DE10334947B4

DE10334947B4 - Verdichter für transkritische Kälteanlagen

Info

Publication number: DE10334947B4
Application number: DE10334947.2A
Authority: DE
Inventors: Dieter Mosemann; Dymtro Zaytsev
Original assignee: GEA Refrigeration Germany GmbH
Current assignee: GEA Refrigeration Germany GmbH
Priority date: 2003-07-31
Filing date: 2003-07-31
Publication date: 2019-11-07
Anticipated expiration: 2023-08-01
Also published as: DE10334947A1

Abstract

Verdichter mit Ansaugseite, Auslassseite und Economiser-Anschluss für eine Kälte- oder Klimaanlage, der nach dem Verdrängungsprinzip arbeitet, zum Beispiel Schraubenverdichter mit einem Rotorpaar, dessen Zahnlücken Arbeitskammern sind, das von einer Gehäusewand umschlossen ist, in der Einlassfenster 7, Auslassfenster und eine Economiser-Anschlussöffnung 8 angeordnet sind, die in Drehwinkelbereichen der Rotoren eine Strömungsverbindung zu den Zahnlücken der Rotoren haben, oder Hubkolbenverdichter, dessen Kolben-Zylinderanordnung die Arbeitskammer ist, mit Arbeitsventilen 19, 20, 22 auf der Saugseite 17 und auf der Auslassseite 18 und am Economiser-Anschluss 21, wobei im Betriebszustand Ansaugdruck auf der Saugseite 17 des Verdichters und Verdichtungsendruck auf der Auslassseite 18 des Verdichters anliegen, und der Druck auf der Auslassseite 18 größer ist als der Druck am kritischen Punkt des Kältemittels, und der Economiser-Anschluss21 eine Strömungsverbindung zu einem Zwischendruckbehälter der Kälte- oder Klimaanlage aufweist, dessen Druck zwischen Verdichtungsenddruck und Saugdruck liegt, dadurch gekennzeichnet, dass die Economiser-Anschlussöffnung 8 des Schraubenverdichters oder der Economiser-Anschluss 21 des Hubkolbenverdichters die in Bezug auf die Ansaugseite des Verdichters so angeordnet ist, dass eine Strömungsverbindung entsteht, bevor das maximale Arbeitskammervolumen erreicht ist.

Description

Die Erfindung betrifft Verdichter, die nach dem Verdrängungsprinzip arbeiten, zum Beispiel Schraubenverdichter oder Hubkolbenverdichter, die zumindest zwischen zwei Druckniveaus arbeiten. Die Druckniveaus sind Ansaugdruck, der auf der Saugseite des Verdichters anliegt und in der Nähe des Druckes im Verdampfer liegt, und Verdichtungsendruck, der auf der Druckseite des Verdichters wirkt und 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 Verdichter saugt Arbeitsmedium, das im Verdampfer verdampft, an und verdichtet es auf den Druck der Hochdruckseite. Das Arbeitsmedium (Kältemittel) wird in einem Gaskühler abgekühlt und danach entweder in einer Expansionsmaschine unter Abgabe mechanischer Arbeit entspannt oder in einer Drosseleinrichtung auf den Druck in einem Flüssigkeitsabscheider entspannt. Der Druck liegt unterhalb des Druckes am kritischen Punkt des Arbeitsmediums, deshalb entstehen sowohl Flüssigkeit als auch Dampf („Flashgas“), die im Flüssigkeitsabscheider getrennt werden. Durch die Druckabsenkung sinkt die Temperatur des Arbeitsmediums ab. Die Flüssigkeit wird durch Wärmezufuhr verdampft. Die dazu erforderliche Wärmemenge wird in der Kälte- und Klimatechnik als Kälteleistung bezeichnet.
Je größer der Flüssigkeitsanteil, desto größer die Kälteleistung.
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung an einem Verdichter für den Einsatz in Kälteanlagen, deren Verdichtungsenddruck im überkritischen Bereich eines Kältemittels, zum Beispiel CO2, liegt.
Nach dem Stand der Technik ist bei der Kälteerzeugung durch einen Kälteprozess mit überkritischer Hochdruckseite der Flashgas-Anteil sowohl bei Entspannung in einer Expansionsmaschine als auch in einer Drosseleinrichtung sehr groß. Die verbleibende Flüssigkeitsmenge ist in Bezug auf den vom Verdichter geförderten Massenstrom vergleichsweise klein. Das Verhältnis Kälteleistung zu Antriebsleistung, der COP, fällt entsprechend klein aus. Der Energiebedarf zur „Kälteerzeugung“ ist unakzeptabel groß. Deshalb wird bei einer anderen Ausführung eine zweistufige Entspannung verwendet, bei der ein erster Flashgas-Anteil und ein erster Flüssigkeitsanteil bei höherem Druck entstehen. Der erste Flashgas-Anteil wird wieder in einem zweiten Verdichter auf den Druck der Hochdruckseite verdichtet und die erste Flüssigkeit wird auf den Druck im Flüssigkeitsabscheider entspannt, wobei das Verhältnis Flüssigkeitsanteil und Flashgas-Anteil deutlich vergrößert wird. Nachteilig wird ein zweiter Verdichter mit einem eigenen Antrieb benötigt. Die Kosten für eine solche Anlage steigen, und der Betrieb einer solchen Anlage wird komplizierter als bei einer Einmaschinen-Anlage, da sowohl die zeitliche Abfolge für den Start und Stopp der Verdichter, als auch die Förderströme beider Verdichter aufeinander abgestimmt und deshalb geregelt werden müssen. Eine andere bekannte technische Lösung ist die sogenannte Economiser-Kopplung. Verwendet werden dafür Schraubenverdichter, wie in DE 3 528 058 A1 beschrieben, oder Scollverdichter, wie in EP 0 564 123 A1 beschrieben. Diese Verdichter werden für den unterkritischen Kältekreislauf, bei dem der Druck auf der Hochdruckseite des Verdichters unterhalb des Druckes am kritischen Punkt liegt, verwendet. Sie können für den überkritischen Kältekreislauf nicht benutzt werden, da sich ein Zwischendruck einstellen würde, der oberhalb des Druckes am kritischen Punkt liegt. Somit entsteht bei der Entspannung in der ersten Stufe vom Hochdruck auf Zwischendruck keine Flüssigkeit und damit kein funktionsfähiger Kältekreislauf mit Zwischenkühlung. Von Nachteil ist bei diesen Verdichtern, dass die Einspeisung in die Economiser-Anschlussöffnung erst beginnt, nachdem die Zahnlücken ihr maximales geometrisches Kammervolumen erreicht haben, also in zu kleine Arbeitskammern. Das zur Verfügung stehende Kammervolumen ist zu klein, um den Flashgas-Anteil bei unterkritischem Druck aufzunehmen.
Das Ziel der Erfindung besteht darin, eine technische Lösung zu verwirklichen, bei der nur ein Verdichter benötigt wird, der mit einer zweistufigen Entspannung betrieben werden kann. Ein Verdichter, dessen Saugvolumenstrom und Aufladevolumenstrom in einem solchen Verhältnis stehen, dass der Zwischendruck soweit abgesenkt werden kann, dass der Zwischendruck kleiner als der Druck am kritischen Punkt des Kältemittels ist. Der Saugvolumenstrom passiert die Saugseite des Verdichters bei Ansaugdruck. Der Aufladevolumenstrom passiert eine zweite Ansaugöffnung bei Zwischendruck, der größer als der Saugdruck ist.
Nach den Merkmalen der Erfindung ist ein Verdichter dadurch gekennzeichnet, dass die Saugseite des Verdichter und die Economiser-Anschlussöffnung so angeordnet sind, dass die Economiser-Anschlussöffnung eine Strömungsverbindung zum Kammervolumen erhält, bevor das maximale Kammervolumen erreicht wird. Das bedeutet dass der Einlassvorgang, beendet wird, bevor das maximal mögliche Volumen der Arbeitskammer erreicht ist.
Im Fall von Schraubenverdichtern wird die Einlassöffnung verkleinert, damit der Einlassvorgang endet, bevor das maximale Zahnlückenvolumen erreicht ist, und die Economiser-Anschlussöffnung hat eine solche Lage in Bezug auf die Zahnlückenräume der Rotoren, dass die Einspeisung des Aufladevolumens beginnt, bevor das maximale Zahnlückenvolumen erreicht ist.
Der Einlassvorgang in einer Arbeitskammer, einer betrachteten Zahnlücke eines Schraubenrotors ist in dem Augenblick beendet, wenn die Strömungsverbindung dieser Zahnlücke zur Saugseite des Verdichters verloren geht. Vorteilhaft entsteht kurz vorher, zu diesem Zeitpunkt oder etwas später infolge der weiteren Drehung des Rotors eine Strömungsverbindung der betrachteten Zahnlücke zur am Umfassungsgehäuse der Rotoren angeordneten Economiser-Anschlussöffnung.
Das geometrische Zahnlückenvolumen der betrachteten Zahnlücke vergrößert sich in dieser Phase dabei weiter.
Sinngemäß gelten die gleichen technischen Merkmale für andere Verdichterbauarten und Verdichter mit geometrisch gesteuerten Einlass- und Auslassöffnungen.
Im Falle von Hubkolbenverdichtern und anderen Verdichterbauarten mit Arbeitsventilen, die durch Druckdifferenzen zwischen dem Arbeitsraum und den Anschlussleitungen und mechanische, hydraulische oder magnetische Kräfte oder Kombinationen dieser selbständig öffnen und schließen, mündet die Economiser-Anschlussöffnung in einem steuerbaren Kanal, der so am Zylinder oder an der Arbeitskammer angeordnet ist, dass die Strömungsverbindung entsteht, bevor das maximale geometrische Volumen der Arbeitskammer, zum Beispiel des Arbeitszylinders eines Hubkolbenverdichters, erreicht ist. Bevor der Kolben beim Ansaughub die untere Totlage erreicht hat, entsteht eine Strömungsverbindung zu der am Verdichter angeordneten Economiser-Anschlussöffnung. Durch die Druckerhöhung auf den Zwischendruck endet der Ansaugvorgang. Das Einlassventil schließt selbständig. Das bereits angesaugte Arbeitsmedium wird durch den einströmenden Flashgas-Anteil isochor verdichtet. Die geometrische Volumenvergrößerung durch weitere Abwärtsbewegung des Kolbens erfolgt jetzt bei höherem Druck. Ein Arbeitsventil im Kanal zwischen Economiser-Anschlussöffnung und Zylinder oder Arbeitskammer schließt selbständig durch Federkraft oder Druckdifferenz an diesem Ventil oder mittels einer Einrichtung, z.B. einem Schieberventil, dessen Bewegungsablauf von der Drehstellung der Kurbelwelle abhängt, wenn das maximale Zylindervolumen erreicht ist. Danach beginnt die Verdichtung des angesaugten Volumens und des Flashgas-Anteils gemeinsam bei höherem Druck.
Durch die technische Lösung gemäß der Erfindung wird der zirkulierende Massenstrom durch den Verdampfer reduziert, der Zwischendruck der ersten Entspannungsstufe der zweistufigen Entspannung soweit abgesenkt, dass der Zwischendruck deutlich unter dem Druck am kritischen Punkt des Kältemittels liegt, so dass auch eine ausreichende Differenz der Dichte von Flashgas-Anteil und Flüssigkeit vorhanden ist, um auch die Abscheidung der beiden Phasen des Arbeitsmediums im Zwischendruckabscheider zu ermöglichen.
Figurenliste

1 zeigt ein p,V-Diagramm für einen Verdichter gemäß der Erfindung.
2 zeigt die Abwicklung der Zahnlücken eines Rotors für einen Schraubenverdichter und die Ansaugöffnung sowie die Economiser-Anschlussöffnung.
3 zeigt ein Volumendiagramm als Funktion des Rotordrehwinkels eines Schraubenverdichters.
4 a) und 4b) zeigen vereinfacht einen Hubkolbenverdichter gemäß der Erfindung mit unterschiedlichen Stellungen des Kolbens.

Im p,V-Diagramm gemäß 1 beginnt der Ansaugvorgang am Punkt 1 und endet am Punkt 2, wo auch die Economiser-Anschlussöffnung 8 eine Strömungsverbindung zur Arbeitskammer erhält. Das Kammervolumen hat an diesem Punkt noch nicht seine maximale Größe. Der Druck steigt in der Arbeitskammer durch den einströmenden Flashgas-Anteil auf den Zwischendruck am Punkt 3. Die Arbeitskammer, das Zahnlückenpaar 9, vergrößert sich bis zum maximal möglichen geometrischen Kammervolumen bei Zwischendruck. Im Punkt 4 schließt die Economiser-Anschlussöffnung 8, und es beginnt die Verdichtung von Ansauggas und Flashgas-Anteil zum Verdichtungsenddruck am Punkt 5.
Durch die Lage des Punktes 2 werden sowohl die Größe der Arbeitskammer bis zum Ende des Ansaugvorganges und damit der Ansaugvolumenstrom und auch der durch den Verdampfer zirkulierende Kältemittelmassenstrom beeinflusst als auch der sich einstellende Druck des Flashgas-Anteils. Die Lage des Punktes 2 wird so festgelegt, dass der Zwischendruck unterhalb des Druckes des Kältemittels am kritischen Punkt liegt. Liegt der Punkt 2 weiter links, sinkt der Druck an der Economiser-Anschlussöffnung 8, liegt er weiter rechts, steigt dieser Druck.
Gemäß 2 ist das Einlassfenster 7 so klein bemessen, dass der Ansaugvorgang beendet wird bevor das maximale geometrische Volumen des Zahnlückepaares 9 erreicht ist. Die Economiser-Anschlussöffnung 8 erhält eine Strömungsverbindung zur Arbeitskammer, bevor das maximale geometrische Volumen des Zahnlückepaares 9 erreicht ist. Dadurch werden der durch den Verdampfer zirkulierende Massenstrom reduziert und der über die Economiser-Anschlussöffnung 8 maximal mögliche Flashgas-Anteil vergrößert, wodurch der Zwischendruck sinkt. Nachdem das Zahnlückenpaar durch Drehung der Rotoren in Drehrichtung die Economiser-Anschlussöffnung 8 passiert hat und die Strömungsverbindung zur Economiser-Anschlussöffnung 8 verloren geht, beginnt die innere Verdichtung bis zu der Drehwinkelstellung, bei der das betrachtete Zahnlückenpaar die nicht dargestellte Auslassöffnung erreicht. Daran schließt sich der Auslassvorgang an.
In 3 sind auf der Ordinatenachse 10 das Kammervolumen eines Zahnlückenpaares, somit das geometrische Volumen der Arbeitskammer eines Schraubenverdichters, und auf der Abszissenachse 11 der Drehwinkel des Hauptrotors, der mit dem Nebenrotor ein Rotorpaar bildet und in Kämmeingriff steht, so dass ein Zahnlückenpaar von Haupt- und Nebenrotor die Arbeitskammer bilden. Im ersten Teil Einlass 12 auf der Abszissenachse erfolgt der Ansaugvorgang. Das Einlassfenster 7 hat dabei eine Strömungsverbindung zur Arbeitskammer. Durch weiteres Drehen der Rotoren gelangt man auf der Abszissenachse zu der Position 13, wo die Strömungsverbindung zum Einlassfenster 7 verloren geht (Einlass schließt). In dieser Drehposition der Rotoren entsteht eine andere Strömungsverbindung zur Economiser-Anschlussöffnung 14, durch die der Flashgas-Anteil in die Arbeitskammer einströmt, wodurch der Druck in der Arbeitkammer ansteigt. Der Einströmvorgang von Flashgas ist beendet, wenn die Strömungsverbindung zur Economiser-Anschlussöffnung verloren geht. Von jetzt an, beim Drehwinkel 15, beginnt die innere Verdichtung durch geometrische Volumenverkleinerung solange bis die Auslassöffnung beim Drehwinkel 16 erreicht ist. Der Hubkolbenverdichter gemäß der Erfindung hat eine Saugseite 17 (4) und eine Auslassseite 18 mit durch Druckdifferenzen zwischen dem Arbeitsraum und den Anschlussleitungen selbständig öffnenden und schließenden Arbeitsventilen 19, 20, sowie einen Economiser-Anschluss 21 mit einem durch Druckdifferenzen zwischen dem Arbeitsraum und der Anschlussleitungen selbständig öffnenden und schließenden Arbeitsventil 22.
Bei Abwärtsbewegung des Kolbens passiert die Oberkante des Kolbens den Economiser-Anschluss 21. Dadurch wird der Weg für den Flashgas-Anteil freigegeben, der bei Zwischendruck einströmt, bis der Kolben seine untere Totlage erreicht. Das Arbeitsventil 22 ist dabei geöffnet. Bei Aufwärtsbewegung steigt der Druck in der Arbeitskammer, und das Arbeitsventil 22 schließt selbsttätig. Der Schaft des Kolbens ist so lang, dass der Economiser-Anschluss 21 in der oberen Totlage des Kolbens verschlossen ist.
Bezugszeichenliste

1.: Punkt
2.: Punkt
3.: Punkt
4.: Punkt
5.: Punkt
7.: Einlassfenster
8.: Economiser-Anschlussöffnung
9.: Zahnlückenpaar mit maximalem Volumen
10.: Ordinatenachse
11.: Abszissenachse
12.: Teil
13.: Position
14.: Economiser-Anschlussöffnung
15.: Drehwinkel
16.: Auslassstartdrehwinkel
17.: Saugseite
18.: Auslassseite
19.: Arbeitsventil
20.: Arbeitsventil
21.: Economiser-Anschluss
22.: Arbeitsventil

Claims

Verdichter mit Ansaugseite, Auslassseite und Economiser-Anschluss für eine Kälte- oder Klimaanlage, der nach dem Verdrängungsprinzip arbeitet, zum Beispiel Schraubenverdichter mit einem Rotorpaar, dessen Zahnlücken Arbeitskammern sind, das von einer Gehäusewand umschlossen ist, in der Einlassfenster 7, Auslassfenster und eine Economiser-Anschlussöffnung 8 angeordnet sind, die in Drehwinkelbereichen der Rotoren eine Strömungsverbindung zu den Zahnlücken der Rotoren haben, oder Hubkolbenverdichter, dessen Kolben-Zylinderanordnung die Arbeitskammer ist, mit Arbeitsventilen 19, 20, 22 auf der Saugseite 17 und auf der Auslassseite 18 und am Economiser-Anschluss 21, wobei im Betriebszustand Ansaugdruck auf der Saugseite 17 des Verdichters und Verdichtungsendruck auf der Auslassseite 18 des Verdichters anliegen, und der Druck auf der Auslassseite 18 größer ist als der Druck am kritischen Punkt des Kältemittels, und der Economiser-Anschluss21 eine Strömungsverbindung zu einem Zwischendruckbehälter der Kälte- oder Klimaanlage aufweist, dessen Druck zwischen Verdichtungsenddruck und Saugdruck liegt, dadurch gekennzeichnet, dass die Economiser-Anschlussöffnung 8 des Schraubenverdichters oder der Economiser-Anschluss 21 des Hubkolbenverdichters die in Bezug auf die Ansaugseite des Verdichters so angeordnet ist, dass eine Strömungsverbindung entsteht, bevor das maximale Arbeitskammervolumen erreicht ist.
Verdichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es sich um einen Schraubenverdichter handelt, bei dem der Drehwinkelbereich, in dem eine Verbindung zum Einlassfenster 7 besteht, kleiner ist als der Drehwinkelbereich, der bis zum Erreichen des maximalen Zahnlückenvolumens einer betrachteten Zahnlücke erforderlich ist, und die Economiser-Anschlussöffnung 8 am Gehäuse in einem zweiten Drehwinkelbereich angeordnet ist, der sich an den ersten in Drehrichtung der Rotoren anschließt, und eine Strömungsverbindung zu einer betrachteten Zahnlücke besteht, bevor das maximale Zahnlückenvolumen erreicht ist.
Verdichter nach Anspruch 1,dadurch gekennzeichnet, dass es sich um einen Hubkolbenverdichter handelt, mit durch Druckdifferenzen zwischen dem Arbeitsraum und den Anschlussleitungen selbständig öffnenden und schließenden Arbeitsventilen 19, 20 oder durch mechanische, hydraulische oder magnetische Mittel oder Kombinationen dieser öffnende Arbeitsventile 19, 20 auf der Saugseite und auf der Auslassseite, wobei der Economiser-Anschluss 21 in einem steuerbaren Kanal mündet, der so an der Arbeitskammer angeordnet ist, dass eine Strömungsverbindung besteht, bevor das maximale geometrische Volumen der Arbeitskammer erreicht ist.
Verdichter nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungsverbindung zwischen Economiser-Anschluss 21 und Arbeitskammer durch die Position des Kolbens freigegeben wird.
Verdichter nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Arbeitsventil 22, das selbständig durch Federkraft oder eine Druckdifferenz im Kanal zwischen Economiser-Anschluss 21 und Zylinder oder Arbeitskammer schließt, am Economiser-Anschluss 21 angeordnet ist.
Verdichter nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Arbeitsventil 22 am Economiser-Anschluss 21 schließt, wenn sich der Kolben in der Position befindet in der das maximale geometrische Kammervolumen erreicht ist.
Verdichter nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine Einrichtung im oder am der Kanal zwischen Economiser-Anschluss 21 und Zylinder oder Arbeitskammer angeordnet ist, deren Öffnungsbereich von der Drehstellung der Kurbelwelle abhängt, und schließt, wenn das maximale Zylindervolumen erreicht ist.
Verdichter nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Economiser-Anschluss 21 und dem Gehäuseteil, in dem die Kurbelwelle angeordnet ist, eine Strömungsverbindung besteht.