DE102006010122A1

DE102006010122A1 - Kombinierter Kolben-Expander-Verdichter

Info

Publication number: DE102006010122A1
Application number: DE200610010122
Authority: DE
Inventors: Jörg Dipl.-Ing. Nickl
Original assignee: Technische Universitaet Dresden
Current assignee: Technische Universitaet Dresden
Priority date: 2004-11-18
Filing date: 2006-02-28
Publication date: 2007-08-30
Anticipated expiration: 2026-03-01
Also published as: DE102006010122B4

Abstract

Die Erfindung betrifft einen kombinierten Kolben-Expander-Vedichter mit mehreren doppelt wirkenden Kolben (3) des Expanders und einem Hochdruckverdichterkolben (14), die mittels einer Kolbenstange (4) mechanisch gekoppelt sind, sowie einem Hauptschieber (6), einem Hilfsschieber (7) und einem Regelventil (9) zur Steuerung der Kolbenstange (4), bei dem der Hauptschieber (6) aus mehreren nicht miteinander verbundenen Schieberkörpern (6a, 6b, 6c, 6d) aufgebaut ist, wobei zwei äußere Schieberkörper (6a, 6b) als kleiner Kolben (6a) und als großer Kolben (6b) ausgeführt sind und dass zwischen den äußeren Schieberkörpern (6a, 6b) Steuerkolben (6c) 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, nach DE 102004056298.9, dadurch gekennzeichnet, dass eine Mitnehmerplatte (8) an der Kolbenstange (4), welche vor den Totlagen der Kolbenstange (4) in den Hilfsschieber (7) eingreifend und diesen bewegend ausgebildet ist, in einem an den Zylinder der letzten Expansionsstufe anschließenden Mitnehmergehäuse (11) angeordnet ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen kombinierten Kolben-Expander-Verdichter gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und nach DE 10 2004 056 298.9 .
Derartige Vorrichtungen werden beispielsweise in thermodynamischen Linksprozessen zur Kopplung von Entspannung und Verdichtung von Kältemitteln in einem Kreisprozess eingesetzt.
Kombinierte Kolben-Expander-Verdichter sind beispielsweise vorteilhaft einsetztbar für das Kältemittel Kohlendioxid. Kälteanlagen bzw. Wärmepumpen mit dem Kältemittel Kohlendioxid werden bevorzugt mit mehreren arbeitsleistenden Entspannungen 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 ein Freikolbenprinzip für einen thermodynamischen Linksprozess mit arbeitsleistender Entspannung des Kältemittels offenbart. Dabei wird die Energie zur Verdichtung des Kältemittels auf der Hochdruckseite durch die arbeitsleistende Entspannung mehrerer Expander erzeugt. Die Kolben der Kolbenexpansionsmaschine und des Hochdruckverdichters sind dabei mit einer gemeinsamen Kolbenstange mechanisch gekoppelt.

Die Verdichterstufe 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 in Bezug auf die zur Steuerung erforderlichen Haupt- und Hilfsschieber sehr gering sein müssen, um das einwandfreie Funktionieren der Vorrichtung zu ermöglichen.

In der DE 10 2004 056 298.9 wird ein Kolben-Expander-Verdichter mit mehreren doppelt wirkenden Kolben des Expanders und einem Hochdruckverdichterkolben, die mittels einer Kolbenstange mechanisch gekoppelt sind, sowie einem Hauptschieber, einem Hilfsschieber und einem Regelventil zur Steuerung der Kolbenstange beschrieben. Der Hauptschieber ist aus mehreren nicht miteinander verbundenen Schieberkörpern aufgebaut, wobei zwei äußere Schieberkörper als kleiner Kolben und als großer Kolben ausgeführt sind und dass zwischen den äußeren Schieberkörpern Steuerkolben und einfache Schieberkörper derart in einer Flucht angeordnet sind, dass eine auf die äußeren Schieberkörper wirkende Druckdifferenz den Hauptschieber selbsttätig mechanisch zusammenhält.

Aus der DE 10 2004 056 298.9 geht die Anordnung der Mitnehmerplatte an der Kolbenstange in einem Mitnehmergehäuse hervor, welches an den Zylinder des Hochdruckverdichterkolbens angrenzt. Aus dieser Anordnung ergibt sich der Nachteil, dass sich eine gewünschte Vergrößerung des eingebauten Verhältnisses der Hubräume von Hochdruckkompressor und erster Stufe der Expansionsmaschine nicht realisieren lässt.

Die Aufgabe der Erfindung besteht nun darin, einen Kolben-Expander-Verdichter nach DE 10 2004 056 298.9 mit einer bezüglich der Fertigungs- und Montagekosten einfachen und robusten Konstruktion anzugeben, wobei ein wesentlich größerer Kolbendurchmesser des Hochdruckverdichters bei nahezu gleicher leistungsspezifischer Gesamtmasse realisiert werden soll.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen kombinierten Kolben-Expander-Verdichter mit mehreren doppelt wirkenden Kolben des Expanders und einem Hochdruckverdichterkolben, die mittels einer Kolbenstange mechanisch gekoppelt sind, sowie einem Hauptschieber, einem Hilfsschieber und einem Regelventil zur Steuerung der Kolbenstange gelöst. Dabei ist der Hauptschieber aus mehreren nicht miteinander verbundenen Schieberkörpern aufgebaut, wobei zwei äußere Schieberkörper als kleiner Kolben und als großer Kolben ausgeführt und zwischen den äußeren Schieberkörpern Steuerkolben und einfache Schieberkörper derart in einer Flucht angeordnet sind, dass eine auf die äußeren Schieberkörper wirkende Druckdifferenz den Hauptschieber selbsttätig mechanisch zusammenhält, nach DE 10 2004 056 298.9 . Erfindungsgemäß ist eine Mitnehmerplatte an der Kolbenstange, welche vor den Totlagen der Kolbenstange in den Hilfsschieber eingreifend und diesen bewegend ausgebildet ist, in einem an den Zylinder der letzten Expansionsstufe anschließenden Mitnehmergehäuse angeordnet.

Erfindungsgemäß ist weiterhin im Mitnehmergehäuse der Hochdruck p_H angeschlossen.

Durch den nunmehr anliegenden Hochdruck im Mitnehmergehäuse kann der antriebsseitige Kolbenkörper des Hilfsschiebers (nächstliegender zur Mitnehmerplatte) zur Steuerung der Druckbeaufschlagung am großen Schieberkörper über Drossel verwendet werden, wodurch eine kurze Bauart resultiert. Dadurch kann der Hilfsschieber näher an die Kolbenstange rücken, da er nunmehr im Deckel untergebracht ist. Die Mitnehmerplatte kann mit einem kleinen Durchmesser relativ biegesteif ausgeführt werden, was zu einer Verringerung des Fehlerglieds in der Bewegung führt. Zwecks notwendigem äußerem Druckausgleich besitzt der Hilfsschieber eine durchgehende Zentralbohrung. Zwischen beiden Schieberkörpern ist der Verdampferdruck angeschlossen.

Die Drossel regelt die Frequenz der Maschine durch Beeinflussung der Umsteuerzeit in den Totlagen der Kolbenstange-Kolben-Einheit und wird deshalb als Regelventil für Arbeitsfrequenz bezeichnet.

Da die Bewegung des Hauptschiebers nunmehr nur von äußeren Drücken (nämlich Hochdruck und Verdampferdruck, also maximale Druckdifferenzen) gesteuert wird, kann dessen Durchmesserverhältnis verringert werden. Dadurch wird der Massestrom für den Schieberantrieb deutlich verringert, was zu einer Erhöhung des Gütegrades der Expansionsmaschine und der Leistungszahl des Kälteprozesses führt.

Durch die Beseitigung der Leckstelle (Kolbenstangendichtung) zwischen Hochdruckkompressor und Mitnehmergehäuse, in dem nach DE 10 2004 056 298.9 bisher der Verdampferdruck anlag, kann der thermodynamisch besonders schädliche direkte Enthalpiestrom vom Hochdruckkompressor zum Verdampfereintritt verhindert werden, was sich ebenfalls positiv auf die Leistungszahl auswirkt.

Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen mit Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen. Es zeigen:
1 einen erfindungsgemäßen kombinierten Kolben-Expander-Verdichter im Längsschnitt,
2 eine erfindungsgemäße Vorrichtung in der Schnittdarstellung A-A in Bezug auf 1 im Längsschnitt
3 einen Hauptschieber in Explosivdarstellung
4 eine erfindungsgemäße Vorrichtung in der Schnittdarstellung B-B in Bezug auf 1 im Querschnitt
5 eine erfindungsgemäße Vorrichtung in der Schnittdarstellung C-C in Bezug auf 1 im Querschnitt
In der 1 ist ein erfindungsgemäßer kombinierter Kolben-Expander-Verdichter im Längsschnitt dargestellt. Der kombinierte Kolben-Expander-Verdichter besteht aus mehreren Zylinderdeckeln 5 sowie Zylindergehäusen 10.
Erfindungsgemäß grenzt das Mitnehmergehäuse 11 an den Zylinder der letzten Expansionsstufe an. Dazu besitzt der Zylinderdeckel 5 der letzten Expansionsstufe eine Bohrung zur Aufnahme einer Kolbenstangenhülse, an deren Ende die Mitnehmerplatte 8 befestigt ist.
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 Mitnehmerplatte 8, die Kolben der Expanderstufen 3 und des Hochdruckverdichters 14, und die Kolbenstangenhülsen 15 werden durch eine Zentralschraube 16 zusammen gehalten. Alle Arbeits- und Schieberkolben 3, 14, 6a, 6b, 6c, 6d (siehe auch 3) bzw. Kolbenstangenhülsen 15 besitzen Kolbenringe 17 als Dichtelemente. Auf Grund der Länge der Bohrung können auch an den Kolbenstangenhülsen 15 Kolbenringe 17 als Dichtelemente verwendet werden.
Die Mitnehmerplatte 8 im Mitnehmergehäuse 11 greift in den Hilfsschieber 7 ein und bewirkt eine Verschiebung desselben in der Bohrung des Zylinderdeckels 5. Der Hilfsschieber 7 fällt vorteilhafter Weise relativ kurz aus.
In der 2 ist eine erfindungsgemäße Vorrichtung in der Schnittdarstellung A-A in Bezug auf 1 im Längsschnitt dargestellt.
In den Gehäuseteilen sind zahlreiche kleinere Bohrungen vorhanden, die erfindungsgemäß das Mitnehmergehäuse 11 sowie die Endkammer am kleinen Schieberkörper 6a (siehe auch 3) an den Hochdruck p_H und den Ringraum zwischen den Kolben des Hilfsschiebers 7 (siehe 1) an den Verdampferdruck p₀ anschließen.
Die größeren Bohrungen sind Verbinder 18 zwischen den Expansionsstufen bzw. den gefrästen Kanälen zur äußeren Abströmung am Hautschieber.
Mit C ist der Hochdruckanschluss und mit F der Verdampferdruckanschluss der Expansionsmaschine bezeichnet. D und E sind durch einen äußeren und nicht dargestellten Verbinder gekoppelt, wodurch z.B. eine Zwischenabscheidung vor der dritten Stufe möglich wird. G und H sind die Anschlüsse des Hochdruckverdichters (siehe 1).
3 zeigt einen Hauptschieber 6 in einer Explosivdarstellung, der aus mehreren nicht miteinander verbundenen Schieberkörpern 6a, 6b, 6c und 6d besteht.
In der 4 ist eine erfindungsgemäße Vorrichtung in der Schnittdarstellung B-B in Bezug auf 1 im Querschnitt dargestellt und zeigt die baugleichen Saug- und Druckventile des Hochdruckverdichters. Diese sind als federbelastete Tellerventile ausgebildet. Außerdem sind zahlreiche Verbindungsbohrungen zu den Anschlüssen des Hochdruckverdichters (siehe G, H in 1) zu erkennen.
In der 5 ist eine erfindungsgemäße Vorrichtung in der Schnittdarstellung C-C in Bezug auf 1 im Querschnitt dargestellt.
Die Mitnehmerplatte 8 ist kreisrund und mit einer konzentrischen Bohrung zur Befestigung auf der Kolbenstange 4, sowie Radialspiel zum zylindrischen Verbindungsteil zwischen den Anschlägen des Hilfsschiebers 7 ausgebildet.
Dadurch ist sicher gestellt, dass der Hilfsschieber 7 nur kurz vor Erreichen der Totlagen bewegt wird. Diese Bauform ist unempfindlich gegen Verdrehungen von Kolbenstange und Hilfsschieber.

1: Federn
2: selbsttätige Tellerventile
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: Expansionszylinder 1. Stufe
E₂: Expansionszylinder 2. Stufe
E₃: Expansionszylinder 3. Stufe
C₂: Zylinder des Hochdruckverdichters
P_H: Hochdruck
P₀: Verdampferdruck
C: Anschluss für Hochdruck
D: Anschluss für Verbinder
E: Anschluss für Verbinder
F: Anschluss für Verdampferdruck
G: Anschluss für Hochdruckverdichter
H: Anschluss für Hochdruckverdichter

Claims

Kombinierter Kolben-Expander-Verdichter mit mehreren doppelt wirkenden Kolben (3) des Expanders und einem Hochdruckverdichterkolben (14), die mittels einer Kolbenstange (4) mechanisch gekoppelt sind, sowie einem Hauptschieber (6), einem Hilfsschieber (7) und einem Regelventil (9) zur Steuerung der Kolbenstange (4), bei dem der Hauptschieber (6) aus mehreren nicht miteinander verbundenen Schieberkörpern (6a, 6b, 6c, 6d) aufgebaut ist, wobei zwei äußere Schieberkörper (6a, 6b) als kleiner Kolben (6a) und als großer Kolben (6b) ausgeführt sind und dass zwischen den äußeren Schieberkörpern (6a, 6b) Steuerkolben (6c) 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, nach DE 10 2004 056 298.9 , dadurch gekennzeichnet, dass eine Mitnehmerplatte (8) an der Kolbenstange (4), welche vor den Totlagen der Kolbenstange (4) in den Hilfsschieber (7) eingreifend und diesen bewegend ausgebildet ist, in einem an den Zylinder der letzten Expansionsstufe anschließenden Mitnehmergehäuse (11) angeordnet ist.
Kombinierter Kolben-Expander-Verdichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass an das Mitnehmergehäuse (11) der Hochdruck (p_H) angeschlossen ist.
Kombinierter Kolben-Expander-Verdichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der große Schieberkörper (6b) auf der der Drossel zugewandten Seite wechselnd mit Hochdruck (p_H) oder Verdampferdruck (p₀) und auf der gegenüberliegenden Seite ständig mit Verdampferdruck (p₀) beaufschlagt ist.
Kombinierter Kolben-Expander-Verdichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der große Schieberkörper zwischen Drossel und Verbinder (18) der letzten Expansionsstufe vorgesehen ist.
Kombinierter Kolben-Expander-Verdichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Hilfsschieber (7) eine Zentralbohrung für dessen äußeren Druckausgleich aufweist.