DE19841686A1

DE19841686A1 - Entspannungseinrichtung

Info

Publication number: DE19841686A1
Application number: DE19841686A
Authority: DE
Inventors: Thomas Maurer; Hitoshi Sakashita; Thomas Zinn
Original assignee: Aisin Seiki Co Ltd
Current assignee: Aisin Corp
Priority date: 1998-09-11
Filing date: 1998-09-11
Publication date: 2000-03-23
Anticipated expiration: 2018-09-12
Also published as: DE19841686C2; JP2000088373A

Abstract

Eine Verdichterkältemaschine umfaßt einen das Kältemittel zu einem überkritischen Druck komprimierenden Verdichter (11), einen durch einen Wärmeaustausch mit der Luft das komprimierte Kältemittel kühlenden Gaskühler (12), einen das gekühlte Kältemittel unter den kritischen Druck expandierenden Zahnradmotor (13) als Entspannungsmaschine und einen durch einen Wärmeaustausch mit der Luft das expandierte Kältemittel verdampfenden Verdampfer (14).

Description

Die Erfindung betrifft eine Verdichterkältemaschine, insbesondere eine transkritische Verdichter-Kältemaschine mit einem Zahnradmotor als Entspannungsmaschine.

Beim klassischen Kaltdampfprozeß findet eine isenthalpe Zustandsänderung durch Entspannung des Kältemittels in einer Drossel statt. Insbesondere bei Verdichter-Kältemaschinen hoher Kälteleistung ist auch die Verwendung von arbeitsleistenden Entspannungsmaschinen (als Entspan nungs- oder Expansionsmaschine oder Expander bezeichnet) bekannt. Fig. 8 zeigt einen Kolben-Expander 100 als Entspannungsmaschine, der aus einem Zylinder 101, einem Kolben 102 und Ventilen 103 und 104 besteht.

Das in der Kältemaschine eingesetzte Kältemittel wird vom verflüssigten Zustand aus bei hohem Druck in der Entspannungsmaschine auf einen niedrigen Druck in das Zweiphasengebiet entspannt. Die bei der Entspannung geleistete Arbeit kann zur Verdichtung des Arbeitsmittels, zur Erzeugung von elektrischer Energie usw. genutzt werden. Häufig wird die Arbeit auch nicht genutzt, sondern in Reibungswärme gewandelt und an die Umgebung abgeführt, da der Hauptzweck der arbeitsleistenden Entspannungsmaschine meistens auf eine Erhöhung der Kälteleistung und nicht auf die Gewinnung von mechanischer Leistung zielt. Für die Volumenänderungsarbeit der Entspannung wird in der Regel als thermodynamische Vergleichsgrundlage eine isentrope Zustandsänderung angenommen. Die insgesamt abführbare Arbeit (übliche Bezeichnung technische Arbeit) setzt sich zusammen aus der Volumenänderungsarbeit und der Verschiebearbeit, vgl. Fig. 9.

Durch die Entspannung des flüssigen Kältemittels in das Zweiphasengebiet verdampft ein Teil des Kältemittels und es findet eine Volumenvergrößerung statt. "Hartmann, K.: Kreisprozeßverbesserung durch Entspannungsmaschine. Ki Luft- und Kältetechnik 9/1994, 421/424" zeigt, daß als Entspannungsmaschinen in der Regel Strömungsmaschinen eingesetzt werden.

In neuerer Zeit wird aus Umweltschutzgesichtspunkten die Verwendung von Kohlendioxid in Verdichter-Kältemaschinen vorgeschlagen. In vielen Anwendungen ist eine Wärmeabgabe der Kältemaschine oberhalb von 35°C erforderlich. Die speziellen Eigenschaften von Kohlendioxid führen zu einer geänderten sogenannten transkritischen Prozeßführung, bei der vom überkritischen Zustand aus das Kältemittel entspannt wird, vgl. Fig. 10. Gegenüber den herkömmlich eingesetzten halogenierten Kohlenwasserstoffen sind die Kälteleistungszahlen bei Kohlendioxid - je nach Temperaturbedingungen - bis zu etwa 30% niedriger. Durch eine arbeitsleistende Entspannung und Nutzung der Arbeit in einer zweiten Verdichterstufe, vgl. Fig. 11, ist eine Erhöhung der Kälteleistungszahl um mindestens den gleichen Prozentsatz zu erwarten, siehe "Lorentzen, G.: The use of natural refrigerants - a complete solution to the CFC/HCFC predament. Proceedings oft conference New Application of Natural Working Fluids in Refrigeration and Air Conditioning. Hannover, 10-13.5.94, 23/36". In Fig. 11 sind ein erster Verdichter 121, ein erster Gaskühler 122, ein zweiter Verdichter 123, ein zweiter Gaskühler 124, eine Entspannungsmaschine 125 und ein Verdampfer 126 in Reihe verbunden, so daß ein geschlossener Kältekreis gebildet ist. Die Verdichter 121 und 123 werden mit einem Antriebsmotor 127 betrieben. Die Bezugszeichen in Fig. 10 entsprechen den Bezugszeichen in Fig. 11.

Die an der Entspannungsmaschine anstehenden Druckdifferenzen betragen bei dem Kältemittel Kohlendioxid über 50 bar. Bei der für Haushalt- und Fahrzeugklimaanlagen üblichen Kälteleistung bis ca. 20 kW sind die Volumenströme des Kohlendioxids aufgrund der hohen volumetrischen Kälteleistung relativ niedrig. Damit liegen Bedingungen vor, die außerhalb des heute üblichen Anwendungsbereichs von Strömungsmaschinen liegen.

In "Quack, H.; Kraus, W.E.: Carbon dioxide as a refrigerant for railway refrigeration and air conditionining. Proceedings of the Conference New Application of Natural Working Fluids in Refrigeration and Air Conditioning. Hannover, 10-13.5.94, 489/494" wird als Expansionsmaschine eine sogenannte Freikolbenmaschine mit doppelt wirkenden Kolben vorgeschlagen, bei der die Entspannungsarbeit auf einer Kolbenseite direkt zur Verdichtung des Kohlendioxids auf der gegenüberliegenden Kolbenseite genutzt werden soll. Vorteilhaft ist diese Maschine mit einem Freikolben ausgeführt, auf dessen Kolbenstange zwei doppeltwirkende Kolbenscheiben befestigt sind.

Die Freikolbenmaschine weist für diese Anwendung mehrere Nachteile auf:
Während der Entspannung ist es erwünscht, daß sich der Druck während des Kolbenhubs abbaut, d. h. die Volumenänderungsarbeit genutzt wird. Auf der gegenüberliegenden Seite des Kolbens soll hingegen während dieser Kolbenbewegung der Druck für die Verdichtung zunehmen. Daraus folgt, daß die Freikolbenmaschine mit doppelt wirkendem Kolben nicht den richtigen Druck- Kolbenweg-Verlauf für die um 180° phasenversetzt stattfindende Entspannung und Verdichtung besitzt. Ohne zusätzliche Hilfskräfte, (z. B. Federn, bewegte Massen etc. zur Zwischenspeicherung der bei der Entspannung erzeugten Arbeit)- kann die isentrope Entspannungsarbeit nicht genutzt werden, sondern nur die Verschiebearbeit.

Wird die Freikolbenmaschine als Volldruckmaschine betrieben, so befindet sich das CO₂ am Ende der Arbeitsleistung immer noch unter hohem Druck im Zylinder. Beim Austritt in den unter Niederdruck stehenden Verdampfer sind große Druckschwankungen und Geräuschentwicklungen zu erwarten.

Freikolbenmaschinen arbeiten in der Regel mit einer niedrigen Frequenz von wenigen Hertz. Dies führt zu relativ großen Maschinen.

Es ist eine aufwendige kolbenwegabhängige Ventilsteuerung notwendig.

Die Art des Nutzens der Arbeitsleistung ist auf die Verdichtung des CO₂ festgelegt.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Verdichterkältemaschine mit einer Entspannungsmaschine zu schaffen, die in relativ kleinen Anlagen, z. B. - in Haus halt- und Fahrzeugklimaanlagen, eingesetzt werden kann und hohe Wirkungsgrade verwirklicht.

Um diese Aufgabe zu lösen, wird eine Verdichterkältemaschine, vgl. Fig. 1, geschaffen, die einen das Kältemittel zu einem überkritischen Druck komprimierenden Verdichter, einen durch einen Wärmeaustausch mit der Luft das komprimierte Kältemittel kühlenden Gas kühler, eine das gekühlte Kältemittel unter den kritischen Druck expandierende Entspannungsmaschine und einen durch einen Wärmeaustausch mit der Luft das expandierte Kältemittel verdampfenden Verdampfer umfaßt, dadurch gekennzeichnet, daß die Entspannungsmaschine ein Zahnradmotor ist, vgl. Fig. 2 und 3, der ein Gehäuse, Zahnräder mit Wellen, eine Lagerung zum Lagern der Wellen und Kältemittel-Trägerräume - umfaßt.

Damit kann nur die Verschiebearbeit mittels Zahnradmotor genutzt werden, da die Verdrängung ohne innere Volumenänderungen abläuft. Das im Trägerraum gehaltene Kältemittel entspannt, wenn der Trägerraum mit der Niederdruckseite des Kältekreislaufs nach Drehung der Zahnräder verbunden wird.

Vorzugsweise ist der Zahnradmotor ein außenverzahnter Zahnradmotor.

Vorzugsweise übernimmt die Expansionsmaschine die Aufgabe als Regelorgan für den Kältemitteldurchsatz, der durch die Maschine über ihre Drehzahl geregelt wird, indem das Abtriebsmoment entsprechend eingestellt wird.

Vorzugsweise wird das Abtriebsmoment durch einen elektrischen Generator, vgl. Fig. 2 erzeugt.

Vorzugsweise dichtet die Lagerung die Zahnräder seitlich durch eine Dichtvorrichtung, vgl. Fig. 6, die zwei druckunterschiedliche Kammern, einen zwischen den Kammern gelegten Kolben und einen die Kolbenkraft auf die Lagerung übertragenden Stößel umfaßt.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden aus der folgenden, auf die Zeichen Bezug nehmende Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels deutlich.

Es zeigen:

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

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

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

Fig. 4 graphische Darstellungen zu Beziehungen zwischen Wirkungsgrad und Höhe des Dichtspaltes;

Fig. 5 eine vergrößerte Darstellung eines Strömungsprofils der Leckage an den Zahnradkuppen der Fig. 2;

Fig. 6 eine Schnittansicht eines Zahnradmotors eines zweiten Ausführungsbeispiels gemäß der Erfindung;

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

Fig. 8 eine Schnittansicht eines Zylinder-Expanders nach dem Stand der Technik;

Fig. 9 graphische Darstellungen zu Beziehungen zwischen Druck und Volumen der Fig. 8;

Fig. 10 graphische Darstellungen zu Beziehungen zwischen Temperatur und Entropie der Fig. 11; und

Fig. 11 eine schematische Darstellung einer Verdichterkältemaschine mit einer Entspannungsturbine nach dem Stand der Technik.

Fig. 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung. In Fig. 1 umfaßt eine Verdichter-Kältemaschine 20 einen das Kältemittel (Arbeitsmittel: das Kohlendioxid (CO₂)) zu einem überkritischen Druck komprimierenden Verdichter 11, einen durch einen Wärmeaustausch mit der Luft das komprimierte Kältemittel kühlenden Gaskühler 12, eine das gekühlte Kältemittel unter den kritischen Druck expandierende Entspannungsmaschine 13 und einen durch einen Wärmeaustausch mit der Luft das expandierte Kältemittel verdampfenden Verdampfer 14. Der Verdichter 11, der Gaskühler 12, die Entspannungsmaschine 13 und der Verdampfer 14 sind mittels Kanälen oder Leitungen 17 in Reihe miteinander derart verbunden, so daß ein geschlossener Kältekreis gebildet wird.

Fig. 2 und 3 zeigen ein erstes Ausführungsbeispiel der Entspannungsmaschine 13. Ein außenverzahnter Zahnradmotor 13-1 als Entspannungsmaschine 13 umfaßt ein Gehäuse 31, zwei Seitendeckel 32 und 33, einen brillenförmigen Raum 34, zwei außenverzahnte Zahnräder 35 und 36, eine Abtriebswelle 37, einen Einlaß 38, einen Auslaß 39 und Lagerungen 40 und 41, in welchen die Zahnradwellen 70 gelagert sind. Aufgrund des Druckunterschiedes zwischen dem Einlaß 38 und Auslaß 39 strömt Kältemittel vom Einlaß 38 nach dem Auslaß 39 über Kältemittel-Trägerräume 42. Bei dem außenverzahnten Zahnradmotor 13-1 kann nur die Verschiebearbeit genutzt werden, da die Entspannung ohne innere Volumenänderungen abläuft. Das im Trägerraum 42 gehaltene Kältemittel entspannt, wenn der Raum 42 mit dem Auslaß 39 nach Drehung der Zahnräder 35 und 36 verbunden wird.

Da der Anteil der Verschiebearbeit jedoch mit ca. 70% der gesamten technischen Arbeit relativ hoch ist, ergibt sich insgesamt aufgrund der hohen volumetrischen und mechanischen Wirkungsgrade ein hoher, auf eine isentrope Entspannung bezogener Wirkungsgrad von über 40%.

Der Zahnradmotor 13-1 ist durch Öl geschmiert, das z. B. im Kältekreislauf umläuft oder durch eine nicht dargestellte spezielle Ölversorgungseinrichtung dem Zahnradmotor 13-1 zugeführt wird. Der Ölvolumenanteil kann zwischen 0 und 15%, bezogen auf den Gesamtdurchsatz, betragen. Ein großer Ölanteil vermindert die Reibungs- und Leckverluste und erhöht zugleich den Anteil der Verschiebearbeit an der technischen Arbeit.

Um die mechanischen Verluste niedrig zu halten, besitzt der Zahnradmotor 13-1 keine speziellen Dichtelemente. Die Dichtspalte insbesondere an den Zahnradseitenflächen und am Kopfkreis sind sehr eng im Bereich von wenigen Mikrometern gehalten, um die Leckage gering zu halten. Die Spalthöhen sind so ausgelegt, daß das Produkt aus volumetrischem und mechanischem Wirkungsgrad näherungsweise maximal ist, vgl. Fig. 4. Dabei bedeuten ein hoher volumetrischer Wirkungsgrad kleine Leckageverluste und ein hoher mechanischer Wirkungsgrad kleine Reibungsverluste der Zahnräder. Es zeigt sich, daß es zulässig ist, daß der volumetrische Wirkungsgrad niedrig bei beispielsweise 60% liegen darf, d. h. die Leckage beträgt 40% des gesamten Durchsatzes. Von den verbleibenden 60% des Durchsatzes können ca. 70% durch die Verschiebearbeit genutzt werden. Also können insgesamt etwa 42% des gesamten Durchsatzes arbeitsleistend genutzt werden.

In dem Zahnradmotor 13-1 können die Leckageverluste noch zusätzlich genutzt werden, um Arbeit zu gewinnen. Insbesondere führt die Strömung um die Zahnkuppen 43 und die Zahnseiten zu einem zusätzlichen Antriebsmoment, vgl. Fig. 5. Dieser Vorgang läßt sich mit den Vorgängen in einer Strömungsmaschine vergleichen. Falls großer Wert auf einen geräusch- und pulsationsarmen Lauf gelegt wird, ist eine relativ große Leckage an den Zahnkuppen 43 zulässig.

Der Kältemitteldurchsatz wird durch die Drehzahl des Zahnradmotors 13-1 geregelt, indem das Abtriebsmoment entsprechend eingestellt wird. Ein hohes Abtriebsmoment bewirkt eine niedrige Drehzahl und einen niedrigen Kältemitteldurchsatz. Das Abtriebsmoment wird durch einen elektrischen Generator 51 erzeugt, der mit dem Zahnradmotor 13-1 über seine Abtriebswelle 37 verbunden ist, wie Fig. 3 zeigt. Der Zahnradmotor 13-1 und der elektrische Generator 51 können in ein druckfestes Gehäuse integriert sein. Die Abtriebswelle 37 kann auch mit dem Verdichter 11 verbunden sein. Damit wird die von dem Zahnradmotor 13-1 geleistete Arbeit zur Verdichtung des Kältemittels verwendet.

Fig. 6 und 7 zeigen zweites Ausführungsbeispiel des Zahnradmotors 13. Ein außenverzahnter Zahnradmotor 13-2 als Entspannungsmaschine 13 ist mit einer Dichtvorrichtung versehen, die eine Hochdruckkammer 61, eine Niederdruckkammer 62, einen Kolben 63 und einen Stößel 64 umfaßt. Die Hochdruckkammer 61 ist von der Niederdruckkammer 62 durch den Kolben 63 getrennt. Ein Hochdruckanschluß 65 versorgt die Hochdruckkammer 61 mit dem Zuströmdruck des Zahnradmotor 13-2. In der Niederdruckkammer 62 herrscht über die Niederdruckverbindung 66 zu der Lagerung 40 der Abströmdruck des Zahnradmotors 13-2. Die Lagerungen der Zahnradwellen 70 stehen über nicht dargestellte Verbindungen unter dem Abströmdruck. Aufgrund des Druckunterschiedes zwischen den zwei Kammern 61 und 62 wird über den Stößel 64 die Kolbenkraft axial auf die Lagerung 40 übertragen. Die Lagerungen 40 und 41 haben die Form einer Brille und sind axial verschieblich in dem Gehäuse 31 untergebracht. Über die axiale Kraft werden die Zahnräder 35 und 36 mit ihren Seiten gegen die Lagerungen 40 und 41 gepreßt. Dadurch wird der Dichtspalt klein gehalten.

Der Prozeß einer transkritischen Verdichter-Kältemaschine mit dem Kältemittel Kohlendioxid verläuft folgendermaßen: Schritt 1 (isentrope Verdichtung des Kältemittels durch den Verdichter 11): Das Kältemittel Kohlendioxid wird verdichtet, wobei es sich erwärmt. Schritt 2 (isobare Abführung der thermischen Energie durch den Gaskühler 12): Das Kältemittel gelangt in den Gaskühler 12 , wobei es bei konstantem Druck abgekühlt wird. Schritt 3 (Entspannung des Kältemittels): Im Zahnradmotor 13 erfolgt eine Druckabsenkung. Schritt 4: Das Kältemittel gelangt durch den Verdampfer 14, wobei die Flüssigkeit verdampft und der Umgebung thermische Energie entzogen wird.

Die Zahnradmotoren 13-1 und 13-2 zeichnen sich durch folgende Vorteile aus:

1. Hoher volumetrischer und hoher mechanischer Wirkungsgrad:
Infolge fehlender Gaswechselsteuerorgane (wie z. B. Ventile) sind die Strömungsdruckverluste beim Ein- und Ausströmen gering, und es wird keine Arbeit zum Öffnen und Schließen der Gaswechselorgane aufgewendet.
Die Maschine kann so ausgeführt werden, daß das Kältemittel weitgehend beim Eingriff der beiden Zahnräder verdrängt wird und somit nur ein kleines Totvolumen entsteht. Falls das Arbeitsmittel in ein großes Totvolumen einströmen würde, fände bereits eine Entspannung statt, ohne daß dabei Arbeit geleistet wird.
Die bei den in der Ölhydraulik eingesetzten Zahnradmaschinen üblichen Abdichtungsprinzipien für die Zahnradseiten und die Zahnradkuppen durch axial verschiebliche Lagerbrillen lassen sich anwenden.
2. Leiser und pulsationsarmer Lauf: Aufgrund der fehlenden Gaswechselorgane (Ventile) und der Vielzahl von Zähnen, die pro Umdrehung in Eingriff stehen, ergibt sich ein sehr leiser und pulsationsarmer Lauf. Dies ist besonders wichtig für Kältemaschinen, die in der Gebäude- und Fahrzeugklimatisierung eingesetzt werden.
3. Kleiner kompakter Aufbau. Bei kältetechnischen Produkten steht für das Expansionsorgan in der Regel nur sehr wenig Bauraum zur Verfügung.
4. Billige Herstellung, wenig Teile: Dies ist besonders wichtig für kältetechnische Produkte. Die Expansionsmaschine steht von den Kosten her betrachtet in Konkurrenz zu den preiswerten Entspannungsventilen. Andere Entspannungsmaschinen (z. B. Axialkolbenmotoren) sind deutlich aufwendiger in der Herstellung.

Im Ausführungsbeispiel ist der außenverzahnte Zahnradmotor als Entspannungsmaschine dargestellt. Es können aber allgemein alle Zahnradmotoren, z. B. innenverzahnte Zahnradmotoren, verwendet werden.

Eine oder mehrere Entspannungsmaschinen können sich in Reihe oder parallel im Kältekreislauf zwischen der Hochdruck- und der Niederdruckseite befinden. In Reihe vor oder nach oder parallel zur Entspannungsmaschine können sich weitere Entspannungsorgane des Typs Drossel, z. B. im Querschnitt veränderbare Ventile, befinden.

Eine Verdichterkältemaschine umfaßt einen das Kältemittel zu einem überkritischen Druck komprimierenden Verdichter 11, einen durch einen Wärmeaustausch mit der Luft das komprimierte Kältemittel kühlenden Gaskühler 12, einen das gekühlte Kältemittel unter den kritischen Druck expandierenden Zahnradmotor 13 als Entspannungsmaschine und einen durch einen Wärmeaustausch mit der Luft das expandierte Kältemittel verdampfenden Verdampfer 14.

Claims

1. Verdichterkältemaschine, die einen das Kältemittel zu einem überkritischen Druck komprimierenden Verdichter (11), einen durch einen Wärmeaustausch mit der Luft das komprimierte Kältemittel kühlenden Gaskühler (12), eine das gekühlte Kältemittel unter den kritischen Druck expandierende Entspannungsmaschine (13) und einen durch einen Wärmeaustausch mit der Luft das expandierte Kältemittel verdampfenden Verdampfer (14) umfaßt, dadurch gekennzeichnet, daß die Entspannungsmaschine ein Zahnradmotor (13) ist, der ein Gehäuse (31), mindestens zwei Zahnräder (35, 36), deren Wellen in einer Lagerung (40, 41) gelagert sind, und Kältemittel-Tragerräume (42) umfaßt.

2. Verdichterkältemaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Zahnradmotor ein außenverzahnter Zahnradmotor ist.

3. Verdichterkältemaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Expansionsmaschine die Aufgabe als Regelorgan für den Kältemitteldurchsatz übernimmt, der durch die Maschine über ihre Drehzahl geregelt wird, indem das Abtriebsmoment entsprechend eingestellt wird.

4. Verdichterkältemaschine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Abtriebsmoment durch einen elektrischen Generator (51) erzeugt wird.

5. Verdichterkältemaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Lagerung die Zahnräder seitlich durch eine Dichtvorrichtung abdichtet, die zwei Kammern (61, 62) mit unterschiedlichem Druck, einen zwischen den Kammern gelegenen Kolben (63) und einen die Kolbenkraft auf der Lagerung übertragenden Stößel (64) umfaßt.