DE69315087T2

DE69315087T2 - Transkritische dampfkompressionsvorrichtung

Info

Publication number: DE69315087T2
Application number: DE69315087T
Authority: DE
Inventors: Jostein Pettersen
Original assignee: Sinvent AS
Current assignee: Sinvent AS
Priority date: 1992-12-11
Filing date: 1993-12-08
Publication date: 1998-06-04
Anticipated expiration: 2013-12-09
Also published as: DE69315087D1; NO924797D0; AU5720594A; JP2804844B2; NO175830B; EP0672233A1; WO1994014016A1; EP0672233B1; US5655378A; NO175830C; NO924797L; ES2111285T3; JPH08504501A

Description

Die vorliegende Erfindung betriffi ein Dampfkompressionssystem, welches sowohl bei unterkritischem als auch überkritischem Druck der Hochdruckseite arbeitet.
Bei herkömmlichen Dampfkompressionssystemen ist der Druck der Hochdruckseite über die Sättigungscharakteristik des Kältemittels durch die Kondensationstemperatur festgelegt. Der Druck auf der Hochdruckseite in derartigen Systemen liegt immer deutlich unterhalb des kritischen Druckes.
Bei Dampfkompressionssystemen, die mit überkritischem Druck der Hochdruckseite arbeiten, d.h. in einem transkritischen Zyklus, hängt der Betriebsdruck von verschiedenen Faktoren ab, wie beispielsweise momentane Kältemittelfüllung auf der Hochdruckseite, Volumina der Bauteile und Wärmeabführungstemperatur.
Ein einfaches Dampfkompressionssystem mit einer Expansionsvorrichtung herkömmlicher Auslegung, d.h. vom thermostatischen Typ, wäre auch in der Lage, eine transkritische Zyklusoperation bereitzustellen, wenn die Wärmeabführungstemperatur oberhalb der kritischen Temperatur des Kältemittels liegt. Ein derartiges System könnte eine einfache und preisgünstige Ausführungsform für einen transkritischen Dampfkompressionszyklus liefen, welcher umweltfreundliche Kältemittel, wie beispielsweise CO&sub2; verwendet. Dieser einfache Kreislauf beinhaltet keine wie auch immer gearteten Vorrichtungen zur Regulierung des Druckes auf der Hochdruckseite, und der Druck wird daher durch die Betriebsbedingungen und die Systemauslegung bestimmt.
Ein bedeutender Nachteil bei einem transkritischen Betrieb eines Systems, das gemäß gangiger Praxis herkömmlicher unterkritischer Einheiten ausgelegt ist, ist der, daß höchstwahrscheinlich eine relativ geringe Kühlkapazität und ein geringer Wirkungsgrad erzielt wird, bedingt durch die weit vom Optimum entfernten Drücke auf der Hochdruckseite während des Betriebes. Dies führt, mit den sich einstellenden überkritischen Bedingungen auf der Hochdruckseite des Kreislaufes zu einer beträchtlichen Kapazitätsverminderung. Der Verlust an Kühlkapazität kann durch ein erhöhtes Kompressorvolumen kompensiert werden, aber dann zum Preis eines deutlich erhöhten Energieverbrauchs und höherer Anschaffungskosten.
Ein weiterer Hauptnachteil bei einem transkritischen Betrieb eines herkömmlich ausgelegten Systems ist, daß ein Kältemittelleck den Druck auf der Hochdruckseite, bedingt durch die Verminderung der Füllung auf der Hochdruckseite, unmittelbar beeinflußt. Bei überkritischen Bedingungen der Hochdruckseite ist der Druck durch die Beziehung zwischen der momentanen Kältemittelfüllung und den Bauteilvolumina bestimmt, ähnlich den Bedingungen in einem gasgefüllten Druckbehälter
WO-A-90/07683 zeigt eine transkritische Dampfkompressionszyklus-Vorrichtung, welche eine Kapazitätsregelung beinhaltet, wobei die Regelung durch Verändern der momentanen Kältemittelfüllung auf der Hochdruckseite des Kreislaufes erreicht wird.
Noch ein weiterer Nachteil ist, daß sich in einem vollständig befüllten, nicht im Betrieb befindlichen System, das hohen Umgebungstemperaturen ausgesetzt ist, sich leicht übermäßig große Drücke aufbauen. Dieser Effekt kann eine Beschädigung bewirken, oder kann bei der Gestaltung berücksichtigt werden, aber dann zum Preis von schweren, voluminösen und teueren Bauteilen und Rohren.
Daher ist es ein Hauptziel der vorliegenden Erfindung, ein einfaches, effizientes und zuverlässiges Dampfkompressionssystem bereitzustellen, was diese und andere Mängel vermeidet.
Dieses und weitere Ziele der vorliegenden Erfindung werden erreicht, indem ein Dampfkompressionssystem vorgesehen wird, wie dies aus den beigefügten Patentansprüchen 1 bis 4 hervorgeht. Die Erfindung wird anhand von bevorzugten Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen Fig. 1 bis 3 detailliert beschrieben, wobei
Fig. 1 einen herkömmlichen Dampfkompressionskreislauf darstellt,
Fig. 2 eine graphische Darstellung zwischen der Gaskühler-Kältemittelauslaßtemperatur und dem Druck auf der Hoohdruckseite des Kreislaufes bei überkritischen Bedingungen zeigt, und
Fig. 3 eine schematische Darstellung der bevorzugten Ausführungsform einer Vorrichtung mit transkritischem Dampfkompressionszyklus zeigt, die in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung aufgebaut ist.
Bezugnehmend auf Fig. 1a beinhaltet ein herkömmlicher Dampfkompressionskreislauf einen Kompressor 1, einen wärmeabführenden Wärmetauscher 2, eine Expansionsvorrichtung 3 und einen Verdamplungswärmetauscher 4, die "in Reihe" verbunden sind.
Während des Betriebs im transkritischen Zyklus eines derartigen Kreislaufes sollte ein Druck auf der Hochdruckseite vorgesehen sein, der ein maximales Verhältnis zwischen Kühlkapazität und Kompressorwellenleistung liefert. Ein Hauptparameter bei der Bestimmung der Größe dieses "optimalen" Druckpegels ist die Kältemitteltemperatur am Auslaß des wärmeabführenden Wärmetauschers, d.h. des Gaskühlers. Die wünschenswerteste Beziehung zwischen der Kältemitteltemperatur am Auslaß des Gaskühlers und dem Druck auf der Hochdruckseite, um einen maximalen Energiewirkungsgrad des Kreislaufes zu erhalten, kann aus den thermodynamischen Daten des Kältemittels oder durch praktische Messungen berechnet werden.
Es kann gezeigt werden, daß diese Beziehung zwischen Temperatur und Druck ziemlich genau durch eine Isochore (Kurve bei konstanter Dichte) approximiert werden kann, d.h. die funktionale Beziehung zwischen Temperatur und Druck unter Annahme konstanter Dichte (Masse pro Volumeneinheit) des Kältemittels. Die durchschnittliche Fluiddichte ist durch die momentane Kältemittelfüllung geteilt durch das Innenvolumen der Bauteile gegeben.
Als auf ein tatsächliches Kältemittel bezogenes Beispiel sind die Bedingungen für CO&sub2; in Fig. 2 dargestellt. Isochorenkurven für 0,50 bis 0,66 kg/l sind durch gestrichelte Linien C angegeben, und die Kurve, welche eine optimale Beziehung zwischen der Gaslkühler-Kältemittelauslaßtemperatur und dem Druck auf der Hochdruckseite angibt, ist im Diagramm als Kurve B dargestellt, während die Kurve A eine Sättigungsdruckkurve für unterkritische Bedingungen darstellt. Für CO&sub2; liegt die Isochore, die einem Druck auf der Hochdruckseite von ungefähr 0,60 kg/l entspricht, ziemlich nah an der optimalen Druckkurve. Wenn die Hochdruckseite des Systems mit 0,60 kg von CO&sub2; pro Liter Innenvolumen befüllt wird, wird ungeachtet der Wärmeabführtemperatur ein fast maximaler Wirkungsgrad erzielt.
Vorausgesetzt daß die Hochdruckseite des Kreislaufes ein Innenvolumen und eine momentane Kältemittelfüllung besitzt, die diese gewünschte Dichte ergibt, führen Veränderungen bei der Wärmeabführtemperatur zu Druckänderungen auf der Hochdruckseite, die ziemlich genau der gewünschten 'optimalen' Kurve entsprechen. Um sicherzustellen, daß die Temperatur an oder in der Nähe des Gaskühler-Kältemittelauslasses der primäre Faktor bei dieser Druckanpassung ist, sollte das Volumen des Kältemittels an dieser Stelle relativ groß sein. Praktisch kann dies erreicht werden, indem ein Zusatzvolumen, beispielsweise ein Sammelgefäß, in den Kreislauf an oder in der Nähe des Gaskühler-Kältemittelauslasses eingebaut oder mit diesem verbunden wird, oder indem ein relativ großer Teil des gesamten Wärmetauschervolumens an dem oder in der Nähe des Auslasses vorgesehen wird.
Solange das Volumen der Niederdruckseite des Kreislaufes im Verhältnis zum Volumen der Hochdruckseite relativ gering ist, sind die Störungen der Hochdruckseitenfüllung, welche durch Veränderung der Füllung der Niederdruckseite bei veränderlichen Betriebsbedingungen verursacht sind, unbedeutend. Die Niederdruckseite des Kreislaufes umfaßt in der Hauptsache den Verdampfer, die Niederdruckleitungen und den Kompressorsumpf.
Kurz gesagt sollte das Volumen der Hochdruckseite im Vergleich mit dem der Niederdruckseite relativ groß sein und ein Hauptanteil des Volumens der Hochdruckseite sollte sich an dem oder nahe dem Gaskühlerauslaß befinden. Das Verhältnis von Füllung zu Volumen (Dichte) H auf der Hochdruckseite, welches die gewünschte Temperatur-Druck-Beziehung bei unterschiedlichen Temperaturen ergibt, kann gefunden werden wie in Beispiel 1 für CO&sub2; angegeben. Die Beziehung ist wie folgt:
H = MH/VH
wobei mH die momentane Kältemittelfüllung (Masse) auf der Hochdruckseite und VH das Gesamtinnenvolumen der Hochdruckseite des Kreislaufes ist. Solange das Volumen der Niederdruckseite VL, und somit ebenso die Füllung der Niederdruckseite mL klein im Verhältnis zu VH bzw. mH sind, wird pH ziemlich nah beim Füllung-zu-Volumen-Verhältnis p für das gesamte System liegen. Mit anderen Worten
VL « VH
mL « mH
m = mH + mL
V = VH+VL
m mH
V VH
H
wobei sich m, V und auf die Gesamtfüllung, das Gesamtvolumen und die sich ergebende Durchsclmittsdichte für den gesamten Kreislauf beziehen. Wenn ein herkömmliches Dampfkompressionssystem in Übereinstimmung mit diesen Prinzipien ausgelegt ist, kann ein effizienter Betrieb mit ausreichender Kapazität ebenso bei überkritischen Drücken auf der Hochdruckseite erhalten werden. Berechnungen und durchgeführte Tests geben an, daß das Innenvolumen der Hochdruckseite mindestens 70% des gesamten Innenvolumens des Kreislaufes betragen sollte.
Um übermäßig große Drücke im System im abgeschalteten Zustand bei hohen Umgebungsdrücken zu vermeiden, kann ein separates Expansionsgefäß 5 mit der Niederdruckseite über ein Ventil 6 verbunden sein, wie in Fig. 3 dargestellt. Das Ventil wird geöffnet, wenn der Druck im Kreislauf einen vorbestimmten Maximalwert übersteigt, und zwar in an sich bekannter Weise.
Wenn der Druck auf der Niederdruckseite während des Anlaufens des Systemes absinkt, wird das Ventil 6 geöffnet und die notwendige Füllung wieder in den Kreislauf zurückgeführt, damit sich wieder das gewünschte Füllung-zu-Volumen-Verhältnis auf der Hochdruckseite einstellt. Das Ventil 6 wird geschlossen, wenn der Druck auf der Hochdruckseite in Übereinstimmung mit der gemessenen Kältemitteltemperatur am Gaskühlerauslaß den gewünschten Pegel erreicht hat. Für die Bestimmung des Ventil-Absperrdrucks können auch andere Parameter als die Gaskühler-Kältemittelauslaßtemperatur herangezogen werden.
Außerdem kann, indem das Expansionsgefäß eine geringfügig größere Vorratsfüllung erhält als für den normalen Betrieb erforderlich ware, eme gewisse Kältemittelreserve aufrecht erhalten werden, um eine Kompensation für eine Leckage des Kreislaufes zu ermöglichen.

Claims

1. Dampfkompressionssystem aufweisend: einen Kompressor (1), einen wärmeabführenden Wärmetauscher (2), eine Expansionseinrichtung (3), und einen Verdampfer (4), die hintereinander geschaltet sind und einen geschlossen Kreislauf bilden, der auf der Hochdruckseite des Kreislaufes bei überktitischem Druck arbeitet, wobei

das Innenvolumen der Hochdruckseite des geschlossenen Kreislaufs 70% oder mehr des gesamten Innenvolumens ausmacht;

Kohlendioxid als Kältemittel angewandt wird; und

die Kältemittelfüllung im geschlossenen Kreislauf zwischen 0,55 und 0,70 kg/Liter des gesamten Innenvolumens des Kreislaufes beträgt.

2. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der wäremabführende Wärmetauscher (2) so gestaltet ist, daß ein wesentlicher Anteil seines Innenvolumens sich bei oder in der Nähe des Kältemittelauslasses belindet.

3. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Zusatzvolumen in den geschlossenen Kreislauf eingebaut oder mit diesem verbunden ist, und zwar bei oder in der Nähe des Kältemittelauslasses aus dem Wärmetauscher (2).

4. System nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das System weiter aufweist: ein sep arates Druckentlastungs- und Leckagekompensations-Expansionsgefäß (5), das über ein Ventil (6) mit der Niederdruckseite des Kreislaufs verbunden ist.