplatte ausgebildet und fest mit der Kolbenstange verbunden. Durch ein radiales Spiel der Mitnehmerplatte zur Verbindungsstange der beiden Anschläge des Hilfsschiebers ist garantiert, dass die Mitnehmerplatte den Hilfsschieber nur bei erreichen der Anschläge kurz vor der jeweiligen Totlage bewegt.
  • Zwischen Hilfs- und Hauptschieber befindet sich noch ein verstellbares Drosselventil, das Regelventil, mit dem über die Umsteuerzeit die Verweilzeit in den Totlagen verändert werden kann. Dadurch wird die Frequenz des Expanders und somit der Durchsatz beeinflussbar, so dass beispielsweise die Überhitzung am Verdampfer geregelt werden kann.
  • Die inneren Hautschieberkörper besitzen sogenannte steuernde Kanten und steuern in den Totlagen die Druckbeaufschlagung der Arbeitskolben entsprechend der Bewegungsrichtung um. Auf diese Art wird ein mehrstufiges Volldruckprinzip realisiert, das durch ein Füllen und Ausschieben über dem gesamten Hub gekennzeichnet ist und der einstufigen Expansionssteuerung mit teilweiser Füllung in der Effektivität in nichts nachsteht. Der entscheidende Vorteil lieg in der einfachen Steuerung und dem besseren Kraftverlauf bei direkter Kopplung von Expander und Verdichter.
    •
  • Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen mit Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen. Es zeigen:
  • 1: kombinierter Kolben-Expander-Verdichter im Querschnitt,
  • 2: erfindungsgemäße Vorrichtung in der Schnittdarstellung A-A in Bezug auf 1 im Querschnitt,
  • 3: Explosivdarstellung vom Hauptschieber 6 mit seinen Bestandteilen, kleiner Kolben 6a, großer Kolben 6b und Steuerkolben 6c sowie den einfachen Schieberkörpern 6d,
  • 4: Zylindergehäuse im Querschnitt in der Schnittkonfiguration B-B in Bezug auf 1,
  • 5: Querschnitt des Mitnehmergehäuses im Schnitt C-C in Bezug auf 1,
  • 6a: Kreisprozess im Fließschema mit einstufiger Entspannung,
  • 6b: bevorzugter Kreisprozess für die Anwendung des kombinierten Kolben-Expander-Verdichters und
  • 6c: Kreisprozess, bei dem eine parallele Entspannung ausgeführt wird.
  • In 1 ist ein erfindungsgemäßer kombinierter Kolben-Expander-Verdichter im Querschnitt dargestellt. Grundsätzlich besteht der kombinierte Kolben-Expander-Verdichter aus mehreren Zylinderdeckeln 5, Zylindergehäusen 10 und dem Mitnehmergehäuse 11. Die Zylinder der Expansionsstufen sind entsprechend dem Temperaturgradienten aufgereiht. Die Bauteile werden durch Zuganker 12 zusammengehalten. Zwischen den Gehäuseteilen befinden sich dünne, weiche Metalldichtungen 13. Die Kolben von Expanderstufen 3 und Hochdruckverdichter 14, der Mitnehmerplatte 8 und Kolbenstangenhülsen 15 werden durch eine Zentralschraube 16 zusammen gehalten. Alle Arbeits- und Schieberkolben 3, 14, 6a, 6b, 6c, 6d bzw. Kolbenstangenhülsen 15 besitzen Kolbenringe 17 als Dichtelemente. Auf Grund der Länge der Bohrung werden auch an den Kolbenstangenhülsen 15 Kolbenringe 17 als Dichtelemente verwendet.
  • In den Gehäuseteilen sind außerdem zahlreiche Bohrungen vorhanden, die beispielsweise das Mitnehmergehäuse 11 an den Verdampferdruck p0 und den kleinen Kolben 6a am Hauptschieber 6 an den Hochdruck pH anschließen. Ebenso sind die Druckanschlüsse am Hilfsschieber 7 realisiert.
  • Während die Überströmkanäle zwischen Hauptschieber 6 und den Expansionszylindern durch die Zylindergehäuse 10 als Bohrungen ausgeführt sind, dienen eingefräste Kanäle in den Zylinderdeckeln und Zylindergehäusen 5, 10 als Verbindung zum Verbinder 18.
  • In den Zylindergehäusen 10 sind optional Anschlüsse für Kältemittelleitungen vorgesehen, wodurch eine universelle Verwendung der Vorrichtung für verschiedene Schaltungen innerhalb von realisierbaren Prozessen ermöglicht wird.
  • Der Hochdruckverdichterkolben 14 komprimiert Kältemittel vom Mitteldruck auf Hochdruck, wobei die mechanische Energie für den Verdichtungsvorgang durch die Entspannung des Kältemittels über die doppelt wirkenden Kolben 3 in den einzelnen Arbeitsräumen E1, E2 und E3 zur Verfügung gestellt wird.
  • In 2 wird die erfindungsgemäße Vorrichtung in der Schnittdarstellung A-A mit Bezug auf 1 im Querschnitt dargestellt. Der Hauptschieber 6 ist in der Verbindung mit dem Hilfsschieber 7 und dem Regelventil 9 abgebildet. Die Strömungsrichtungen des Kältemittels sind beispielhaft an den Ein- und Ausgängen durch Pfeile gekennzeichnet.
  • Der Hauptschieber 6 mit seinen Bestandteilen, kleiner Kolben 6a, großer Kolben 6b und Steuerkolben 6c sowie den einfachen Schieberkörpern 6d, ist in Explosivdarstellung in 3 gezeigt.
  • Die Schieberkörper sind gemäß der Konzeption der Erfindung nicht miteinander mechanisch verbunden. Die Schieberkörper werden über eine Druckdifferenz zwischen dem auf den kleinen Kolben 6a und auf den großen Kolben 6b wirkenden Kältemittel zusammengehalten.
  • Der kleine Kolben 6a ist dabei erfindungsgemäß immer unter Hochdruckbeaufschlagung, wohingegen der große Kolben 6b wechselweise mit Verdampfungsdruck oder Hochdruck beaufschlagt ist.
  • Die Steuerkolben 6c sind doppelt wirkend und besitzen steuernde Kanten. Sie werden genau wie die einfachen Schieberkörper 6d mit Kolbenringen 17 gedichtet. Je nach der Anzahl der Expansionsstufen sind eine Anzahl von Steuerkolben 6c vorzusehen, zwischen denen jeweils einfache Schieberkörper 6d angeordnet sind. An den äußeren Enden werden die Steuerkolben bzw. wird der Hauptschieber vom kleinen Kolben 6a bzw. vom großen Kolben 6b begrenzt. Besonders vorteilhaft ist diese Ausgestaltung, weil die einzelnen Steuerkolben 6c konstruktiv identisch ausgebildet sind, und auch die einfachen Schieberkörper 6d sind jeweils von identischer Bauart, was die Herstellungskosten für die Vorrichtung aufgabengemäß reduziert.
  • Nach einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung sind der kleine Kolben 6a und die einfachen Schieberkörper 6d konstruktiv identisch ausgeführt, was die Kosten für die Vorrichtung nochmals reduziert.
  • In 4 wird das Zylindergehäuse des Hochdruckverdichters im Querschnitt in der Schnittkonfiguration B-B in Bezug auf 1 dargestellt. Die Federn 1 und die selbsttätigen Kugelventile 2 sind in dieser Darstellung erkennbar.
  • 5 zeigt einen Querschnitt des Mitnehmergehäuses 11 im Schnitt C-C mit Bezug auf 1. Die Mitnehmerplatte 8 sowie der Hilfsschieber 7 sind in der Draufsicht zu sehen. Ebenfalls dargestellt sind die Zuganker 12, welche sich vom Mitnehmergehäuse 11 durch das gesamte Gehäuse des Kolben-Expander-Verdichters erstrecken.
  • 6a zeigt einen Kreisprozess im Fließschema, welcher prinzipiell mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung realisierbar ist.
  • 6b zeigt eine bevorzugte Anwendung des in den Figuren 1 bis 5 dargestellten kombinierten Kolben-Expander-Verdichters, wobei drei Expansionsstufen vorgesehen sind und zwischen der zweiten und dritten Expansionsstufe eine Flüssigkeitsabscheidung vorgesehen ist.
  • In der Praxis werden meist die Verdampfer sehr weit von den restlichen Baugruppen der Kälteanlagen entfernt sein, weshalb es notwendig ist, Kältemittel nahe der Umgebungstemperatur mit geringem Wärmeeinfall zu den Verdampfern zu transportieren. Dabei wird nur die Flüssigkeit aus dem Abscheider zwischen zweiter und dritter Expansionsstufe zu den Drosselventilen der Verdampfer geleitet, da diese den überwiegenden Anteil an Verdampfungswärme aufnehmen kann. Der Dampfanteil besitzt zudem den Hauptanteil an Arbeitsvermögen und wird in der nachfolgenden Stufe arbeitsleistend entspannt und kühlt anschließend noch den Flüssigkeitsstrom aus dem Abscheider.
  • Zur Realisierung der Prozesse gemäß 6a und 6b wird der Verbinder zwischen zweiter (E2) und dritter (E3) Expansionsstufe aufgetrennt und die Anschlüsse nach außen geführt. Im Fall der Ausführung nach 6a wird eine Rohrverbindung installiert, im Fall der Ausführung nach 6b entsprechend der Abscheider angeschlossen.
  • 6c schließlich zeigt einen Prozess, bei dem eine parallele Entspannung ausgeführt wird, was zu einer Leistungszahlsteigerung führt. Auch für diesen Prozess lässt sich der kombinierte Kolben-Expander-Verdichter vorteilhaft einsetzen, da die notwendigen Arbeitsräume in der dargestellten Ausgestaltung der Erfindung prinzipiell vorhanden sind.
  • Die Wirkungsweise des erfindungsgemäßen kombinierten Kolben-Expander-Verdichters kann folgendermaßen umrissen werden:
    Nachdem der Niederdruckverdichter M gemäß 6b gestartet wurde, strömt zunächst Gas in die Zylinder des Hochdruckverdichters H, da dieser mit selbsttätigen – federbelasteten Kugelventilen 1, 2 ausgestattet ist, die bei einem Druckgefälle in der gewünschten Strömungsrichtung öffnen. Da der Expander in diesem Fall noch steht werden auch die Druckventile des Hochdruckverdichters das Gas zunächst durchlassen, wodurch sich nach kurzer Zeit die Druckdifferenz über dem Expander aufbaut, wobei dieser anläuft und die Verdichtung beginnt. Entsprechend der thermodynamischen Auslegung stellen sich später die gewünschten Drücke ein.
    • 1
    Federn
    2
    selbsttätige Kugelventile
    3
    doppelt wirkende Kolben des Expanders
    4
    gemeinsame Kolbenstange
    5
    Zylinderdeckel
    6
    Hauptschieber
    6a
    kleiner Kolben
    6b
    großer Kolben
    6c
    Steuerkolben
    6d
    einfache Schieberkörper
    7
    Hilfsschieber
    8
    Mitnehmerplatte
    9
    Regelventil für Arbeitsfrequenz
    10
    Zylindergehäuse
    11
    Mitnehmergehäuse
    12
    Zuganker
    13
    Metalldichtungen
    14
    Hochdruckverdichterkolben
    15
    Kolbenstangenhülsen
    16
    Zentralschraube
    17
    Kolbenringe
    18
    Verbinder
    E1
    Arbeitsräume
    E2
    Arbeitsräume
    E3
    Arbeitsräume
    M
    Niederdruckverdichter
    H
    Hochdruckverdichter

Claims (8)

  1. Kombinierter Kolben-Expander-Verdichter mit mehreren mittels einer Kolbenstange (4) mechanisch gekoppelten Kolben (3, 14) sowie einem Hauptschieber (6), einem Hilfsschieber (7) und einem Regelventil (9) zur Steuerung, dadurch gekennzeichnet, dass der Hauptschieber (6) aus mehreren nicht miteinander verbundenen Schieberkörpern aufgebaut ist, wobei zwei äußere Schieberkörper (6a, 6b) vorgesehen sind die als kleiner Kolben (6a) und als großer Kolben (6b) ausgeführt sind und dass zwischen den äußeren Schieberkörpern (6a, 6b) Steuerkolben (6c) mit steuernden Kanten und einfache Schieberkörper (6d) derart in einer Flucht angeordnet sind, dass eine auf die äußeren Schieberkörper (6a, 6b) wirkende Druckdifferenz den Hauptschieber (6) selbsttätig mechanisch zusammenhält.
  2. Kolben-Expander-Verdichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Mitnehmerplatte (8) an der Kolbenstange (4) vorgesehen ist, welche vor den Totlagen der Kolbenstange (4) in den Hilfsschieber (7) eingreifend und diesen bewegend ausgebildet ist.
  3. Kolben-Expander-Verdichter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Mitnehmerplatte (8) als kreisrunde konzentrische Federstahlplatte ausgebildet ist.
  4. Kolben-Expander-Verdichter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Hilfsschieber (7) und Hauptschieber (6) ein Regelventil (9) vorgesehen ist.
  5. Kolben-Expander-Verdichter nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass alternierend Zylinderdeckel (5) und Zylindergehäuse (10) sowie abschießend ein Mitnehmergehäuse (11) vorgesehen sind, welche durch Zuganker (12) zusammengehalten werden.
  6. Kolben-Expander-Verdichter nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den benachbarten Komponenten (5, 10, 11) Metalldichtungen (13) vorgesehen sind.
  7. Kolben-Expander-Verdichter nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die doppelt wirkenden Kolben (3) des Expanders, der Hochdruckverdichterkolben (14), die zwischen den Kolben angeordneten Kolbenstangenhülsen (15) sowie die Mitnehmerplatte (8) mittels einer Zentralschraube (16) miteinander verbunden sind.
  8. Kolben-Expander-Verdichter nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass an den Kolbenstangenhülsen (15) Kolbenringe (17) als Dichtelemente vorgesehen sind.
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