DE60111108T2

DE60111108T2 - Verbesserung in einem Ekonomiserkreislauf

Info

Publication number: DE60111108T2
Application number: DE60111108T
Authority: DE
Inventors: Alexander Manlius Lifson; Boris Marlborough Karpman
Original assignee: Carrier Corp
Current assignee: Carrier Corp
Priority date: 2000-03-27
Filing date: 2001-03-08
Publication date: 2005-10-27
Anticipated expiration: 2021-03-09
Also published as: HK1039646B; DE60111108D1; JP2001296066A; CN1319752A; EP1139039B1; US6374631B1; JP3837301B2; DK1139039T3; CN1205445C; HK1039646A1; EP1139039A1; SG91346A1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft die Positionierung eines Economizer-Ventils nahe bei dem Economizer-Wärmetauscher oder eine anderweitige Vergrößerung des Volumens der Economizer-Kreisleitung in einem Kühlkreislauf.
Economizer-Kreise werden in Kühlkreisläufen verwendet, um eine gesteigerte Kühl- oder Heizkapazität zu schaffen. Wie bekannt ist, befördert ein Kühlkreislauf ein Kühlmittel zwischen einem Kompressor, wo das Kühlmittel verdichtet wird, und einem Kondensator, wo es typischerweise Umgebungsluft ausgesetzt wird. Von dem Kondensator durchläuft das Kühlmittel eine primäre Expansionsvorrichtung und sodann einen Verdampfer. Eine zu kühlende Umgebung wird dadurch gekühlt, dass das Kühlmittel den Verdampfer durchläuft. Das Kühlmittel kehrt von dem Verdampfer zu dem Kompressor zurück und kann auf diesem Weg eine Ansaugdrosselvorrichtung durchlaufen. Die EP-A-0 981 033 offenbart ein Verfahren zum Betreiben eines Kühlsystems in einem Festkörper-Betrieb. Anspruch 1 zeichnet sich gegenüber der Offenbarung der JP-11 248 264, der EP-A-0 778 451, der JP 04 043 261 sowie der EP-A-0 180 904 aus, die alle ein Kühlsystem mit einem Ventil stromaufwärts von einem Wärmetauscher aufweisen. Die EP-A-0 969 257 offenbart einen gekühlten Behälter mit einem Economizer-Leitungsventil.
Ein Economizer-Kreis ist gelegentlich unmittelbar stromabwärts von dem Kondensator integriert. Im Wesentlichen wird ein Teil des den Kondensator verlassenden Kühlmittels von der Hauptströmungsleitung angezapft und durch eine Economizer-Expansionsvorrichtung hindurchgeführt. Ein Economizer-Wärmetauscher oder ein Expansionsbehälter erhält das die Economizer-Expansionsvorrichtung verlassende Fluid und erhält ferner die Hauptströmung des Kühlmittels von dem Kondensator, bevor dieses in die primäre Expansi onsvorrichtung eintritt. Ein Expansionsbehälter sowie ein Economizer-Wärmetauscher sind beides bekannte Möglichkeiten zum Übertragen von Wärme zwischen zwei Strömungsleitungen. Für die Zwecke der vorliegenden Erfindung ist der Begriff „Economizer-Wärmetauscher" derart zu verstehen, dass er sowohl einen Wärmetauscher, der Wärme zwischen zwei Leitungen durch Rohre überträgt, als auch einen Expansionsbehälter beinhaltet. Bei beiden handelt es sich um Wärmetauscher, die in Economizer-Kreisen verwendet werden, und beide sind bekannt. Der Begriff „Economizer-Wärmetauscher", wie er in der vorliegenden Anmeldung und den Ansprüchen verwendet wird, soll daher beide dieser Einrichtungen umfassen. Wenn das Kühlmittel den Economizer verlässt, kühlt die Expansionsvorrichtung des Kreises das Kühlmittel in der Hauptströmungsleitung, bevor dieses die primäre Expansionsvorrichtung erreicht. Auf diese Weise ist das die primäre Expansionsvorrichtung erreichende Kühlmittel zusätzlich vorgekühlt worden, und es wird eine größere Kühlkapazität des Verdampfers erreicht.
Das abgezapfte Kühlmittel, das die Economizer-Expansionsvorrichtung verlässt, durchläuft den Economizer-Wärmetauscher und wird zu dem Kompressor zurückgeführt. Zum Steuern der Kapazität der Kühl- oder Heizeinheit ist es wünschenswert, die Fähigkeit zum Einschalten oder Ausschalten des Economizer-Kreises zu haben. Daher ist typischerweise ein Economizer-Absperrventil dem Kompressor benachbart positioniert. Eine Economizer-Leitung verbindet dieses Absperrventil zurück zu dem Economizer-Wärmetauscher. Ein weiterer Bereich der Economizer-Leitung erstreckt sich über die kurze Distanz von dem Economizer-Absperrventil zu dem Kompressor.
Wenn während des Betriebs des Kompressors das Economizer-Ventil geschlossen wird, endet der Economizer-Bereich der Leitung in einer Sackgasse an dem Ventil. Daher wird komprimiertes Kühlmittel zwischen dem geschlossenen Ventil und dem Kompressor in dem sackgassenartigen Endbereich der Economizer-Leitung hin und her gepumpt. Dies hat gelegentlich zu einem unerwünschten Temperaturanstieg in der Economizer-Leitung geführt. Aufgrund der hohen Temperaturen waren möglicherweise teure Absperrventile erforderlich, die den hohen Temperaturen standhalten konnten.
Die vorliegende Erfindung zielt ab auf die Optimierung der Position des Economizer-Absperrventils, das früher nahe dem Kompressor angeordnet war, oder in einer anderweitigen Schaffung von zusätzlichem Volumen zwischen dem Kompressor und dem Absperrventil.
KURZBESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Bei einem offenbarten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist das Economizer-Absperrventil näher bei dem Economizer-Wärmetauscher als bei dem Kompressor angeordnet, und es ist von dem Kompressor beabstandet, oder ein zusätzliches Volumen ist anderweitig in der Economizer-Leitung hinzugefügt. Auf diese Weise gibt es ein relativ langes oder großes Volumen des sackgassenartigen Economizer-Endbereichs zwischen dem Absperrventil und dem Kompressor, wenn das Absperrventil geschlossen ist.
Bei einem am meisten bevorzugten Ausführungsbeispiel ist das Absperrventil in direkter Nachbarschaft zu dem Economizer-Wärmetauscher angeordnet. Es ist somit bevorzugt, dass das Economizer-Absperrventil innerhalb von 50% der Strecke der Economizer-Leitung angeordnet ist, die dem Economizer-Wärmetauscher am nächsten ist. Am meisten ist es bevorzugt, dass das Economizer-Absperrventil in der Leitung innerhalb von 20% der Strecke von dem Economizer-Wärmetauscher angeordnet ist, und zwar bei Ausführungsformen, bei denen das Economizer-Absperrventil stromabwärts von dem Economizer-Wärmetauscher positioniert ist. Anders ausgedrückt ist ein zusätzliches Volumen zu dem Bereich der Economizer-Leitung hinzugefügt worden, der sich in Richtung auf den Kompressor erstreckt.
Bei jedem der vorstehend erläuterten Ausführungsbeispiele ist die Länge und/oder das Volumen des sackgassenartigen Endbereichs der Economizer-Leitung im Vergleich zum Stand der Technik stark vergrößert. Während man erwarten könnte, dass eine solche Positionierung zu einer verminderten Effizienz oder Kapazität führen könnte, hat sich in der Tat das Gegenteil herausge stellt. Tests haben gezeigt, dass bei Positionierung des Economizer-Absperrventils näher bei dem Economizer-Wärmetauscher sowohl die Kompressoreffizienz als auch die Kompressorkapazität gesteigert werden. Da ferner die Effizienz des Kompressionsvorgangs erhöht wird, wird auch die Austrittstemperatur des den Kompressor verlassenden Kühlmittels um einige Grad reduziert.
Die Temperatur in dem sackgassenartigen Endbereich der Economizer-Leitung ist beträchtlich vermindert. Bei einem Test wurde die Temperatur von einem hohen Wert von 310°F auf 200°F vermindert. Dies ermöglicht die Verwendung von kostengünstigeren Absperrventilen, die den hohen Temperaturen des Stands der Technik nicht standhalten müssen. Ferner sind Feuergefahren usw. auf ein Minimum reduziert.
Wenn das Economizer-Absperrventil stromaufwärts von der Expansionsvorrichtung angeordnet ist, dichtet das Ventil typischerweise den Flüssigbereich des Kühlmittels ab. Diese Anordnung entspricht nicht der vorliegenden Erfindung und dient lediglich der Erläuterung. Die Flüssigkeitsleitungen haben einen kleineren Durchmesser als Dampfleitungen und sind einfacher abzudichten, so dass ein noch kostengünstigeres Ventil verwendet werden kann, da ein Ventil zum Abdichten von Flüssigkeit kleiner und kostengünstiger sein kann als ein Dampfleitungsventil.
Diese und weitere Merkmale der vorliegenden Erfindung sind am besten aus der nachfolgenden, nicht einschränkenden Beschreibung und den Ansprüchen zu verstehen, die im Folgenden kurz beschrieben werden.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
2 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel.
3 zeigt eine Konfiguration, bei der alle der vorstehenden Ausführungsformen in Verbindung mit der Verwendung eines zwischen der Economizer- und der Saugleitung angeordneten Bypass-Ventil berücksichtigt werden können.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
Ein Kühlkreislauf 20 ist in 1 dargestellt und weist einen Kompressor 22 auf, in den eine Kompressor-Pumpeneinheit 24 integriert ist, die als Spiralkompressor dargestellt ist. Wie in der Zeichnung dargestellt ist, wird Dampf von einer Economizer-Einspritzleitung 28 durch eine Economizer-Einspritzöffnung 26 in Kompressionskammern eingespritzt, die durch die Pumpeneinheit 24 gebildet sind. Eine Economizer-Leitung 28 ist derart ausgebildet, dass sie sich von dem Kompressor zurück in Richtung auf den Economizer-Wärmetauscher erstreckt, wobei dies im Folgenden noch ausführlicher beschrieben wird. Eine Austrittsleitung 30 verlässt den Kompressor 22 und führt zu dem Kondensator 32. Von dem Kondensator 32 führt eine Kühlmittel-Hauptströmungsleitung 33 durch einen Economizer-Wärmetauscher 34. Der Economizer-Wärmetauscher 34 kann auch durch einen Expansionsbehälter gebildet sein. Eine Economizer-Abzweigleitung 36 führt durch den Wärmetauscher 34 hindurch. Auch der Economizer-Kreis wird im Folgenden noch ausführlicher beschrieben. Stromabwärts von dem Wärmetauscher 34 befinden sich eine primäre Expansionsvorrichtung 38 und ein Verdampfer 40. Wie bekannt ist, wird eine zu kühlende Umgebung 41 durch Kühlmittel gekühlt, das in dem Verdampfer 40 verdampft und außerdem eine Überhitzung erfährt. Die vorliegende Erfindung ist vorzugsweise auf Kühlbereiche gerichtet, die auf niedrige Temperaturen gekühlt werden müssen. In der Darstellung handelt es sich bei diesem Bereich um eine gekühlte Transporteinheit. Bei solchen Systemen ist die Distanz des Economizer-Kreises relativ groß. Von dem Verdampfer 40 kann das Kühlmittel durch eine wahlweise vorgesehene Ansaug-Drosselvorrichtung 42 zurück strömen und zu einer Leitung 44 strömen, die zu der Kompressor-Ansaugeinrichtung 68 zurückführt. Einer der Anmelder hat vor Kurzem ein System vorgeschlagen, bei dem eine Entlastungs-Bypassvorrichtung die Leitungen 28 und 44 verbindet. Die Details dieser Entlastungsvorrichtung sind jedoch separat von der vorliegenden Erfindung.
Eine Economizer-Expansionsvorrichtung 46 ist in der Abzweigleitung 36 angebracht. Ein Economizer-Absperrventil 48 ist direkt stromabwärts von dem Wärmetauscher 34 angeordnet. Wenn das Ventil 48 geschlossen wird, endet die Leitung 28 sackgassenartig an dem Ventil, wobei der sackgassenartige Endbereich der Leitung 28 im Vergleich zum Stand der Technik relativ lang ist. Es ist bevorzugt, das Absperrventil 48 nicht in der Hälfte zu positionieren, die dem sackgassenartigen Endbereich der Leitung 28 in Richtung auf den Kompressor 22 am nächsten ist. Es ist vielmehr bevorzugt, das Absperrventil 48 in der Leitung 28 innerhalb von 20% seiner Distanz von dem Economizer-Wärmetauscher 34 relativ zu der Gesamtdistanz zwischen dem Wärmetauscher 34 und dem Kompressor 22 anzuordnen. Die vorliegende Erfindung schafft somit eine sehr große Länge bis zu dem sackgassenartigen Endbereich 28, so dass sich Vorteile erzielen lassen, wie diese eingangs beschrieben worden sind. Wenn während des Betriebs kein Economizer-Betrieb erwünscht ist, ist das Ventil 48 mittels einer Steuerung geschlossen, wie dies bekannt ist. Somit erhält der sackgassenartige Endbereich 28 Fluid von der Kompressor-Pumpeneinheit 24. Während des Betriebs mit Economizer ist das Ventil 48 geöffnet, und Kühlmittel wird durch die Leitung 28 hindurch in die Kompressor-Pumpeneinheit 24 zurückgeleitet.
Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird ein zusätzliches Volumen 62 in dem stromabwärtigen Bereich der Leitung 28 vorgesehen, um die Wirksamkeit bei der Verwendung der als Sackgasse endenden Leitung 28 zu steigern, wenn diese Leitung abgesperrt wird. Das Volumen 62 ist integraler Bestandteil der Leitung 28, und in dem einfachsten Fall kann es durch eine Leitung gebildet werden, deren Durchmesser größer ist als der der Leitung 28. Die Verwendung des Volumens 62 wird besonders bedeutsam, wenn die Länge des als Sackgasse endenden Bereichs der Leitung 28 durch die dimensionsmäßige Umhüllung der Kühlkreislaufeinheit begrenzt ist.
3 zeigt eine Konfiguration, bei der ein Bypass-Ventil 64 in dem Kühlkreislauf zusätzlich vorgesehen ist. Alle der vorstehenden Ausführungsformen sind auch bei dieser Konfiguration anwendbar, und die sich zu dem Bypass-Ventil erstreckende Leitung 66 würde ebenfalls als Teil des sackgassenartigen Volumens Berücksichtigung finden.
Bei den vorstehend erläuterten Ausführungsformen ist die Länge oder das Volumen des sackgassenartigen Endbereichs 28 der Economizer-Leitung im Vergleich zum Stand der Technik stark vergrößert. Vorteile hinsichtlich Effizienz, Kapazität und Austrittstemperatur werden allesamt erzielt. Da das Ventil ferner in einer Umgebung mit einer niedrigeren Temperatur arbeitet, kann ein kostengünstigeres Ventil in zuverlässiger Weise verwendet werden.
Das vergrößerte Volumen des sackgassenartigen Endes ist vorzugsweise ausreichend, damit das vorwärts von dem Absperrventil sowie das zwischen dem Absperrventil und dem Kompressor eingeschlossene Kühlmittel mindestens 10% der volumenmäßigen Kompressorkapazität des Kompressors entspricht. In stärkter bevorzugter Weise beträgt das Volumen mehr als 20% der volumenmäßigen Kapazität des Kompressors. Die Größe des Raums 62, bei dem es sich vorzugsweise um einen vergrößerten Raum auf der Fluidleitung 28 handelt, sollte entsprechend dimensioniert sein. Alternativ hierzu oder in Kombination damit sollte das Ventil ausreichend weit entfernt von dem Kompressor positioniert sein, damit dieses Volumen erreicht wird. Eine Kühltransporteinheit hat typischerweise eine relativ lange Leitung 28 zwischen dem Kompressor 22 und dem Wärmetauscher 34. Diese Distanz kann 5 bis 10 Fuß betragen. Bei solchen Systemen ist es wünschenswert, dass das Ventil eine Distanz von mindestens einem Fuß von dem Kompressor hat. Anders ausgedrückt ist das Ventil vorzugsweise nicht in den ersten 10% bis 20% der Länge zwischen dem Kompressor und dem Wärmetauscher angeordnet. Wie in 1 gezeigt ist, ist das Ventil in stärker bevorzugter Weise recht nahe bei dem Wärmetauscher angeordnet.

Claims

Kühlkreislauf, aufweisend: einen Kompressor (22) mit einem Kühlmittel-Ansaugeinlass (68) und einem Austrittsauslass (30) einen Kondensator (32), der mit dem Austrittsauslass in Verbindung steht, wobei der Kondensator Kühlmittel zu einer Economizer-Abzweigleitung (36) sowie zu einer Kühlmittel-Hauptströmungsleitung (33) leitet, wobei die Kühlmittel-Hauptströmungsleitung zu einer primären Expansionsvorrichtung (38) führt und die Abzweigleitung durch eine Economizer-Expansionsvorrichtung (46) hindurchführt; einen Economizer-Wärmetauscher (34), der in der Hauptströmungsleitung (33) stromaufwärts von der primären Expansionsvorrichtung (38) angeordnet ist, wobei die Abzweigleitung (36) auch den Economizer-Wärmetauscher (34) durchläuft, wobei der Economizer-Wärmetauscher stromabwärts von der Economizer-Expansionsvorrichtung (46) angeordnet ist; einen Verdampfer (40), der stromabwärts von der primären Expansionsvorrichtung (38) angeordnet ist, wobei Kühlmittel von dem Verdampfer (40) zu dem Kompressor (22) zurückgeführt wird; und eine Economizer-Leitung (28), die von dem Economizer-Wärmetauscher (34) zu dem Kompressor (22) zurückführt, sowie ein Absperrventil (48) zum Absperren der Strömung des Kühlmittels durch die Economizer-Leitung (28) zu dem Kompressor, wobei das Absperrventil stromabwärts von dem Economizer-Wärmetauscher angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Absperrventil (48) von dem Kompressor (22) über eine Distanz beabstandet ist, die mehr als 10% der Länge der Economizer-Leitung (28) zwischen dem Economizer-Wärmetauscher (34) und dem Kompressor (22) beträgt.
Kühlkreislauf nach Anspruch 1, wobei das Absperrventil näher bei dem Economizer-Wärmetauscher als bei dem Kompressor angeordnet ist.
Kühlkreislauf nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Economizer-Leitung keine konstante Querschnittsfläche aufweist, so dass ein zusätzliches Volumen an Kühlmittel zwischen dem Absperrventil und dem Kompressor in einem Bereich mit vergrößertem Volumen eingeschlossen wird.
Kühlkreislauf nach Anspruch 1, 2 oder 3, wobei das Absperrventil innerhalb von 20% der Gesamtlänge der Economizer-Leitung relativ zu dem Economizer-Wärmetauscher angeordnet ist.
Kühlkreislauf nach einem der vorausgehenden Ansprüche, wobei in den Kompressor eine Spiralpumpeneinheit integriert ist.
Kühlkreislauf nach einem der vorausgehenden Ansprüche, wobei ein vergrößertes Volumen dadurch gebildet ist, dass die Economizer-Leitung eine nicht-konstante Querschnittsfläche aufweist, wobei ein vergrößertes Volumen durch einen Bereich mit vergrößertem Volumen gebildet ist.
Kühlkreislauf nach Anspruch 6, wobei eine vergrößerte Kammer in der Economizer-Leitung vorhanden ist.
Kühlkreislauf nach einem der vorausgehenden Ansprüche, wobei der Verdampfer eine gekühlte Transporteinheit kühlt.