DE69520358T2

DE69520358T2 - Kälteanlage

Info

Publication number: DE69520358T2
Application number: DE69520358T
Authority: DE
Inventors: P. Crask; A. Hocker; W. Luhm; R. Strong
Original assignee: Frigoscandia Equipment AB
Current assignee: John Bean Technologies AB
Priority date: 1994-04-28
Filing date: 1995-04-27
Publication date: 2001-07-05
Anticipated expiration: 2015-04-28
Also published as: WO1995030117A1; CN1147297A; AU2423095A; EP0756691A1; CN1089888C; AU681521B2; DE69520358D1; US5435149A; JPH09512624A; EP0756691B1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft Kältesysteme vom Überfülltyp (overfeed type) und betrifft insbesondere Ammoniak-Kältesysteme für den Niedrigtemperatureinsatz.
Sie betrifft insbesondere ein Kältesystem mit einem Verdampfer, der mit flüssigem Kühlmittel überfüllt wird und ein Gemisch aus dampfförmigem Kühlmittel und flüssigem Kühlmittel abgibt, mit einem Kompressor, der dampfförmiges Kühlmittel verdichtet, das aus dem Verdampfer austritt, mit einem Kondensator, der verdichtetes dampfförmiges Kühlmittel aus dem Kompressor aufnimmt und es in flüssiges Kühlmittel umwandelt, sowie mit einem Auffänger, der das flüssige Kühlmittel aus dem Kondensator auffängt und es dem Verdampfer zuführt.
Industrielle Kältesysteme, insbesondere Systeme für den Niedrigtemperaturbetrieb, so beispielsweise unter -37ºC, mit hoher Kapazität, so beispielsweise mehr als 25 TR sind häufig Systeme vom Überfülltyp. Um die Wirksamkeit des Verdampfers in derartigen Kältesystemen zu maximieren, sollte seine gesamte Innenfläche mit flüssigem Kühlmittel bedeckt, d. h. benetzt, sein. Um die gesamte Oberfläche zu benetzen, muss Kühlmittel in einer Menge von mehr als dem Dreifachen, vorzugsweise dem Vierfachen dessen, das verdampft wird, in den Verdampfer eingefüllt werden. Des Weiteren sollte die Kühlmittelflüssigkeit, die in den Verdampfer gefüllt wird, die gleiche Temperatur haben wie der Verdampfer.
Bei typischen Kältesystemen wird das flüssige Kühlmittel in einem großen Behälter schnell auf Verdampfungstemperatur gebracht. Nach dem Abkühlen auf Verdampfungstemperatur wird die Kühlmittelflüssigkeit mit einer von verschiedenen Einrichtungen in den Verdampfer gedrückt. Mechanische Pumpen werden eingesetzt, wenn der Behälter weit von dem Verdampfer entfernt ist. Bei Anbringung des Behälters in der Nähe des Verdampfers und darüber kann das kalte flüssige Kühlmittel durch Schwerkraftgefälle unter Druck gesetzt und durch den Verdampfer gedrückt werden.
Beide obengenannten Verfahren zum Drücken des Kühlmittels durch den Verdampfer machen einen großen Aufbewahrungsbehälter zur Erzeugung des Druckgefälles für die mechanische Pumpe oder zur Erzeugung eines bestimmten Schwerkraftgefälles erforderlich. Bei beiden Konstruktionen tritt Weiteren ein vertikaler Auftrieb in dem Rohr auf, so dass in dem Verdampfer und/oder horizontalen Rohrsträngen Zweiphasenströmung vorliegt. Das Druckgefälle ist in Rohren mit Zweiphasenströmung erheblich größer als in denen, in denen nur trockener Dampf strömt. Ein außerordentlich starkes Druckgefälle führt zu hohen Betriebskosten und macht größere Kompressoren, Hauptleitungen und Behälter erforderlich, so dass die Ausgangskosten des Systems steigen. Die großen Behälter, die für diese Systeme erforderlich sind, machen es darüber hinaus erforderlich, dass das System mit einer großen Menge an Kühlmittel gefüllt wird.
US 1,836,318 offenbart eine Anordnung, die des Weiteren einen Abscheider enthält, der Kühlmittel auffängt, das aus dem Verdampfer austritt, um dampfförmiges Kühlmittel von flüssigem Kühlmittel zu trennen, eine Kammer, die das abgeschiedene flüssige Kühlmittel auffängt, wobei die Kammer das unter Druck stehende flüssige Kühlmittel sammelt und den Verdampfer damit überfüllt, sowie eine Abführeinrichtung (educer), die das flüssige Kühlmittel aus dem Abscheider der Kammer zuführt, wobei flüssiges Kühlmittel aus dem Auffänger als Druckmittel eingesetzt wird.
Damit wird eine Einrichtung geschaffen, mit der das flüssige Kühlmittel durch den Verdampfer gedrückt wird, ohne dass ein großes Gefäß für das flüssige Kühlmittel direkt auf der Speiseseite des Verdampfers erforderlich ist.
Dieses bekannte Kältesystem ist jedoch nach wie vor recht komplex und sperrig.
Gemäss US 5,007,247 werden die Platzanforderungen durch eine direkte Verbindung zwischen einem Abscheider und einer Sammel- bzw. Zwischenkammer verringert, jedoch ist bei dieser Anordnung ein Umschaltvorgang erforderlich, d. h., ein kontinuierliches Drücken des flüssigen Kühlmittels durch den Verdampfer ist nicht möglich.
Eine Hauptaufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein kompaktes Kältesystem zu schaffen, das kontinuierliches Drücken des flüssigen Kühlmittels durch den Verdampfer ermöglicht.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, mechanische Pumpen oder ein Schwerkraftgefälle als Mittel zum Drücken des flüssigen Kühlmittels überflüssig zu machen.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Trocken-Saugspeisung vom Verdampfer zum Kompressor zurück herzustellen.
Diese und andere Aufgaben der vorliegenden Erfindung werden mit einer Kombination erfüllt, wie sie in Anspruch 1 definiert ist. Bevorzugte Ausführungen der vorliegenden Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen 2-8 definiert.
Daher werden bei einem Kältesystem, bei dem die vorliegende Erfindung zum Einsatz kommt, keine mechanischen Pumpen oder Schwerkraftgefälle oder auch Chargen- Dampfpumpen verwendet. Des Weiteren schafft die Erfindung ein kompaktes System, in dem der Abscheider konisch ausgeführt wird und in dem Speisebehälter aufgenommen wird und er mit einem unteren Scheitelauslass für flüssiges Kühlmittel zu der Abführeinrichtung, einem oberen Basisauslass für dampfförmiges Kühlmittel zum Kompressor und einem oberen Randeinlass für Kühlmittel von dem Verdampfer versehen wird.
Vorzugsweise verbindet ein Rohr den Auffänger mit dem Speisebehälter, um flüssiges Auffüllkühlmittel zuzuführen.
Des Weiteren sieht die vorliegende Erfindung Steuerung der Strömungsmenge des flüssigen Kühlmittels zu dem Verdampfer durch Steuerung des Drucks in dem Speisebehälter vor. Als Alternative dazu kann die Strömungsmenge der Flüssigkeit von dem Speisebehälter zum Verdampfer reguliert werden, indem die Strömungsmenge von dem Auffänger zu einer Umlaufeinrichtung (recirculator) gesteuert wird, die den Speisebehälter, den Abscheider und die Abführeinrichtung umfasst.
Eine Ausführung der vorliegenden Erfindung wird im Folgenden lediglich als Beispiel unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben, wobei:
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines typischen Kältesystems ist, bei dem die vorliegende Erfindung eingesetzt wird.
Fig. 2 eine Ansicht einer Ausführung einer Umlaufeinrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung ist.
Fig. 3 eine Draufsicht auf die Umlaufeinrichtung in Fig. 2 ist.
Das schematisch in Fig. 1 dargestellte Kältesystem umfasst einen Vorschaltkompressor 1, der Kühlmitteldampf aus einem Kompressorschutzbehälter 2 ansaugt und verdichteten Dampf in einen Zwischenkühler 3 abgibt, in dem der Dampf gekühlt wird, bevor er von einem Hochdruckkompressor 4 weiter verdichtet wird. Der von dem Kompressor 4 verdichtete Dampf wird in einen verdampfenden Kondensator 5 abgegeben, in dem Wärme abgeführt wird. Der Dampf wird dadurch in eine Flüssigkeit umgewandelt, die in einen Vorauffänger 6 abläuft. Dieser Auffänger 6 kann Flüssigkeit für Ölkühlung erzeugen.
Aus dem Vorauffänger 6 wird flüssiges Kühlmittel des Weiteren über einen Steuerdruckauffänger 7 und eine Unterkühlschlange 8 in den Kompressorschutzbehälter 2 zu einer Umlaufeinrichtung 9 gemäss der vorliegenden Erfindung geleitet. In der Umlaufeinrichtung 9 wird das flüssige Kühlmittel schnell auf Verdampfungstemperatur abgekühlt und unter Druck gesetzt, bevor es einem Verdampfer 10 zugeführt wird.
In dem oben beschriebenen Kältesystem sind die Kompressoren 1 und 4, der Kondensator 5, die Auffänger 6 und 7, der Zwischenkühler 3, der Kompressorschutzbehälter 2 und der Verdampfer 10 bekannte Bestandteile eines typischen Kältesystems.
Die Umlaufeinrichtung 9 umfasst drei Einheiten, d. h., einen Speisebehälter 11, einen Abscheider 12 und eine Abführeinrichtung 13. Der Speisebehälter 11 und der Abscheider 12 sind in einem einzelnen zylindrischen Gehäuse 14 zusammengefasst. Der Speisebehälter 11 stellt einen Hochdruckabschnitt dar, und der Abscheider 12 stellt einen Niederdruckabschnitt dar.
Die integrierte Umlaufeinrichtung 9 besteht aus dem zylindrischen Gehäuse 19, das als Sammler für unter Druck stehendes Kühlmittel wirkt und kontinuierliches Überfüllen von ausschließlich flüssigem Kühlmittel in den Verdampfer 10 ermöglicht. Die integrierte Umlaufeinrichtung 9 umfasst des Weiteren den konisch geformten Abscheider 12, der in dem Gehäuse 14 angeordnet ist.
Das untere Ende des konischen Abscheiders 12 enthält einen Auslass 15, der mit der Abführeinrichtung 13 in Fluidverbindung steht. Eine Kühlmittel-Auslassleitung 16 verbindet das untere Ende des Gehäuses 14 mit dem Verdampfer 10. Das Gemisch aus dampfförmigem Kühlmittel und flüssigem Kühlmittel aus dem Verdampfer 10 wird am Rand in das obere Ende des konischen Abscheiders 11 über einen Einlass 17 abgegeben. So wirkt eine Zentrifugalkraft auf das Gemisch. Dadurch wird das schwerere flüssige Kühlmittel wirkungsvoll von dem dampfförmigen Kühlmittel getrennt, wobei das flüssige Kühlmittel zum unteren Ende bzw. zum Scheitelpunkt des konischen Abscheiders 12 und in die Abführeinrichtung 13 strömt. Der trockene Dampf wird über einen oberen Basisauslass abgesaugt und über den Kompressorschutzbehälter 2 wieder in den Kompressor 1 zurückgeführt.
Ein Steuerungssystem, das einen Pegeldetektor 18, beispielsweise eine kapazitive Messsonde, und ein Steuerventil 19 in einem Rohr 20 umfasst, das den Auffänger 7 mit dem Speisebehälter 11 verbindet, hält den Pegel des flüssigen Kühlmittels in dem Speisebehälter zwischen einer vorgegebenen oberen und einer unteren Pegelgrenze.
Das System arbeitet wie folgt.
Flüssiges Kühlmittel tropft aus dem Kondensator 5 in den Vorauffänger 6, in dem ein Teil der Flüssigkeit gehalten wird, um das Öl in den Kompressoren zu kühlen. Die Flüssigkeit, die aus dem Vorauffänger 6 austritt, wird in den Steuerdruckauffänger 7 geleitet und dort solange gehalten, bis sie durch die kapazitive Messsonde 18 in der Umlaufeinrichtung 9 abgerufen wird. Das flüssige Kühlmittel tritt dann durch die Schlange 8 in dem Kompressorschutzbehälter 2 hindurch, wobei es dort unterkühlt wird, um die Entstehung von Dampf auf ein Minimum zu verringern, bevor es durch das Ventil 19, das vorzugsweise um einen Betrag geöffnet wird, der umgekehrt proportional zur Tiefe der Flüssigkeit in dem Speisebehälter 11 der Umlaufeinrichtung 9 ist, und in den Speisebehälter 11 strömt.
Ein Volumen an flüssigem Kühlmittel, das der Menge entspricht, die für die Grundlast der Gefriereinrichtung erforderlich ist, wird aus dem Auffänger 7 in die Abführeinrichtung 13 geleitet. Wenn die Flüssigkeit durch die Abführeinrichtung 13 strömt, erzeugt sie einen Niederdruckbereich und saugt das flüssige Kühlmittel ab, das im unteren Teil des Abscheiders 12 steht. Die Flüssigkeit aus dem Abscheider 12, die Flüssigkeit, die für die Grundlast erforderlich ist, und Entspannungsdampf treten zusammen in den Sammelabschnitt 11 ein und füllen ihn und erzeugen einen Überdruck darin. Durch diesen Überdruck wird das flüssige Kühlmittel in den Verdampfer 10 gedrückt, wo es sich bis zum Kochen erhitzt, so dass Dampf entsteht. Das überschüssige flüssige Kühlmittel, das dem Verdampfer 10 zugeführt wird, um zu gewährleisten, dass seine gesamte Innenfläche mit Flüssigkeit bedeckt ist, bewegt sich mit dem dampfförmigen Kühlmittel in den trichterförmigen Abscheider 12, in dem das dampfförmige Kühlmittel von dem flüssigen Kühlmittel getrennt und über den Kompressorschutzbehälter 2 wieder in den Kompressor 1 zurückgeführt wird.
Das oben beschriebene System ermöglicht auf neuartige Weise den Umlauf und die Rückführung von flüssigem Kühlmittel durch einen Verdampfer, ohne dass Dämpfe oder Entspannungsgas in dem Kühlmittel enthalten sind.
Des Weiteren kommen bei dem System kein Schwerkraftgefälle oder mechanische Pumpen zum Einsatz, sondern das gesamte flüssige Kühlmittel wird von dem dampfförmigen Kühlmittel abgeschieden, das zum Kompressor zurückgeführt wird.
Bei dem erfindungsgemäßen System ist ein minimales Druckgefälle vorhanden, die Menge an überschüssigem flüssigem Kühlmittel, die dem Verdampfer zugeführt wird, kann reguliert werden, und die Menge an Kühlmittel in einem typischen System wird verringert. Diese Verringerung ist auf den unter Druck stehenden Speisebehälter und die Steuerung des Pegels des flüssigen Kühlmittels darin zurückzuführen.
Da der Zyklon-Abscheider 12 in das Druckgehäuse des Speisebehälters 11 integriert wird, ist es nicht mehr notwendig, den Abscheider so fest auszuführen, dass er verschiedenen Vorschriften für Druckgefäße entspricht. Des Weiteren passt die gesamte Umlaufeinrichtung 9 in eine Gefriereinrichtung; so dass die Rohrleitungen vor dem Versand fertiggestellt werden können. Natürlich kann das System gemäss der Erfindung auch sehr klein ausgeführt werden, so dass dadurch die Außenabmessungen der Gefriereinrichtung nicht zunehmen. Dennoch ist das erfindungsgemäße System in der Lage, den Umlauf einer ausreichenden Menge an flüssigem Kühlmittel zu gewährleisten, ohne dass es höher angeordnet ist als der Verdampfer.
Es ist anzumerken, dass das Pumpfluid der Abführeinrichtung, d. h., das flüssige Kühlmittel aus dem Auffänger 7, eine Temperatur hat, die über seinem Siedepunkt beim Auslassdruck liegt. Daher wird die Flüssigkeit, sobald sie den kleinsten Durchmesser der Düse passiert hat, auf ein Dampfvolumen verdampft, das dem Vielfachen des Volumens der Flüssigkeit entspricht. Dieser Entspannungsdampf eröffnet Möglichkeiten, wenn die Düse als sich zunächst verengende und sich dann aufweitende Düse mit den richtigen Abmessungen ausgeführt ist. In diesem Fall kann der Entspannungsdampf genutzt werden, um das Gemisch aus flüssigem und dampfförmigem Kühlmittel auf eine noch höhere Geschwindigkeit zu beschleunigen, so dass der höhere Druck in dem Speisebehälter 11 aufrechterhalten wird.
Das beschriebene Kältesystem dient für den Einsatz in industriellen Kältesystemen. Das System ist insbesondere für den Betrieb bei niedrigen Betriebstemperaturen unter Einsatz von Ammoniak als Kühlmittel bestimmt.
Es versteht sich, dass Varianten, Abwandlungen und Veränderungen des Systems möglich sind, ohne vom Schutzumfang der Erfindung, wie er beansprucht wird, abzuweichen. So sind die obenstehende Beschreibung und die beigefügten Zeichnungen als veranschaulichend und nicht als einschränkend zu verstehen.

Claims

1. Kältesystem mit:

einem Verdampfer (10), der mit flüssigem Kühlmittel überfüllt wird und ein Gemisch aus dampfförmigem Kühlmittel und flüssigem Kühlmittel abgibt;

einem Kompressor (1), der dampfförmiges Kühlmittel verdichtet, das aus dem Verdampfer abgegeben wird;

einem Kondensator (5), der verdichtetes dampfförmiges Kühlmittel aus dem Kompressor auffängt und es in flüssiges Kühlmittel umwandelt;

einem Auffänger (6, 7), der das flüssige Kühlmittel aus dem Kondensator auffängt und es dem Verdampfer zuführt;

einem Abscheider (12), der das aus dem Verdampfer (10) abgegebene Kühlmittel auffängt und dampfförmiges Kühlmittel für den Kompressor (1) von flüssigem Kühlmittel zum Zurückführen trennt;

einem Speisebehälter (11), der unter Druck stehendes flüssiges Kühlmittel aufnimmt und den Verdampfer damit überfüllt, und

einer Abführeinrichtung (13), die das flüssige Kühlmittel zum Zurückführen von dem Abscheider dem Speisebehälter zuführt, wobei flüssiges Kühlmittel aus dem Auffänger (6, 7) als Druckmittel eingesetzt wird, dadurch gekennzeichnet, dass:

der Abscheider (12) konisch ist, in dem Speisebehälter (11) enthalten ist und einen unteren Scheitelauslass (15) für flüssiges Kühlmittel zu der Abführeinrichtung (13), einen oberen Basisauslass für dampfförmiges Kühlmittel zu dem Kompressor (1) und einen oberen Randeinlass (17) für Kühlmittel aus dem Verdampfer (10) aufweist.

2. Kältesystem nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch ein Rohr (20), das den Auffänger (6, 7) mit einem Einlass des Speisebehälters (11) verbindet, um flüssiges Auffüllkühlmittel zuzuführen.

3. Kältesystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Auffänger (6, 7) ununterbrochen der Abführeinrichtung (13) flüssiges Kühlmittel als Druckmittel zuführt.

4. Kältesystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Speisebehälter (11) einen Auslass für dampfförmiges Kühlmittel aufweist, der mit einem Auslass des Abscheiders (12) verbunden ist.

5. Kältesystem nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein Druckregulierventil (VT) in dem Auslass des Speisebehälters (11) den Überdruck in dem Speisebehälter steuert.

6. Kältesystem nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch einen Detektor (18), der den Pegel von flüssigem Kühlmittel in dem Speisebehälter (11) erfasst, und ein Ventil (19) in dem Rohr, das auf den von dem Detektor erfassten Pegel anspricht und die Zufuhr von Auffüllkühlmittel steuert.

7. Kältesystem nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Pegeldetektor (18) eine kapazitive Messsonde ist.

8. Kältesystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Abführeinrichtung (13) mit flüssigem Kühlmittel von dem Auffänger (6, 7) gespeist wird und Flüssigkeit aus dem Abscheider (12) in den Speisebehälter (11) ansaugt, und den Druck darin aufrechterhält.