DE202015010031U1

DE202015010031U1 - Kühlsystem

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Publication number: DE202015010031U1
Application number: DE202015010031.7U
Authority: DE
Original assignee: Johnson Controls Tyco IP Holdings LLP
Current assignee: Johnson Controls Tyco IP Holdings LLP
Priority date: 2014-04-16
Filing date: 2015-02-20
Publication date: 2024-05-03
Anticipated expiration: 2025-02-21
Also published as: CN106461278B; EP3132211B1; KR20160138567A; KR101995219B1; US20210123648A1; JP6494659B2; US20170038110A1; CN111503910B; TW201544775A; JP2017514093A; US10451326B2; US11441828B2; US20200041183A1; CN111503910A; US10883749B2; EP3132211A1; TWI720941B; CN106461278A; WO2015160428A1

Abstract

Kühlsystem, welches Folgendes aufweist:
- einen Kompressor, der konfiguriert ist, um ein Kältemittel durch einen Kältemittelkreislauf zu zirkulieren;
- einen Kondensator, der konfiguriert ist, um das Kältemittel in thermische Kommunikation mit einem Kühlfluid zu bringen;
- einen Verdampfer, der konfiguriert ist, um das Kältemittel in thermische Kommunikation mit einem Arbeitsfluid zu bringen; und
- eine Steuerung, die konfiguriert ist, um:
- eine erste Sensorrückmeldung zu empfangen, die eine erste Temperatur oder einen ersten Druck des in den Kondensator eintretenden Kühlfluids angibt;
- eine zweite Sensorrückmeldung zu empfangen, die eine zweite Temperatur oder einen zweiten Druck des aus dem Verdampfer austretenden Arbeitsfluids angibt;
- den Kompressor als Reaktion darauf, dass die erste Rückmeldung größer ist als die zweite Rückmeldung, kontinuierlich zu betreiben; und
- den Kompressor während Freikühlungsbedingungen zu betreiben, die dadurch definiert sind, dass die zweite Rückmeldung größer ist als die erste Rückmeldung.

Description

HINTERGRUND
Die Anmeldung betrifft im Allgemeinen Kühl-, Klimatisierungs- und Kühlflüssigkeitssysteme.
Es wurde erkannt, dass gekühlte Flüssigkeitssysteme, die einen Zentrifugalkompressor verwenden, unter bestimmten Umgebungsbedingungen und Bedingungen mit reduziertem Kühlbedarf des Systems zu einem Bruchteil der Kosten im Vergleich zu den Kosten während des normalen Betriebs betrieben werden können, was manchmal als „Freikühlung“ bezeichnet wird. Das 2008 ASHRAE Handbook - HVAC Systems and Equipment (Seite 42.12) stellt Folgendes bereit:

Kühlen ohne Betreiben des Kompressors eines Zentrifugal-Flüssigkeitskühlers wird als Freikühlung bezeichnet. Wenn eine Kondensatorwasserversorgung bei einer Temperatur, die unter der benötigten gekühlten Wassertemperatur liegt, verfügbar ist, können einige Kühler als ein thermischer Siphon arbeiten. Niedertemperatur-Kondensatorwasser kondensiert Kältemittel, das entweder durch Schwerkraft abgelassen oder in den Verdampfer gepumpt wird. Gekühltes Wasser höherer Temperatur bewirkt, dass das Kältemittel verdampft und der Dampf aufgrund der Druckdifferenz zwischen dem Verdampfer und dem Kondensator zurück zum Kondensator fließt.

Mit anderen Worten, wenn die Temperatur des eintretenden Kondensatorwassers niedriger ist als die Temperatur des aus dem Verdampfer eines Flüssigkeitszentrifugal-Flüssigkeitskühlers austretenden Wassers und wenn der Kühlbedarf ausreichend niedrig ist, sodass die Temperatur des austretenden Verdampferwassers den Kühlbedarf erfüllt, wird der Zentrifugalkompressor abgeschaltet, was zu erheblichen Energieeinsparungen führt.
Leider treten solche Umweltbedingungen in zahlreichen Teilen der Welt relativ selten auf oder können von kurzer Dauer sein. Noch seltener ist die Kombination vorteilhafter Umgebungsbedingungen, die gleichzeitig eine ausreichende Kühlleistung zur Erfüllung des Kühlbedarfs erzeugen, um eine Abschaltung des Zentrifugalkompressors zu ermöglichen.
Somit besteht Bedarf an einem Kühlsystem, das den Bereich der Umgebungsbedingungen deutlich erweitert (z. B. den Temperaturbereich der Eintrittstemperaturen des Kondensatorwassers und der Austrittstemperaturen des Verdampferwassers sowie den Bereich der Differenzen zwischen diesen vergrößert), um Energieeinsparungen während des Betreibens des Kühlsystems zu erreichen. Es besteht ein weiterer Bedarf an einem Kühlsystem in dem vorstehend genannten Bereich von Umgebungsbedingungen, bei dem die Lastkapazität erhöht ist während gleichzeitig solche Energieeinsparungen erzielt werden.
KURZDARSTELLUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Kühlsystem, welches Folgendes aufweist: einen Kompressor, der konfiguriert ist, um ein Kältemittel durch einen Kältemittelkreislauf zu zirkulieren; einen Kondensator, der konfiguriert ist, um das Kältemittel in thermische Kommunikation mit einem Kühlfluid zu bringen; einen Verdampfer, der konfiguriert ist, um das Kältemittel in thermische Kommunikation mit einem Arbeitsfluid zu bringen; und eine Steuerung, die konfiguriert ist, um: eine erste Sensorrückmeldung zu empfangen, die eine erste Temperatur oder einen ersten Druck des in den Kondensator eintretenden Kühlfluids angibt; eine zweite Sensorrückmeldung zu empfangen, die eine zweite Temperatur oder einen zweiten Druck des aus dem Verdampfer austretenden Arbeitsfluids angibt; den Kompressor als Reaktion darauf, dass die erste Rückmeldung größer ist als die zweite Rückmeldung, kontinuierlich zu betreiben; und den Kompressor während Freikühlungsbedingungen zu betreiben, die dadurch definiert sind, dass die zweite Rückmeldung größer ist als die erste Rückmeldung.
Die vorliegende Erfindung betrifft weiter ein Kühlsystem, das konfiguriert ist, um ein Kältemittel durch einen Kältemittelkreislauf zu zirkulieren und um das Kältemittel in thermische Kommunikation mit einem Kühlfluid und mit einem Arbeitsfluid zu bringen, wobei das Kühlsystem Folgendes aufweist: einen ersten Sensor, der konfiguriert ist, um eine erste Sensorrückmeldung bereitzustellen, die eine erste Temperatur oder einen ersten Druck des in einen Kondensator des Kühlsystems eintretenden Kühlfluids angibt; einen zweiten Sensor, der konfiguriert ist, um eine zweite Sensorrückmeldung bereitzustellen, die eine zweite Temperatur oder einen zweiten Druck des aus einem Verdampfer des Kühlsystems austretenden Arbeitsfluids angibt; und eine Steuerung, die kommunikativ mit dem ersten Sensor und dem zweiten Sensor gekoppelt ist, wobei die Steuerung konfiguriert ist, um einen Kompressor des Kühlsystems als Reaktion darauf, dass die erste Rückmeldung kleiner ist als die zweite Rückmeldung, kontinuierlich zu betreiben.
Die vorliegende Erfindung betrifft noch weiter ein Steuersystem, welches einen Speicher aufweist, der konfiguriert ist, um von einem Prozessor ausführbare Anweisungen zu speichern, wobei die Anweisungen, wenn sie vom Prozessor ausgeführt werden, den Prozessor veranlassen, um: eine erste Sensorrückmeldung zu empfangen, die eine erste Fluideigenschaft eines in einen Kondensator eintretenden Kühlfluids angibt; eine zweite Rückmeldung zu empfangen, die eine zweite Fluideigenschaft eines aus einem Verdampfer austretenden Arbeitsfluids angibt;die erste Rückmeldung mit der zweiten Rückmeldung zu vergleichen; einen Kompressor als Reaktion darauf, dass die erste Rückmeldung um einen vorbestimmten Betrag größer ist als die zweite Rückmeldung, kontinuierlich zu betreiben; und den Kompressor während Freikühlungsbedingungen zu betreiben, die dadurch definiert sind, dass die zweite Rückmeldung größer ist als die erste Rückmeldung.
Die vorliegende Erfindung beschreibt auch ein nicht beanspruchtes Verfahren zum Betreiben eines Kühlers, der einen Kompressor aufweist, einschließlich Vergleichen der Temperatur einer Flüssigkeit, die in einen Kondensator eintritt (zur thermischen Kommunikation mit Kältemittel in dem Kondensator") mit einer Temperatur einer Flüssigkeit, die aus einem Verdampfer austritt (zur thermischen Kommunikation mit Kältemittel in dem Verdampfer). Das Verfahren schließt weiter ein kontinuierliches Betreiben des Kompressors ein, zumindest als Reaktion auf jeden Temperaturbereich: die Verdampferaustrittstemperatur der Flüssigkeit ist um einen vorbestimmten Betrag größer als die Kondensatoreintrittstemperatur der Flüssigkeit; die Verdampferaustrittstemperatur der Flüssigkeit ist im Wesentlichen gleich der Kondensatoreintrittstemperatur der Flüssigkeit; die Verdampferaustrittstemperatur der Flüssigkeit ist um einen vorbestimmten Betrag kleiner als die Kondensatoreintrittstemperatur der Flüssigkeit.
Die vorliegende Erfindung beschreibt weiter ein nicht beanspruchtes Verfahren zum Betreiben eines Kühlers, der einen geschlossenen Kältemittelkreislauf aufweist, der einen Kompressor, einen Kondensator und einen Verdampfer einschließt, wobei das im Kreislauf verwendete Kältemittel eine Druck-Enthalpie-Kurve definiert, die für unterschiedliche Phasen (Dampf, Flüssigkeit und Dampf und Flüssigkeit) des Kältemittels bei unterschiedlichen Kombinationen von Druck und Enthalpie repräsentativ ist, wobei der Kreislauf einen Prozesszyklus (Kompression, Kondensation, Expansion und Verdampfung) des Kältemittels während des Betriebs des Kreislaufs relativ zur Druck-Enthalpie-Kurve des Kältemittels definiert. Das Verfahren schließt ein kontinuierliches Betreiben des Kompressors ein, wenn ein Segment des Prozesszyklus dem Kältemittel, das sich in der flüssigen Phase befindet, entspricht.
Die vorliegende Erfindung beschreibt noch weiter ein nicht beanspruchtes Verfahren zum Betreiben eines Kühlers, der einen Zentrifugalkompressor aufweist, einschließlich Vergleichen der Temperatur einer Flüssigkeit, die in einen Kondensator eintritt (zur thermischen Kommunikation mit Kältemittel in dem Kondensator") mit einer Temperatur einer Flüssigkeit, die aus einem Verdampfer austritt (zur thermischen Kommunikation mit Kältemittel in dem Verdampfer). Das Verfahren schließt weiter ein kontinuierliches Betreiben des Kompressors unter Verwendung eines VSD zum Steuern einer Drehzahl eines Kompressormotors ein, wobei der Kompressor Magnetlager nutzt, zumindest als Reaktion auf jeden Temperaturbereich: die Verdampferaustrittstemperatur der Flüssigkeit ist um einen vorbestimmten Betrag größer als die Kondensatoreintrittstemperatur der Flüssigkeit; die Verdampferaustrittstemperatur der Flüssigkeit ist im Wesentlichen gleich der Kondensatoreintrittstemperatur der Flüssigkeit; die Verdampferaustrittstemperatur der Flüssigkeit ist um einen vorbestimmten Betrag kleiner als die Kondensatoreintrittstemperatur der Flüssigkeit.
KURZE BESCHREIBUNG DER FIGUREN

1 zeigt eine beispielhafte Ausführungsform für ein Heizungs-, Lüftungs- und Klimatisierungssystem.
2 zeigt eine isometrische Ansicht eines beispielhaften Dampfkompressionssystems.
3 veranschaulicht schematisch eine beispielhafte Ausführungsform des Dampfkompressionssystems.
4 veranschaulicht schematisch eine Ausführungsform des Standes der Technik, entnommen aus Bereich 4 des Dampfkompressionssystems von 3.
5 veranschaulicht schematisch eine Ausführungsform des Standes der Technik, entnommen aus Bereich 4 des Dampfkompressionssystems von 3.
6 veranschaulicht grafisch einen Bereich der Kondensatoreintrittstemperaturen und der Verdampferaustrittstemperaturen eines beispielhaften Dampfkompressionssystems.
7 veranschaulicht grafisch die Energiekosten über einen Bereich von Lastkapazitätsprozentsätzen im Vergleich zu einem Bereich von Eintrittstemperaturen des Kondensators eines beispielhaften Dampfkompressionssystems.
8 veranschaulicht grafisch die Energiekosten über einen Bereich von Lastkapazitätsprozentsätzen im Vergleich zu einem Bereich von Eintrittstemperaturen des Kondensators eines beispielhaften Dampfkompressionssystems.
9 veranschaulicht grafisch einen Bereich von Lastkapazitätsprozentsätzen gegenüber einem Bereich von Annäherungstemperaturen des beispielhaften Dampfkom pressionssystems.
10 veranschaulicht grafisch eine Druck-Enthalpie-Kurve für ein beispielhaftes Kältemittel entsprechend einem Prozesszyklus in einem beispielhaften Dampfkompressionssystem.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEISPIELHAFTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
1 zeigt eine beispielhafte Umgebung für ein Heizungs-, Lüftungs- und Klimatisierungssystem (HVAC-System) 10, das ein gekühltes Flüssigkeitssystem in einem Gebäude 12 für eine typische kommerzielle Umgebung enthält. Das System 10 kann ein Dampfkompressionssystem 14 einschließen, das eine gekühlte Flüssigkeit zuführen kann, die zum Kühlen des Gebäudes 12 verwendet werden kann. Das System 10 kann einen Kessel 16 einschließen, um erhitzte Flüssigkeit zuzuführen, die zum Heizen des Gebäudes 12 verwendet werden kann, und ein Luftverteilungssystem, das Luft durch das Gebäude 12 zirkuliert. Das Luftverteilungssystem kann auch einen Luftrückführungskanal 18, einen Luftzufuhrkanal 20 und eine Luftversorgungseinheit 22 einschließen. Die Luftversorgungseinheit 22 kann einen Wärmetauscher einschließen, der mit dem Kessel 16 und dem Dampfkompressionssystem 14 durch Leitungen 24 verbunden ist. Der Wärmetauscher in der Luftversorgungseinheit 22 kann abhängig von dem Betriebsmodus des Systems 10 entweder erhitzte Flüssigkeit vom Kessel 16 oder gekühlte Flüssigkeit vom Dampfkompressionssystem 14 empfangen. Das System 10 ist mit einer separaten Luftversorgungseinheit auf jeder Etage des Gebäude 12 gezeigt, es versteht sich jedoch, dass die Komponenten auch zwischen oder unter den Etagen gemeinsam genutzt werden können.
2 und 3 zeigen ein beispielhaftes Dampfkompressionssystem 14, das in einem HVAC-System, wie beispielsweise dem HVAC-System 10, verwendet werden kann. Das Dampfkompressionssystem 14 kann ein Kältemittel durch einen von einem Motor 50 angetriebenen Kompressor 32, einen Kondensator 34 und eine oder mehrere Expansionsvorrichtungen 36 und einen Flüssigkeitskühler oder Verdampfer 38 zirkulieren. Das Dampfkompressionssystem 14 kann auch ein Bedienfeld 40 einschließen, das einen Analog-Digital-(A/D)-Wandler 42, einen Mikroprozessor 44, einen nichtflüchtigen Speicher 46 und eine Schnittstellenplatine 48 einschlie-ßen. Einige Beispiele für Fluide, die als Kältemittel im Dampfkompressionssystem 14 verwendet werden können, sind Kältemittel auf der Basis von Fluorkohlenwasserstoffen (HFC), zum Beispiel R-410A, R-407, R-134a, Hydrofluorolefin (HFO), „natürliche“ Kältemittel wie Ammoniak (NH3), R-717, Kohlendioxid (CO2), R-744 oder Kältemittel auf Kohlenwasserstoffbasis, Wasserdampf oder ein beliebiger anderer Typ von Kältemittel. In einer beispielhaften Ausführungsform kann das Dampfkompressionssystem 14 jeweils einen oder mehrere von VSDs 52, Motoren 50, Kompressoren 32, Kondensatoren 34 und/oder Verdampfern 38 verwenden.
Der Motor 50, der mit dem Kompressor 32 verwendet wird, kann von einem Regelantrieb (VSD) 52 oder direkt von einer Wechselstrom- (AC) oder Gleichstrom-(DC) Energiequelle angetrieben werden. Falls verwendet, empfängt der VSD 52 Wechselstrom mit einer bestimmten festen Netzspannung und festen Netzfrequenz von der Wechselstromquelle und stellt Strom mit variabler Spannung und Frequenz an den Motor 50 bereit. Der Motor 50 kann jeden Typ von Elektromotor einschließen, der mit Strom durch einen VSD oder direkt von einer Wechsel- oder Gleichstromquelle angetrieben werden kann. Beispielsweise kann der Motor 50 ein geschalteter Reluktanzmotor, ein Induktionsmotor, ein elektronisch kommutierter Permanentmagnetmotor oder ein beliebiger anderer geeigneter Motortyp sein. In einer alternativen beispielhaften Ausführungsform können andere Antriebsmechanismen, wie beispielsweise Dampf- oder Gasturbinen oder -motoren und zugehörige Komponenten, zum Antrieb des Kompressors 32 verwendet werden.
Der Kompressor 32 komprimiert einen Kältemitteldampf und liefert den Dampf über eine Auslassleitung an den Kondensator 34. Der Kompressor 32 kann ein Zentrifugalkompressor, Schraubenkompressor, Kolbenkompressor, Rotationskompressor, Schwenkhebelkompressor, Spiralkompressor, Turbinenkompressor oder ein beliebiger anderer geeigneter Kompressor sein. Der Kompressor 32 sowie andere rotierende Komponenten des Dampfkompressionssystems können Magnetlager einschließen, um eine gleichmäßige Rotationsbewegung bereitzustellen. Der vom Kompressor 32 zum Kondensator 34 gelieferte Kältemitteldampf überträgt Wärme auf ein Fluid, beispielsweise Wasser oder Luft. Der Kältemitteldampf kondensiert im Kondensator 34 aufgrund der Wärmeübertragung mit dem Fluid zu einer Kältemittelflüssigkeit. Das flüssige Kältemittel vom Kondensator 34 fließt durch die Expansionsvorrichtung 36 zum Verdampfer 38. In der in 3 gezeigten beispielhaften Ausführungsform ist der Kondensator 34 wassergekühlt und schließt ein Rohrbündel 54 ein, das mit einem Kühlturm 56 verbunden ist.
Das flüssige Kältemittel, das dem Verdampfer 38 zugeführt wird, absorbiert Wärme von einem anderen Fluid, das der gleiche Type von Fluid, der für den Kondensator 34 verwendet wird, sein kann oder nicht, und erfährt eine Phasenänderung zu Kältemitteldampf. In der in 3 gezeigten beispielhaften Ausführungsform schließt der Verdampfer 38 ein Rohrbündel mit einer Zufuhrleitung 60S und einer Rückführungsleitung 60R, die mit einer Last oder Kühllast 62 verbunden sind, ein. Ein Prozessfluid, beispielsweise Wasser, Ethylenglykol, Propylenglykol, Calciumchlorid-Salzlösung, Natriumchlorid-Salzlösung, oder eine beliebige andere geeignete Flüssigkeit, tritt über die Rückführungsleitung 60R in den Verdampfer 38 ein und tritt über die Zufuhrleitung 60S aus dem Verdampfer 38 aus. Der Verdampfer 38 kühlt die Temperatur des Prozessfluids in den Rohren. Das Rohrbündel im Verdampfer 38 kann eine Vielzahl von Rohren und eine Vielzahl von Rohrbündeln einschließen. Das dampfförmige Kältemittel tritt aus dem Verdampfer 38 aus und wird über eine Saugleitung zum Kompressor 32 zurückgeführt, um den Zyklus abzuschließen.
4, die dem Bereich 4 von 3 entnommen ist, zeigt eine Anordnung des Standes der Technik von Komponenten eines herkömmlichen Dampfkompressionssystems, das zur Abschaltung eines Zentrifugalkompressors 32 (3) während Freikühlungsbedingungen konfiguriert ist, wie zuvor erörtert. Wie bereits im ASHRAE-Handbuch offenbart, wurden nur herkömmliche Dampfkompressionssysteme mit Zentrifugalkompressoren zur Verwendung unter Freikühlungsbedingungen identifiziert. Wie weiter in 4 gezeigt, ist ein Ventil 26 in Fluidkommunikation mit jedem der Leitungspaare positioniert, die sich zwischen dem Kondensator 34 und dem Kühlturm 56 erstrecken. In ähnlicher Weise ist ein Ventil 26 in Fluidkommunikation mit jeder der Rückführungsleitungen 60R und Zufuhrleitungen 60S positioniert, die sich zwischen dem Verdampfer 38 und der Last oder Kühllast 62 erstrecken. Als Reaktion auf eine Freikühlungsbedingung wird jedes der Ventile 26 geschlossen, wodurch der Fluidfluss vom Kühlturm 56 zum Kondensator 34 und der Fluidfluss von der Last oder Kühllast 62 zum Verdampfer 38 verhindert wird. Infolgedessen ist ein Wärmetauscher 28, manchmal auch als wasserseitiger Vorwärmer bezeichnet, der ursprünglich zwischen Kondensator 34 und Kühlturm 56 positioniert war, nun in Fluidkommunikation mit einem geschlossenen Kühlturmkreislauf 30 positioniert, der in thermischer Kommunikation mit Wasser aus einem geschlossenen Kühllastkreislauf 66 steht. Das Wasser im geschlossenen Kühllastkreislauf 66 wird von einer Pumpe 58 bewegt, die in Fluidkommunikation mit dem geschlossenen Kühllastkreislauf 66 steht. Während Freikühlungsbedingungen ist ein Ventil 27 geöffnet, sodass die Pumpe 58 in Fluidkommunikation mit dem geschlossenem Kühllastkreislauf 66 steht.
5, die dem Bereich 5 von 3 entnommen ist, zeigt den Kältemittelfluss eines herkömmlichen Dampfkompressionssystems des Standes der Technik, das zum Abschalten des Zentrifugalkompressors 32 (3) während der Freikühlungsbedingungen konfiguriert ist, wie zuvor erörtert, mit dem Unterschied, dass in 4 das Ventil 27 geschlossen ist und die Ventile 26 geöffnet bleiben. Beim Abschalten des Kompressors 32 (3) neigt das Kältemittel im Verdampfer 38 von Natur aus dazu, zum Kondensator 34 zu wandern, der typischerweise bei einer Temperatur arbeitet, die unter der Temperatur des Verdampfers 38 liegt. Sobald eine Wanderung von flüssigem Kältemittel aus dem Verdampfer 38 zu dem Kondensator 34 aufgetreten ist und die Drücke zwischen dem Kondensator 34 und dem Verdampfer 38 ausgeglichen sind, dadurch das der Kondensator 34 vertikal über dem Verdampfer 38 positioniert ist, beginnt flüssiges Kältemittel als Folge von thermischem Absaugen in einer Flussrichtung 68 entlang einer Leitung 70 zum Verdampfer 38 zu fließen. Wenn das flüssige Kältemittel den Verdampfer 38 erreicht, „kocht“ eine Menge flüssigen Kältemittels im Verdampfer 38 oder wird in dampfförmiges Kältemittel umgewandelt, da die Temperatur in einem Verdampfer 38 höher ist als die Temperatur im Kondensator 34, und das dampfförmige Kältemittel bewegt sich in Flussrichtung 72 und wird aus dem Verdampfer 38 entfernt. Sobald das dampfförmige Kältemittel entfernt ist, wird durch thermisches Absaugen zusätzliches flüssiges Kältemittel in den Verdampfer 38 gesaugt, und der Vorgang wird wiederholt. Während das thermische Absaugen zur Bewegung einer bestimmten Menge Kältemittel durch den Verdampfer führt, ohne dass der Zentrifugalkompressor in Betrieb ist, ist die Durchflussrate des Kältemittels durch den Verdampfer deutlich geringer im Vergleich zu der Durchflussrate, die normalerweise während des Kompressorbetriebs auftreten würde, wodurch die die Menge verfügbarer Kühlkapazität zur Erfüllung des Kühlbedarfs begrenzt wird. Wie nachstehend ausführlicher erörtert wird, kann beispielsweise ein herkömmlicher Zentrifugal-Flüssigkeitskühler bei Betrieb unter Freikühlungsbedingungen oder im Freikühlungsmodus im Allgemeinen nur etwa 12 Prozent des Kühllastbedarfs (%Last) erfüllen, wenn er bei einer Annäherungstemperatur von 3 °F (Austrittstemperatur des Flüssigkeitsverdampfers, abgezogen von der Temperatur des Flüssigkeitskondensators) arbeitet (9).
Bei einem beispielhaften Verfahren der vorliegenden Offenbarung arbeitet das Dampfkompressionssystem 14 (3) jedoch während der Freikühlung anders als ein herkömmlicher Zentrifugal-Flüssigkeitskühler. Das heißt, dass der Kompressor des beispielhaften Dampfkompressorsystems der vorliegenden Offenbarung unter allen Umgebungsbedingungen (d. h. Umgebungsbedingungen, bei denen ein sicherer Betrieb des Dampfkompressorsystems gewährleistet ist) weiterarbeitet, anstatt des Abschaltens eines herkömmlichen Zentrifugal-Flüssigkeitskühlers, der unter Freikühlungsbedingungen arbeitet.
Beispielsweise wird in einem beispielhaften Verfahren zum Betreiben eines Kühlers, der einen Kompressor aufweist, der Kompressor zumindest als Reaktion auf jeden hierin identifizierten Temperaturbereich kontinuierlich betrieben, während die Temperatur einer Flüssigkeit, die in einen Kondensator eintritt (zur thermischen Kommunikation mit Kältemittel in dem Kondensator") mit einer Temperatur einer Flüssigkeit, die aus einem Verdampfer austritt (zur thermischen Kommunikation mit Kältemittel in dem Verdampfer) verglichen wird. Diese Temperaturbereiche umfassen, dass die Verdampferaustrittstemperatur der Flüssigkeit um einen vorbestimmten Betrag größer ist als die Kondensatoreintrittstemperatur der Flüssigkeit, wobei die Differenz der Temperaturen (Verdampferaustrittstemperatur der Flüssigkeit abgezogen vom Flüssigkeitskondensator) manchmal auch als Annäherungstemperatur bezeichnet wird. In einer Ausführungsform beträgt der vorbestimmte Betrag (die Annäherungstemperatur) etwa 3°F. In einer anderen Ausführungsform ist der vorbestimmte Betrag (die Annäherungstemperatur) größer als 3°F. In einer anderen Ausführungsform liegt der vorbestimmte Betrag (die Annäherungstemperatur) zwischen etwa 3 °F und etwa 5°F. Beispielsweise kann ein Benutzer bestimmen, dass die Temperaturdifferenz in einer Ausführungsform bis zu etwa 5 °F oder mehr als 5 °F beträgt, in einer anderen Ausführungsform beispielsweise zwischen etwa 5 °F und etwa 10°F liegt. In noch einer anderen Ausführungsform kann der Benutzer bestimmen, dass die Temperaturdifferenz größer als 10°F ist. 6 zeigt eine Temperaturdifferenz 74 (schraffierter Bereich), bei der die Verdampferaustrittstemperatur um Werte im Bereich von 0 bis etwa 15°F höher ist als die Kondensatoreintrittstemperatur. Für den Fachmann wird verstehen, dass mit zunehmender Annäherungstemperatur die Menge an Kühllastbedarf (%Last), die von dem Kühler bewältigt werden kann, zunimmt (siehe 9).
Diese Temperaturbereiche umfassen auch, dass die Verdampferaustrittstemperatur der Flüssigkeit im Wesentlichen gleich der Kondensatoreintrittstemperatur der Flüssigkeit ist. Diese Temperaturbereichen umfassen auch, dass die Verdampferaustrittstemperatur der Flüssigkeit um einen vorbestimmten Betrag kleiner ist als die Kondensatoreintrittstemperatur der Flüssigkeit. Beispielsweise kann der Benutzer in bestimmten Anwendungen und/oder Temperaturbereichen der Kondensatoreintrittstemperaturen und der Verdampferaustrittstemperaturen eine größere Temperaturdifferenz wählen, wenn die Menge an Kühllastbedarf (manchmal auch als %Last bezeichnet) im Allgemeinen niedrig genug ist, um vom Kühler bewältigt zu werden. Die Kühlkapazität des Kühlers wird als Reaktion auf eine größere Differenz zwischen der Kondensatoreintrittstemperatur der Flüssigkeit und der Verdampferaustrittstemperatur der Flüssigkeit verringert, wenn die Verdampferaustrittstemperatur der Flüssigkeit niedriger ist als die Kondensatoreintrittstemperatur der Flüssigkeit.
Diese Temperaturbereiche umfassen auch Schwankungen der Verdampferaustrittstemperatur der Flüssigkeit als Reaktion auf eine Änderung des Kühlbedarfs des Kühlers.
Ein kontinuierliches Betreiben des Kompressors als Reaktion auf alle Umgebungsbedingungen (innerhalb derer ein Dampfkompressionssystem sicher betrieben werden kann) bietet mehrere Vorteile. Erstens wird, wie bereits erläutert, der Temperaturbereich (und dementsprechend die Wahrscheinlichkeit günstiger Umgebungsbedingungen), in dem eine höhere Betriebseffizienz des Kühlers verfügbar ist, deutlich erhöht. Zweitens erfordert ein kontinuierlicher Betrieb des Kompressors zwar Energie, wie beispielsweise elektrische Energie, die erforderliche Energiemenge wird jedoch aufgrund der erhöhten Betriebseffizienz des Kühlers, die mit dem erheblich erweiterten Temperaturbereich verbunden ist, der mit günstigen Umgebungsbedingungen einhergeht, minimiert. Zum Beispiel zeigt 7 eine Leistungskurve 76, die einen Kühlkapazitätsprozentsatz (%Last) über einen Bereich von Kondensatoreintrittstemperaturen darstellt, und eine Leistungskurve 78, die die erforderliche Energie pro Kühleinheit (kW/Tonne) eines Flüssigkeitskühlers über denselben Bereich von Kondensatoreintrittstemperaturen darstellt.
In einer Ausführungsform arbeitet der Kompressor bei oder bei etwa einer minimalen Drehzahl („Geschwindigkeit“), wie beispielsweise einer minimalen Betriebsdrehzahl des VSD 52 (3), wie beispielsweise zum rotierenden Antreiben des Kompressormotors 50. In einer Ausführungsform eines Zentrifugalkompressors kann die minimale Betriebsdrehzahl eines VSD etwa 85 Hz betragen. In anderen Ausführungsformen von Zentrifugalkompressoren kann eine minimale Betriebsdrehzahl eines VSD deutlich von 85 Hz abweichen. Außerdem kann es zu Differenzen bei den minimalen VSD-Betriebsdrehzahlen kommen, da die Dampfkompressionssysteme der vorliegenden Offenbarung nicht auf Zentrifugalkompressoren beschränkt sind, sondern Verdrängerkompressoren einschließen können, einschließlich, aber nicht beschränkt auf, Kolbenkompressoren, Rotationskompressoren, Schwenkhebelkompressoren, Spiralkompressoren und Turbinenkompressoren, die mit unterschiedlichen minimalen Drehzahlen arbeiten können. In einer Ausführungsform würde für Umstände, in denen ein Betreiben des Kompressors bei einer minimalen Drehzahl eine unzureichende Menage an Kühlkapazität bereitstellt, um den Kühlbedarf zu erfüllen, die Betriebsdrehzahl des VSD erhöht werden, wodurch sowohl die Kompressordrehzahl als auch die Kühlkapazität erhöht werden würden, bis eine ausreichend Kühlkapazität bereitgestellt wird, um den Kühlbedarf zu erfüllen. Wenn jedoch, wie in der Leistungskurve 80 von 8 gezeigt, der Kühler mit der Auslegungskühlkapazität (100 % LAST) betrieben werden muss, erhöht sich die Energiemenge pro Kühleinheit (kW/Tonne) mit entsprechend steigenden Eintrittstemperaturen des Kondensatorwassers, wie beispielsweise bei Leistungskurve 80, im Vergleich zur Leistungskurve 78 (7) bei gleichen Umgebungsbedingungen und reduzierter Kühlkapazität.
In einer anderen Ausführungsform würde für Umstände, in denen ein Betreiben des Kompressors bei einer minimalen Drehzahl eine unzureichende Menage an Kühlkapazität bereitstellt, um den Kühlbedarf zu erfüllen, die Betriebsdrehzahl des VSD weiter mit der gleichen minimalen Drehzahl betrieben werden. Mit anderen Worten, in dieser Ausführungsform bestimmen die Durchflussrate des in den Verdampfer eintretenden Wassers und die Temperatur des aus dem Verdampfer austretenden Wassers die verfügbare Kühlmenge. Infolgedessen müsste ein Betreiber Betriebsbeschränkungen festlegen, die mit günstigen Umgebungsbedingungen verbunden sind, die mit einer erhöhten Betriebseffizienz des Kühlers einhergehen. Anders ausgedrückt müsste der Betreiber sein System so steuern, dass die Temperatur des aus dem Verdampfer austretenden Wassers, bei einer gegebenen Durchflussrate den Kühlbedarf erfüllt.
Drittens wird durch den kontinuierlichen Betrieb des Kompressors eines Kühlers eine Druckänderung in einer Saugleitung zum Kompressor 32 (3) aufrechterhalten, was dazu führt, dass flüssiges Kältemittel vom Kondensator 34 zum Verdampfer 38 angesaugt wird, ohne dass es zu einer thermischen Absaugung kommt. In einer Ausführungsform des Verdampfers 38, wie beispielsweise einem Fallfilmverdampfer oder Hybrid-Fallfilmverdampfer, wie beispielsweise in der US-Patentanmeldung Nr. 12/746,858 der Anmelderin mit dem Titel „Wärmetauscher“ offenbart, auf die in vollem Umfang Bezug genommen wird, kann sich flüssiges Kältemittel im Verdampfer beim Abschalten des Kompressors nicht leicht zwischen dem Kondensator und dem Verdampfer bewegen. Aufgrund der Druckänderung aufgrund des kontinuierlichen Kompressorbetriebs, die auch bei einer minimalen Kompressordrehzahl auftritt, wird flüssiges Kältemittel aus dem Kondensator gedrückt und dem Verdampfer bereitgestellt, was unterschiedliche Positionierungsausrichtungen des Verdampfers relativ zum Kondensator ermöglicht. Kühler, die thermische Absaugung ohne eine Pumpe nutzen müssen, sind darauf beschränkt, den Kondensator vertikal über dem Verdampfer zu positionieren, sowie andere Installationseinschränkungen zu beachten, damit thermische Absaugung auftreten kann.
Viertens, wie in 9 gezeigt, stellt ein Flüssigkeitskühler, der den Kompressor kontinuierlich bei einer minimalen Drehzahl, beispielsweise 85 Hz, betreibt, für eine gegebene Annäherungstemperatur während des Betriebs unter Freikühlungsbedingungen oder im Freikühlungsmodus (um einen direkten Vergleich mit einem herkömmlichen System zu ermöglichen, das auf den Betrieb unter Freikühlungsbedingungen beschränkt ist) nahezu die doppelte Auslegungskühlkapazität (%Last) im Vergleich zu einem herkömmlichen Zentrifugalkompressor, der thermische Absaugung nutzt, bereit (z. B. 5). Auch in 9 gezeigt ist ein Bereich der Auslegungskühlkapazität (%Last) für einen typischen Wärmetauscher 28 ( 4), manchmal auch als wasserseitiger Vorwärmer bezeichnet, der mit geschlossenem Kühlturmkreislauf 30 und geschlossenem Kühllastkreislauf 62 arbeitet, wie bereits erörtert.
10 zeigt eine gut bekannte Druck-Enthalpie-Kurve 82, die unterschiedliche Phasen (Dampf, Flüssigkeit und Dampf und Flüssigkeit) eines Kältemittels bei unterschiedlichen Kombinationen von Druck und Enthalpie der geschlossenen Kältemittelkreisläufe ABCD und A'BCD' darstellt. (Obwohl A, A', B, C, D und D' Indizes der Enthalpie H sind und normalerweise in einer Form wie H_A ausgedrückt werden, werden nachstehend aus Gründen der Klarheit nur die Indizes selbst besprochen.) Der geschlossene Kältemittelkreislauf umfasst einen Kompressor 32, einen Kondensator 34 und einen Verdampfer 38 (3) und stellt grafisch einen Prozesszyklus (Kompression (BC), Kondensation (CD) und (C'D'), Expansion (DA) und (D'A'), und Verdampfung (A'B) und (AB)) des Kältemittels während des Betriebs des Kreislaufs relativ zur Druck-Enthalpie-Kurve des Kältemittels dar. Der geschlossene Kältemittelkreislauf ABCD entspricht einem Prozesskreislauf, in dem das Kältemittel entweder Dampf oder Flüssigkeit und Dampf ist. Der geschlossene Kältemittelkreislauf A'BCD' entspricht einem Prozesskreislauf, in dem das Kältemittel eines von Dampf, Flüssigkeit und Dampf oder Flüssigkeit ist. Der schraffierte Bereich 84 entspricht einem Segment des Prozesszyklus, in dem das Kältemittel eine Flüssigkeit ist, sodass ein Betreiben des Prozesszyklus im schraffierten Bereich 84 zu einer effizienteren Wärmeübertragung führen würde. Ein beispielhaftes Verfahren der vorliegenden Offenbarung umfasst ein kontinuierliches Betreiben des Kompressors 32, wenn ein Segment des Prozesszyklus dem Kältemittel, das sich in der flüssigen Phase befindet, entspricht (d. h. ein Segment des schraffierten Bereichs 84). Wie weiter in 10 gezeigt, kann ein Segment des schraffierten Bereichs 84 zumindest einen Teil der während des Prozesszyklus auftretenden Kondensation des Kältemittels einschließen. In ähnlicher Weise kann ein Segment des schraffierten Bereichs 84 zumindest einen Teil der während des Prozesszyklus auftretenden Verdampfung des Kältemittels einschließen. Alternativ, wie weiter in 10 gezeigt, kann ein Segment des schraffierten Bereichs 84 jeweils zumindest einen Teil der Verdampfung und der Kondensation des Kältemittels, die während des Prozesszyklus auftreten, einschließen.
Während nur bestimmte Merkmale und Ausführungsformen der Erfindung gezeigt und beschrieben wurden, können dem Fachmann viele Modifikationen und Änderungen einfallen (z. B. Variationen in Größen, Abmessungen, Strukturen, Formen und Proportionen der verschiedenen Elemente, Werte von Parametern (z. B. Temperaturen, Drücken usw.), Montageanordnungen, Verwendung von Materialien, Farben, Ausrichtungen usw.), ohne wesentlich von den neuartigen Lehren und Vorteilen des in den Ansprüchen genannten Gegenstands abzuweichen. Die Reihenfolge oder der Ablauf jeglicher Prozess- oder Verfahrensschritte kann nach alternativen Ausführungsformen variiert oder neu geordnet werden. Es versteht sich daher, dass die beigefügten Ansprüche alle solche Modifikationen und Änderungen abdecken sollen, die in den wahren Geist der Erfindung fallen. Des Weiteren wurden in dem Bemühen, eine prägnante Beschreibung der beispielhaften Ausführungsformen bereitzustellen, möglicherweise nicht alle Merkmale einer tatsächlichen Implementierung beschrieben (d. h. diejenigen, die nichts mit der gegenwärtig betrachteten besten Art der Ausführung der Erfindung zu tun haben, oder diejenigen, die nichts mit der Ermöglichung der beanspruchten Erfindung zu tun haben). Es versteht sich, dass bei der Entwicklung einer solchen tatsächlichen Implementierung, wie bei jedem Konstruktions- oder Entwurfsprojekt, zahlreiche umsetzungsspezifische Entscheidungen getroffen werden können. Ein solcher Entwicklungsaufwand könnte zwar komplex und zeitaufwändig sein, würde aber dennoch für den Durchschnittsfachmann, der von dieser Offenbarung profitiert, ohne übermäßige Experimente eine routinemäßige Entwurfs-, Fertigungs- und Herstellungsaufgabe darstellen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 12746858 [0026]

Claims

Kühlsystem, welches Folgendes aufweist: - einen Kompressor, der konfiguriert ist, um ein Kältemittel durch einen Kältemittelkreislauf zu zirkulieren; - einen Kondensator, der konfiguriert ist, um das Kältemittel in thermische Kommunikation mit einem Kühlfluid zu bringen; - einen Verdampfer, der konfiguriert ist, um das Kältemittel in thermische Kommunikation mit einem Arbeitsfluid zu bringen; und - eine Steuerung, die konfiguriert ist, um: - eine erste Sensorrückmeldung zu empfangen, die eine erste Temperatur oder einen ersten Druck des in den Kondensator eintretenden Kühlfluids angibt; - eine zweite Sensorrückmeldung zu empfangen, die eine zweite Temperatur oder einen zweiten Druck des aus dem Verdampfer austretenden Arbeitsfluids angibt; - den Kompressor als Reaktion darauf, dass die erste Rückmeldung größer ist als die zweite Rückmeldung, kontinuierlich zu betreiben; und - den Kompressor während Freikühlungsbedingungen zu betreiben, die dadurch definiert sind, dass die zweite Rückmeldung größer ist als die erste Rückmeldung.
Kühlsystem nach Anspruch 1, wobei die Steuerung konfiguriert ist, um den Kompressor während der Freikühlungsbedingungen, die dadurch definiert sind, dass die zweite Rückmeldung größer ist als die erste Rückmeldung, bei einer minimalen Drehzahl zu betreiben.
Kühlsystem nach Anspruch 1, wobei die Steuerung konfiguriert ist, um den Kompressor als Reaktion darauf, dass die erste Rückmeldung und die zweite Rückmeldung im Wesentlichen gleich sind, kontinuierlich zu betreiben.
Kühlsystem nach Anspruch 1, wobei der Kompressor ein Verdrängerkompressor oder ein Zentrifugalkompressor ist.
Kühlsystem nach Anspruch 1, wobei der Kompressor Magnetlager aufweist.
Kühlsystem nach Anspruch 1, welches einen Regelantrieb aufweist, der konfiguriert ist, um eine Drehzahl eines Motors anzupassen, der konfiguriert ist, um den Kompressor anzutreiben.
Kühlsystem nach Anspruch 6, wobei der Regelantrieb konfiguriert ist, um bei 85 Hz zu arbeiten, um den Kompressor während der Freikühlungsbedingungen bei einer minimalen Drehzahl anzutreiben.
Kühlsystem nach Anspruch 1, wobei das Arbeitsfluid Wasser, Ethylenglykol, Propylenglykol, Calciumchlorid-Salzlösung, Natriumchlorid-Salzlösung oder eine beliebige Kombination davon aufwfeist.
Kühlsystem nach Anspruch 1, wobei das Kältemittel R-420A, R-408, R-134a, Hydrofluorolefin, Ammoniak, R-717, Kohlendioxid, R-744, Wasserdampf oder eine beliebige Kombination davon aufweist.
Kühlsystem, konfiguriert, um ein Kältemittel durch einen Kältemittelkreislauf zu zirkulieren und um das Kältemittel in thermische Kommunikation mit einem Kühlfluid und mit einem Arbeitsfluid zu bringen, wobei das Kühlsystem Folgendes aufweist: - einen ersten Sensor, der konfiguriert ist, um eine erste Sensorrückmeldung bereitzustellen, die eine erste Temperatur oder einen ersten Druck des in einen Kondensator des Kühlsystems eintretenden Kühlfluids angibt; - einen zweiten Sensor, der konfiguriert ist, um eine zweite Sensorrückmeldung bereitzustellen, die eine zweite Temperatur oder einen zweiten Druck des aus einem Verdampfer des Kühlsystems austretenden Arbeitsfluids angibt; und - eine Steuerung, die kommunikativ mit dem ersten Sensor und dem zweiten Sensor gekoppelt ist, wobei die Steuerung konfiguriert ist, um einen Kompressor des Kühlsystems als Reaktion darauf, dass die erste Rückmeldung kleiner ist als die zweite Rückmeldung, kontinuierlich zu betreiben.
Kühlsystem nach Anspruch 10, wobei das Kühlsystem konfiguriert ist, um das Kältemittel in mindestens einem Teil des Kältemittelkreislaufs zu unterkühlen.
Kühlsystem nach Anspruch 10, welches Folgendes aufweist: - den Kondensator, wobei der Kondensator konfiguriert ist, um das Kältemittel in die thermische Kommunikation mit dem Kühlfluid zu bringen; und - den Verdampfer, wobei der Verdampfer konfiguriert ist, um das Kältemittel in die thermische Kommunikation mit dem Arbeitsfluid zu bringen.
Kühlsystem nach Anspruch 10, welches den Kompressor aufweist, wobei der Kompressor ein Verdrängerkompressor oder ein Zentrifugalkompressor ist.
Kühlsystem nach Anspruch 10, welches den Kompressor aufweist, wobei der Kompressor Magnetlager aufweist.
Kühlsystem nach Anspruch 10, wobei die Steuerung konfiguriert ist, um eine Drehzahl des Kompressors über einen Regelantrieb anzupassen.
Kühlsystem nach Anspruch 10, wobei die Steuerung konfiguriert ist, um den Kompressor kontinuierlich zu betreiben, um mindestens eine minimale Kältemittel-Durchflussrate durch den Kältemittelkreislauf zu erzeugen, um das Arbeitsfluid um einen Zielbetrag zu kühlen.
Kühlsystem nach Anspruch 10, wobei: - das Arbeitsfluid Wasser, Ethylenglykol, Propylenglykol, Calciumchlorid-Salzlösung, Natriumchlorid-Salzlösung oder eine beliebige Kombination davon aufweist; und - das Kältemittel R-420A, R-408, R-134a, Hydrofluorolefin, Ammoniak, R-717, Kohlendioxid, R-744, Wasserdampf oder eine beliebige Kombination davon aufweist.
Steuersystem, welches einen Speicher aufweist, der konfiguriert ist, um von einem Prozessor ausführbare Anweisungen zu speichern, wobei die Anweisungen, wenn sie vom Prozessor ausgeführt werden, den Prozessor veranlassen, um: - eine erste Sensorrückmeldung zu empfangen, die eine erste Fluideigenschaft eines in einen Kondensator eintretenden Kühlfluids angibt; - eine zweite Rückmeldung zu empfangen, die eine zweite Fluideigenschaft eines aus einem Verdampfer austretenden Arbeitsfluids angibt; - die erste Rückmeldung mit der zweiten Rückmeldung zu vergleichen; - einen Kompressor als Reaktion darauf, dass die erste Rückmeldung um einen vorbestimmten Betrag größer ist als die zweite Rückmeldung, kontinuierlich zu betreiben; und - den Kompressor während Freikühlungsbedingungen zu betreiben, die dadurch definiert sind, dass die zweite Rückmeldung größer ist als die erste Rückmeldung.
Steuersystem nach Anspruch 18, wobei die erste Fluideigenschaft des in den Kondensator eintretenden Kühlfluids einen ersten Druck des in den Kondensator eintretenden Kühlfluids aufweist, und wobei die zweite Fluideigenschaft des aus dem Verdampfer austretenden Arbeitsfluids einen zweiten Druck des aus dem Verdampfer austretenden Arbeitsfluids aufweist.
Steuersystem nach Anspruch 18, wobei die Anweisungen, wenn sie vom Prozessor ausgeführt werden, den Prozessor veranlassen, um den Kompressor während der Freikühlungsbedingungen bei einer minimalen Drehzahl zu betreiben.