DE60128244T2 - Verfahren und anordnung zum abtauen einer dampfverdichtungsanlage - Google Patents

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    • F25B2600/2501Bypass valves

Description

  • Gebiet der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Dampfverdichtungssystem zum Abtauen eines Wärmetauschers (Verdampfers) in einem Kühl- oder Wärmepumpensystem, das neben dem ersten Wärmetauscher (Verdampfer) wenigstens einen Kompressor, einen zweiten Wärmetauscher (Wärmeabführer) und eine Expansionseinrichtung aufweist, die über Leitungen in bedienbarer Weise zur Bildung eines in sich geschlossenen Kreislaufes verbunden sind.
  • Beschreibung des Standes der Technik
  • Bei einigen Anwendungsformen wie beispielsweise einer Luftwärmepumpe oder einem Luftkühler in einem Kühlsystem wird sich Eis auf dem Wärme absorbierenden Wärmetauscher (der als Verdampfer arbeitet) bilden, wenn die Umgebungstemperatur in der Nähe des Gefrierpunktes von Wasser oder darunter liegt. Die Wärmeübertragungsfähigkeit des Wärmetauschers und die sich daraus ergebende Systemleistung werden durch den Eisaufbau herabgesetzt. Es ist daher eine Abtaueinrichtung erforderlich. Die üblichsten Abtauverfahren sind das elektrische Abtauen und das Heißgasabtauen. Das erste Verfahren (elektrisches Abtauen) ist einfach, jedoch nicht leistungsfähig, während das Heißgasabtauverfahren am geeignetsten ist, wenn das System zwei oder mehr Verdampfer hat. In beiden Fällen muss für das Wärmepumpensystem ein Hilfsheizsystem aktiviert werden, um den Heizanforderungen während des Abtauzyklus zu genügen.
  • In dieser Hinsicht beschriebt das US Patent 5 845 502 einen Abtauzyklus, bei dem der Druck und die Temperatur in dem äußeren Wärmetauscher durch eine Heizeinrichtung für das Kühlmittel in einem Sammler erhöht werden, ohne die Wärmepumpe umzusteuern. Obwohl dieses System den inneren thermischen Komfort verbessert, da die Wärmepumpe im Heizbetrieb bleibt, macht es der Abtauprozess weiterhin notwendig, dass die Heizeinrichtungen groß genug sind, um den Ansaugdruck und die entsprechende Sättigungstemperatur über den Gefrierpunkt von Wasser (Eis) anzuheben. Aus praktischen Gründen kann dieser Aspekt den Typ der Heizeinrichtung (Energiequellen), der bei diesem Abtauverfahren verwandt werden kann (Radiatorsystem), begrenzen. Bei diesem Patent wird davon ausgegangen, dass der Abtauzyklus nur mit einer umsteuerbaren Wärmepumpe arbeitet.
  • Noch ein weiterer Nachteil dieses bekannten Systems besteht darin, dass die Kühlmitteltemperatur im Sammler höher als 0°C sein muss, was den effektiven Temperaturunterschied begrenzen kann, der für die Wärmeübertragung zum Sammler verfügbar ist.
  • Schließlich besteht ein weiterer Nachteil dieses Systems darin, dass die Kühlmitteltemperatur im Wärmetauscher, der abzutauen ist, relativ niedrig sein wird und die Abtauzeit lang sein wird, um das Eis abzuschmelzen.
  • Das US Patent 5 575 158 zeigt eine Abtaulösung für einen Kühlzyklus, bei dem ein flüssiges Kühlmittel zum Abtauen vom Aufnehmer des Systems genommen wird und ein Wärmevorrat benötigt wird, um die Flüssigkeit hinter dem Verdampfer während des Abtauens zu verdampfen.
  • Zusammenfassung der Erfindung
  • Das Dampfverdichtungssystem gemäß der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass eine Druckminderungseinrichtung 6' in einer zweiten Bypass-Schleife in Verbindung mit einem zweiten Ventil vorgesehen ist, die hinter dem abzutauenden Wärmetauscher angeordnet ist und mit dem Kreislauf an ihrem Einlass vor dem zweiten Ventil und an ihrem Auslass hinter dem zweiten Ventil verbunden ist, wobei das erste Ventil geöffnet und das zweite Ventil geschlossen ist, wenn ein Abtauen erfolgt, wie es im zugehörigen unabhängigen Patentanspruch 1 angegeben ist.
  • Die abhängigen Ansprüche 2 bis 15 bezeichnen vorteilhafte Ausführungsbeispiele der Erfindung.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • Die Erfindung wird mehr im Einzelnen unter Bezug auf die folgenden Figuren beschrieben:
  • 1 und 2 zeigen schematische Darstellungen des Arbeitsprinzips eines Abtauzyklus gemäß der vorliegenden Erfindung.
  • 3 und 4 zeigen schematische Darstellungen der Ausführungsbeispiele der Erfindung, die in 1 und 2 dargestellt sind.
  • 5 zeigt ein T-S-Diagramm für einen Prozess, der das Abtauverfahren nach Anspruch 1 verwendet.
  • 6 zeigt einen Vergleich des Heizprozesses für CO2 und R12 im Temperatur/Entropie (T-S) Diagramm, wobei der Abtauprozess für R12 dem Prozess nach dem US Patent 5 845 502 entspricht.
  • 7, 8, 9 und 10 zeigen schematische Darstellungen eines Abtauzyklus gemäß der vorliegenden Erfindung in der Anwendung auf weitere verschiedene Ausführungsbeispiele.
  • 11 zeigt die experimentellen Ergebnisse des Ablaufs eines Abtauzyklus, der dem Anspruch 4 der vorliegenden Erfindung entspricht.
  • Beschreibung der Erfindung im Einzelnen
  • Die Erfindung betrifft allgemein Kühl- und Wärmepumpensysteme und insbesondere, aber nicht nur den Betrieb im transkritischen Prozess zum Abtauen eines vereisten Wärmetauschers und insbesondere eines Verdampfers mit irgendeinem Fluid und insbesondere Kohlendioxid als Kühlmittel.
  • Die Erfindung kann mit irgendeinem Kühl- oder Wärmepumpensystem verwandt werden, das vorzugsweise einen Druckaufnehmer/Sammler hat. Wenn notwendig kann die Erfindung auch den kalten inneren Luftzug während des Abtauzyklus beseitigen, der bei herkömmlichen Abtauverfahren in Wärmepumpensystemen auftritt. Das wird mittels einer externen Wärmequelle, wie beispielsweise eines elektrischen Widerstandes oder mittels Verlustwärme (beispielsweise von einem Kraftfahrzeugkühlersystem) oder mittels anderer geeigneter Einrichtungen erfolgen, die in den Aufnehmer/Sammler oder die Verbindungsrohrleitung längs des Weges des Kühlmittels im Kreislauf eingebaut werden kann. Wärme kann auch von einer Speichereinheit zugeführt werden. Die Erfindung kann sowohl bei subkritischer als auch transkritischer Kühlung und einem Wärmepumpensystem mit Aufnehmer/Sammler verwandt werden. Die vorliegende Erfindung kann auch bei Kühl- und Wärmepumpensystemen mit nur einem Verdampfer ausgeführt werden.
  • Das folgende Verfahren des Betriebs eines Abtauzyklus gemäß der Erfindung wird anhand der 1 und 2 beschrieben, die entweder ein Wärmepumpensystem oder ein (Kühl)Abkühlung System zeigen. Das System schließt einen Verdichter 1, einen abzutauenden Wärmetauscher 3, einen Wärmetauscher 9, zwei Expansionseinrichtungen, nämlich eine erste 6 und eine zweite 6', einen zweiten Wärmetauscher 2 (Wärmeabführer), Ventile 16' und 16''', einen Aufnehmer/Sammler 7 und eine Heizeinrichtung 10 ein. Die zweite Expansionseinrichtung 6' ist in einer Bypass-Leitungsschleife relativ zum Ventil 16''' vorgesehen, die hinter dem Wärmetauscher (Verdampfer) 3 angeordnet ist. Die zusätzli che Wärme durch die Heizeinrichtung und die Anordnung der zweiten Expansionseinrichtung 6' im Bypass zum Ventil 16''' und des Ventils 16', das die erste Expansionseinrichtung 6 umgeht, stellt das hauptsächliche neue Merkmal der Erfindung dar und macht es möglich, den Wärmetauscher 3 abzutauen, indem ein Druck im Wärmetauscher beibehalten wird, der gleich dem Abgabedruck des Verdichters ist, so dass der Wärmetauscher 3 abgetaut wird, während auf hohem Druck befindliches Gas vom Kompressor 1 durch den Wärmetauscher strömt und Wärme an den Wärmetauscher 3 abgibt. Die Heizeinrichtung 10 gibt dem Kühlmittel vorzugsweise über einen Aufnehmer/Sammler 7 zusätzliche Wärme, die Wärme kann jedoch alternativ oder zusätzlich dem Kühlmittel irgendwo im System entlang des Weges des Kühlmittels während des Abtauzyklus zugegeben werden.
  • Normaler Betrieb (1):
    Im normalen Betrieb sind die zweite Expansionseinrichtung 6', die in einer Bypass-Schleife bezüglich des Ventils 16''' vorgesehen ist, und das Ventil 16'', das in einer Bypass-Schleife bezüglich der ersten Expansionseinrichtung 6 vorgesehen ist, geschlossen, während das Ventil 16''' geöffnet ist. Es versteht sich gleichfalls, dass die zweite Expansionseinrichtung 6' ein Kapillarrohr oder eine ähnliche Einrichtung sein kann, die technisch gesprochen nicht "geschlossen" ist, in der jedoch praktisch kein Kühlmittel während des normalen Betriebs fließt. Das umlaufende Kühlmittel verdampft im äußeren Wärmetauscher 3. Das Kühlmittel tritt in den Aufnehmer/Sammler 7 ein, bevor es durch den inneren Wärmetauscher 9 geht, wo es überhitzt wird. Der überhitzte Kühlmitteldampf wird durch den Verdichter 1 abgezogen. Der Druck und die Temperatur des Dampfes werden dann durch den Verdichter 1 erhöht, bevor er in den zweiten Wärmetauscher (Wärmeabführer) 2 eintritt. In Abhängigkeit von dem Druck wird der Kühlmitteldampf entweder (bei subkritischem Druck) kondensiert oder (bei überkritischem Druck) durch Wärmeabführung abgekühlt. Das auf hohem Druck stehende Kühlmittel geht dann durch den inneren Wärmetauscher 9 bevor sein Druck durch die Expansionseinrichtung 6 auf den Verdampfungsdruck herabgesetzt wird, wodurch der Zyklus vollendet wird.
  • Abtauzyklus
  • Gemäß 1 wird am Anfang des Abtauzyklus das Ventil 16' geöffnet und wird das Ventil 16''' geschlossen. Gemäß dieser Erfindung werden der zweite Wärmetauscher (Wärmeabführer) 2 und der erste Wärmetauscher (Verdampfer) 3 in Reihe oder parallel geschaltet und mit nahezu dem gleiche Druck wie dem Abgabedruck des Verdichters beaufschlagt, wie es oben erwähnt wurde. Der Wärmetauscher 2 kann auch umgangen werden, wenn das notwendig ist. Das kann bei Kühlsystemen der Fall sein, bei denen keine Notwendigkeit der Wärmeabführung durch den Wärmetauscher während des Abtauzyklus besteht (2).
  • Die Temperatur und der Druck des Kühlmitteldampfes werden durch den Verdichter 1 erhöht bevor er in den Wärmetauscher 2 eintritt. Bei einem Wärmepumpenbetrieb, bei dem keine Notwendigkeit der Wärmeabgabe während des Abtauzyklus besteht, wird der Kühlmitteldampf dadurch abgekühlt, dass Wärme an eine Wärmesenke (Innenluft im Fall eines Luftsystems) abgegeben wird. Das Kühlmittel auf hohem Druck kann durch den internen Wärmetauscher 9 gehen oder alternativ umgeleitet werden (wie in 1 dargestellt) bevor es in den Wärmetauscher (Verdampfer) 3, der abzutauen ist, durch das Ventil 16' eintritt. Das abgekühlte Kühlmittel am Auslass des Wärmetauschers 3 geht dann durch das Expansionsventil 6', durch das sein Druck auf den Druck im Aufnehmer/Sammler 7 herabgesetzt wird. Wärme wird vorzugsweise dem Kühlmittel im Aufnehmer/Sammler 7 zugegeben, um das flüssige Kühlmittel zu verdampfen, das in den Aufnehmer/Sammler 7 eintritt.
  • Die Art der Anwendung und deren Erfordernisse bestimmen die Art der Heizeinrichtung und die Wärmemenge, die benötigt wird, um den Abtauprozess durchzuführen. Wenn beispielsweise ein Verdichter mit einem ansauggasgekühlten Motor verwandt wird, kann die vom Motor abgegebene Wärme und/oder die Wärme der Verdichtung als „Wärmequelle" verwandt werden, um Wärme dem Kühlmittel während des Abtauzyklus bei minimaler Energieeingabemenge zuzugeben.
  • Indem ein superkritischer Wärmeabführdruck verwandt wird, gibt es einen zusätzlichen „Freiheitsgrad", der der vorliegenden Erfindung eine weitere Flexibilität gibt. Während in einem subkritischen System der Druck (und die Sättigungstemperatur) im Kondensator, Wärmetauscher 2 automatisch durch den Ausgleich des Wärmeübertragungsprozesses im Wärmetauscher (Wärmeabführer) bestimmt wird, kann der superkritische Druck aktiv gesteuert werden, um den Prozess und die Wärmeübertragungsleistung zu optimieren.
  • 4 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem die Wärmetauscher 2 und 3 über ein Dreiwegeventil 22 parallel geschaltet sind, wobei in Abhängigkeit von der gewünschten Abtaugeschwindigkeit und dem Heizwirkungsgrad ein Teil des Kühlmittels vom Verdichter dem Wärmetauscher 3 über eine Bypass-Schleife 22 zugeführt wird. Das Kühlmittel, das vom Wärmetauscher 2 kommt, umgeht bei diesem Beispiel den Wärmetauscher 3, indem das Ventil 16'' in einer zweiten Bypass-Schleife betätigt wird.
  • 5 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel, bei dem ein Dreiwegeventil 22 dazu verwandt ist, teilweise oder ganz den Wärmetauscher 2 (Wärmeabführer) über eine weitere Leitungsschleife 21 zu umgehen.
  • Dieses Ausführungsbeispiel ist in Situationen nützlich, in denen ein schnelles Abtauen erwünscht ist.
  • Gemäß der Erfindung kann der superkritische Druck aktiv gesteuert werden, um die Temperatur und die spezifische Enthalpie des Kühlmittels hinter dem Verdichter 1 während des Abtauzyklus zu erhöhen, der in 5 dargestellt ist. Die höhere spezifische Kühlmittelenthalpie hinter dem Verdichter 1 (Punkt b im Diagramm) ist das Ergebnis einer erhöhten Verdichtungsarbeit, wenn der Abgabedruck zunimmt. Diesbezüglich kann die Möglichkeit der Erhöhung der Verdichtungsarbeit als eine „Reserveheizeinrichtung" für das Abtauverfahren angesehen werden. Beispielsweise kann dieses Merkmal der Erfindung nützlich sein, um den inneren thermischen Komforterfordernissen im Wärmepumpensystem während des Abtauzyklus bei hohem Heizbedarf zu genügen. Es ist auch möglich, das Abtauen durchzuführen, während der zweite Wärmetauscher (Kondensator) 2 und der erste abzutauende Wärmetauscher (Verdampfer) 3 parallel statt in Reihe während des Abtauzyklus laufen.
  • Die höhere Abtauwirkung (spezifische Enthalpie durch höhere Arbeit) der Erfindung verglichen mit der Lösung, die zum Beispiel im US Patent 5 845 502 dargestellt ist, ist in 6 gezeigt. Das Diagramm auf der rechten Seite gibt den erfindungsgemäßen Prozess wieder, während das Diagramm auf der linken Seite den Prozess nach dem US Patent wiedergibt. Es ist deutlich ersichtlich, dass die Abtautemperatur wesentlich höher als bei der vorliegenden Erfindung ist.
  • Bei anderen Anwendungsformen als Wärmepumpen oder Wärmerückgewinnungssystemen liegt das Hauptziel darin, den Abtauzyklus so schnell und wirksam wie möglich abzuschließen. In diesen Fällen kann der Wärmetauscher 2 (Wärmeabführer) während des Abtauzyklus umgangen werden, wie es in 2 dargestellt ist, in der ein Bypass-Leitungssystem mit einem Ventil 16 vorgesehen ist, das in einem solchen Fall geöffnet ist. Der Abtauzyklus kann daher schneller als im vorhergehenden Fall durchgeführt werden.
  • In ähnlicher Weise kann der innere Wärmetauscher 9 mittels einer Leitungsschleife mit einem Ventil 16' umgangen werden, wie es in 1 dargestellt ist.
  • Die Erfindung, die durch die zugehörigen Ansprüche bestimmt ist, ist nicht auf die obigen Ausführungsbeispiele beschränkt. Gemäß der Erfindung kann somit der Abtauzyklus bei irgendeinem Kühl- und Wärmepumpensystem mit einem Aufnehmer/Sammler angewandt werden. Das ist in den 79 dargestellt, wo derselbe Abtauzyklus bei verschiedenen Ausführungsbeispielen ausgeführt wird, bei denen beispielsweise Strömungsumkehreinrichtungen 4 bzw. 5 in Subprozesskreisläufen A und B vorgesehen sind, um schnell vom Wärmepumpenbetrieb auf den Kühlbetrieb umzuschalten. 10 zeigt das Grundabtauprinzip gemäß der vorliegenden Erfindung, wobei ein Zwischendruckaufnehmer verwandt ist. Diese Figur zeigt einen Abtauzyklus für ein System, bei dem keine Notwendigkeit der Wärmeabführung durch den Wärmetauscher 2 während des Abtauzyklus besteht und bei dem Verdichtungswärme als Heizeinrichtung verwandt wird. Während des Abtauzyklus sind die Ventile 16' und 16'' geöffnet, während das Ventil 16''' geschlossen ist. Das hat zur Folge, dass Gas auf hohem Druck und hoher Temperatur vom Verdichter durch das Ventil 16' geht, bevor es in den Wärmetauscher 3 eintritt, der abzutauen ist. Der Druck des abgekühlten Kühlmittels wird dann durch das Ventil 6''' der Expansionseinrichtung auf den Druck des Zwischendruckaufnehmers 7 herabgesetzt. Da dieser Aufnehmer nun in direkter Verbindung mit der Ansaugseite des Verdichters über eine Bypass-Schleife steht, die das Ventil 16''' liefert, wird der Druck in dem besagten Aufnehmer im Wesentlichen gleich dem Ansaugdruck des Verdichters sein. Verdichtungswärme wird dem Kühlmittel beim Verdichten des Ansauggases durch den Verdichter auf einen hohen Druck und auf eine hohe Temperatur zugegeben. Da in diesem System keine äußere Heizeinrichtung vorhanden ist, werden der Ansaugdruck des Verdichters und der des Druckaufnehmers 7 abfallen, bis sich ein Gleichgewichtsdruck einstellt.

Claims (15)

  1. System zur Dampfverdichtung umfassend eine Einrichtung zum Abtauen eines Verdampfers, der über den Verdampfer (3) hinaus mindestens einen Verdichter (1), einen Kondensator oder einen Wärmeabweiser (2) und eine Expansionsvorrichtung (6) umfasst, die mit Hilfe von Leitungen auf operative Weise miteinander verbunden sind, um einen integralen und geschlossenen Kreislauf zu bilden und dass dieser Kreislauf in Verbindung mit der Expansionsvorrichtung (6) mit einer ersten Bypass-Schleife (23) mit einem ersten Ventil (16') versehen ist, deren erster Kreislauf am Einlassende mit dem Kreislauf, der Expansionsvorrichtung vorgeschaltet ist, und am Auslassende mit dem Kreislauf, der der Expansionsvorrichtung nachgeschaltet ist, verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass eine Druckminderungsvorrichtung (6') in einer zweiten Bypass-Schleife in Verbindung mit einem zweiten Ventil (16''') vorgesehen ist, die nach dem abzutauenden Verdampfer (3) angeordnet ist und die mit dem Kreislauf an dem Einlassende, der dem zweiten Ventil vorgeschaltet ist, und an dem Auslassende verbunden ist, das dem zweiten Ventil nachgeschaltet ist, wobei das erste Ventil (16') während des Abtauvorgangs geöffnet und das zweite Ventil (16''') während des Abtauvorgangs geschlossen ist.
  2. System zur Dampfverdichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärme aus einer Wärmevorrichtung (10) dem Kühlmittel in einem Druckempfänger/-speicher (7) zugeführt wird, oder an einer anderen Stelle entlang des Kühimittelverlaufs.
  3. System zur Dampfverdichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärme zur Verdichtung von der Arbeit des Verdichters und/oder die Wärme von einem Verdichtungsmotor während des Abtauzyklus als Wärmevorrichtung benutzt werden.
  4. System zur Dampfverdichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die in dem Wärmeabweiser und/oder Speichertank und/oder einem anderen Teil des Systems angesammelte Wärme während des Abtauvorgangs als Wärmevorrichtung benutzt wird.
  5. System zur Dampfverdichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Ventil (16') in einer Bypass-Schleife (20') vorgesehen ist, die den Auslass des Verdichters (1) mit dem Einlass des Verdampfers (3) verbindet, der abgetaut werden soll.
  6. System zur Dampfverdichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein Niederdruck- oder Mitteldruck-Wärmespeicher (7) in dem Kreislauf vorgesehen ist.
  7. System zur Dampfverdichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdampfer und der Kondensator oder Wärmeabweiser (2, 3) hintereinander geschaltet sind.
  8. System zur Dampfverdichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdampfer und der Kondensator oder Wärmeabweiser (2, 3) parallel geschaltet sind.
  9. System zur Dampfverdichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein Dreiwegeventil (22) nach dem Verdichter vorgesehen ist, um das Kühlmittel vollständig oder teilweise durch eine By pass-Leitungsschleife (20) in den Verdampfer (3), der abgetaut werden soll, zu leiten.
  10. System zur Dampfverdichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein Rohrkreislauf (2) mit einem zusätzlichen Ventil (16) vorgesehen ist, der den Kondensator oder den Wärmeabweiser (2) vollständig oder teilweise umgeht.
  11. System zur Dampfverdichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei der Kreislauf mit einem internen Wärmeaustauscher (9) vorgesehen ist, wobei ein Rohrkreislauf (20) mit einem zusätzlichen Ventil (16') vorgesehen ist, um den internen Wärmeaustauscher (9) zu umgehen.
  12. System zur Dampfverdichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühl- bzw. Wärmepumpenzyklus transkritisch ist.
  13. System zur Dampfverdichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlmittel Kohlendioxid (CO2) ist.
  14. System zur Dampfverdichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Abtauvorgang transkritisch ist.
  15. System zur Dampfverdichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdichtungsdruck aus dem Verdichter (1) aktiv gesteuert wird, um die Temperatur und den spezifi schen Wärmeinhalt des Kühlmittels am Auslass des Verdichters während des Abtauzyklus zu steigern oder zu senken.
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