DE60314911T2

DE60314911T2 - Betriebsverfahren eines Kühlsystems

Info

Publication number: DE60314911T2
Application number: DE60314911T
Authority: DE
Inventors: Kare Aflekt; Armin Hafner; Arne Jakobsen; Petter Neksa; Jostein Pettersen; Havard Rekstad; Geir Skaugen; Trond Andresen; Espen Toendell; Munan Elgsaether
Original assignee: Sinvent AS
Current assignee: Sinvent AS
Priority date: 2002-12-23
Filing date: 2003-12-17
Publication date: 2008-03-20
Anticipated expiration: 2023-12-18
Also published as: WO2004057245A1; ATE366900T1; NO20026233D0; EP1588106A1; JP4420225B2; JP2006511777A; NO318864B1; AU2003288802A1; CN100532999C; WO2004057245A8; DE60314911D1; CN1729375A; EP1588106B1; US20060137387A1; US7574874B2

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Verdichtungskälteanlage mit einem Verdichter, einem Wärmeabführer, einer Ausdehnungseinrichtung und einem Wärmeabsorber, die in einen geschlossenen Kreislauf geschaltet sind, der mit einem überkritischen Hochdruck arbeiten kann, indem Kohlendioxid oder ein Gemisch, das Kohlendioxid enthält, als Kältemittel in der Anlage verwandt wird.
Beschreibung des Standes der Technik und Hintergrund der Erfindung
Herkömmliche Dampfverdichtungsanlagen führen die Wärme durch Kondensation des Kältemittels bei unterkritischem Druck ab, der durch den Sättigungsdruck bei einer gegebenen Temperatur gegeben ist. Wenn ein Kältemittel mit einer niedrigen kritischen Temperatur, wie beispielsweise CO₂ verwandt wird, wird der Druck bei der Wärmeabführung überkritisch, wenn die Temperatur der Wärmesenke hoch, beispielsweise höher als die kritische Temperatur des Kältemittels ist, damit die Anlage leistungsfähig arbeitet. Der Betriebszyklus wird dann transkritisch wie es beispielsweise aus der WO 90/07683 bekannt ist.
Die WO 94/14016 und die WO 97/27437 beschreiben beide einen einfachen Kreislauf zur Verwirklichung einer derartigen Anlage, der im Grunde einen Verdichter, einen Wärmeabführer, eine Ausdehnungseinrichtung und einen Verdampfer umfasst, die in einem geschlossenen Kreislauf liegen. CO₂ ist das bevorzugte Kältemittel für beide. Die EP-A-10 043 550 betrifft eine Verdichtungskälteanlage, die CO₂ verwendet, wenn versucht wird, die Wärmepumpleistungsfähigkeit der Anlage zu verbessern, indem die Verdichteransauggasüberhitzung gesteuert wird.
Die Wärmeabführung bei superkritischen Drucken wird zu einem Gleiten der Kältemitteltemperatur führen. Das kann dazu ausgenutzt werden, Heißwasserversorgungssysteme leistungsfähig zu machen, wie es beispielsweise aus der US 6 370 896 B1 bekannt ist.
Die Umgebungsluft ist eine preiswerte Wärmequelle, die nahezu überall verfügbar ist. Wenn die Umgebungsluft als Wärmequelle verwandt wird, bekommen Dampfverdichtungssysteme oftmals eine einfache Ausgestaltung, die kostengünstig ist. Bei einer hohen Umgebungstemperatur fällt jedoch die Austrittstemperatur des Verdichters beispielsweise auf etwa 70°C für einen transkritischen CO₂-Zyklus ab. Die gewünschte Temperatur des Leitungswassers beträgt jedoch oftmals 60–90°C. Die Austrittstemperatur kann dadurch erhöht werden, dass der Austrittsdruck erhöht wird, das wird jedoch dazu führen, dass die Leistung der Anlage abfällt. Ein weiterer Nachteil bei der Erhöhung der Drucke besteht darin, dass die Bauteile aufgrund der Auslegung auf hohe Drucke mit höheren Kosten verbunden sind.
Ein weiterer Nachteil, der bei einer hohen Umgebungstemperatur auftritt, besteht darin, dass eine Überhitzung des Verdichteransauggases, das normalerweise von einem internen Wärmetauscher (IHX) kommt, nicht möglich ist, solange die Verdampfungstemperatur höher als die Ausgangstemperatur des Kältemittels des Wärmeabführers ist. Es besteht daher die Gefahr, dass Flüssigkeit in den Verdichter eintritt.
Eine Möglichkeit, diese Probleme zu lösen, besteht darin, die Verdampfungstemperatur immer so zu regulierten, dass sie unter der Ausgangstemperatur des Kältemittels des Wärmeabführers liegt. Das wird eine Überhitzung des Ansauggases möglich machen und auch die Verdichterabgabetemperatur für eine bessere Heißwasserproduktion erhöhen. Der Energiewirkungsgrad der Anlage wird jedoch schlecht, da der Ansaugdruck niedriger als notwendig sein wird.
Die US 6 370 896 B1 liefert eine Lösung dieser Probleme. Der Gedanke besteht darin, einen Teil des Wärmeabführers zum Erwärmen des Verdichteransauggases zu verwenden. Der Vollstrom auf der Hoch druckseite wird mit dem Vollstrom auf der Niederdruckseite wärmegetauscht. Das wird eine Überhitzung des Verdichteransauggases sicherstellen und dadurch eine sichere Arbeit des Verdichters gewährleisten. Die Leistungsfähigkeit der Anlage wird jedoch im Vergleich mit einer Anlage niedriger sein, die gesättigtes Gas (wenn möglich) verdichtet und die mit einem höheren Austrittsdruck arbeitet, um eine ausreichende Verdichterabgabetemperatur zu erzielen. Die vorgeschlagene Lösung hat daher eher betriebliche Bedeutung.
Zusammenfassung der Erfindung
Ein Hauptziel der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine einfache und leistungsfähige Anlage zu schaffen, die die oben erwähnten Mängel und Nachteile vermeidet.
Die Erfindung zeichnet sich durch die Merkmale aus, die in dem zugehörigen unabhängigen Patentanspruch 1 angegeben sind.
Vorteilhafte Merkmale der Erfindung sind in den zugehörigen abhängigen Ansprüchen 2–6 angegeben.
Die vorliegende Erfindung basiert auf der oben beschriebenen Anlage, die wenigstens einen Verdichter, einen Wärmeabführer, eine Ausdehnungseinrichtung und einen Wärmeabsorber umfasst. Durch Überhitzen der Verdichteransauggastemperatur kann die Verdichteraustrittstemperatur erhöht werden ohne den Austrittsdruck zu erhöhen und kann heißes Wasser auf der gewünschten Temperatur erzeugt werden. Durch die Verwendung eines Teilstromes auf geeigneter Temperatur vom Wärmeabführer ist es möglich das Verdichteransauggas zu überhitzen, indem beispielsweise ein Gegenstromwärmetauscher verwandt wird. Nach Erwärmen des Verdichteransauggases wird der Teilstrom direkt an der Niedrigdruckseite der Anlage ausgedehnt. In dieser Weise haben die beiden Teile des Wärmeabführers verschiedene Heizkapazitä ten pro Kilogramm Wasserstrom aufgrund des niedrigeren Stromes im letzten Teil. Es ist somit möglich, das Wasserheiztemperaturprofil noch enger an das Kältemittelkühltemperaturprofil anzupassen. Heißes Wasser kann mit einem niedrigeren Hochdruck und daher mit einer höheren Leistungsfähigkeit der Anlage erzeugt werden.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die Erfindung wird weiter im Folgenden nur anhand von Beispielen und unter Bezug auf die Zeichnungen beschrieben, in denen
1 einen einfachen Kreislauf für eine Dampfverdichtungsanlage zeigt,
2 ein Temperaturentropiediagramm für Kohlendioxid mit Beispielen der Arbeitszyklen für eine Heißwasserproduktion zeigt,
3 in einem schematischen Diagramm ein Beispiel eines modifizierten Zyklus zeigt, um die Leistung der Anlage und den Betriebsbereich zu verbessern,
4 in einem Diagramm ein weiteres Beispiel eines modifizierten Zyklus zur Verbesserung der Leistung und des Betriebsbereiches der Anlage zeigt,
5 ein Temperaturentropiediagramm für Kohlendioxid mit Beispielen der Temperaturprofile für den Wärmeabführer zeigt.
Beschreibung der Erfindung im Einzelnen
1 zeigt eine herkömmliche Dampfverdichtungsanlage mit einem Verdichter 1, einem Wärmeabführer 2, einer Ausdehnungseinrichtung 3 und einem Wärmeabsorber 4, die in einem geschlossenen Zirkulationssystem angeordnet sind. Wenn beispielsweise CO₂ als Kältemittel verwandt wird, wird der Hochseitendruck in Heißwasserversorgungssys temen normalerweise superkritisch sein, um eine leistungsfähige Heißwassererzeugung im Wärmeabführer zu erzielen, was durch den Kreis A in 2 dargestellt ist. Die gewünschten Abgriffwassertemperaturen liegen oftmals bei 60–90°C und die Kältemitteleinlasstemperatur zum Wärmeabführer 2, die gleich oder unter der Verdichterabgabetemperatur liegt, muss über der gewünschten Heißwassertemperatur liegen.
Die Umgebungsluft ist oftmals eine günstige Alternative als Wärmequelle für Wärmepumpen. Luft steht nahezu überall zur Verfügung, ist preiswert und die Wärmeabsorberanlage kann einfach und kostengünstig ausgebildet werden. Beim Erhöhen der Umgebungstemperatur wird jedoch die Verdampfungstemperatur zunehmen und wird die Verdichterabgabetemperatur abfallen, wenn der Verdichterabgabedruck konstant ist, siehe Kreis B in 2. Die Verdichterabgabetemperatur kann unter die gewünschte Wasserabgriffstemperatur fallen. Eine Leitungswasserproduktion mit der gewünschten Temperatur wird dann ohne die Hilfe von anderen Wärmequellen nicht möglich sein.
Eine Möglichkeit die Abgabetemperatur zu erhöhen besteht darin, den Druck auf der Hochdruckseite zu erhöhen, siehe Kreis C in 2. Das wird jedoch zu einer Abnahme der Leistungsfähigkeit der Anlage führen.
Ein üblicher Weg das Ansauggas zu überhitzen besteht darin, einen internen Wärmetauscher (IHX) 5 zu verwenden, siehe 3. Wenn jedoch beispielsweise Leitungswasser erwärmt wird, wird das Kältemittel nahe auf die Netzwassertemperatur im Wärmeabführer 2 abgekühlt, die im typischen Fall bei etwa 10°C liegt. Wenn die Verdampfungstemperatur über dieser Temperatur liegt, wird das Ansauggas abgekühlt statt überhitzt zu werden, siehe 2. Flüssigkeit würde in den Verdichter 1 eintreten, was zu schweren Problemen führen würde. Es ist wichtig, die Verwendung des IHS 5 zu vermeiden, wenn die Verdamp fungstemperatur gleich der Netzwassertemperatur ist oder darüber liegt.
Die vorliegende Erfindung will eine Überhitzung des Ansauggases unabhängig von der Umgebungstemperatur sicherstellen. Wenn die Verdampfungstemperatur oder andere geeignete Temperaturen einen bestimmten Wert erreichen, wird ein Teilstrom vom Wärmeabführer 2 auf einer geeigneten Temperatur zu einem Wärmetauscher, beispielsweise zu einem Gegenstromwärmetauscher geleitet, um das Verdichteransauggas zu erwärmen. Die Verdichterabgabetemperatur wird zunehmen und heißes Wasser kann mit einer hohen Leistungsfähigkeit erzeugt werden, siehe Kreis D in 2. Nach der Erwärmung des Verdichteransauggases wird der Teilstrom direkt auf der Niedrigdruckseite ausgedehnt.
Beispiel 1
Eine mögliche Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, den Teilstrom durch einen bereits bestehenden IHX 5 zu leiten. Eine Anordnung zum Umgehen des Hauptstromes außerhalb des IHX 5 und zum Leiten des Teilstromes durch den IHX 5 muss dann verwirklicht werden. Es gibt verschiedene Lösungen für diese Ausgestaltung. Eine Alternative besteht darin, zwei Dreiwegeventile 6' und 6'' zu verwenden, wie es in 3 dargestellt ist. Eines oder beide der Dreiwegeventile kann beispielsweise durch zwei Abschlussventile ersetzt werden. Der Teilstrom wird direkt zur Niedrigdruckseite durch eine Düse 7 stromabwärts vom IHX 5 ausgedehnt. Die Düse 7 kann durch eine andere Ausdehnungseinrichtung ersetzt sein und Ventile können stromaufwärts und/oder stromabwärts von der Ausdehnungseinrichtung installiert sein, um für eine engere Steuerung des Stromes durch die Ausdehnungseinrichtung 7 zu sorgen.
Beispiel 2
Eine andere Möglichkeit besteht darin, einen separaten Wärmetauscher 8 beispielsweise einen Gegenstromwärmetauscher für die Erwärmung des Ansauggases vorzusehen. Das ist in 4 dargestellt. Wenn die Verdampfungstemperatur oder irgendeine andere Nutztemperatur einen bestimmten Wert erreicht, wird ein Teilstrom durch die Ansauggasheizung 8 durch Öffnen des Ventils 10 geleitet. Dieses Ventil kann irgendwo auf der Teilstromleitung installiert sein. Der Teilstrom wird direkt an der Niedrigdruckseite durch eine Ausdehnungseinrichtung beispielsweise eine Düse 7 ausgedehnt, die in 4 dargestellt ist.
Der IHX 5 kann entweder durch eine Anordnung auf der Hochdruckseite, die als Dreiwegeventil 9' angegeben ist, oder durch eine äquivalente Anordnung auf der Niedrigdruckseite vermieden werden, die durch gestrichelte Linien in 4 angegeben ist.
Die Ansauggasüberhitzung kann dadurch gesteuert werden, dass der Teilstrom reguliert wird. Das kann beispielsweise durch ein Zumessventil in der Teilstromleitung erfolgen. Eine andere Option besteht darin, ein thermisches Ausdehnungsventil zu verwenden.
Wie es oben erläutert wurde, wird die Erfindung den Energiewirkungsgrad bei hohen Wärmequellentemperaturen erhöhen, wie es durch den Kreis D in 2 angegeben ist. Der Grund dafür besteht darin, dass durch die Anwendung der vorliegenden Erfindung der Hochseitendruck weiter im Vergleich zu dem Druck herabgesetzt werden kann, der normalerweise der optimale Druck wäre. Das ist in 5 dargestellt. Der erste Teil 2' des Wärmeabführers wird eine höhere Heizkapazität bezüglich des Wasserstromes verglichen mit dem letzten Teil 2'' des Wärmeabführers haben. Das Temperaturprofil für die Erwärmung des Wassers wird gleichfalls besser an das Abkühlungsprofil angepasst sein, siehe Wassererwärmungsprofil b in 5. Die Verwendung einer her kömmlichen Anlage wird zu dem Wassererwärmungsprofil a führen. Aus 5 ist ersichtlich, dass eine Temperaturwelle im Wärmeabführer 2 auftritt. Der Hochseitendruck muss dann erhöht werden. Mit der vorliegenden Erfindung ist es möglich, Heißwasser auf der gewünschten Temperatur mit einem niedrigeren Hochseitendruck zu erzeugen, was zu einem noch höheren Energiewirkungsgrad der Anlage führt.

Claims

Verfahren für den Betrieb einer Verdichtungskälteanlage umfassend mindestens einen Verdichter (1), einen Wärmeabweiser (2), ein Dehnungsmittel (3) und einen Wärmeabsorber (4), die ein einem geschlossenen Kreislauf miteinander verbunden sind, der mit superkritischer Hochdruckseite arbeitet, wobei Kohlendioxid oder eine Kühlmittelmischung enthaltend Kohlendioxid auf das Kühlmittel in dem System angewandt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmepumpeneffizienz des Systems verbessert wird, indem die Verdichtungsabsauggasüberhitzung durch das Benutzen einer Splitströmung durch den Wärmeabweiser (2) gesteuert wird, und dadurch, dass die Splitströmung von der Hochdruckseite direkt auf den Wärmeabsorberdruck nach der Sauggaserhitzung expandiert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Überhitzung gesteigert wird, wenn die Temperatur der Wärmequelle über einem vorbestimmten Grenzwert liegt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Obergrenze der Überhitzung die Verdichterablasstemperatur ist, die einen bestimmten Grenzwert nicht überschreiten kann.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Splitströmung reguliert wird, so dass die Ansauggasüberhitzung gesteuert werden kann.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein Gegenstrom-Wärmetauscher zum Erwärmen des Verdichtungsansauggases benutzt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Gegenstrom-Wärmetauscher eine separate Einheit oder der interne Wärmetauscher ist, wenn dieser bereits installiert wurde.