DE19748083A1 - Entspannungseinrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Entspannungseinrichtung, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, insbesondere für eine Kältemaschine, sowie ein Verfahren zum Entspannen von Arbeitsmittel gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 13.

Es gibt den Vorschlag, ein Wirbelrohr als ein Expansionsorgan in Kältemaschinen einzusetzen, vgl. DE 434 51 347 A1. Entspannt wird z. B. ein unterkühltes Kältemittel. Fig. 12 zeigt eine Kältemaschine der DE 434 51 347 A1. Durch das Wirbelrohr 101 wird erhalten: ein flüssiges Kältemittel 110, ein kalter Gasstrom 111, der mit dem flüssigen Kältemittel einem Verdampfer 103 zugeführt wird, und ein warmer Gasstrom 112, der in einem Kühlrohr 102 abgekühlt wird und dann ebenfalls dem Verdampfer 103 zugeführt wird. Dadurch, daß der warme Gasstrom 112 vor dem Verdampfer 103 nochmals abgekühlt werden kann, nimmt insgesamt die im Verdampfer 103 zuführbare Wärme zu, d. h. die Eintrittstemperatur des Gases in einen Verdichter 104 kann niedriger sein (die Antriebsleistung reduziert sich dadurch). Der COP-Wert (Kälteleistungszahl) einer Kältemaschine nimmt um etwa 5 bis 15% zu.

Fig. 13 zeigt ein Wirbelrohr 101. Durch eine Eintrittsöffnung 121 und eine Versorgungsleitung 122 tritt das Kältemittel zunächst in einen Ringkanal 123. Danach strömt es unter Druckabfall durch Düsenkanäle 124 eines äußeren Düsenringes 126 in eine äußere Wirbelkammer 129 und verdampft durch die Entspannung teilweise. Das flüssige Kältemittel fließt unter dem Einfluß des Schwerkraft durch unterhalb der äußeren Wirbelkammer 129 angeordnete Schlitze in einen Sammelraum (nicht dargestellt). Der entstandene Dampf wird auch durch die Wirkung der Schwerkraft von der Flüssigkeit getrennt, steigt nach oben in der äußeren Wirbelkammer 129 auf und tritt unter weiterem Druckabfall durch Düsenkanäle 125 eines inneren Düsenringes 127 in eine innere Wirbelkammer 128. Dort wird er durch den Ranque-Hilsch-Effekt in einen nach oben aufsteigenden wandnahen warmen Gasstrom 112 und in einen nach unten durch eine Austrittsöffnung (nicht dargestellt) abfließenden, teilkondensierten kalten Gasstrom 111 geteilt.

Bei diesem konventionellen Wirbelrohr gibt es folgende Nachteile:
Das Wirbelrohr 101 ist ein Doppelwirbelrohr. Das erste Wirbelrohr trennt flüssiges Kältemittel 110 vom Gasstrom und das zweite Wirbelrohr trennt den Gasstrom in einen kalten und einen warmen Strom 111 und 112. Wegen des Druckabfalls in den Zuführungsdüsen des zweiten Wirbelrohrs kann nicht direkt auf den Verdampferdruck entspannt werden. Dadurch ist die Wirksamkeit eingeschränkt.

Die Separierung des flüssigen Kältemittels 110 und des Gasstroms erfolgt durch Schwerkraft. Damit sind die Einbaumöglichkeiten des Wirbelrohres beschränkt.

Das dargestellte Wirbelrohr 101 ist nur eingeschränkt für ein Kältemittel geeignet, das aus einem überkritischen Zustand entspannt wird (z. B. CO₂) und nicht aus der flüssigen Phase. Es kann nicht für alle Betriebszustände sichergestellt werden, daß sich nach dem ersten Wirbelrohr bereits eine ausreichende Menge Flüssigkeit separiert hat. Die Volumenaufteilung zwischen Gas und Flüssigkeit nach der Entspannung ist bei dem Kältemittel CO₂ außerdem deutlich größer (etwa um den Faktor 10 mehr Gas). Auch dies erschwert die Separierung.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Entspannungseinrichtung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 und ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 13 so weiterzubilden, daß die Separierung von flüssigen und gasförmigen Fluidströmen auch bei großen Anteilen des gasförmigen Fluidstromes ermöglicht ist.

Diese Aufgabe wird hinsichtlich der Entspannungseinrichtung durch die im Anspruch 1 aufgeführten Merkmale und hinsichtlich des Verfahrens durch die im Anspruch 13 aufgeführten Merkmale gelöst.

Erfindungsgemäß ist eine Entspannungseinrichtung geschaffen, in die Arbeitsmittel im überkritischen Zustand durch einen Einlauf tangential in ein Wirbelrohr strömt und dadurch eine Drallströmung erzeugt, die sich in Rohrlängsrichtung ausbreitet, so daß das Arbeitsmittel auf einer vorbestimmten Strecke des Wirbelrohrs sich in einen Flüssigkeitsstrom aus kondensierendem Arbeitsmittel, einen nicht kondensierten kalten und einen nicht kondensierten warmen Gasstrom separiert und danach in drei getrennte Abführungen ausströmt.

Der Flüssigkeitsstrom hat die höchste Dichte der aufzuteilenden Fluidströme und sammelt sich infolge der Drallströmung entlang der Wandung des Wirbelrohres und kann von dort als Flüssigkeitsstrom entnommen werden.

Ferner wird eine Entspannungseinrichtung geschaffen, bei der der Ablauf von flüssigem Arbeitsmittel durch ein Schwimmerventil sichergestellt wird.

Ferner wird eine Entspannungseinrichtung geschaffen, bei welcher das Wirbelrohr konisch ausgeführt ist.

Ferner wird eine Entspannungseinrichtung geschaffen, bei der das Wirbelrohr eine Beschaufelung besitzt und eine Leistungsauskopplung vorgenommen wird.

Ferner wird eine Entspannungseinrichtung geschaffen, bei der sich ein Ventil mit kegeligem Sitz an der Abführung des warmen Gasstromes befindet.

Ferner wird eine Entspannungseinrichtung geschaffen, bei der die Abführung für den kalten Gasstrom auf der entgegengesetzten Seite zu der Abführung für den warmen Gasstrom erfolgt.

Ferner wird eine Entspannungseinrichtung geschaffen, die als Entspannungseinrichtung in einer Verdichterkältemaschine mit transkritischer Prozeßführung des Kältemittels Kohlendioxid einsetzbar ist.

Weitere Ziele wie auch die Merkmale und Vorteile der Erfindung werden aus der folgenden, auf die Zeichen Bezug nehmenden Beschreibung von bevorzugten erfindungsgemäßen Ausführungsbeispielen deutlich.

Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer Verdichterkältemaschine gemäß der Erfindung;

Fig. 2 eine Schnittansicht einer Entspannungseinrichtung eines ersten Ausführungsbeispiels gemäß der Erfindung;

Fig. 3 eine Schnittansicht der Fig. 2 entlang der Linie 3-3;

Fig. 4 eine Schnittansicht einer Entspannungseinrichtung eines zweiten Ausführungsbeispiels gemäß der Erfindung;

Fig. 5 eine Schnittansicht einer Entspannungseinrichtung eines dritten Ausführungsbeispiels gemäß der Erfindung;

Fig. 6 eine Schnittansicht einer Entspannungseinrichtung eines vierten Ausführungsbeispiels gemäß der Erfindung;

Fig. 7 eine Schnittansicht der Fig. 6 entlang der Linie 7-7;

Fig. 8 eine Schnittansicht einer Entspannungseinrichtung eines fünften Ausführungsbeispiels gemäß der Erfindung;

Fig. 9 eine zur Fig. 8 ähnliche Ansicht mit anderer Stellung des Ventils;

Fig. 10 eine Schnittansicht einer Entspannungseinrichtung eines sechsten Ausführungsbeispiels gemäß der Erfindung;

Fig. 11 graphische Darstellungen zu Beziehungen zwischen Druck und Enthalpie;

Fig. 12 eine schematische Darstellung einer Verdichterkältemaschine nach dem Stand der Technik;

Fig. 13 eine Schnittansicht einer Entspannungseinrichtung nach dem Stand der Technik.

Fig. 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung. In Fig. 1 umfaßt eine Verdichterkältemaschine 20 einen das Kältemittel (Arbeitsmittel: Kohlendioxid (CO₂)) zu einem überkritischen Druck komprimierenden Verdichter 11, einen durch einen Wärmeaustausch mit der Luft das komprimierte Kältemittel kühlenden Gaskühler 12, ein das gekühlte Kältemittel unter den kritischen Druck expandierendes Wirbelrohr (Entspannungseinrichtung) 13 und einen durch einen Wärmeaustausch mit der Luft das expandierte Kältemittel verdampfenden Verdampfer 14. Der Verdichter 11, der Gaskühler 12, das Wirbelrohr 13 und der Verdampfer 14 sind mittels der Kanäle oder Leitungen 15 bis 19 in Reihe miteinander derart verbunden, daß ein geschlossener Kreis 20 gebildet ist. Die Leitung 17 versorgt den Verdampfer 14 mit dem im Wirbelrohr 13 abgetrennten kalten flüssigen Kältemittel, und die Leitung 18 versorgt den Verdampfer 14 zusätzlich mit dem im Wirbelrohr 13 abgetrennten kalten gasformigen Kältemittel. Ein zweiter Gaskühler (Wärmeübertrager) 22 befindet sich parallel zu dem Verdampfer 14 im Kreis 20. Eine Leitung 21 versorgt den zweiten Gaskühler 22 mit dem im Wirbelrohr 13 abgetrennten warmen gasförmigen Kältemittel.

Fig. 2 und 3 zeigen ein erstes Ausführungsbeispiel des Wirbelrohrs 13-1. Das Wirbelrohr 13-1 umfaßt eine Einlaßdüse 32 tangential zum Wirbelrohr 13-1, einen Raum 33, einen Sammler (erste Abführung) 34 der kalten Flüssigkeit (d. h. des kalten flüssigen Kältemittels), einen ersten Austritt (zweite Abführung) 36 des kalten Gasstroms (d. h. des gasförmigen kalten Kältemittels) und einen zweiten Austritt (dritte Abführung) 37 des warmen Gasstroms (d. h. das gasförmige warme Kältemittel). Die Anzahl der Einlaßdüsen 32 kann eins oder mehr betragen und die Einlaßdüse 32 kann etwas schräg in Richtung zur Strömung im Wirbelrohr 13-1 stehen. Die Drallströmung des Kältemittels, das von der Leitung 16 durch die Einlaßdüse 32 in den Raum 33 einströmt, erfolgt entlang einer Wandung des Raums 33. Eine Separierung des Kältemittelstroms durch die in Rohrrichtung sich ausbreitende Drallströmung in die kalte Flüssigkeit, den kalten Gasstrom und den warmen Gasstrom erfolgt wegen des Ranque-Hilsch-Effektes. Die kalte Flüssigkeit wird in dem Sammler 34 gesammelt und strömt in die Leitung 17 aus. Der kalte Gasstrom befindet sich in der Mitte des Raums 33 und strömt durch den ersten Austritt 36 in die Leitung 18 aus. Der warme Gasstrom befindet sich in dem äußeren Teil und strömt durch den zweiten Austritt 37 in die Leitung 23 aus.

Fig. 4 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel des Wirbelrohrs 13-2. Das Wirbelrohr 13-2 umfaßt einen Schwimmer (Schwimmerventil) 41, damit kein Gasstrom in die Leitung 17 ausströmt. Der Schwimmer 41 befindet sich im Sammler 34 und kann den Ablauf des Sammlers 34 verschließen.

Fig. 5 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel des Wirbelrohrs 13-3. Die innere Wand des Raums 33 des Wirbelrohrs 13-3 erweitert sich kegelig nach der Einlaßdüse 32 in Richtung des Sammlers 34. D. h. das Wirbelrohr 13-3 ist konisch ausgeführt, um den Abtransport des flüssigen Kältemittels in den Sammler 34, den ersten und zweiten Austritt 36 und 37 des Wirbelrohrs 13-3 zu unterstützen.

Fig. 6 und 7 zeigen ein viertes Ausführungsbeispiel des Wirbelrohrs 13-4. Das Wirbelrohr 13-4 umfaßt eine Beschaufelung 51 und eine Leistungsauskopplung 52. Die Schaufeln 51 sind beispielsweise wie bei einem Axiallaufrad einer Strömungsmaschine ausgeführt. Damit kann die kinetische Energie der Drallströmung teilweise in Arbeit umgesetzt werden. Die Leistungskopplung 52 ist beispielsweise ein Stirnradgetriebe. Anstatt des Getriebes kann auch eine direkt angetriebene elektrische Maschine usw. eingesetzt werden. Durch diese Arbeitsleistung erfolgt eine weitere Enthalpieabnahme des im Wirbelrohr 13-4 strömenden Kältemittels, so daß die Verdampferleistung weiter gesteigert wird.

Fig. 8 und 9 zeigen ein fünftes Ausführungsbeispiel des Wirbelrohrs 13-5. Das Wirbelrohr 13-5 umfaßt ein Ventil 61 mit kegeligem Sitz in der Leitung 23 für den warmen Gasstrom. Die mengenmäßige Aufteilung der drei Kältemittelströme (die Flüssigkeit, der kalte und warme Gasstrom) nach der Entspannungseinrichtung (Wirbelrohr 13-5) wird durch unterschiedliche Druckabfälle in den drei Abläufen nach herkömmlichen Maßnahmen durch feste oder variable Strömungswiderstände eingestellt. In Fig. 9 ist ein größerer Strömungsquerschnitt für den warmen Gasstrom in der Ableitung 23 freigegeben als in Fig. 8, so daß bei gleichem Druckabfall mehr Gas strömen kann.

Fig. 10 zeigt ein sechstes Ausführungsbeispiel des Wirbelrohrs 13-6. Das Wirbelrohr 13-6 umfaßt einen ersten Austritt 71 für den kalten Gasstrom, der auf der entgegengesetzten Seite zu dem zweiten Austritt 37 des warmen Gasstroms angeordnet ist.

Der Prozeß einer transkritischen Verdichterkältemaschine mit beispielsweise CO₂ als Kältemittel verläuft folgendermaßen:
Prozeß vom Punkt 1 nach 2 im Diagramm der Fig. 11 (isentrope Verdichtung des Kältemittels durch den Verdichter 11): Das Kältemittel CO₂ wird verdichtet, wobei es sich erwärmt. Prozeß vom Punkt 2 nach 3 (isobare Abführung des Kältemittels durch den Gaskühler 12): In den Gaskühler 12 gelangt das Kältemittel, wobei es bei konstantem Druck abgekühlt wird. Prozeß vom Punkt 3 nach 4a, 3 nach 4b, 3 nach 1a (Entspannung und Trennung des Kältemittels durch das Wirbelrohr 13): Im Wirbelrohr 13 erfolgt eine Druckabsenkung bei gleichzeitiger Trennung in die kalte Flüssigkeit, den kalten Gasstrom und den warmen Gasstrom. Die kalte Flüssigkeit und der kalte Gasstrom werden zusammengeführt (Punkt 4 im Diagramm 4a+4b). Es steht mehr flüssiges CO₂ im Verdampfer zur Verfügung als bei isenthalper Entspannung. Dadurch erhöht sich die Leistungszahl (COP-Wert) um bis zu 20%. Prozeß vom Punkt 1a bis 1b (isobare Abkühlung des warmen Gasstroms durch den zweiten Gaskühler 22): Der warme Gasstrom wird im Gaskühler 22 abgekühlt. Prozeß vom Punkt 4 bis 1c: Die kalte Flüssigkeit und der kalte Gasstrom gelangen durch den Verdampfer 14, wobei die Flüssigkeit verdampft und der Umgebung thermische Energie entzogen wird. Danach Zusammenführung der verdampften Flüssigkeit und des abgekühlten Gasstromes 1b in Punkt 1, und der Prozeß beginnt von Neuem.

Claims (13)

1. Entspannungseinrichtung mit einem Wirbelrohr (13), in dem ein Arbeitsmittel entspannbar ist, das durch einen Einlauf (32) einleitbar und im Wirbelrohr (13) in einen Flüssigkeitsstrom, einen kalten Gasstrom und einen warmen Gasstrom aufteilbar ist, die jeweils durch getrennte Abführungen (34, 36, 37) austreten, dadurch gekennzeichnet, daß das Wirbelrohr (13) einwandig ausgebildet ist, dessen Einlauf (32) tangential zum Wirbelrohr (13) ausgebildet ist, so daß eine Drallströmung im Wirbelrohr (13) erzeugbar ist, die sich in Längsrichtung des Wirbelrohrs (13) ausbreitet, wodurch das zu entspannende Arbeitsmittel auf einer vorbestimmten Strecke im Wirbelrohr (13) in den Flüssigkeitsstrom aus kondensiertem Arbeitsmittel, den nicht kondensierten kalten Gasstrom und den nicht kondensierten warmen Gasstrom aufteilbar ist.

2. Entspannungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das flüssige Arbeitsmittel in einen Sammler (34) hineinströmt.

3. Entspannungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Abführung (34) für den Flüssigkeitsstrom in Strömungsrichtung vor der Abführung (37) des warmen Gasstroms befindet.

4. Entspannungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Abführung von flüssigem Arbeitsmittel durch ein Schwimmerventil (41) sichergestellt wird.

5. Entspannungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Wirbelrohr (13) konisch ausgeführt ist.

6. Entspannungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Wirbelrohr (13) ein Axialschaufelrad (51) und eine Leistungsauskopplung (52) umfaßt.

7. Entspannungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich ein Ventil (61) mit kegeligem Sitz an der Abführung für den warmen Gasstrom befindet.

8. Entspannungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Abführung für den kalten Gasstrom auf der entgegengesetzten Seite zu der Abführung für den warmen Gasstrom erfolgt.

9. Entspannungseinrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Entspannungseinrichtung in einer Verdichterkältemaschine mit transkritischer Prozeßführung des Kältemittels Kohlendioxid eingesetzt ist.

10. Entspannungseinrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß eine Einkopplung des kalten durch die Entspannungseinrichtung erzeugten Gasstroms an beliebiger Stelle eines Kältekreislaufes der Verdichterkältemaschine zwischen der Entspannungseinrichtung und einem Verdichter erfolgt.

11. Entspannungseinrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der warme Gasstrom nach der Entspannungseinrichtung einem Wärmeübertrager zugeführt wird, der ihn weiter abkühlt.

12. Entspannungseinrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmeübertrager an beliebiger Stelle des Kältekreislaufes zwischen der Entspannungseinrichtung und dem Verdichter angeordnet ist.

13. Verfahren zum Entspannen von Arbeitsmittel in einem Wirbelrohr (13), wobei das Arbeitsmittel durch einen Einlauf (32) in das Wirbelrohr (13) eingeleitet und im Wirbelrohr (13) in einen Flüssigkeitsstrom, einen kalten Gasstrom und einen warmen Gasstrom aufgeteilt wird, die jeweils durch getrennte Abführungen (34, 36, 37) austreten, dadurch gekennzeichnet, daß das Arbeitsmittel im überkritischen Zustand durch den Einlauf (32) tangential in das Wirbelrohr (13) strömt und dadurch eine Drallströmung erzeugt, die sich in Längsrichtung des Wirbelrohrs (13) ausbreitet, wodurch sich das zu entspannende Arbeitsmittel auf einer vorbestimmten Strecke im Wirbelrohr (13) in den Flüssigkeitsstrom aus kondensiertem Arbeitsmittel, den nicht kondensierten kalten Gasstrom und den nicht kondensierten warmen Gasstrom aufteilt.