DE60128775T2

DE60128775T2 - Hochdruckregelung in einem transkritischen Dampfkompressionskreislauf

Info

Publication number: DE60128775T2
Application number: DE60128775T
Authority: DE
Inventors: Tobias H. Manchester Sienel
Original assignee: Carrier Corp
Current assignee: Carrier Corp
Priority date: 2000-11-15
Filing date: 2001-11-14
Publication date: 2008-01-31
Anticipated expiration: 2021-11-15
Also published as: JP2002168532A; US6418735B1; EP1207361B1; ES2286083T3; EP1207361A3; CN1356518A; TW521140B; AU8940401A; DE60128775D1; CN100430671C; AU756964B2; EP1207361A2; DK1207361T3

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft generell eine Einrichtung zum Regulieren der Hochdruckkomponente eines transkritischen Dampfverdichersystems.
Chlorhaltige Kühlmittel sind wegen ihres Ozon zerstörenden Potenzials fast überall in der Welt außer Gebrauch gekommen. Flurkohlenwasserstoffe (HFCs-Hydrofluoro carbons) wurden als Ersatzkühlmittel verwendet, aber diese Kühlmittel haben immer noch ein Potenzial zur globalen Erwärmung beizutragen. "Natürliche" Kühlmittel, wie beispielsweise Kohlendioxid und Propan, wurden als Ersatzfluide vorgeschlagen. Leider gibt es auch bei der Verwendung von vielen dieser Fluide Probleme. Kohlendioxid hat einen niedrigen kritischen Punkt, was zur Folge hat, dass die meisten Klimatisierungssysteme, die Kohlendioxid als Kühlmittel verwenden, unter den meisten Bedingungen transkritisch laufen.
Wenn ein Dampfverdichtersytsem transkritisch betrieben wird, ist es bevorzugt, die Hochdruckkomponente des Systems zu regeln. Durch das Regeln des Hochdrucks des Systems kann die Kapazität und/oder die Effizienz des Systems kontrolliert und optimiert werden. Das Erhöhen des hohen Drucks des Systems (Gaskühlerdruck) erniedrigt die spezifische Enthalpie des in den Verdampfer gelangenden Kühlmittels und erhöht die Kapazität. Jedoch erwartet man mehr Energie, weil der Kompressor stärker arbeiten muss. Es ist vorteilhaft, den optimalen hohen Druck des Systems zu finden, der sich mit der Änderung des Betriebsbedingungen ändert. Durch das Regulieren der Hochdruckkomponente des Systems kann der optimale hohe Druck ausgewählt werden.
Deshalb gibt es ein Bedürfnis in dem Technikgebiet nach einer Einrichtung zum Regulieren der Hochdruckkomponente eines transkritischen Dampfverdichtersystems.
Ein transkritisches Dampverdichtersystem des Stands der Technik mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 ist in US-A-5 245 836 beschrie ben. Ein weiteres transkritisches System ist in EP-A-1 043 550 beschrieben. Ein nicht-transkritisches System ist in US-A-5 168 715 beschrieben.
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Einrichtung zum Regulieren der Hochdruckkomponente eines transkritischen Dampfverdichtersystems.
Gemäß einen ersten Aspekt liefert die Erfindung ein transkritisches Dampfverdichtersystem gemäß Anspruch 1. Gemäß einem weiteren Aspekt liefert die Erfindung ein Verfahren zum Regulieren eines hohen Drucks in einem transkritischen Dampfverdichtersystem gemäß Anspruch 6.
Der hohe Druck des Systems wird durch ein steuerbares Ventil, welches vorzugsweise an dem Austritt von einem oder mehreren Gaskühlerkreisen angeschlossen ist, geregelt. Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird Kohlendioxid als das Kühlmittel verwendet.
Die Erfindung regelt die Hochdruckkomponente der Dampfverdichtung (Druck in dem Gaskühler) durch das Kontrollieren der Betätigung eines Ventils, welches vorzugsweise an dem Austritt von einem oder mehreren der Gaskühlerkreise angeordnet ist. Das Schließen des Ventils führt dazu, dass einer der Kreise zu einem Sackgassenvolumen wird, das eine Ladung ansammelt und speichert, die effektive Wärmetransferfläche verringert und den Gaskühlerdruck erhöht. Das Öffnen des Ventils gibt die Ladung frei und der Gaskühlerdruck wird verringert.
Durch das Kontrollieren der Betätigung der Ventile wird die Hochdruckkomponente des Systems reguliert und die Enthalpie des Systems kontrolliert, um optimale Effizienz und/oder Kapazität zu erreichen.
Folglich liefert die vorliegende Erfindung ein Verfahren und ein System zum Regeln der Hochdruckkomponente eines transkritischen Dampfverdichtersystems.
Eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird nun nur beispielhaft mit Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben, für die gilt:
1 zeigt ein schematisches Diagramm eines Dampfverdichtersystems des Stands der Technik.
2 zeigt ein schematisches Diagramm eines die Erfindung realisierenden Dampfverdichtersystems, welches ein an dem Austritt von einem der Gaskühlerkreise angeordnetes Ventil verwendet.
3 zeigt ein thermodynamisches Diagramm eines transkritischen Dampfverdichtersystems.
1 zeigt ein Dampfverdichtersystem 10 des Stands der Technik. Ein grundlegendes Dampfverdichtersystem 10 weist einen Verdichter 12, einen Wärmeabfuhr-Wärmetauscher (einen Gaskühler bei transkritischen Kreisläufen) 14, eine Expansionsvorrichtung 16 und einen Wärmeaufnahme-Wärmetauscher (einen Verdampfer) 18 auf.
Kühlmittel wird durch den geschlossenen Kreislauf 10 zirkuliert. Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird Kohlendioxid als das Kühlmittel verwendet. Obwohl Kohlendioxid gezeigt ist, können andere Kühlmittel verwendet werden. Weil Kohlendioxid einen niedrigen kritischen Punkt hat, machen es Systeme, die Kohlendioxid als ein Kühlmittel verwenden, erforderlich, dass das Dampfverdichtersystem 10 unter den meisten Bedingungen transkritisch arbeitet.
Wenn das System 10 transkritisch betrieben wird, ist es vorteilhaft, die Hochdruckkomponente des Dampfverdichtersystems 10 zu regeln. Durch das Regeln des hohen Drucks des Systems 10 kann die Kapazität und/oder die Effizienz des Systems 10 kontrolliert und optimiert werden. Das Erhöhen des Drucks des Gaskühlers 14 erniedrigt die Enthalpie des in den Verdampfer 18 gelangenden Kühlmittels und erhöht die Kapazität, es erfordert aber auch mehr Energie, weil der Kompressor 16 mehr arbeiten muss. Durch das Regeln des hohen Drucks des Systems 10 kann der optimale Druck des Systems 10, der sich mit der Änderung der Betriebsbedingungen ändert, ausgewählt werden.
2 zeigt ein Dampfverdichtersystem 10 mit einem Gaskühler 14 mit zwei Kreisen 14a und 14b. Die Erfindung regelt die Hochdruckkomponente des Dampfverdichtersystems 10 durch das Blockieren der Passage einer Ladung durch mindestens einen Kreis 14b des Gaskühlers 14. Ein steuerbares Ventil 20 ist an dem Austritt eines Gaskühlerkreises 14b angeordnet und reguliert die Strömung der aus dem Gaskühlerkreis 14b austretenden Ladung. Ein Ventil ist an dem Austritt des Gaskühlerkreises 14a angeordnet. Obwohl die 2 einen Gaskühler 14 mit zwei Kreisen 14a und 14b zeigt, kann der Gaskühler 14 jede Anzahl von Kreisen aufweisen. Ventile 20 können auch an den Austritt von manchen oder sämtlichen der Kreise des Gaskühlers 14 angeschlossen sein. Durch das Regeln des hohen Drucks in dem Gaskühler 14 vor der Expansion kann die Enthalpie des Kühlmittels an dem Eintritt des Verdampfers modifiziert werden und die Kapazität des Systems 10 kontrolliert werden.
Bei der beschriebenen Ausführungsform erfasst eine Steuerung 30 den Druck in dem Kühler 14 und steuert das Ventil 20. Die Steuerung 30 kann die Hauptsteuerung des Kreises 10 sein. Die Steuerung 30 ist programmiert, den Zustand des Kreislaufs 10 zu evaluieren und einen gewünschten Druck in den Kühler 14 festzulegen. Sobald ein gewünschter Druck festgelegt wurde, wird das Ventil 20 gesteuert, um den Druck zu regeln. Die Faktoren, die zum Bestimmen des optimalen Drucks verwendet werden können, gehören zum Fachwissen eines Fachmanns.
Bei einem Kreislauf des Dampfverdichtersystems 10 verlässt das Kühlmittel den Kompressor 12 bei einem hohen Druck und hoher Enthalpie, gezeigt durch den Punkt A in der 3. Wenn das Kühlmittel durch den Gaskühler 14 bei hohem Druck strömt, verliert er Wärme und Enthalpie, verlässt den Gaskühler 14 mit einer niedrigen Enthalpie und einem hohen Druck, wie als Punkt B angezeigt. Wenn das Kühlmittel durch die Expansionsvorrichtung 16 strömt, fällt der Druck auf den Punkt C. Nach der Expansion gelangt das Kühlmittel durch den Verdampfer 18 und verlässt diesen bei einer hohen Enthalpie und einem niedrigen Druck, repräsentiert durch den Punkt D. Nachdem das Kühlmittel durch den Kompressor 12 gelangt, ist es wieder bei einem hohen Druck und einer hohen Enthalpie, was den Kreislauf vervollständigt.
Der hohe Druck des Systems 10 und entsprechend der Druck in dem Gaskühler 14 wird durch Einstellen eines Ventils 20, welches an dem Austritt eines oder mehrerer der Kreise des Gaskühlers 14 positioniert ist, geregelt. Die Betätigung des Ventils 20 wird durch die Steuerung 30 geregelt, die den hohen Druck des Systems 10 überwacht.
Wenn der Druck in dem Gaskühler 14 niedriger als optimal ist, gelangt das Kühlmittel in den Verdampfer 18 bei einer hohen Enthalpie und das System 10 läuft bei einer niedrigen Kapazität und/oder Effizienz. Wenn die Steuerung 30 feststellt, dass der Druck niedriger als erwünscht ist, wird das Ventil 20 geschlossen, um Ladungen im Gaskühler 14 in der Sackgasse 14b anzusammeln und das erhöht den Druck auf den optimalen Druck. Das erhöht den Druck in dem Gaskühler 14 von A nach A' und das Kühlmittel gelangt in den Verdamper 18 bei einer niedrigeren Enthalpie, repräsentiert durch den Punkt C' in 3.
Alternativ, wenn der Druck in dem Gaskühler 14 höher als erwünscht ist, verwendet das System 10 zu viel Energie. Wenn die Steuerung 30 feststellt, dass der Druck höher als erwünscht ist, wird das Ventil 20 geöffnet und überschüssige Ladung strömt durch den Kreis 14b von dem Gaskühler 14 zu dem System 10 und erniedrigt den Druck des Gaskühlers 14 auf A. Das Kühlmittel gelangt in den Verdampfer 18 bei einer höheren Enthalpie gezeigt durch den Punkt C'' und weniger Energie wird verwendet, um den Kreislauf zu betreiben. Durch das Regeln des hohen Drucks in dem Gaskühler 14 auf den optimalen Druck durch das Einstellen eines Ventils 20 kann die Enthalpie modifiziert werden, um optimale Kapazität zu erzielen.
Folglich liefert die vorliegende Erfindung ein Ventil zum Steuern des hohen Drucks in einem transkritischen Dampfverdichterzyklus. Die Steuerung 30 kann eine auf einem Mikroporzessor basierenden Steuerung oder eine andere im Technikgebiet von Kühlmittelkreisen bekannte Steuerung sein.
Die vorangegangene Beschreibung ist lediglich beispielhaft für die Prinzipien der Erfindung.

Claims

Transkritisches Dampfverdichtersystem (10), aufweisend: eine Kompressionsvorrichtung (12) zum Komprimieren eines Kühlmittels auf einen hohen Druck; einen Wärmeabgabe-Wärmetauscher (14) zum Kühlen des Kühlmittels; eine Expansionsvorrichtung (16) zum Reduzieren des Kühlmittels auf einen niedrigen Druck; und einen Wärmeaufnahme-Wärmetauscher (18) zum Verdampfen des Kühlmittels, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeabgabe-Wärmetauscher (14) mindestens zwei Kreise (14a, 14b) hat; dass ein Ventil (20) an mindestens einem der Kreise (14b) des Wärmeabgabe-Wärmetauschers (14) angeordnet ist, welches betätigt wird, um die Strömung einer Ladung durch den Wärmeabgabe-Wärmetauscher (14) zu regulieren; und dass es ferner eine Steuerung (30) aufweist, die den hohen Druck überwacht, einen gewünschten hohen Druck in den Wärmeabgabe-Wärmetauscher (14) bestimmt und den hohen Druck auf den gewünschten hohen Druck durch das Betätigen des Ventiles (20) einstellt.
Vorrichtung oder System nach Anspruch 1, wobei das Ventil (20) geöffnet ist, um Strömung der Ladung durch den mindestens einen Kreis (14b) des Wärmeabgabe-Wärmetauschers (14) zu regeln und den hohen Druck des Kühlmittels zu verringern.
Vorrichtung oder System nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Ventil (20) geschlossen ist, um Strömung der Ladung durch den mindestens einen Kreis (14b) des Wärmeabgabe-Wärmetauschers (14) zu regeln und den hohen Druck des Kühlmittels zu erhöhen.
Vorrichtung oder System nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Steuerung (30) einen Druck in dem Wärmeabgabe-Wärmetauscher (14) mit dem gewünschten Druck vergleicht und das Ventil (20) ansprechend auf die Vergleiche steuert.
Vorrichtung oder System nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Kühlmittel Kohlendioxid ist.
Verfahren zum Regeln eines hohen Drucks eines Kühlmittels in einem transkritischen Dampfverdichtersystem (10), aufweisend folgende Schritte: Komprimieren eines Kühlmittels auf den hohen Druck; Kühlen des Kühlmittels; und Expandieren des Kühlmittels; gekennzeichnet durch Kühlen des Kühlmittels in einem Wärmeabgabe-Wärmetauscher (14), der mindestens zwei Kreise (14a, 14b) aufweist, wobei ein Ventil (20) an mindestens einem der Kreise (14a, 14b) angeordnet ist; Bestimmen eines gewünschten hohen Drucks in den Wärmeabgabe-Wärmetauscher; und Einstellen des hohen Drucks des Kühlmittels auf den gewünschten hohen Druck durch selektives Betätigen des Ventils (20).
Verfahren nach Anspruch 6, wobei der Schritt des Einstellens des hohen Drucks das Öffnen des Ventils (20) zum Regulieren der Strömung von Ladung durch den Kreis des Wärmeabgabe-Wärmetauschers (14) aufweist, um den hohen Druck des Kühlmittels zu verringern.
Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, wobei der Schritt des Einstellens des hohen Drucks das Schließen des Ventils (20) aufweist, um Strömung von Ladung durch den Kreis des Wärmeabgabe-Wärmetauschers (14) zu regeln, um den hohen Druck des Kühlmittels zu erhöhen.
Verfahren nach Anspruch 6, 7 oder 8, wobei das Kühlmittel Kohlendioxid ist.