DE102008027448A1

DE102008027448A1 - Kühlsystem mit einer Wärmepumpe und verschiedenen Betriebmoden

Info

Publication number: DE102008027448A1
Application number: DE102008027448A
Authority: DE
Inventors: Jian-min Racine Yin; Michael J. Racine Wilson; Stephen B. Kenosha Memory; Samuel J. Collier; Todd M. Racine Bandhauer
Original assignee: Modine Manufacturing Co
Current assignee: Modine Manufacturing Co
Priority date: 2007-06-08
Filing date: 2008-06-09
Publication date: 2008-12-18
Also published as: JP2009008383A; DE102008048509A1; US20080302113A1

Abstract

Ein CO2-Kühlsystem (10) ist versehen mit und weist auf sowohl einen Heizmodus als auch einen Kühlmodus durch die Verwendung von sekundären Kühlmittelschleifen (19, 28).

Description

GEBIET DER ENDUNG
Diese Erfindung bezieht sich auf Kühlsysteme, insbesondere auftranskritische oder CO2-Kühlsysteme welche sowohl einen Luftheiz- oder Wärmepumpenmodus aufweisen und einen Airconditioning- oder Kühlmodus.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
CO2 ist ein umweltmäßig anerkanntes Kältemittel mit einem Ozonverminderungspotential (ozon depletion potential, ODP) und einem globalen Erwärmungspotential (global warming potential, GWP) von null. Ein typisches Kühlsystem besteht aus vier Hauptkomponenten: einem Kompressor, einem Kondensator, einem Verdampfer und einer Expansionsvorrichtung. In einem CO2-System wird typischerweise ein Saugleitungswärmetauscher (suction-line hegt exchanger, SLHX) verwendet, um das COP durch eine Verminderung der Einlassqualität des Verdampfers zu verbessern, somit, allgemein ausgedrückt, durch Reduzieren der erforderlichen Massenstromrate (und Kompressorleistung) für eine gegebene Wärmeladung. Zusätzlich wird, da CO2 ein superkritisches Fluid in dem „Kondensator" ist, dieser Wärmetauscher auch als Gaskühler bezeichnet.
Prinzipiell kann ein CO2-Wärmepumpensystem von einem Wärmepumpen- oder Heizmodus (heating mode, HP) zu einem Airconditioning oder Kühlmodus (airconditioning- or cooling mode A/C) durch Wechseln der Strömungsrichtung in dem Systemkreislauf umgeschaltet werden, so dass der A/C-Modus-Verdampfer als ein HP-Modus-Gaskühler fungiert, und der A/C-Modus-Gaskühler als ein HP-Modus-Verdampfer fungiert. Es gibt jedoch einige praktische Begrenzungen bei diesem Verfahren, welche umfassen:
Die Entwicklung von 3-Wege-Umschaltventilen für Hochdruck CO2-Systeme wurde noch nicht abgeschlossen.
Verschieden große Akkumulatoren sind erforderlich während der A/C- und HP-Moden.
Es gibt potentielle Schwierigkeiten hinsichtlich der Fehlverteilung in dem Verdampfer (entweder in den HP- oder A/C-Moden): beide Wärmetauscher müssen höheren Systemdrücken standhalten für ein voll reversibles System.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
In Übereinstimmung mit allen Merkmalen der Erfindung wird ein CO2-Kühlsystem bereitgestellt, das sowohl in einem HP- als auch in einem A/C-Modus betrieben werden kann, ohne die allgemeine Richtung des Kältemittelstroms durch das System zu ändern. Dies wird erreicht durch die Verwendung von zwei sekundären Kühlschleifen und durch das Hinzufügen von zusätzlichen Wärmetauschern. Eine wünschenswerte Anwendung für dieses System ist die Kabinenheizung und -kühlung, welche für LKWs im Standbetrieb benötigt wird.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
1 ist eine schematische Darstellung eines CO2-Wärmepumpensystems, welches die vorliegende Erfindung verkörpert; und
die 2 bis 4 sind schematische Darstellungen von weiteren Versionen eines CO2-Wärmepumpensystems, welches die Erfindung verkörpert.
DETALLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
1 ist eine schematische Darstellung der Erfindung. Während des A/C-Modus Betriebs, wird ein superkritisches CO2 einen Kompressor 12 verlassen und in einen luftgekühlten Gaskühler 14 eintreten. Ein Gebläse 16 wird den luftgekühlten Gaskühler 14 unterstützen, um Wärme aus dem Gaskühler 14 in die umliegende Umgebung zu entfernen, über einen Transfer von Wärme von dem CO2-Kältemittel zu einem Umgebungsluftstrom, welcher durch das Gebläse 16 bereitgestellt wird.
Das CO2-Kältemittel wird dann in einen flüssigkeitsgekühlten Gaskühler 18 eintreten, welcher durch eine sekundäre Hochtemperaturschleife 19 gekühlt wird. Flüssiges Kühlmittel kann während des A/C-Betriebs (möglicherweise bei einer geringeren Rate) durch die Schleife 19 fließen, um die Temperatur des Kältemittels weiter zu reduzieren, jedoch wird im Vergleich mit dem luftgekühlten Gaskühler 14, die Wärmeladung des flüssigkeitsgekühlten Gaskühlers 18 klein sein. Das Kältemittel wird dann zur verstärkten Kühlung in die Hochdruckseite eines Saugleitungswärmetauschers (suction-line heat exchanger SLHX) 20 eintreten, bevor es eine Expansionsvorrichtung oder ein Expansionsventil 22 durchläuft.
Nachdem das Kältemittel das Expansionsventil 22 verlässt. wird es in einen Luft-zu-Kältemittelverdampfer 24 eintreten, jedoch wird ein Gebläse (nicht gezeigt), welches den Verdampfer 24 unterstützt, ausgeschaltet sein, wodurch die Wärmeanforderung des Verdampfers 24 auf weit weniger als die Wär meanforderung eines Flüssigkeits-zu-Kältemittelverdampfers 26 vermindert wird, welcher das CO2 Kältemittel von dem Wärmetauscher 24 empfängt. In dem Verdampfer 26 wird das Kältemittel verdampfen und Wärmeenergie von diesem aufnehmen und dadurch eine Kühlmittelflüssigkeit kühlen, welche durch den Verdampfer 26 fließt und durch eine andere sekundäre Niedrigtemperaturschleife 28 bereitgestellt wird. (Es sollte festgehalten werden, dass der luftbeheizte Verdampfer 24 bezüglich des CO2-Kältemittelstroms entweder stromaufwärts oder stromabwärts von dem flüssigkeitsgeheizten Verdampfer 24 angeordnet werden kann. Das Gleiche gilt für den flüssigkeitsgekühlten Gaskühler 18 bezüglich des luftgekühlten Gaskühlers 14, man muss jedoch auf das heiße Kältemittel achten, das die sich langsam bewegende oder stagnierende Flüssigkeit in dem flüssigkeitsgekühlten Gaskühler 18 während des A/C-Modus heizt/kocht). Nach dem Verdampfer 26 führt das Kältemittel Wärme an das Hochdruck CO2-Kältemittel in dem SLHX 20 ab. Obwohl nicht immer erwünscht, wird typischerweise ein Akkumulator (in den 1 und 2 nicht gezeigt) stromaufwärts von dem SLHX 20 auf der Niedrigdruckseite angeordnet. Dieser Akkumulator kann eine separate Einheit darstellen, oder direkt in den SLHX 20 integriert sein.
Der Flüssig Kältemittelverdampfer 26 ist eine wichtige Komponente für die Niedrigtemperaturkühlmittel(-Glykol)-Schleife 28, welche eine Pumpe 29 umfasst, um flüssiges Kühlmittel durch die Flüssigkeitsseite des Verdampfers 26 zu pumpen. Während Wärme von dem Kühlmittel auf das CO2 Kältemittel in dem Verdampfer 26, einem Wärmetauscherkühlerkern 30, übertragen wird, welcher in einem inneren Raum 32, wie beispielsweise der Kabine eines LKW befestigt werden kann. Der Kühlerkern 30 wird unterstützt durch einen Luftbeweger 34, wie beispielsweise ein Gebläse oder ein Ventilator und wird die innere Luft in dem Raum 32 herunterkühlen. (Wenn der Luftstrom durch den Wärmetauscher 30 unterhalb des Taupunkts gekühlt wird, kann eine kleine Menge flüssigen Kühlmittels durch die heiße Kühlmittelschleife 19 zirkuliert werden, um die Luft, welche in die Kabine eintritt. wieder aufzuheizen.)
Während des Heiz-HP-Modus, strömt das CO2-Kältemittel immer noch in derselben Richtung durch das System 10. Das Gebläse 16 für den luftgekühlten Gaskühler 14 ist jedoch abgeschaltet und ein Hochtemperatur-Flüssigkühlmittel wird durch die Hochtemperatur-Kühlmittelschleife 19 mittels einer Pumpe 35 gepumpt, um Kühlung für das superkritische CO2 Kältemittel in dem flüssigkeitsgekühlten Gaskühler 18 bereitzustellen. In der Niedrigtemperaturschleife 28, wird die Kältepumpe 29 ausgeschaltet und das Luft-zu-Kältemittelgebläse wird angeschaltet. Dies gestattet ein zusätzliches Heizen innerhalb des Raums 32 durch den Transfer von Wärme von dem Hochtemperaturkühlmittel zu dem Luftstrom in einem Luft-zu-Kühlmittelwärmetauscherkern 36. Um die Koeffizietenleistung (coefficient performance COP) des Systems 10 in dem HP-Modus während kalten Wetters zu verbessern, kann ein Abluftwärmestrom 40 von einer Abwärmequelle 42, wie beispielsweise einem Kühlsystem 43 für eine Hilfsstromeinheit 44, durch den Luft-zu-Kältemittelverdampfer 24 geleitet werden.
Als Alternativen für den Luft-zu-Kältemittelverdampfer 24, kann die Abwärmequelle 42 von jeglicher Anzahl von Mitteln genutzt werden. Beispiele umfassen: einen Flüssigkeit-zu-Flüssigkeit Wärmetauscherverdampfer, oder einen integrierten APU-Stapelkühler und -verdampferkühlmittelschleife. In letzterem Falle könnte dies die Notwendigkeit für einen extra luftgekühlten Verdampfer beseitigen und der „Kühlerkern" könnte potentiell Wärme für die Raumluft bereitstellen.
In 2 zeigen wir eine einfachere Version des Systems 10. In diesem System 10, wurden die Niedrigtemperaturkühlschleife 28, die Hochtemperaturschleife 19 und die Kühlmittelleitung 46 des APU-Kühlmittelsystems 43 direkt miteinander verlötet und nur eine Flüssigkeitspumpe 47 (welche nicht die APU-Kühlmittelschleifenpumpe umfasst) wird für die Schleifen 19 und 28 benötigt. Eine Matrix 48 von Flüssigkeitsventilen 50, 52, 54, 56, 58 und 59 wird verwendet, um die Kühlmittelströme während der HP- und A/C-Moden an den ge wünschten Ort zu leiten. Dies gestattet das Weglassen des luftgeheizten Verdampfers 26 und das Kombinieren der Funktionen des Kühlers und der Heizerkerne 30 und 36 in einem Wärmetauscher in der Form eines Heizer-/Kühlerkerns 60. Beispielsweise kann in dem HP-Modus durch Schließen oder Modulieren des Ventils 59, Öffnen der Ventile 56 und 58, Schließen der Ventile 52 und 54 und Öffnen des Ventils 50 das APU-Kühlmittel zu dem Verdampfer 26 geleitet werden, und dann direkt zurück zu dem APU 44 zirkuliert werden, ohne durch den kombinierten Heizer/Kühlerkern 60 hindurchzugehen, während das Kühlmittel in der Hochtemperaturschleife 19 durch den flüssigkeitsgekühlten Gaskühler 18 zirkuliert wird, um Wärme von dem CO2-Kältemittel zu empfangen und anschließend durch den Heizer-/Kühlerkern 60 an den Luftstrom abzugeben, welcher durch diesen verläuft. Des weiteren wird, in dem A/C-Modus, durch Öffnen des Ventils 59, Schließen der Ventile 56 und 58, Öffnen der Ventile 52 und 54 und durch Schließen des Ventils 50 das APU-Kühlmittel nicht in die Niedrigtemperaturschleife 28 eintreten (welche den Verdampfer 26 heizt), und kein Kühlmittel wird über die Hochtemperaturschleife 19 zu dem flüssigkeitsgekühlten Gaskühler 18 gelangen, während das Kühlmittel in der Niedrigtemperaturschleife 28 Wärme an das Kältemittel in dem Verdampfer 26 abgibt und Wärme von dem Luftstrom empfängt, welcher durch den Heizer-/Kühlerkern 60 verläuft. In manchen Anwendungen kann es wünschenswert sein, dass eine kleine Menge an kalter Flüssigkeit durch das Ventil 50 und den flüssigkeitsgekühlten Gaskühler 18 verläuft. Dies könnte der Kältemitteltemperatur gestatten, unter die Umgebungstemperatur abzusinken, was eine potentielle Verbesserung des System-COP darstellt.
3 zeigt jedoch noch eine weitere Alternative für das System 10. Das System 10 unterscheidet sich von dem gemäß 1 dadurch, dass der luftgeheizte Verdampfer 24 weggelassen wurde und durch einen luftgeheizten Kühlmittelwärmetauscher 66 ersetzt wurde, welcher zu der Bypassleitung 68 in der Niedrigtemperaturfluidschleife 28 hinzugefügt wurde, mit einem 3-Wege-Ventil 70 (oder Serien von 2-Wege-Ventilen), welches den Strom an Kühlmittel durch den Kühlerkern 30 und den umgebungsluftgeheizten Kühlmittelwärmetau scher 66 steuert. Während des HP-Modus, wird das Ventil 70 verwendet, um Kühlmittel durch den Wärmetauscher 66 zu leiten, eher als durch den Kühlerkern 30, so dass Wärme von der Umgebungsluft, welche durch den Wärmetauscher 66 hindurchgeht, auf das Kühlmittel übertragen wird, welches in der Niedrigtemperaturschleife 28 strömt. Während des A/C-Modus, würde das Ventil 70 Kühlmittel durch den Kühlerkern 30 leiten, eher als durch den Wärmetauscher 66, so dass das Kühlmittel, welches in der Niedrigtemperaturschleife 28 strömt, Wärme von dem Luftstrom absorbieren wird, welcher durch den Kühlerkern 30 hindurchgeht. Der Betrieb der Hochtemperaturschleife wäre identisch mit der Version des Systems 10 in 1. Es sollte gewürdigt werden, dass der Wärmetauscher 66 durch einen anderen Typ von Wärmetauscher ersetzt werden könnte, welcher jegliche andere Wärmequelle verwenden würde, wie beispielsweise einem Flüssigkeitsabwärmestrom von einem Generator.
4 zeigt wiederum eine andere Alternative für das System 10. Dieses System 10 unterscheidet sich von dem gemäß 1 dadurch, dass der luftgekühlte Gaskühler 14 und der luftgeheizte Verdampfer 24 beide weggelassen wurden, wobei die Funktionen des Kühler- und des Heizerkerns 30 und 36 kombiniert wurden in einem Heizer/Kühlerkern 60, wie er im Zusammenhang mit 2 diskutiert wurde und einem luftgeheizten Kühlmittelwärmetauscher 66, wie er im Zusammenhang mit Schema 3 diskutiert wurde, verlötet sowohl mit der Hochtemperaturschleife 19 als auch mit der Niedrigtemperaturschleife 28 mit einem 3-Wege-Ventil 74 (oder Serien von 2-Wege-Ventilen), welches bereitgestellt wurde in der Hochtemperaturschleife 19 und einem 3-Wege-Ventil 78, welches in der Niedrigtemperaturschleife 28 bereitgestellt wurde, um den Kühlmittelstrom in beiden Schleifen 19 und 20 durch die Wärmetauscher 60 und 66 zu steuern. Während des HP-Modus (gezeigt in gestrichelten Linien) wird das Kühlmittel in der Hochtemperaturschleife 19 von dem Ventil 74 durch den Heizer/Kühlerkern 60 geleitet, eher als durch den Wärmetauscher 66, während das Ventil 78 in der Niedrigtemperaturschleife 28 Kühlmittel durch den Wärmetauscher 66 leitet, eher als durch den Heizer/Kühlerkern 60, um Wärme von der Umgebungsluft zu ab sorbieren, welche durch den Wärmetauscher 68 strömt. Während des A/C-Modus (gezeigt in durchgezogenen Linien) leitet das Ventil 78 das Kühlmittel in die Niedrigtemperaturschleife 19 durch den Kern 60, eher als durch den Wärmetauscher 66, um Wärme aus der Kabine 32 zu entfernen, und das Ventil 74 leitet Kühlmittel von der Hochtemperaturschleife 19 durch den Wärmetauscher 66, eher als durch den Kern 60, um Wärme, welche von dem Kühlmittel des Gaskühlers 18 absorbiert wurde an den Umgebungsluftstrom abzugeben, der durch den Wärmetauscher 66 strömt.

Claims

Ein Kühlsystem, welches sowohl einen Heizmodus als auch einen Kühlmodus aufweist, wobei das System aufweist: eine erste Kühlmittelschleife, welche einen Luft-zu-Kühlmittelwärmetauscherkern umfasst für den Transfer von Wärme von einem ersten Kühlmittelstrom auf einen Luftstrom; eine zweite Kühlmittelschleife, welche einen Luft-zu-Kühlmittelwärmetauscherkern umfasst für den Transfer von Wärme von einem Luftstrom auf einen zweiten Kühlmittelstrom; einen Kompressor; einen luftgekühlten Gaskühler, welcher verbunden ist mit dem Kompressor, um ein Hochdruck-Kältemittel von diesem aufzunehmen; einen flüssigkeitsgekühlten Gaskühler, welcher verbunden ist mit dem Kompressor, um den Hochdruckkältemittelstrom von diesem aufzunehmen, und mit der ersten Kühlmittelschleife, um den ersten Kühlmittelstrom davon aufzunehmen, wobei die flüssigkeitsgekühlten und die luftgekühlten Gaskühler bezüglich des Hochdruckkältemittelstroms in Serie geschaltet sind, so dass einer der Gaskühler von dem anderen der Gaskühler den Hochdruckkältemittelstrom empfängt; ein Saugleitungswärmetauscher, welcher mit den Gaskühlern verbunden ist, um den Hochdruckkältemittelstrom von diesen aufzunehmen; eine Expansionsvorrichtung, welche mit dem Saugleitungswärmetauscher verbunden ist, um den Hochdruckkältemittelstrom von diesem aufzunehmen und um einen Kältemittelstrom mit vermindertem Druck an das System zu liefern; und einen flüssigkeitsgeheizten Verdampfer, welcher mit der Expansionsvorrichtung verbunden ist, um den Kältemittelstrom mit reduziertem Druck von diesem aufzunehmen, und mit dem Saugleitungswärmetauscher, um den Kältemittelstrom mit reduziertem Druck an diesen zu liefern, und mit der zweiten Kältemittelschleife um den zweiten Kühlmittelstrom von dieser zu empfangen.
Das Kühlsystem gemäß Anspruch 1, wobei ein gemeinsamer Wärmetauscherkern, der Wärmetauscherkern der ersten Kühlmittelschleife und der Wärmetauscherkern der zweiten Kühlmittelschleife ist, und wobei die ersten und die zweiten Kühlmittelschleifen eine gemeinsame Pumpe teilen.
Das Kühlsystem gemäß einem der vorherigen Ansprüche weist weiterhin einen luftgeheizten Verdampfer auf, welcher mit der Expansionsvorrichtung verbunden ist, um den Kältemittelstrom mit vermindertem Druck von diesem aufzunehmen, wobei die luftgeheizten und flüssigkeitsgeheizten Verdampfer bezüglich des Niedrigdruckkältemittelstroms in Serie geschaltet sind, so dass einer der Verdampfer den Kältemittelstrom mit reduziertem Druck von dem anderen der Verdampfer aufnimmt.
Das Kühlsystem gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der flüssigkeitsgeheizte Verdampfer stromabwärts von dem luftgeheizten Ver dampfer angeordnet ist, um das Kältemittel mit dem reduzierten Druck von diesem zu empfangen.
Das Kühlsystem gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der flüssigkeitsgekühlte Gaskühler stromabwärts von dem luftgekühlten Gaskühler verbunden ist, um den Hochdruckkältemittelstrom von diesem aufzunehmen.
Ein Kühlsystem, welches sowohl einen Heizmodus als auch einen Kühlmodus umfasst, wobei das System aufweist: eine erste Kühlmittelschleife welche für den Transfer von Wärme von einem ersten Kühlmittelstrom zu einem Luftstrom einen Luft-zu-Kühlmittelwärmetauscherkern umfasst; eine zweite Kühlmittelschleife, die einen Luft-zu-Kühlmittelwärmetauscherkern für den Transfer von Wärme von einem Luftstrom auf einen zweiten Kühlmittelstrom umfasst; einen Kompressor; einen flüssigkeitsgekühlten Gaskühler, welcher mit dem Kompressor verbunden ist, um den Hochdruckkältemittelstrom davon zu empfangen, und mit der ersten Kühlmittelschleife um den ersten Kühlmittelstrom von dieser zu empfangen; einen Saugleitungswärmetauscher, welcher mit dem Gaskühler verbunden ist, um den Hochdruckkältemittelstrom von dieser zu empfangen; eine Expansionsvorrichtung, welche mit dem Saugleitungswärmetauscher verbunden ist, um den Hochdruckkältemittelstrom von dieser aufzuneh men, und um einen Kältemittelstrom mit reduziertem Druck an das System zu liefern; einen flüssigkeitsgekühlten Verdampfer, welcher verbunden ist mit der Expansionsvorrichtung, um den Kältemittelstrom mit reduziertem Druck von dieser zu empfangen, und mit dem Saugleitungswärmetauscher, um den Kältemittelstrom mit reduziertem Druck an diesen zu liefern, und mit der zweiten Kühlmittelschleife, um den zweiten Kühlmittelstrom von dieser zu empfangen.