DE102005016180B4

DE102005016180B4 - Verfahren und Vorrichtung an einer Kälteanlage mit mehreren Schraubenverdichtern

Info

Publication number: DE102005016180B4
Application number: DE102005016180.4A
Authority: DE
Inventors: Dr. Mosemann Dieter; Peter Kolberg; Klaus-Joachim Grasse
Original assignee: GEA Grasso GmbH
Current assignee: GEA Refrigeration Germany GmbH
Priority date: 2005-04-08
Filing date: 2005-04-08
Publication date: 2015-08-20
Anticipated expiration: 2025-04-09
Also published as: DE102005016180A1

Abstract

Anordnung in einer Kälteanlage mit Schraubenverdichtern, die einen Regelschieber und einen Economizeranschluss haben, mit einem Verflüssiger, mit Zwischendruckbehältern, mit einem Verdampfer oder einem Flüssigkeitsabscheider, mit Regelorganen zwischen Verflüssiger und Zwischendruckbehälter und zwischen Zwischendruckbehälter und Verdampfer oder Flüssigkeitsabscheider, wobei die Zwischendruckbehälter über Rohrleitungen mit dem Economizeranschluss verbunden sind und der Economizeranschluss in der Volllaststellung des Regelschiebers keine Verbindung zur Saugseite des Verdichters aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen jedem Zwischendruckbehälter und jedem Economizeranschluss eines jeden Verdichters eine steuerbare Regeleinrichtung in Form einer fremdenergiebetriebenen Ventilkombination angeordnet ist, die zur Vergrößerung oder Verkleinerung der Durchflussmenge in Abhängigkeit von Betriebsparametern der Kälteanlage mittels eines in der Kälteanlage angeordneten Regelsystem signaltechnisch verbunden ist, und dieses Regelsystem mit weiteren Verstellorganen in Form von fremdenergiebetriebenen Ventileinrichtungen zur Verstellung von Regelschiebern in jedem Verdichter signaltechnisch verbunden ist, wobei die Kälteleistung der Kälteanlage durch Verstellen der Ventilkombinationen und der Regelschieber iin Richtung größerer und in Richtung kleinerer Kälteleistung variiebar ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung in oder an einer Kälteanlage mit mehr als einem Schraubenverdichter, die mit Economizer betrieben werden. Solche Kälteanlagen haben zu mindestens zwei Verdichter, einen Kondensator, einen Zwischendruckbehälter, einen Verdampfer oder einen Flüssigkeitsabscheider, und zwischen Verflüssiger und Zwischendruckbehälter Regelorgane und zwischen Zwischendruckbehälter und Verdampfer oder Flüssigkeitsabscheider weitere Regelorgane.
Der Zwischendruckbehälter ist über Rohrleitungen mit einem Gehäuseanschluss, dem Economizeranschluss, an den Verdichtern verbunden, wobei der Gehäuseanschluss bei Volllastbetrieb des Verdichters keine Verbindung zur Saugseite des Verdichters aufweist. Die Schraubenverdichter haben jeweils ein im Gehäuse angeordnetes Regelventil, den Regelschieber, durch dessen Verstellung sich das Fördervolumen des Verdichters zwischen einer Minimum- und Maximum-Größe ändern lässt. Das Kältemittel wird nach seiner Verflüssigung auf der Hochdruckseite der Kälteanlage in dem beschriebenen System zunächst in den Zwischendruckbehälter entspannt. Das Kältemittel zerfällt in einen Dampfanteil, das Flashgas, und einen Flüssigkeitsanteil. Der Flashgasanteil wird zum Economizeranschluss geführt und in den Verdichter eingespeist, ohne den Ansaugvolumenstrom des Verdichters auf seiner Niederdruckseite wesentlich zu beeinflussen. Der Flüssigkeitsanteil wird in den Verdampfer oder in einen Flüssigkeitsabscheider entspannt. Die Anteile zwischen Flashgas und Flüssigkeit im Zwischendruckbehälter hängen ab von den Drücken im Kondensator und im Zwischendruckbehälter.
Bei einer Kälteanlage der beschriebenen Anordnung wird die Leistung bekanntermaßen dadurch reduziert, dass das Regelorgan im Verdichter in Richtung weniger Förderstrom verschoben wird. Dadurch verschlechtert sich nachteilig die Effizienz der Kälteanlage, da sich aus dem Zwischendruckbehälter am Economizeranschluss einströmendes Kältemittel auf den Ansaugzustand des Verdichters entspannt und von dort aus, von der Niederdruckseite des Verdichters, nachteilig wieder auf Kondensationsdruck verdichtet werden muss.”
Kälteanlagen der beschriebenen Anordnung werden mit unterschiedlichen Zeilsetzungen ausgeführt. In DE 101 38 255 A1 und EP 1 134 514 A1 werden Kaskaden-Kälteanlagen mitSchraubenverdichtern beschrieben. Gemäß DE 101 38 255 A1 führt ein Zwischendruck-Wärmeübertrager des oberen Kältekreislaufes der Kaskaden-Kälteanlage die Enthitzung ausdem unteren Kältekreislauf der Kaskaden-Kälteanlage ab, in DD 137 964 A1 ist eine Wärmepumpe mit Schraubenverdichter beschrieben, worin ein Zwischendruck-Wärmeübertrager die Ölkühlungswärme aufnimmt und die Wärmeabgabe der Wärmepumpe vergrößert.
DD 241 775 A1 betrifft eine mehrstufige Kälteanlage mit Schraubenverdichtern, in der ein spezieller Apparat zur Zwischendruckentspnnung, Sammlung und Unterkühlung von flüssigem Kältemittel vorgeschlagen wird.
Diese sehr verschiedenen technischen Lösungen haben alle denselben Nachteil, da der Effekt der Zwischendruckeinspeisung dann verloren geht, wenn Schraubenverdichter mit Regelschieber bei Teillast betrieben werden.
Das Ziel der Erfindung besteht darin, für eine Mehrmaschinenanlage ein sinnvolles Verfahren und eine Anordnung zu schaffen, bei der die maximal mögliche Leistungszahl der Kälteanlage im Teillastbetrieb erreicht wird.
Gelöst wird die Aufgabe durch die Merkmale des Anspruchs 1.
Das Wesen der Erfindung besteht darin, dass jeder Verdichter, der in der Kälteanlage für Kältemittel mit sehr hohem Flashgasanteil, zum Beispiel R507 oder R404A, und Kälteanlagen, die mit großen Betriebsdruckverhältnissen betrieben wird, bei denen der Flashgasanteil mehr als 50% des Massenstromes des Verdichters auf der Saugseite beträgt, mit seinem Economizeranschluss aa einem jeweils ihm zugeordneten Zwischendruckbehälter angeschlossen ist über eine Rohrleitung, in der eine steuerbare Regeleinrichtung, eine Ventilkombination vorhanden ist. Diese Ventilkombination ist vorteilhaft so ausgestaltet, dass sie bestehend aus Hauptventil und einem an sich bekanntem Pilotventil eine steuerbare Regeleinrichtung bildet. Die steuerbare Regeleinrichtung kann gemäß der Erfindung auch als an sich bekanntes Motorregelventil ausgeführt werden, das durch einen Saugdruckregler gesteuert wird, sich also in Abhängigkeit der Kälteleistungsanforderung, öffnet oder schließt, wodurch der Druck im Zwischendruckbehälter sinkt oder steigt. Das führt zur Änderung des Flashgasvolumens vom Zwischedruckbehälter zu den Economiseranschlüssen der Verdichter. Die Ventilkombination beeinflußt den Durchfluss in dieser Rohrleitung und kann damit den Druck im Zwischendruckbehälter verändern.
Die beschriebene Anordnung wird erfindungsgemäß über ein in der Kälteanlage angeordnetes Regelsystem gesteuert, um die Kälteleistung zu vergrößern oder zu verkleinern. Durch Veränderung der Durchflussmenge an der Regeleinrichtung, der Ventilkombination, zum Beispiel durch Reduzieren der Durchflussmenge, durch erhöhte Drosselung der Ventilkombination, wird der Druck im Zwischendruckbehälter angehoben, dadurch reduziert sich die Flashgasmenge, die zu den Verdichtern geführt wird. Der Druck im Zwischendruckbehälter wird durch Drosselung an der Steuer- oder Ventilkombination maximal soweit angehoben, dass die Funktion der Kälteanlage, das heißt der Flüssigkeitstransport vom Verflüssiger zu den jeweiligen Zwischendruckbehältern und von den Zwischendruckbehältern zum Flüssigkeitsabscheider oder Verdampfern, noch gewährleistet wird. Durch Anhebung des Druckes im Zwischendruckbehälter reduziert sich die Kälteleistung der Gesamtanlage soweit, bis die minimal zulässige Druckdifferenz erreicht ist, die für den Flüssigkeitstransport erforderlich ist.
Zur Leistungsreduzierung einer Anlage aus dem Zustand der höchsten Kälteleistung heraus werden alle Ventilkombinationen derart gesteuert, dass der Drosseleffekt zunimmt und dadurch der Volumenstrom durch die jeweilige Ventilkombination reduziert wird, so dass der Druck in allen Zwischendruckabscheidern ansteigt, wodurch sich die Kälteleistung der Anlage reduziert. Bei weiterer Reduzierung der Kälteleistung durch Anheben des Druckes in allen Zwischendruckbehältern, wird auch die oben beschriebene minimal zulässige Druckdifferenz zwischen Verflüssiger und den Zwischendruckbehältern erreicht, die nötig ist, um den sicheren Betrieb der Anlage zu gewährleisten, insbesondere den Flüssigkeitstransport. Ist diese Druckdifferenz erreicht, wird zur weiteren Leistungsreduzierung ein Verdichter mit seinem Zwischendruckbehälter vollständig außer Betrieb genommen, wie es üblicherweise bei einer Einzelmaschine üblich ist, indem der Verdichter aus der Volllaststellung des Regelschiebers über ein Softstoppregime in eine vordefinierte Teillastposition gefahren wird. Bei Erreichen dieser Position wird der Antriebsmotor ausgeschaltet. Durch die Abschaltung dieses Verdichters ändert sich die Kälteleistung in dem Gesamtsystem, wodurch die Kälteleistung der anderen Verdichter zum Ausgleich anzuheben ist. Das geschieht durch weniger Drosselung an den noch in Funktion befindlichen Ventilkombinationen, also Öffnen der Ventilkombinationen, so dass der Druck in den in Funktion befindlichen Zwischendruckbehältern wieder abgesenkt wird und die Flashgasmenge aus den Zwischendruckbehältern zu den Economizeranschlussstellen der im Betrieb befindlichen Verdichter ansteigt. Bei weiter absinkender Leistung wird der Druck in den in Funktion befindlichen Zwischendruckbehältern durch Reaktion an der Ventilkombination wieder bis zu einem vordefinierten Grenzwert des Zwischendruckes angehoben und dann der nächste Verdichter mit seinem Zwischendruckbehälter, wie oben beschrieben, abgeschaltet. Der letzte Verdichter, der dann übrig bleibt im sehr kleinen Lastbereich wird so, wie im ersten Verfahren beschrieben, betrieben, das heißt, es fährt mit seinem Zwischendruckbehälter über Ventilkombination, die eine vordefinierte Druckdifferenz zwischen Verflüssiger und Zwischendruckbehälter regelt oder beziehungsweise höchstmöglichen Druck im Zwischendruckbehälter, wie oben beschrieben, regelt. Der Regelschieber des Verdichters wird zwecks weiterer Leistungsverkleinerung ins Teillastgebiet verschoben. Die Vergrößerung der Leistung nach dem Start des ersten Verdichters oder die Regelung eines Betriebsparameters zu mehr Kälteleistung verläuft analog jedoch jeweils in der umgekehrten Reihenfolge.
Nachdem der Regelschieber des ersten Verdichters seine maximale Position erreicht hat, wird zwecks weiterer Vergrößerung der Kälteleistung der Druck im Zwischendruckbehälter durch Öffnen der Ventilkombination abgesenkt, bis die Ventilkombination vollständig geöffnet ist.
Danach startet der zweite Verdichter mit seinem Zwischendruckbehälter, falls eine weitere Vergrößerung der Kälteleistung erforderlich ist. Nach dem Start wird der Regelschieber unabhängig von der Kälteleistungsanforderung in mehreren Stellschritten in seine Volllastposition gefahren. Zeitgleich zu diesem Vorgang wird der Kälteleistungsanstieg, der durch den zweiten Verdichter bedingt ist, durch Drosselung der Ventilkombinationen ausgeglichen, die in Abhängigkeit der Regelgröße für die Kälteleistung, zum Beispiel des Verdampferdruckes, geregelt wird. In der beschriebenen Phase würde die Ventilkombination die Drosselwirkung vergrößern und damit den Druck im Zwischendruckbehälter anheben, wodurch die Flashgasmenge verkleinert und damit die Kälteleistung reduziert wird.
Die Erfindung soll nachstehend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden: Die zugehörige Zeichnung zeigt das Schaltschema einer Kälteanlage mit mehreren Schraubenverdichtern und jedem Schraubenverdichter zugeordneten Zwischendruckbehälter. Jeder Verdichter 11 ist mit seinem Economizeranschluss 7 an einem jeweils ihm zugeordneten Zwischendruckbehälter 3 angeschlossen und über eine Rohrleitung, in der eine steuerbare Regeleinrichtung, eine Ventilkombination 4, vorhanden ist. Diese Ventilkombination 4 ist vorteilhaft so ausgestaltet, dass sie bestehend aus Hauptventil und einem an sich bekanntem Pilotventil eine elektronisch steuerbare Regeleinrichtung bildet. Die steuerbare Regeleinrichtung kann gemäß der Erfindung auch als an sich bekanntes Motorregelventil ausgeführt werden, das durch einen Saugdruckregler gesteuert wird, sich also in Abhängigkeit der Kälteleistungsanforderung, öffnet oder schließt, wodurch der Druck 9 im Zwischendruckbehälter 3 sinkt oder steigt. Das führt zur Änderung des Flashgasvolumens vom Zwischedruckbehälter zu den Economiseranschlüssen 7 der Verdichter 11. Die Ventilkombination 4 beeinflußt den Durchfluss in dieser Rohrleitung und kann damit den Druck 9 im Zwischendruckbehälter 3 verändern. Die beschriebene Anordnung wird erfindungsgemäß über ein in der Kälteanlage angeordnetes Regelsystem 12 gesteuert, um die Kälteleistung zu vergrößern oder zu verkleinern. Durch Veränderung der Durchflussmenge an der Regeleinrichtung, Ventilkombination 4, zum Beispiel durch Reduzieren der Durchflussmenge, durch erhöhte Drosselung der Ventilkombination 4, wird der Druck 9 im Zwischendruckbehälter 3 angehoben, dadurch reduziert sich die Flashgasmenge, die zu den Verdichtern 11 geführt wird. Der Druck 9 im Zwischendruckbehälter 3 wird durch Drosselung an der Ventilkombination 4 maximal soweit angehoben, dass die Funktion der Kälteanlage, das heißt der Flüssigkeitstransport vom Verflüssiger 1 zum Zwischendruckbehälter 3 und vom Zwischendruckbehälter 3 zum Flüssigkeitsabscheider 6 oder den Verdampfern 6, noch gewährleistet wird. Durch Anhebung des Druckes 9 im Zwischendruckbehälter 3 reduziert sich die Kälteleistung der Gesamtanlage soweit, bis die minimal zulässige Druckdifferenz erreicht ist, die für den Flüssigkeitstransport erforderlich ist.
Zur Leistungsreduzierung einer Anlage aus dem Zustand der höchsten Kälteleistung heraus werden alle Ventilkombinationen 4 derart gesteuert, dass der Drosseleffekt zunimmt und dadurch der Volumenstrom durch die jeweilige Ventilkombination 4 reduziert wird, so dass der Druck 9 in allen Zwischendruckabscheidern 3 ansteigt, wodurch sich die Kälteleistung der Anlage reduziert. Bei weiterer Reduzierung der Kälteleistung durch Anheben des Druckes 9 in allen Zwischendruckbehältern 3, wird auch die oben beschriebene minimal zulässige Druckdifferenz zwischen Verflüssiger 1 und den Zwischendruckbehältern 3 erreicht, die nötig ist, um den sicheren Betrieb der Anlage zu gewährleisten, insbesondere den Flüssigkeitstransport. Ist diese Druckdifferenz erreicht, wird zur weiteren Leistungsreduzierung ein Verdichter 11 mit seinem Zwischendruckbehälter 3 vollständig außer Betrieb genommen, wie es üblicherweise bei einer Einzelmaschine üblich ist, indem der Verdichter 11 aus der Volllaststellung des Regelschiebers über ein Softstoppregime in eine vordefinierte Teillastposition gefahren wird. Bei Erreichen dieser Position wird der Antriebsmotor ausgeschaltet. Durch die Abschaltung dieses Verdichters 11 ändert sich die Kälteleistung in dem Gesamtsystem, wodurch die Kälteleistung der anderen Verdichter 11 zum Ausgleich anzuheben ist. Das geschieht durch weniger Drosselung an den noch in Funktion befindlichen Ventilkombinationen 4, also Öffnen der Ventilkombinationen 4, so dass der Druck 9 in den in Funktion befindlichen Zwischendruckbehältern 3 wieder abgesenkt wird und die Flashgasmenge aus den Zwischendruckbehältern 3 zu den Economizeranschlussstellen 7 der im Betrieb befindlichen Verdichter 11 ansteigt. Bei weiter absinkender Leistung wird der Druck 9 in den in Funktion befindlichen Zwischendruckbehältern 3 durch Reaktion an der Ventilkombination 4 wieder bis zu einem vordefinierten Grenzwert des Zwischendruckes angehoben und dann der nächste Verdichter 11 mit seinem Zwischendruckbehälter 3, wie oben beschrieben, abgeschaltet. Der letzte Verdichter 11, der dann übrig bleibt im sehr kleinen Lastbereich wird so, wie im ersten Verfahren beschrieben, betrieben, das heißt, es fährt mit seinem Zwischendruckbehälter 3 über Ventilkombination 4, die eine vordefinierte Druckdifferenz zwischen Verflüssiger 1 und Zwischendruckbehälter 3 regelt oder beziehungsweise höchstmöglichen Druck 9 im Zwischendruckbehälter 3, wie oben beschrieben, regelt. Der Regelschieber des Verdichters 11 wird zwecks weiterer Leistungsverkleinerung ins Teillastgebiet verschoben.
Die Vergrößerung der Leistung nach dem Start des ersten Verdichters 11 oder die Regelung eines Betriebsparameters zu mehr Kälteleistung verläuft analog jedoch jeweils in der umgekehrten Reihenfolge.
Nachdem der Regelschieber des ersten Verdichters 11 seine maximale Position erreicht hat, wird zwecks weiterer Vergrößerung der Kälteleistung der Druck 9 im Zwischendruckbehälter 3 durch Öffnen der Ventilkombination 4 abgesenkt, bis die Ventilkombination 4 vollständig geöffnet ist.
Danach startet der zweite Verdichter 11 mit seinem Zwischendruckbehälter 3, falls eine weitere Vergrößerung der Kälteleistung erforderlich ist. Nach dem Start wird der Regelschieber unabhängig von der Kälteleistungsanforderung in mehreren Stellschritten in seine Volllastposition gefahren. Zeitgleich zu diesem Vorgang wird der Kälteleistungsanstieg, der durch den zweiten Verdichter 11 bedingt ist, durch Drosselung der Ventilkombinationen 4 ausgeglichen, die in Abhängigkeit der Regelgröße für die Kälteleistung, zum Beispiel des Verdampferdruckes 10, geregelt wird. In der beschriebenen Phase würde die Ventilkombination 4 die Drosselwirkung vergrößern und damit den Druck 9 im Zwischendruckbehälter 3 anheben, wodurch die Flashgasmenge verkleinert und damit die Kälteleistung reduziert wird.
Bezugszeichenliste

1: Verflüssiger, Kondensator
2: Regelorgan, zwischen Verflüssiger und Zwischendruckbehälter
3: Zwischendruckbehälter
4: Ventilkombination
5: Regelorgan, zwischen Zwischendruckbehälter und Verdampfer oder Flüssigkeitsabscheider
6: Verdampfer oder Flüssigkeitsabscheider
7: Economizeranschluss
9: Druck im Zwischendruckbehälter pz
10: Verdampferdruck po
11: Verdichter
12: Regelsystem

Claims

Anordnung in einer Kälteanlage mit Schraubenverdichtern, die einen Regelschieber und einen Economizeranschluss haben, mit einem Verflüssiger, mit Zwischendruckbehältern, mit einem Verdampfer oder einem Flüssigkeitsabscheider, mit Regelorganen zwischen Verflüssiger und Zwischendruckbehälter und zwischen Zwischendruckbehälter und Verdampfer oder Flüssigkeitsabscheider, wobei die Zwischendruckbehälter über Rohrleitungen mit dem Economizeranschluss verbunden sind und der Economizeranschluss in der Volllaststellung des Regelschiebers keine Verbindung zur Saugseite des Verdichters aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen jedem Zwischendruckbehälter und jedem Economizeranschluss eines jeden Verdichters eine steuerbare Regeleinrichtung in Form einer fremdenergiebetriebenen Ventilkombination angeordnet ist, die zur Vergrößerung oder Verkleinerung der Durchflussmenge in Abhängigkeit von Betriebsparametern der Kälteanlage mittels eines in der Kälteanlage angeordneten Regelsystem signaltechnisch verbunden ist, und dieses Regelsystem mit weiteren Verstellorganen in Form von fremdenergiebetriebenen Ventileinrichtungen zur Verstellung von Regelschiebern in jedem Verdichter signaltechnisch verbunden ist, wobei die Kälteleistung der Kälteanlage durch Verstellen der Ventilkombinationen und der Regelschieber iin Richtung größerer und in Richtung kleinerer Kälteleistung variiebar ist.
Anordung in einer Kälteanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ventilkombination so ausgestaltet ist, dass sie bestehend aus Hauptventil und Pilotventil eine elektronisch steuerbare Regeleinrichtung bildet.
Anordung in einer Kälteanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ventilkombination 4 ein durch einen Saugdruckregler gesteuertes Motorregelventil ausgeführt ist.
Verfahren zur Vergrößerung oder Verkleinerung der Kälteleistung einer Kälteanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass erstens die Leistungsreduzierung der Kälteanlage aus dem Zustand der höchsten Kälteleistung heraus durch zunehmende Drosselung der steuerbaren Ventilkombinationen erfolgt, wodurch der Volumenstrom reduziert wird, dass der Druck in den Zwischendruckabscheidern ansteigt, dass zweitens bei Erreichen einer vordefinierten minimalen Druckdifferenz zwischen Druck im Verflüssiger und Druck im Zwischendruckbehälter zur weiteren Leistungsreduzierung ein Verdichter vollständig außer Betrieb genommen wird, wie es bei einer Einzelmaschine üblich ist, indem der Verdichter aus der Volllaststellung des Regelschiebers über ein Softstoppregime in Richtung Minimumposition gefahren wird und nach Erreichen einer vordefinierten Position des Regelschiebers, zum Beispiel der Minimum-Position, wird der Antriebsmotor ausgeschaltet, dass drittens zum Ausgleich des großen Leistungssprunges der Zwischendruck in den noch in Betrieb befindlichen Zwischendruckbehältern angehoben wird dass viertens zur weiteren Leistungsreduzierung der Zwischendruck der weiter betriebenen Verdichter und Zwischendruckbehälter angehoben wird dass fünftens der nächste Verdichter, nach dem gleichen Schema zur Leistungsreduzierung abgeschaltet wird und der Zwischendruck der weiter betriebenen Verdichter und Zwischendruckbehälter wieder angehoben wird und mit jedem weiteren Verdichter analog verfahren wird, bis alle Verdichter außer Betrieb genommen sind, dass sechstens die Zuschaltung der Verdichter in der umgekehrten Reihenfolge zwecks Vergrößerung der Kälteleistung gesteuert wird, dass siebentens bei aufeinanderfolgenden Anforderungen zur Leistungsvergrößerung und Leistungsverkleinerung Verfahrensschritte abwechselnd in den beschriebenen Reihenfolgen aufeinander folgen.