DE102006035784B4 - Kälteanlage für transkritischen Betrieb mit Economiser und Niederdruck-Sammler - Google Patents

Kälteanlage für transkritischen Betrieb mit Economiser und Niederdruck-Sammler Download PDF

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Abstract

Anordnung an oder in einer Kälteanlage für transkritischen Betrieb,mit einem Verdichter (21), der geometrisch gesteuerte Einlass- und Auslassöffnungen aufweist, zum Beispiel Schraubenverdichter oder Scrollverdichter, die zumindest mit drei Druckniveaus arbeiten, Ansaugdruck (11) auf Saugseite (29) des Verdichters (21), Zwischendruck (10) am Economiseranschluss (31) und Verdichtungsenddruck (12),mit einem Gaskühler (23),mit einem Flüssigkeitsabscheider (25) auf der Niederdruckseite,mit einem Nachkühler (27) für die Abkühlung des unter Verdichtungsenddruck stehenden Kältemittels vor Entspannung in den Verdampfer (30),wobei der Nachkühler (27) kommunizierend mit dem Flüssigkeitsabscheider (25) auf der Niederdruckseite verbunden ist, undmit einer ersten steuerbaren Drosselstelle (28),mit einem Zwischenkühler (24), der zwei Strömungspfade aufweist,wobei der erste Strömungspfad in Strömungsrichtung zwischen dem Gaskühler (23) und dem Nachkühler (27) angeordnet ist,und der zweite Strömungspfad auf seiner Eingangsseite in den Zwischenkühler (24) eine Strömungsverbindung über eine zweite steuerbare Drosselstelle (26, 32) und Rohrleitungen entweder mit dem Ausgang des ersten Strömungspfades des Zwischenkühlers (24) oder mit dem Ausgang des Nachkühlers (27) aufweist,dadurch gekennzeichnet, dassauf der Ausgangsseite des zweiten Strömungspfades des Zwischenkühlers (24) eine Verbindung mit dem Economiseranschluss (31) des Verdichters (21) vorhanden ist.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Anordnung an oder in einer Kälteanlage für transkritischen Betrieb gemäß dem Patentanspruch 1.
  • Aus der DE 103 58 428 A1 ist eine derartige Kälteanlage bekannt. Weitere Kälteanlagen sind aus der JP 2002-228 275 A und der JP 2005-083 260 A bekannt.
  • Die Erfindung betrifft eine Kälteanlage für transkritischen Betrieb mit Verdichtern, die geometrisch gesteuerte Einlass- und Auslassöffnungen aufweisen, zum Beispiel Schraubenverdichter oder Scrollverdichter, die zumindest mit drei Druckniveaus arbeiten. Die Druckniveaus sind Ansaugdruck, der auf der Saugseite des Verdichters anliegt und in der Nähe des Druckes im Verdampfer liegt, Zwischendruck am Economiseranschluss und Verdichtungsenddruck auf der Druckseite, der in der Nähe des Druckes in einem Gaskühler liegt. Die dazu gehörenden Seiten des Verdichters werden auch mit Niederdruckseite, Ansaugseite oder Saugseite und mit Hochdruckseite oder Auslassseite bezeichnet. Der Druck auf der Hochdruckseite ist größer als der Druck am kritischen Punkt des Kältemittels. Deshalb wird dieser Prozess als transkritischer oder auch überkritischer Kälteprozess bezeichnet. Der Economiseranschluss ist zwischen Saugseite und Auslassseite des Verdichters angeordnet. Der Einlassvorgang am Economiseranschluss beginnt, wenn die Strömungsverbindung dieser Zahnlücke zur Saugseite des Verdichters verloren geht. Das geometrische Zahnlückenvolumen der betrachteten Zahnlücke hat in dieser Phase seinen Maximalwert erreicht. Das geometrische Zahnlückenvolumen der betrachteten Zahnlücke kann je nach Umschlingungswinkel des Rotorprofils am Hauptrotor, je nach Zähnezahl der beiden Rotoren konstant sein (Transportphase) oder sich infolge Rotordrehung verkleinern.
  • Die Erfindung bezieht sich auf eine Kälteanlage, in der im oder am Flüssigkeitsabscheider auf der Niederdruckseite ein Wärmetauscher, ein sogenannter Nachkühler, vorhanden ist, der kommunizierend mit dem Flüssigkeitsabscheider in
    Verbindung steht und in dem das unter Verdichtungsenddruck stehende Kältemittel, das Arbeitsmedium, vor seiner Entspannung bis nahezu auf Verdampfungstemperatur unterkühlt wird und somit von der dampfförmigen Phase in die flüssige Phase wechselt, bevor es an der Drosselstelle der Kälteanlage zu den Verdampfern hin entspannt wird.
  • Der Druck vor der Drosselstelle wird durch diese Drosselstelle durch mehr oder weniger Öffnen und Schließen konstant gehalten, so dass der Verdichter bei konstantem Verdichtungsenddruck betrieben wird. Die Kälteleistung der Kälteanlage ändert sich in Abhängigkeit der Temperatur, auf die das Kältemittel im Gaskühler abgekühlt wird. Sie wird in der Folge größerer Austrittstemperaturen am Gaskühler reduziert, da bei höheren Temperaturen zur Abkühlung des Arbeitsmediums im Nachkühler vor der Entspannung mehr Arbeitsmedium im Niederdruckabscheider verdampft, als bei niedrigen Temperaturen am Gaskühler austritt. Dadurch nimmt die Effizienz der Kälteanlage mit zunehmender Temperatur am Gaskühler ab.
  • Das Ziel der Erfindung besteht darin, den Prozess zu verbessern und die Effizienz der Kälteanlage zu erhöhen.
  • Nach dem Merkmal der Erfindung hat die Kälteanlage für transkritischen Betrieb, zusätzlich zu den Komponenten Gaskühler, Nachkühler, Verdampfer mit Niederdruckabscheider, Verdichter, Drosseleinrichtungen und verbindenden Rohrleitungen zwischen den aufgeführten Komponenten einen Zwischenkühler mit Wärmeübertragerflächen, der im gleichen Strömungspfad in Strömungsrichtung hinter dem Gaskühler und vor dem Nachkühler angeordnet ist und zwecks Kühlung des Heißgasstromes durch einen Kältemittelteilstrom durchströmt wird, der entweder vor oder nach dem Nachkühler aus dem gleichen Strömungspfad entnommen wird und über den Zwischenkühler in einem anderen Strömungspfad zum Economiseranschluss des Verdichters geführt wird. Nach den Merkmalen der Erfindung wird ein Teilstrom des unterkühlten flüssigen Arbeitsmediums zum Zwischenkühler über eine steuerbare Drosselstelle geführt, um das aus dem Gaskühler austretende Arbeitsmedium abzukühlen, bevor es in den Nachkühler eintritt. Dabei wird der unter hohem Druck stehende Kältemitteldampf auf der einen Seite der Wärmeübertragungsflächen des Zwischenkühlers abgekühlt, während das Kältemittel auf der anderen Seite der Wärmeübertragungsflächen des Zwischenkühlers verdampft. Das verdampfte Kältemittel wird dem Economiseranschluss zugeführt. Durch diese Zwischenkühlung verringert sich während der nachfolgenden Abkühlung im Nachkühler die Abkühlleistung. Durch die Abkühlung des Kältemitteldampfes im Zwischenkühler entsteht im Nachkühler auf der Seite des Flüssigkeitsabscheiders weniger Dampf.
  • Die Kälteleistung der Kälteanlage wird auch bei höheren Temperaturen am Gaskühler vergrößert und die Wirtschaftlichkeit infolge zweistufiger Betriebsweise bei der Verdichtung des Kältemittels verbessert.
  • Die Erfindung soll nachstehend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden. In der zugehörigen Zeichnung zeigen:
    • 1 ein vereinfachtes Schema für die Anordnung von Verdichter und Wärmeaustauschern mit dazugehörigen Rohrverbindungen und Regeleinrichtungen.
    • 2 ein log p,h -Diagramm für eine Kälte- oder Klimaanlage gemäß der Erfindung.
    • 3 ein vereinfachtes Schema für die Anordnung von Verdichter und Wärmeaustauschern mit dazugehörigen Rohrverbindungen und Regeleinrichtungen für eine andere erfindungsgemäße Anordnung.
    • 4 ein log p,h -Diagramm für die erfindungsgemäße Anordnung gemäß 3.
  • Die Kälteanlage für transkritischen Betrieb gemäß 1 hat einen Gaskühler 23, einen Zwischenkühler 24, einen Verdampfer 30, einen Flüssigkeitsabscheider 25, der mit einem Nachkühler 27 kommunizierend verbunden ist, einen Schraubenverdichter 21, der geometrisch gesteuerte Einlass- und Auslassöffnungen aufweist, Drosseleinrichtungen 26, 28 und verbindende Rohrleitungen zwischen den aufgeführten Komponenten. Am Verdichter 21 liegen im Betriebszustand Ansaugdruck 11 auf der Saugseite 29 und Verdichtungsenddruck 12 auf der Auslassseite 22 an, wobei der Druck auf der Auslassseite 22 größer ist als der Druck am kritischen Punkt des Kältemittels. Der Verdichter hat eine EconomiserAnschlussöffnung 31 am Gehäuse, die eine Strömungsverbindung zum Zwischenkühler 24 aufweist, und der Druck in diesem Rohrabschnitt zwischen Verdichtungsenddruck und Saugdruck liegt. Im log p,h-Diagramm gemäß 2 beschreibt Punkt 1 den Zustand auf der Saugseite des Verdichters 21. Der Austrittszustand des Kältemittels nach dem Verdichter 21, Punkt 2, ist Eintrittszustand in den Gaskühler 23. Das Kältemittel passiert den Gaskühler 23, der durch ein Kühlmedium, z.B. Kühlwasser, zwecks Kühlung des Kältemitteldampfes beaufschlagt wird. Bei Verlassen dieses Gaskühlers 23 hat das Kältemittel den Zustand am Punkt 3. Im Zwischenkühler 24, durch den zwei Kältemittelströme der Kälteanlage geführt werden, wird das Kältemittel vom Punkt 3 auf Punkt 4 abgekühlt. Dazu wird der Kältemittelteilstrom, der auf das Zwischendruckniveau 10 entspannt wird, verdampft und an der Economiseröffnung 31 in das Verdichtergehäuse „nachgeladen“, ohne den Ansaugvolumenstrom maßgeblich zu beeinflussen. Der Kältemittelstrom wird von Punkt 4 auf Punkt 5 im Nachkühler 27 weiter abgekühlt, wozu Flüssigkeit im Nachkühler 27, der mit dem Flüssigkeitsabscheider 25 kommunizierend verbunden ist, verdampft und damit die zur Verfügung stehende volumetrische Kälteleistung um die Enthalpiedifferenz vom Punkt 1 zum Punkt 9 reduziert. Punkt 9 entspricht dem Zustand des Kältemittels am Verdampferaustritt, der durch ein Zweiphasengemisch gekennzeichnet ist. Das Zwischendruckniveau 10 kann zur Veränderung der Kälteleistung benutzt werden, indem sich durch Anheben des Zwischendruckes der Zwischenkühleffekt ändert. Durch die Abkühlung des Kältemitteldampfes im Zwischenkühler 24 entsteht im Nachkühler 27 auf der Seite des Flüssigkeitsabscheiders 25 weniger Dampf.
    Die Kälteleistung der Kälteanlage wird auch bei höheren Temperaturen am Gaskühler 23 vergrößert und die Wirtschaftlichkeit infolge zweistufiger Betriebsweise bei der Verdichtung des Kältemittels verbessert.
    Die Kälteanlage für transkritischen Betrieb gemäß 3 ist analog 1 gestaltet mit der Besonderheit, dass der zweite Strömungspfad des Zwischenkühlers 24 an seiner Eingangsseite über Rohrleitungen und die Drosseleinrichtung 32 mit einem Zwischendrucknachkühler 34 verbunden ist, der auf der Eingangsseite in den Zwischenkühler 24 eine Strömungsverbindung mit dem Ausgang des ersten Strömungspfades des Zwischenkühlers 24 hat. Die Ausgangsseite des zweiten Strömungspfades des Zwischenkühlers 24 ist über den Zwischendruckabscheider 33 mit dem Economiseranschluss 31 am Verdichter 21 verbunden. Der Zwischendrucknachkühler 34 kommuniziert mit dem Zwischendruckabscheider 33.
  • Im log p,h-Diagramm gemäß 4 beschreibt Punkt 13 den Eingangszustand in den Zwischenkühler 24 und Punkt 17 den Ausgangszustand nach dem Zwischenkühler 24.
  • Bezugszeichenliste
    • 1.
    Punkt
    2.
    Punkt
    3.
    Punkt
    4.
    Punkt
    5.
    Punkt
    9.
    Punkt
    10.
    Zwischendruckniveau
    11.
    Ansaugdruck
    12.
    Verdichtungsenddruck
    13.
    Punkt
    17.
    Punkt
    21.
    Schraubenverdichter
    22.
    Auslassseite
    23.
    Gaskühler
    24.
    Zwischenkühler
    25.
    Flüssigkeitsabscheider
    26.
    Drosseleinrichtung
    27.
    Nachkühler
    28.
    Drosseleinrichtung
    29.
    Saugseite
    30.
    Verdampfer
    31.
    Economiseranschlussöffnung
    32.
    Drosseleinrichtung
    33.
    Zwischendruckflüssigkeitsabscheider
    34.
    Zwischendrucknachkühler

Claims (1)

  1. Anordnung an oder in einer Kälteanlage für transkritischen Betrieb, mit einem Verdichter (21), der geometrisch gesteuerte Einlass- und Auslassöffnungen aufweist, zum Beispiel Schraubenverdichter oder Scrollverdichter, die zumindest mit drei Druckniveaus arbeiten, Ansaugdruck (11) auf Saugseite (29) des Verdichters (21), Zwischendruck (10) am Economiseranschluss (31) und Verdichtungsenddruck (12), mit einem Gaskühler (23), mit einem Flüssigkeitsabscheider (25) auf der Niederdruckseite, mit einem Nachkühler (27) für die Abkühlung des unter Verdichtungsenddruck stehenden Kältemittels vor Entspannung in den Verdampfer (30), wobei der Nachkühler (27) kommunizierend mit dem Flüssigkeitsabscheider (25) auf der Niederdruckseite verbunden ist, und mit einer ersten steuerbaren Drosselstelle (28), mit einem Zwischenkühler (24), der zwei Strömungspfade aufweist, wobei der erste Strömungspfad in Strömungsrichtung zwischen dem Gaskühler (23) und dem Nachkühler (27) angeordnet ist, und der zweite Strömungspfad auf seiner Eingangsseite in den Zwischenkühler (24) eine Strömungsverbindung über eine zweite steuerbare Drosselstelle (26, 32) und Rohrleitungen entweder mit dem Ausgang des ersten Strömungspfades des Zwischenkühlers (24) oder mit dem Ausgang des Nachkühlers (27) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Ausgangsseite des zweiten Strömungspfades des Zwischenkühlers (24) eine Verbindung mit dem Economiseranschluss (31) des Verdichters (21) vorhanden ist.
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