DE102015214705A1

DE102015214705A1 - Vorrichtung und Verfahren zum Durchführen eines Kaltdampfprozesses

Info

Publication number: DE102015214705A1
Application number: DE102015214705.3A
Authority: DE
Inventors: Jörg Nickl
Original assignee: Technische Universitaet Dresden
Current assignee: Bitzer Kuehlmaschinenbau GmbH and Co KG
Priority date: 2015-07-31
Filing date: 2015-07-31
Publication date: 2017-02-02
Also published as: WO2017021293A1; EP3329191A1; BR112018002125B1; AU2016302538A1; CN107949756B; AU2016302538B2; BR112018002125A2; US20180149391A1; CN107949756A; JP2018521295A; US10254018B2; JP6998298B2; EP3329191B1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Durchführen eines Kaltdampfprozesses. Die Vorrichtung weist einen motorbetriebenen Hauptkompressor (C1) auf, der eingerichtet ist, einen Massestrom eines als Kältemittel dienenden Fluids auf Verdampferdruckniveau anzusaugen und diesen Massestrom auf Hochdruckniveau zu komprimieren, sowie einen Hochdruckwärmeübertrager (H), der eingerichtet ist, den Massestrom des Fluids auf Hochdruckniveau zu kühlen, eine Dichte zu erhöhen und eine Temperatur des Fluids zu verringern. Außerdem ist ein Expander (E) vorgesehen, der eingerichtet ist, den von dem Hochdruckwärmeübertrager (H) kommenden Massestrom des Fluids arbeitsleistend auf Verdampferdruckniveau zu entspannen, und ein Verdampfer (V), der eingerichtet ist, Wärme aufzunehmen, so dass die Dichte des Fluids beim Durchlaufen des Verdampfers abnimmt und die Temperatur des von dem Expander (E) kommenden Massestroms auf Verdampferdruckniveau und des durch den Verdampfer (V) geführten Fluids steigen. Schließlich gibt es einen dem Hochdruckwärmeübertrager (H) nachgeschalteten und dem Expander (E) vorgeschalteten Unterkühler (U), wobei nach dem Unterkühler (U) und vor dem Expander (E) ein Teil des Fluids aus dem Massestrom abzweigbar und mittels eines Hochdruckregelventils (TH) auf Mitteldruckniveau entspannbar ist, so dass das Fluid anschließend auf Mitteldruckniveau im Gegenstrom im Unterkühler (U) Wärme aufnimmt und hierbei den Massestrom auf Hochdruckniveau zusätzlich unterkühlt, sowie einen Hochdruckkompressor (C2), der mit dem Expander (E) mechanisch direkt verbunden ist und eingerichtet ist, ausschließlich den vor dem Expander (E) in den Unterkühler (U) abgezweigten und im Gegenstrom geführten Teil des Fluids auf Hochdruckniveau zu verdichten und vor dem Hochdruckwärmeübertrager (H) dem von dem motorbetriebenen Hauptkompressor (C1) kommenden Massestrom beizumischen.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Durchführen eines Kaltdampfprozesses.
Kaltdampfprozesse mit Kohlendioxid als Kältemittel sind bekannt und werden aufgrund der günstigen Eigenschaften von Kohlendioxid im Hinblick auf den Treibhauseffekt zunehmend verstärkt eingesetzt. Die Leistungszahl eines derartigen CO₂Kaltdampfprozesses durch Nutzung einer arbeitsleistenden Expansion zu erhöhen ist beispielsweise aus der Druckschrift EP 1 812 759 B1 bekannt. Nachteilig an dieser bekannten Lösung ist jedoch, dass eine komplizierte Frequenzsteuerung zur Beeinflussung des Hochdrucks verwendet wird. Darüber hinaus ist ein sogenannter hydraulischer Druckübersetzer aus Quack, H.; Kraus, W. E.: Carbon Dioxide as a Refrigerant for Railway Refrigeration and Air Conditioning, Proceedings of the IIRConference New Application of Natural Working Fluids in Refrigeration and Air Conditioning, Hannover, Deutschland 1994, S. 489–494 bekannt.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Durchführen eines Kaltdampfprozesses vorzuschlagen, mit denen eine vereinfachte Steuerung und Regelung des Kaltdampfprozesses möglich ist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Vorrichtung nach Anspruch 1 und ein Verfahren nach Anspruch 9. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
Eine Vorrichtung zum Durchführen eines Kaltdampfprozesses weist einen motorbetriebenen Hauptkompressor auf, der eingerichtet ist, einen Massestrom eines als Kältemittel dienenden Fluids auf Verdampferdruckniveau anzusaugen und diesen Massestrom auf Hochdruckniveau zu komprimieren. Außerdem ist ein Hochdruckwärmeübertrager vorgesehen, um den Massestrom des Fluids auf Hochdruckniveau zu kühlen, eine Dichte desselben zu erhöhen und eine Temperatur des Fluids durch das Kühlen zu verringern. Der vom Hochdruckwärmeübertrager kommende Massestrom des Fluids wird in einem Expander arbeitsleistend auf Verdampferdruckniveau entspannt und einem Verdampfer zugeführt. Der Verdampfer ist eingerichtet, Wärme aufzunehmen, so dass die Dichte des Fluids beim Durchlaufen des Verdampfers abnimmt und die Temperatur des von dem Expander kommenden Massestroms, der sich auf Verdampferdruckniveau befindet und den Verdampfer durchläuft, steigt. Schließlich ist ein dem Hochdruckwärmeübertrager nachgeschalteter und dem Expander vorgeschalteter Unterkühler vorgesehen. Nach dem Unterkühler und vor dem Expander ist ein Teil des Massestroms des Fluids auf Hochdruckniveau abzweigbar und mittels eines Hochdruckregelventils auf Mitteldruckniveau entspannbar, so dass das Fluid anschließend auf Mitteldruckniveau im Gegenstrom im Unterkühler Wärme aufnimmt und hierbei den Massestrom auf Hochdruckniveau im Unterkühler unterkühlt. Ein Hochdruckkompressor, der mit dem Expander mechanisch direkt verbunden ist, ist dazu eingerichtet, ausschließlich den zwischen dem Unterkühler und vor dem Expander abgezweigten und im Gegenstrom zu dem den Unterkühler durchlaufenden Massestrom des Fluids auf Hochdruckniveau geführten Massestrom von Mitteldruckniveau auf Hochdruckniveau zu verdichten und vor dem Hochdruckwärmeübertrager dem von dem motorbetriebenen Hauptkompressor kommenden Massestrom des Fluids beizumischen.
Durch die beschriebene Vorrichtung ist eine effiziente Regelung des Hochdrucks, der typischerweise an dem Hochdruckwärmeübertrager, dem Hochdruckkompressor und teilweise an dem Unterkühler anliegt, möglich. Dadurch, dass der zusätzlich von dem Expander direkt angetriebene Hochdruckkompressor nur einen separaten Massestrom des Fluids, den Mitteldruckmassetrom, verdichtet, kann der durch den Expander geführte Massestrom, der von dem Hochdruchwärmeübertager kommt, zusätzlich unterkühlt werden. Die Exergie der Expansion wird somit letztlich zur zusätzlichen Unterkühlung bei Hochdruck genutzt bzw. eine Leistung des Expanders dient dazu, den Mitteldruckmassestrom im Hochdruckkompressor zu verdichten.
Nach dem Expander (und somit vor dem Verdampfer) kann ein Sammler angeordnet sein. Dieser ist dazu eingerichtet, eine Flüssigphase des Fluids und eine Dampfphase des Fluids zu trennen. Die Flüssigphase des Fluids ist speicherbar in dem Sammler sowie über ein zwischen dem Sammler und dem Verdampfer angeordnetes Einspritzventil auf Verdampferdruck entspannbar. Die Dampfphase des Fluids ist über ein Druckhalteventil entspannbar. Die entspannte Flüssigphase ist im Massestrom dem Verdampfer zuführbar, während die entspannte Dampfphase nach dem Verdampfer in den von dem Verdampfer kommenden Massestrom des Fluids beimischbar ist.
Es kann vorgesehen sein, dass der Expander und der Hochdruckkompressor in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet sind und eine Einheit bilden, die auch als "Expander-Kompressor-Einheit" bezeichnet wird. Durch die Anordnung in einem einzigen Gehäuse wird eine platzsparende Bauart ermöglicht, bei der der Expander und der Hochdruckkompressor mechanisch direkt, insbesondere druckdicht miteinander verbindbar sind.
Ein Hubraumverhältnis zwischen dem Expander und dem Hochdruckkompressor soll vorzugsweise zwischen 0,5 und 0,75 liegen, um einen optimalen Verlauf des Kaltdampfprozesses zu gewährleisten. Besonders vorzugsweise beträgt das Hubraumverhältnis 0,6. Grundsätzlich sind niedrigere Werte für hohe Rückkühltemperaturen am Austritt des Hochdruckwämreübertragres sinnvoll anzuwenden.
Alternativ oder zusätzlich können Arbeitsräume des Expanders über einen Hauptschieber und einen Hilfsschieber steuerbar sein. Der Hauptschieber und der Hilfsschieber sind hierbei mittig zwischen den üblicherweise innenliegenden, also einander zugewandten Arbeitsräumen des Expanders angeordnet.
Vorzugsweise sind der Hauptschieber und bzw. oder der Hilfsschieber als Flachschieber ausgeführt, um eine einfache und besonders dichte Funktionsweise bei nur geringem Platzbedarf zu gewährleisten.
Es kann auch vorgesehen sein, dass der Hilfsschieber von Arbeitskolben durch zwei Stifte bewegbar ist.
Typischerweise ist eine Kolbenstange, die die Arbeitskolben auf Abstand hält, lösbar mit den Arbeitskolben verbunden, also nicht fest mit diesen verbunden. Dies ist fertigungstechnisch einfach und dennoch funktional, da die innenliegende Kolbenstange nur Druckkräfte erfährt und somit nicht fest mit dem oder den Kolben verbunden sein muss. Hierdurch können geringe Fluchtungsfehler von Gehäuseteilen akzeptiert werden und die Fertigung wird erleichtert. In gleicher Weise kann auch eine aus dem Hauptschieber, einer Schieberstange und einem Schieberkolben bestehende Hauptschiebereinheit aufgebaut sein. Ebenso kann in gleicher Weise auch eine aus dem Hilfsschieber und den Stiften bestehende Hilfsschiebereinheit aufgebaut sein.
Es kann vorgesehen sein, den Expander mehrstufig auszuführen, worunter insbesondere auch mehrere hintereinander geschaltete Expander verstanden werden sollen, die in mehreren Stufen eine Expansion durchführen, wobei sich eine ältere Bauart nach DE 102 42 271 B3 ohne Frequenzsteuerung anbietet.
Es können bei der beschriebenen Vorrichtung vier Druckniveaus auftreten, die typischerweise die nachfolgend beschriebenen Wertebereiche einnehmen:
ein Hochdruckniveau zwischen 50 bar und 100 bar, ein Mitteldruckniveau zwischen 40 bar und 65 bar, ein Sammlerdruckniveau zwischen 30 bar und 35 bar sowie ein Verdampferdruckniveau zwischen 25 bar und 30 bar.
Ein Verfahren zum Durchführen eines Kaltdampfprozesses weist einen Verfahrensschritt auf, in dem ein Massestrom eines als Kältemittel dienenden Fluids, der sich auf Verdampferdruckniveau befindet, durch einen motorbetriebenen Hauptkompressor auf Hochdruckniveau komprimiert wird. Dieser Massestrom des Fluids auf Hochdruckniveau wird in einem Hochdruckwärmeübertrager gekühlt, wobei eine Dichte erhöht wird und eine Temperatur des Fluids verringert wird. Das von dem Hochdruckwärmeübertrager kommende Fluid wird in einem Expander arbeitsleistend auf Verdampferdruckniveau entspannt, wobei der Expander mechanisch direkt mit einem Hochdruckkompressor verbunden ist. Das von dem Expander kommende Fluid wird in einen Verdampfer geführt und nimmt dort Wärme auf, so dass die Dichte des Fluids abnimmt und die Temperatur des von dem Expander kommenden Massestroms des Fluids, der sich auf Verdampferdruckniveau befindet, zunimmt. Nach dem Hochdruckwärmeübertrager und vor dem Expander wird das Fluid durch einen Unterkühler geführt, wobei zwischen dem Unterkühler und vor dem Expander ein Teil des Fluids aus dem auf Hochdruckniveau befindlichen Massestrom abgezweigt sowie mittels eines Hochdruckregelventils auf Mitteldruckniveau entspannt wird. Nachfolgend wird das Fluid im Gegenstrom zu dem durch den Unterkühler geführten Massestrom, der sich auf Hochdruckniveau befindet, auf Mitteldruckniveau durch den Unterkühler geführt, wobei es Wärme aufnimmt und der Massestrom auf Hochdruckniveau unterkühlt wird. Nach dem Durchlaufen des Unterkühlers gelangt das Fluid im abgezweigten Mitteldruckmassestrom zu dem Hochdruckkompressor, der ausschließlich das im Gegenstrom geführte Fluid von Mitteldruckniveau auf Hochdruckniveau verdichtet und vor dem Hochdruckwärmeübertrager dem von dem motorbetriebenen Hauptkompressor kommenden Massestrom beimischt.
Es kann vorgesehen sein, dass das Fluid nach dem Expander in einen Sammler geführt wird, in dem eine Flüssigphase des Fluids von einer Dampfphase des Fluids getrennt wird. Die Flüssigphase wird über ein Einspritzventil auf Verdampferdruck entspannt. Die Dampfphase des Fluids wird über ein Druckhalteventil entspannt und nach dem Verdampfer in den von dem Verdampfer kommenden Massestrom des Fluids beigemischt.
Als Fluid, das in diesem Zusammenhang auch als Kältemittel bezeichnet wird, kann Kohlendioxid, CO₂, verwendet werden, da Kohlendioxid nicht explosiv und nicht brennbar, aber thermisch stabil ist. Als Kälteträger zählen zu seinen Vorteilen ein geringes spezifisches Volumen und ein hoher Wärmeübergangskoeffizient sowie niedrige Druckverluste bei einer Strömung durch Wärmeübertrager.
Das beschriebene Verfahren kann mit der beschriebenen Vorrichtung durchgeführt werden bzw. die beschriebene Vorrichtung ist zum Durchführen des beschriebenen Verfahrens eingerichtet.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden nachfolgend anhand der 1 bis 12 erläutert.
Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung einer Prozessführung eines Kaltdampfprozesses und
2 eine 1 entsprechende schematische Ansicht der Prozessführung ohne einen Sammler;
3 eine Querschnittsansicht einer Expander-Kompressor-Einheit;
4 eine seitliche Ansicht einer Kolbenstange samt Arbeitskolben;
5 eine Schnittansicht durch ein Ende der Expander-Kompressoreinheit;
6 eine Schnittansicht eines Mittelteils der in 3 gezeigten Expander-Kompressor-Einheit;
7 eine 4 entsprechende seitliche Ansicht des Hauptschiebers samt Schieberstange und Kolben;
8 eine vergrößerte Ansicht des Hilfsschiebers samt Stiften;
9 eine 4 entsprechende Ansicht eines Hilfsschiebers samt Stiften;
10 eine Draufsicht auf einen Dichtungsrahmen samt O-Ringen;
11 eine vergrößerte Ansicht des Hauptschiebers in Draufsicht und
12 eine Draufsicht auf einen weiteren Dichtungsrahmen samt O-Ring.
1 zeigt in einer schematischen Darstellung eine Prozessführung eines Kaltdampfprozesses. Im unteren Teil von 1 ist ein Niederdruckkreis dargestellt, bei dem von einem Sammler S kommend durch ein Einspritzventil TV ein Fluid, im dargestellten Ausführungsbeispiel Kohlendioxid, durch einen Verdampfer V zu einem motorbetriebenen Hauptkompressor C1 gelangt. Das von dem Hauptkompressor C1 verdichtete Fluid mischt sich mit einem von einem Hochdruckkompressor C2 verdichteten Mitteldruckmassestrom des Fluids vor dem Hochdruckwärmeübertrager H, in dem ein höherer Druck als in dem Sammler S eingehalten ist. Von dem Hochdruckwärmeübertrager H gelangt das Fluid über einen Unterkühler U und den Expander E wieder in den Sammler S.
Bei der dargestellten Prozessführung wird jedoch ein separater Mitteldruckmassestrom durch den von dem Expander E direkt angetriebenen Hochdruckkompressor C2 verdichtet, bevor er in den Hochdruckwärmeübertrager H gelangt. Der Hochdruckkompressor C2 verdichtet nur diesen Mitteldruckmassestrom, also kein Fluid, das außerhalb des Mitteldruckmassestroms geführt ist. Nach dem Hochdruckwärmeübertrager H, der auch als Gaskühler bzw. Kondensator bezeichnet wird, wird das gerade aus dem Hochdruckwärmeübertrager H und in einen zwischen dem Hochdruckwärmeübertrager H und dem Expander E liegenden Unterkühler U strömende Fluid nach Durchlaufen des Unterkühlers U aufgeteilt. Ein kleinerer Teil, typischerweise zwischen 15 Prozent und 30 Prozent wird in einer Drossel TH, die auch als Hochdruckregelventil bezeichnet wird, drosselentspannt. Anschließend nimmt das abgezweigte Fluid im Unterkühler U im Gegenstrom Wärme auf und gelangt zu dem Hochdruckkompressor C2. Dadurch wird der Hochdruckmassestrom des Fluids zusätzlich unterkühlt. Die Exergie der Expansion wird somit zur zusätzlichen Unterkühlung bei Hochdruck genutzt. Schließlich wird der durch den Hochdruckkompressor C2 wieder auf Hochdruck verdichtete Mitteldruckmassestrom vor dem Hochdruckwärmeübertrager H dem vom Hauptkompressor C1 kommenden Fluid zugemischt. Durch die Abzweigung des Hochdruckregelventils TH direkt vor dem Expander E reduziert es außerdem ungewollte Pulsationen im "Flüssigkeitsteil" auf Hochdruckniveau und hat im Vergleich zur bekannten Abzweigung zwischen dem Hochdruckwärmeübertrager H und dem Unterkühler U weiterhin energetische Vorteile in manchen Betriebspunkten.
Eine Druckdifferenz und ein Saugvolumenstrom können sich hierbei am Hochdruckkompressor C2 entsprechend einem Angebot auf der Expanderseite frei einstellen. Wird das Hochdruckregelventil bzw. die Drossel TH geschlossen, steigt dessen Druckdifferenz solange, bis die skizzierte Expander-Kompressor-Einheit stehenbleibt und kein Expandermassestrom mehr vorhanden ist. Die Folge ist ein steigender Hochdruck. Wird das Hochdruckregelventil TH nun langsam geöffnet, steigt der Mitteldruck wieder, bis der Expander E läuft und der gewünschte Expandermassestrom, Hochdruck und Expandereintrittstemperatur sich einstellen. Dabei sollte allerdings der Hochdruck nur soweit gesteigert werden, dass eine minimale Temperaturdifferenz an der "heißen Seite" des Unterkühlers U, d. h. hochdruckkompressorseitig, bleibt. Das ist ein weiterer Regelungsgrundsatz. Der Expandermassestrom wird somit geregelt, ohne ihn einzudrosseln, was einem Exergieverlust gleichkäme.
Der Sammlerdruck in dem Sammler S wird nur so hoch gewählt, dass eine ausreichende Regelbarkeit des Einspritzventils TV und eines Druckhalteventils TS gewährleistet ist, das in einer zwischen einem Dampfraum des Sammlers S und nach dem Verdampfer V Sammlersowie vor dem Hauptkompressor C1 angeschlossenen Leitung angeordnet ist. Bei einem konstanten Verdampferdruck erlaubt dies einen konstant niedrigen Sammlerdruck, unabhängig vom Hochdruck.
Mit der in dem in 1 in einem Ausführungsbeispiel dargestellten Vorrichtung bzw. einem entsprechenden Verfahren kann eine Leistungszahl bei –10 °C Verdampfungstemperatur und 20 °C Umgebungstemperatur um ca. 15 Prozent gegenüber einem einfachen Kaltdampfprozess, bei dem lediglich ein Kompressor, ein Hochdruckgaskühler bzw. Kondensator, ein Drosselventil, ein Sammler und ein Verdampfer in bekannter Weise Verwendung finden. Der Hochdruck bleibt hierbei bei vergleichbaren Werten. Um eine noch größere Steigerung zu erhalten, können noch weitere Exergieverluste durch eine zweistufige Verdichtung mit Zwischenkühlung verringert werden, wobei eine restliche Prozessführung bzw. der restliche Aufbau gleich bleibt.
Außerdem ist es möglich, den Expander E mehrstufig auszuführen, d. h. die Expansion des Fluids in mehreren Stufen ablaufen zu lassen. Hierfür können beispielsweise mehrere einzelne Expander E hintereinander angeordnet werden. Dafür bietet sich die bekannte Konstruktion aus DE 102 42 271 B3 ohne Frequenzsteuerung an.
2 zeigt in einer 1 entsprechenden Ansicht die beschriebene Prozessführung ohne den Sammler S. Wiederkehrende Merkmale sind in dieser Figur wie auch in den folgenden Figuren mit identischen Bezugszeichen versehen. Der Expander E führt das Fluid somit direkt zu dem Verdampfer V, ohne dass das Fluid zuvor den Sammler S passiert. Dementsprechend sind auch das Einspritzventil TV und das Druckhalteventil TS obsolet.
3 zeigt in einer seitlichen Ansicht einen Querschnitt durch eine Expander-Kompressor-Einheit aus dem Expander E und dem Hochdruckkompressor C2, die in einem gemeinsamen Gehäuse 10 angeordnet sind und somit die Expander-Kompressor-Einheit bilden. Zwei Kolben 1 und 2 werden über eine Kolbenstange 3 auf Abstand gehalten und durch einen Mittelteil 4 der Einheit räumlich voneinander getrennt. Hierdurch bilden sich mehrere Arbeitsräume, von denen im dargestellten Beispiel allerdings nur die Arbeitsräume 5.1 und 6.2 bei maximalem Arbeitsraum zu sehen sind. Der Arbeitsraum 5.1 sowie der Arbeitsraum 5.2 ist jeweils einer von zwei Expanderarbeitsräumen, während der Arbeitsraum 6.1 und 6.2 jeweils einer von zwei Kompressorarbeitsräumen ist. Als optimales Hubvolumenverhältnis der dargestellten Einheit hat sich ein Wert zwischen 0,5 und 0,75 herausgestellt.
Im dargestellten Ausführungsbeispiel werden die innenliegenden Expanderarbeitsräume 5.1 und 5.2 über einen im Mittelteil 4 angeordnete Hilfsschieber 9 bzw. einen Hauptschieber 8 gesteuert. Dabei wird der Hilfsschieber 9 direkt von den Arbeitskolben 1 und 2 durch Stifte 7 bewegt. Der Hilfsschieber 9 wechselt anschließend eine Druckbeaufschlagung auf den Hauptschieber 8, der sich dadurch bewegt und eine Zuströmöffnung und eine Abströmöffnung für die Arbeitsräume 5.1 und 5.2 des Expanders E durch Öffnen und Schließen steuert. Der Hauptschieber 8 und der Hilfsschieber 9 sind dabei in vorteilhafter Weise als Flachschieber ausgestaltet.
In den Kompressorarbeitsräumen 6.1 und 6.2 sind einfache Kugelventile angeordnet. Da die Kolbenstange 3 im dargestellten Ausführungsbeispiel nur Druckkräfte erfährt, ist die Kolbenstange 3 nicht fest, sondern lösbar mit den Kolben 1 und 2 verbunden, indem die Kolben 1 und 2 auf die Kolbenstange 3 nur stirnseitig oder flächig berühren. Dies ist in 4 in einer seitlichen Darstellung gezeigt, bei der die Arbeitskolben 1 und 2 von der Kolbenstange 3 getrennt sind. In weiteren Ausführungsbeispielen kann aber natürlich auch eine feste Verbindung vorliegen. Die dargestellte Konstruktion erlaubt somit auch eine Verwendung von O-Ringen an sonst schwierig abzudichtenden Stellen.
5 stellt eine Schnittansicht entlang der Linie B-B von 3 durch ein Endstück der Expander-Kompressor-Einheit dar. Ein als Kugelventil ausgestaltetes Kompressorventil ist mit einem oberen Anschluss hochdruckseitig und mit seinem unteren Anschluss mit dem Mitteldruckniveau des Unterkühlers U verbunden.
In 6 ist eine Schnittansicht des Mittelteils 4 der in 3 gezeigten Expander-Kompressor-Einheit entlang der Linie A-A dargestellt. Ein oberer Anschluss führt das Fluid vom Hochdruckniveau des Unterkühlers U, während der untere Anschluss zum Sammler S führt. Der Hauptschieber 8 ist über eine Schieberstange 11 mit einem Schieberkolben 12 verbunden, wobei diese Verbindung lösbar ist. Dies ist in einer seitlichen Ansicht in 7 auch dargestellt, bei der der Hauptschieber 8, die Schieberstange 11 und der Schieberkolben 12 als separate und voneinander getrennte Bauteile dargestellt sind.
Der Hilfsschieber 9 samt den zu seiner Betätigung durch die Arbeitskolben 1 und 2 eingesetzten Stiften 7 ist in 8 entlang einer Linie D-D aus 3 gezeigt. 9 zeigt in einer 4 entsprechenden Ansicht den Hilfsschieber 9 und die beiden Stifte 7 in getrennter Weise, durch die der Hilfsschieber 9 bewegt werden kann.
10 zeigt in Draufsicht einen Dichtungsrahmen 13 mit zwei O-Ringen 14 und 15 für den Hilfsschieber 9, die bei einem Einbau in Durchbrüchen des Dichtungsrahmens 13 angeordnet werden. In 11 ist der Hauptschieber 8 samt Schieberstange 11 und Schieberkolben 12 in Draufsicht entlang der Linie C-C aus 3 dargestellt. In gleicher Weise wie 10 zeigt 12 einen weiteren Dichtungsrahmen 16 mit O-Ring 17 für den Hauptschieber 8. Die beschriebene Konstruktion erlaubt gerade die Verwendung von O-Ringen an schwierig abzudichtenden Flächen (nämlich um den Hauptschieber 8 und den Hilfsschieber 9), so dass ein Taschenfräsen durch entsprechende Stützrahmen vermieden wird.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 1812759 B1 [0002]
DE 10242271 B3 [0014, 0039]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

Quack, H.; Kraus, W. E.: Carbon Dioxide as a Refrigerant for Railway Refrigeration and Air Conditioning, Proceedings of the IIRConference New Application of Natural Working Fluids in Refrigeration and Air Conditioning, Hannover, Deutschland 1994, S. 489–494 [0002]

Claims

Vorrichtung zum Durchführen eines Kaltdampfprozesses mit einem motorbetriebenen Hauptkompressor (C1), der eingerichtet ist, einen Massestrom eines als Kältemittel dienenden Fluids auf Verdampferdruckniveau anzusaugen und diesen Massestrom auf Hochdruckniveau zu komprimieren, einem Hochdruckwärmeübertrager (H), der eingerichtet ist, den Massestrom des Fluids auf Hochdruckniveau zu kühlen, eine Dichte zu erhöhen und eine Temperatur des Fluids zu verringern, einem Expander (E), der eingerichtet ist, den von dem Hochdruckwärmeübertrager (H) kommenden Massestrom des Fluids arbeitsleistend auf Verdampferdruckniveau zu entspannen, einem Verdampfer (V), der eingerichtet ist, Wärme aufzunehmen, so dass die Dichte des Fluids beim Durchlaufen des Verdampfers (V) abnimmt und die Temperatur des von dem Expander (E) kommenden Massestroms auf Verdampferdruckniveau und des durch den Verdampfer (V) geführten Fluids steigen, einem dem Hochdruckwärmeübertrager (H) nachgeschalteten und dem Expander (E) vorgeschalteten Unterkühler (U), wobei nach dem Unterkühler (U) und vor dem Expander (E) ein Teil des Massestroms des Fluids auf Hochdruckniveau abzweigbar und mittels eines Hochdruckregelventils (TH) auf Mitteldruckniveau entspannbar ist, so dass das Fluid anschließend auf Mitteldruckniveau im Gegenstrom im Unterkühler (U) Wärme aufnimmt und hierbei den Massestrom auf Hochdruckniveau unterkühlt, einem Hochdruckkompressor (C2), der mit dem Expander (E) mechanisch direkt verbunden ist und eingerichtet ist, ausschließlich den vor dem Expander (E) abgezweigten und im Gegenstrom zu dem den Unterkühler (U) durchlaufenden Massestrom des Fluids auf Hochdruckniveau geführten Massestrom auf Mitteldruckniveau zu verdichten und vor dem Hochdruckwärmeübertrager (H) dem von dem motorbetriebenen Hauptkompressor (C1) kommenden Massestrom beizumischen.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Expander (E) ein Sammler (S) angeordnet und eingerichtet ist, eine Flüssigphase des Fluids und eine Dampfphase des Fluids zu trennen, wobei die Flüssigphase speicherbar, über ein Einspritzventil (TV) auf Verdampferdruck entspannbar und die Dampfphase des Fluids über ein Druckhalteventil (TS) entspannbar ist, wobei die entspannte Flüssigphase dem Verdampfer (V) zuführbar und die entspannte Dampfphase nach dem Verdampfer (V) in den von dem Verdampfer kommenden Massestrom des Fluids beimischbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Expander (E) und der Hochdruckkompressor (C2) in einem gemeinsamen Gehäuse (10) angeordnet sind.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Hubvolumenverhältnis zwischen dem Expander (E) und dem Hochdruckkompressor (C2) zwischen 0,5 und 0,75 eingehalten ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Arbeitsräume (5.1, 5.2) des Expanders (E) über einen Hauptschieber (8) und einen Hilfsschieber (9) steuerbar sind, die mittig zwischen den Arbeitsräumen (5.1, 5.2) angeordnet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Hauptschieber (8) und/oder der Hilfsschieber (9) als Flachschieber ausgeführt ist/sind. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Hilfsschieber (9) von Arbeitskolben (1, 2) durch mindestens zwei Stifte (7) bewegbar ist.
Vorrichtung nach einem Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine Kolbenstange (3) lösbar mit den Arbeitskolben (1, 2) verbunden ist.
Verfahren zum Durchführen eines Kaltdampfprozesses, bei dem ein Massestrom eines als Kältemittel dienenden Fluids durch einen motorbetriebenen Hauptkompressor (C1) auf Verdampferdruckniveau angesaugt und auf Hochdruckniveau komprimiert wird, der Massestrom des Fluids auf Hochdruckniveau in einem Hochdruckwärmeübertrager (H) gekühlt wird, wobei eine Dichte erhöht und eine Temperatur des Fluids verringert werden, das Fluid von dem Hochdruckwärmeübertrager (H) kommend in einem Expander (E) arbeitsleistend auf Verdampferdruckniveau entspannt wird, wobei der Expander (E) mechanisch direkt mit einem Hochdruckkompressor (C2) verbunden ist, das von dem Expander (E) kommende Fluid in einem Verdampfer (V) geführt wird und Wärme aufnimmt, so dass die Dichte abnimmt und die Temperatur des von dem Expander (E) kommenden Massestroms auf Verdampferdruckniveau zunimmt, wobei das Fluid nach dem Hochdruckwärmeübertrager (H) durch einen Unterkühler (U) geführt und zwischen dem Unterkühler (U) und vor dem Expander (E) ein Teil des Fluids aus dem durch den Unterkühler (U) geführten Massestrom auf Hochdruckniveau abgezweigt sowie mittels eines Hochdruckregelventils (TH) auf Mitteldruckniveau entspannt wird, nachfolgend im Unterkühler (U) im Gegenstrom zu dem auf Hochdruckniveau strömenden Massestrom geführt wird, Wärme aufnimmt und hierbei der Massestrom auf Hochdruckniveau unterkühlt wird, und nach dem Durchlaufen des Unterkühlers (U) den Hochdruckkompressor (C2) durchläuft, wobei ausschließlich das im Gegenstrom geführte Fluid durch den Hochdruckkompressor (C2) auf Hochdruckniveau verdichtet wird und vor dem Hochdruckwärmeübertrager (H) dem von dem motorbetriebenen Hauptkompressor (C1) kommenden Massestrom beigemischt wird.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Fluid nach dem Expander (E) in einen Sammler (S) geführt wird, in dem eine Flüssigphase des Fluids von einer Dampfphase des Fluids getrennt wird und die Flüssigphase über ein Einspritzventil (TV) auf Verdampferdruck sowie die Dampfphase des Fluids über ein Druckhalteventil (TS) entspannt wird und nach dem Verdampfer (V) in den von dem Verdampfer (V) kommenden Massestrom des Fluids beigemischt wird.
Verfahren nach Anspruch 9 oder Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass als Fluid Kohlendioxid verwendet wird.