DE60222720T2 - Kühlanlage mit Antrieb mit veränderlicher Geschwindigkeit - Google Patents
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Description
- In Schraubenkompressoren überlagern sich die Bohrungen für die Rotoren. Die sich überlagernden Bohrungen schaffen Spitzen in der Art des verengten Mittelteils einer Zahl acht. Eine der Spitzen ist die übliche Stelle für eine Form eines mechanischen Entladers, der einen Bereich der Bohrung bildet und mit den Rotoren zusammenwirkt, wenn er sich axial in der Spitze bewegt, um V oder das Abgabedruck-zu-Saugdruck-Verhältnis des Kompressors zu steuern. Der Entlader wird normalerweise von einem Solenoid angetrieben. Um einen höheren Grad an Steuerung zu schaffen, ist üblicherweise ein Antrieb mit variabler Geschwindigkeit bzw. Drehzahl vorgesehen, der den Motor durch Ändern der Frequenz der elektrischen Energie, die dem Motor von dem Antrieb mit variabler Geschwindigkeit zugeführt wird, steuert.
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EP-A-1087185 offenbart ein Kühlsystem mit einem Stromrichter (engl.: Inverter) der einen Kompressormotor auf der Basis einer erfassten Kühlerwassertemperatur steuert. Anspruch 1 ist über diese Offenbarung gekennzeichnet.EP-A-1072853 offenbart ein System zum Aufheben von parasitären Verlusten in einer Kühleinheit durch Kühlen von Komponenten des Systems mit aus dem System gezogenem Kältemittel. - Die Kosten eines Antriebs mit variabler Geschwindigkeit bzw. Drehzahl sind in der Größenordnung derjenigen eines Kompressors. Somit erhöht das Hinzufügen eines Antriebs mit variabler Geschwindigkeit zu einem herkömmlichen Kompressor die Kosten stark und fügt einen Grad an Redundanz hinzu, da das Entladeventil oder eine andere mechanische Entladungsstruktur eine gewisse funktionelle Überlappung mit dem Antrieb mit variabler Geschwindigkeit hat, die darin besteht, dass beide die Kompressorkapazität steuern können. Während sich der Antrieb mit variabler Geschwindigkeit außerhalb des Kompressors befindet, befindet sich ein Entladeventil innerhalb des Kompressors. Da es sich innerhalb des Kompressors befindet, erfordert das Entladeventil zusätzliche Herstellungsschritte, um es in den Kompressor aufzunehmen. Genau befindet sich das Entladeventil in einer Spitze und bildet effektiv einen Bereich der Bohrungen. Dies erfordert eine präzise maschinelle Herstellung, um das erforderliche Abdichten mit den Rotoren zu erreichen und führt einen Leckagepfad entlang der Schnittstelle des Entladeventils mit den Rotorbohrungen ein. Andere Typen von mechanischen Entladern, wie z. B. Tellerventile, erfordern auch zusätzliche Herstellungsschritte, um in einen Kompressor aufgenommen zu werden.
- Die vorliegende Erfindung entfernt die mechanische Entladerstruktur und vereinfacht dadurch die Herstellung des Kompressors, während sie gleichzeitig Kosten reduziert. Die gesamte Steuerung des Kompressors geschieht durch den Antrieb mit variabler Geschwindigkeit bzw. Drehzahl, so dass die Effizienz weiter zunimmt und eine Kostenreduzierung durch das geeignete Auswählen des Antriebs mit variabler Geschwindigkeit, des Motors, des Kompressors und des Kühlers für eine spezielle Anwendung erreicht werden kann. Die erforderliche Antriebsstromstärke des Antriebs mit variabler Geschwindigkeit und auch seine Kosten stehen in direktem Bezug zu der Kühlerleistungsfähigkeit und dem Motorleistungsfaktor. Verbesserungen in der Kühlerleistungsfähigkeit und dem Motorleistungsfaktor senken die durchschnittlichen Kosten eines Antriebs mit variabler Geschwindigkeit für eine Anwendung.
- Im Falle des Kompressors umfassen Überlegungen zum Entladen die Stromstärke oder die Ladungsanforderungen über den Betriebsbereich, die Effizienz über den Betriebsbereich und die Minimalgeschwindigkeitsanforderungen für das Lagerleben, das von Schmierzirkulation mit dem Kältemittel abhängt. Der Motor muss sowohl zu dem Antrieb mit variabler Geschwindigkeit bzw. Drehzahl als auch zu dem Kompressor passend ausgewählt werden, um die Geschwindigkeit bzw. Drehzahl des Kompressors zu optimieren. Zum Beispiel ist die ideale Kompressorgeschwindigkeit für eine gegebene Ladung normalerweise nicht die gleiche wie die synchrone Geschwindigkeit. Auch kann es erforderlich sein, dass der Antrieb mit variabler Geschwindigkeit die verschiedenen weltweit verwendeten Eingangsfrequenzen und -spannungen kompensiert, und kann eine Motorspannung für alle Anwendungen über einen Bereich von Versorgungsspannungen verwendet werden. Zum Beispiel könnte eine Kombination eines Antriebs mit variabler Geschwindigkeit und eines Motors effizient für elektrische Energie verwendet werden, die bei 50 Hz oder 60 Hz und über einen Spannungsbereich von 346 V bis 480 V zugeführt wird, da die Abgabe bzw. Abgabeleistung des Antriebs mit variabler Geschwindigkeit gleich bleiben würde. Die Stromnutzung des Systems kann durch einen Einheits- oder fast Einheitseingangsleistungsfaktor des Antriebs mit variabler Geschwindigkeit minimiert werden. Die Abgabe des Antriebs mit variabler Geschwindigkeit kann durch die Verwendung von Systemkältemittel zum Kühlen gesteigert werden, wie in dem
US-Patent mit der Nummer 6 116 040 der gleichen Inhaberin gelehrt wird. Dies erlaubt die Verwendung eines kleineren und somit weniger teuren Antriebs mit variabler Geschwindigkeit, um eine erwünschte Abgabe zu erzeugen. - Die vorhergehenden Faktoren werden optimiert, um eine gegebene Leistungsfähigkeit bei minimierten Installationskosten zu erreichen, wobei Folgendes betroffen ist: die Kompressorgröße, -geschwindigkeit bzw. -drehzahl und -konfiguration; die Größe, Eingabe, Abgabe und Kühlkonfiguration des Antriebs mit variabler Geschwindigkeit; die Motorgröße und -geschwindigkeit bzw. -drehzahl; und die Eingangsdrahtgrößen.
- Es ist eine Aufgabe dieser Erfindung, zumindest in bevorzugten Ausführungsformen, die Kompressorausgabe in einem Kühlsystem einzig durch die Verwendung eines Antriebs mit variabler Geschwindigkeit zu steuern. Es ist eine andere Aufgabe dieser Erfindung, zumindest in bevorzugten Ausführungsformen, die Anschaffungskosten eines Kühlsystems, das einen Antrieb mit variabler Geschwindigkeit verwendet, zu reduzieren.
- Es ist eine zusätzliche Aufgabe dieser Erfindung, zumindest in bevorzugten Ausführungsformen, einem Kühlsystem bei einem Kostennachteil von nicht mehr als 5% der Kosten eines Kompressors mit mechanischer Entladung einen Antrieb mit variabler Geschwindigkeit hinzuzufügen.
- Es ist eine weitere Aufgabe dieser Erfindung, zumindest in bevorzugten Ausführungsformen, einen Antrieb mit variabler Geschwindigkeit in ein Kühlsystem zu integrieren.
- Grundsätzlich wird der Kompressor in einem Kühlsystem einzig von einem Antrieb mit variabler Geschwindigkeit gesteuert, der den Motor des Kompressors kraft des Variierens der Frequenz des an den Motor gelieferten elektrischen Stroms steuert. Um die Anschaffungskosten zu minimieren und die Betriebskosten zu minimieren, wird der Antrieb mit variabler Geschwindigkeit von Kältemittel von dem Kühlsystem gekühlt, was die Verwendung eines kleineren Antriebs erlaubt, und wird der Antrieb mit variabler Geschwindigkeit mit einem Einheits- oder fast Einheitsleistungsfaktor betrieben.
- KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
- Für ein vollständigeres Verständnis der vorliegenden Erfindung soll jetzt Bezug auf die folgende detaillierte Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform davon in Verbindung mit der beiliegenden Zeichnung genommenen werden. In der ist:
Die Figur eine schematische Darstellung eines Kühlsystems, das die vorliegende Erfindung anwendet. - BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
- Für ein Kühlsystem ist eine bestimmte Systemkapazität der Ausgangspunkt beim Konstruieren des Systems. Ein Kompressor, der zur Erzeugung der erforderlichen Kapazität fähig ist, wird auf der Basis von Faktoren wie Kosten, Effizienz und Betriebsgeschwindigkeit ausgewählt. Die Auswahl des Kompressors steht in Verbindung mit der Auswahl des Motors. Motoren sind verfügbar mit Leistungsfaktoren im Bereich von 0,80 bis 0,93 und der Motor wird auf der Basis von Kosten, Leistungsfaktor, Effizienz bei der Konstruktionskompressorgeschwindigkeit gewählt. Es sind Antriebe mit variabler Geschwindigkeit verfügbar, die Leistungsfaktoren von 0,99 bis eins haben. Jedoch sind die Unterschiede zwischen den Standardgrößen der Antriebe mit variabler Geschwindigkeit relativ groß, so dass ein deutlich übergroßer Antrieb mit variabler Geschwindigkeit der kleinste verfügbare Standardantrieb sein könnte, der ausreicht, um die Konstruktionsanforderungen zu erfüllen. Durch Kühlen des Antriebs mit variabler Geschwindigkeit mit Kältemittel von dem Kondensator kann er auf Grund der größeren verfügbaren Kühlung mit einer höheren als seiner luftgekühlten Antriebskonstruktionskapazität betrieben werden. Zum Beispiel könnte ein Antrieb mit 100 A, der bei Luftkühlung 80 A liefert, bei Kältemittelkühlung 80 bis 100 A zum Antreiben des Kompressors liefern.
- In der Figur bezeichnet die Zahl
10 generell ein Kühlsystem. Das Kühlsystem10 hat einen Schraubenkompressor12 , der keine mechanische Entladungsstruktur hat. Das Kühlsystem10 weist einen geschlossenen Fluidkreislauf auf, der seriell einen Kompressor12 , eine Abgabeleitung14 , einen Kondensator16 , eine Leitung18 , die eine Expansionsvorrichtung20 und einen Entspannungsbehälter-Economizer22 aufweist, eine Leitung24 , die eine Expansionsvorrichtung26 aufweist, einen Kühler28 und eine Saugleitung30 aufweist. Eine Leitung32 zweigt von dem Entspannungsbehälter-Economizer22 ab und schafft eine Fluidverbindung mit einem in dem Kompressor12 eingeschlossenen Volumen mit einem mittleren Druck. - Der Kompressor
12 wird von dem Motor11 unter der Steuerung des Antriebs mit variabler Geschwindigkeit40 angetrieben, der mit dem (nicht dargestellten) Versorgungsnetz für elektrische Energie verbunden ist. Der Antrieb mit variabler Geschwindigkeit40 steuert die wechselnde Frequenz des dem Motor11 zugeführten Stroms, wodurch er die Geschwindigkeit bzw. Drehzahl des Motors11 und die Ausgabe bzw. Abgabeleistung des Kompressors12 steuert. In dem Kühler28 wird Wasser von Kältemittel gekühlt, das in dem geschlossenen Fluidkreislauf des Kühlsystems10 zirkuliert. Das gekühlte Wasser liefert die Kühlung an die Zonen. Die Temperatur des Wassers, das den Kühler28 über eine Leitung29 verlässt, wird von einem thermischem Sensor50 erfasst und einem Mikroprozessor100 zugeführt. Der Mikroprozessor100 steuert den Antrieb mit variabler Geschwindigkeit40 und dadurch den Motor11 und den Kompressor12 , um eine erwünschte Wassertemperatur für das Wasser, das den Kühler28 verlässt, aufrechtzuerhalten. Der Mikroprozessor100 kann den Antrieb mit variabler Geschwindigkeit40 einzig in Reaktion auf die von dem thermischen Sensor50 erfasste Temperatur steuern oder er kann auch Zoneneingaben von den gekühlten Zonen empfangen und die Rate der Wasserzirkulation durch den Kühler26 und dadurch das Maß an verfügbarer Kühlung regulieren. Bei Bedarf kann der Mikroprozessor100 auch die Expansionsvorrichtungen20 und26 steuern. - Obwohl das Kühlsystem
10 , wie oben beschrieben, viele mit herkömmlichen Kühlsystemen gemeinsame Merkmale hat, besteht eine Anzahl von wesentlichen Unterschieden. Der Schraubenkompressor12 ist dadurch einfacher als herkömmliche Kühlkompressoren, dass er keine mechanische Entladungsstruktur hat. Dementsprechend sind die Rotoren nur miteinander und mit den Bohrungen abgedichtet. Es gibt kein Gleitventil, das Bereiche der Bohrungen in der Gegend einer Spitze ersetzt, mit den damit verbundenen zusätzlichen Herstellungskosten und dem Potential für Leckage zwischen dem Gleitventil und einer benachbarten Struktur oder jeder beliebigen anderen mechanischen Entladungsstruktur. Die Ausgabe bzw. Abgabeleistung des Kompressors12 wird durch den Motor11 gesteuert, dessen Geschwindigkeit bzw. Drehzahl von dem Antrieb mit variabler Geschwindigkeit40 gesteuert wird. Der Motor11 wird zu dem Antrieb mit variabler Geschwindigkeit40 und zu dem Kompressor12 passend ausgewählt. Es gibt eine ideale Kompressorgeschwindigkeit für die Konstruktionskompressorausgabe. Somit wird der Motor so gewählt, dass er eine effiziente Arbeitsweise bei der idealen Kompressorgeschwindigkeit und einen optimierten Leistungsfaktor hat. Auf der Eingangsseite des Antriebs mit variabler Geschwindigkeit reduziert ein fast Leistungsfaktor nahe bei eins den Energieverbrauch und dessen Energiekosten auf Grund des reduzierten Energiebedarfs bei einem Leistungsfaktor von eins oder beinahe bei eins. Dies kommt daher, dass der Leistungsfaktor des Antriebs mit variabler Geschwindigkeit, von der Stromversorgung betrachtet, nicht der Leistungsfaktor des Motors ist, da der Antrieb mit variabler Geschwindigkeit den Motor von der Stromversorgung isoliert. - Beim Betrieb des Kühlsystems
10 wird gasförmiges Kältemittel über die Saugleitung30 in den Kompressor12 eingeführt und komprimiert, woraufhin das entstehende heiße Hochdruckkältemittelgas über die Abgabeleitung14 an den Kondensator16 geliefert wird. In dem Kondensator16 kondensiert das gasförmige Kältemittel, wenn es auf Grund von Wärmeübertragung über (nicht dargestellte) luft-, wasser- oder solegekühlte Wärmetauscher Wärme abgibt. Das kondensierte Kältemittel tritt von dem Kondensator16 in die Leitung18 und tritt seriell durch die Expansionsvorrichtung20 in den Entspannungsbehälter-Economizer22 . Ein Teil des in den Economizer22 strömenden Kältemittels wird bei einem mittleren Druck in die Leitung32 abgeleitet und tritt durch die Leitung32 in ein eingeschlossenes Volumen in dem Kompressor12 . Das übrige flüssige Kältemittel in dem Economizer22 tritt durch die Expansionsvorrichtung26 , wodurch es einen Druckabfall erfährt und teilweise blitzartig verdampft, wenn es durch die Leitung24 in den Kühler28 tritt. In dem Kühler28 verdampft das übrige flüssige Kältemittel auf Grund von Wärmeübertragung auf das Wasser, das durch den Kühler28 durch die Leitung29 tritt. Die Economizer-Strömung in den Kompressor12 durch die Leitung32 erhöht die Kapazität des Kompressors dadurch, dass sie die Masse von Kältemittelgas, die komprimiert wird, erhöht. - Der Mikroprozessor
100 empfängt ein Signal von dem thermischen Sensor50 , das die Temperatur des Wassers anzeigt, das den Kühler28 durch die Leitung29 verlässt, um Kühlung an eine oder mehrere (nicht dargestellte) Zonen zu liefern. In Reaktion auf die von dem Sensor50 erfasste Wassertemperatur sendet der Mikroprozessor100 ein Signal an den Antrieb mit variabler Geschwindigkeit40 , um zu bewirken, dass er die Geschwindigkeit des Motors11 ändert, um die Kühlkapazität des Kompressors12 je nach Bedarf zu erhöhen oder zu verringern. Der Antrieb mit variabler Geschwindigkeit40 erhöht oder verringert die Geschwindigkeit bzw. Drehzahl und damit die Kapazität des Kompressors12 durch das Ändern der Frequenz des dem Motor11 zugeführten Stroms. Dadurch, dass es einen Motor11 gibt, der mit einem optimalen Leistungsfaktor arbeitet, werden der elektrische Verbrauch und Bedarf minimiert und wird die erforderliche Größe des Antriebs mit variabler Geschwindigkeit40 reduziert. Außerdem wird ein Teil des flüssigen Kältemittels in dem Kondensator16 über eine Leitung17 an den Antrieb mit variabler Geschwindigkeit40 abgeleitet, wo die elektronischen Komponenten gekühlt werden und das Kältemittel verdampft. Das verdampfte Kältemittel tritt von dem Antrieb mit variabler Geschwindigkeit40 über eine Leitung41 zu dem Kühler28 . Die Strömungsrate des Kältemittels von dem Kondensator16 zu dem Antrieb mit variabler Geschwindigkeit40 wird von einem Ventil42 in Reaktion auf die von einem Sensor43 erfasste Temperatur des Kältemittels, das den Antrieb mit variabler Geschwindigkeit verlässt, gesteuert. Da der Antrieb mit variabler Geschwindigkeit40 von dem flüssigen Kältemittel gekühlt wird, kann ein noch kleinerer Antrieb mit variabler Geschwindigkeit40 verwendet werden. - Obwohl eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung erläutert und beschrieben wurde, werden dem Fachmann andere Änderungen einfallen. Zum Beispiel kann der Economizer weggelassen werden, und/oder können die Zonentemperatur, die Wasserströmungsrate, die Expansionsvorrichtungen mit dem Mikroprozessor verbunden sein. Die vorliegende Erfindung soll deshalb nur von dem Umfang der anhängenden Ansprüche eingeschränkt werden.
Claims (6)
- Kühlsystem (
10 ), aufweisend: einen geschlossenen Fluidkreislauf, der seriell einen Schraubenkompressor (12 ), eine Abgabeleitung (14 ), einen Kondensator (16 ), ein Expansionseinrichtung (26 ), einen Kühler (28 ) und eine Saugleitung (30 ), die zu dem Kompressor zurückführt, aufweist; Wasser, dass im Gebrauch in einer Wärmetauschbeziehung durch den Kühler passiert und gekühlt wird; wobei der Kompressor einzig durch das Regulieren der Geschwindigkeit des Kompressors entladen wird; eine Motoreinrichtung (11 ) zum Antreiben des Kompressors; eine Einrichtung (40 ) zum Variieren der Geschwindigkeit der Motoreinrichtung durch Steuern der Frequenz von dem Motor zugeführtem elektrischen Strom; eine Einrichtung (50 ) zum Erfassen der Temperatur von Wasser, das den Kühler verlässt; eine Einrichtung (100 ) zum Steuern der Einrichtung zum Variieren der Geschwindigkeit in Reaktion auf die erfasste Temperatur von Wasser, das den Kühler verlässt; und eine Einrichtung (17 ) zum Liefern von Kühlung an die Einrichtung (40 ) zum Variieren der Geschwindigkeit; dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung zum Variieren der Geschwindigkeit des Motors über einen Bereich von Frequenz- und Spannungseingaben eine konstante Abgabe hat. - Kühlsystem nach Anspruch 1, wobei flüssiges Kältemittel von dem Kondensator (
16 ) von der Einrichtung (17 ) zum Liefern von Kühlung an die Einrichtung (40 ) zum Variieren der Geschwindigkeit des Motors geliefert wird. - Kühlsystem nach Anspruch 2, wobei flüssiges Kältemittel, das zum Liefern von Kühlung an die Einrichtung (
40 ) zum Variieren der Geschwindigkeit verwendet wird, mindestens teilweise verdampft wird und dem Kühler (28 ) zugeführt wird. - Kühlsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Einrichtung (
100 ) zum Steuern der Einrichtung zum Variieren der Geschwindigkeit einzig in Reaktion auf die erfasste Temperatur von Wasser, das den Kühler (28 ) verlässt, agiert. - Kühlsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, das zwischen dem Kondensator (
16 ) und der Expansionseinrichtung (26 ) eine zweite Expansionseinrichtung (20 ) und einen Economizer (22 ) hat, wobei eine Abzweigleitung (32 ) mit dem Economizer verbunden ist und sich in den Kompressor erstreckt. - Kühlsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Motoreinrichtung (
11 ) einen Leistungsfaktor von mindestens 0,89 hat und die Einrichtung (40 ) zum Variieren der Geschwindigkeit der Motoreinrichtung beim Antreiben der Motoreinrichtung mit einem Eingangsleistungsfaktor von mindestens 0,99 arbeitet.
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