DE69914715T2

DE69914715T2 - Verfahren und vorrichtung zur feststellung der zusammemsetzung von ternären kühlmitteln

Info

Publication number: DE69914715T2
Application number: DE69914715T
Authority: DE
Inventors: F. John JUDGE
Original assignee: York International Corp
Current assignee: York International Corp
Priority date: 1998-08-03
Filing date: 1999-08-02
Publication date: 2004-12-09
Anticipated expiration: 2019-08-03
Also published as: EP1019660B1; US6079217A; WO2000008394A1; TWI257948B; JP2002522737A; CN1274416A; AU5250899A; HK1032103A1; EP1019660A1; DE69914715D1; CN1149367C

Description

II. HINTERGRUND DER ERFINDUNG
A. Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft Kühlsysteme oder Klimaanlagen, die ein ternäres Kühlmittel verwenden und einen Kreislauf aufweisen, der einen Expander umfasst, welcher das Kühlmittel von einer Flüssigphase zu einer Flüssigphase und Dampfphase expandiert. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren und ein System zum Bestimmen der Zusammensetzung eines ternären Kühlmittels auf eine neue und elegante Weise.
Fluorchlorkohlenstoff-Kühlmittel, wie beispielsweise Dichlordifluormethan („R-22"), stellen für die Ozonschicht der Erde eine Bedrohung dar. Demgemäß haben die Fachleute auf dem Gebiet der Klimatechnik und Kühlung lange nach Kühlmittelzusammensetzungen gesucht, die so wirksam wie Fluorchlorkohlenstoff-Kühlmittel sind und bei Verwendung in der Umwelt auch sicher sind. Diese Suche hat zur Entwicklung von ternären Kühlmitteln, wie beispielsweise „R-407C", einem ternären Gemisch aus Difluormethan („R-32"), Pentafluorethan („R-125") und 1,1,1,2-Tetrafluorethan („R-134a"), die in einem Gewichtsverhältnis von 23/25/52 kombiniert sind, mit Eigenschaften ähnlich denen von R-22 geführt. Die Abkürzungen R-407C, R-134a, R-125, R-32, R-22 und viele andere werden von der American Society of Heating, Refrigeration and Air Conditioning Engineers (ASHRAE) bestimmt und in der ganzen Industrie sowie in der vorliegenden Offenbarung angewendet.
Die Verwendung von ternären Kühlmitteln bringt gewisse Probleme mit sich. Kühlsysteme sind von Zeit zu Zeit undicht, was zu einer Fraktionierung und einer sich daraus ergebenden Änderung der Kühlmittelzusammensetzung führen kann. Ein Problem, das durch die Verwendung von ternären Kühlmitteln auftritt, ist die Unfähigkeit zu bestimmen, ob und in welchem Ausmaß ein ternäres Kühlmittel fraktioniert wurde.
Das Messen der Zusammensetzung eines ternären Kühlmittels, wie beispielsweise R-407C, ist komplizierter als das Messen der Zusammensetzung eines binären Kühlmittels, weil jede Komponente der thermodynamischen Zustandsgleichung einen Freiheitsgrad hinzufügt, was zum Erzielen einer Lösung die Eingabe von mehr Prozessgrößen erfordert. Ein einfaches Verfahren zum Bestimmen der Zusammensetzung eines ternären Kühlmittels würde die Verwendung und den Einsatz von neuen ternären Kühlmitteln stark vereinfachen.
B. Beschreibung des Standes der Technik
Es sind Verfahren zum Messen von thermodynamischen Eigenschaften bekannt, und es werden Zustandsgleichungen verwendet, um die Zusammensetzung eines Kühlmittels zu berechnen. Zum Beispiel beschreibt das US-Patent Nr. 5,626,026 von Sumida ein kompliziertes Verfahren zur Steuerung eines Kühlsystems. Sumida beschreibt ein System zum Berechnen einer Kühlmittelzusammensetzung, um den Kompressor und das Expansionsventil in einem Kühlsystem zu steuern. Das in Sumida beschriebene Verfahren ist aber nicht direkt auf ternäre Kühlmittel anwendbar.
EP-A2-0 750 166 offenbart ein Verfahren zum Bestimmen der Zusammensetzung eines binären Kühlmittels unter Verwendung einer thermodynamischen Zustandsgleichung, wobei davon ausgegangen wird, dass die Enthalpie eine Funktion allein der Temperatur ist.
Die Aufgaben der Erfindung bestehen darin, ein elegantes und einfaches Verfahren und System zum Bestimmen der Zusammensetzung eines ternären Kühlmittels in einem Betriebskühlsystem und ein System zum Durchführen des Verfahrens zur Verfügung zu stellen.
Die vorliegende Erfindung stellt ein Verfahren zum Bestimmen der Zusammensetzung eines Kühlmittels in einem Kühlmittelsystem nach dem Anspruch 1 zur Verfügung.
Die vorliegende Erfindung stellt auch ein System zum Bestimmen der Zusammensetzung eines Kühlmittels in einer Kühlschleife nach dem Anspruch 9 zur Verfügung.
Wie weiter unten ausführlicher erläutert wird, sind die Verfahren und Systeme der vorliegenden Erfindung besonders nützlich zum Bestimmen der Zusammensetzung von Kühlmitteln in Systemen, die zuerst mit R-407C und ähnlichen ternären Kühlmitteln ge füllt werden. Sobald die Zusammensetzung berechnet ist, kann dieser berechnete Wert für eine Auswahl von Zwecken, einschließlich der Systemsteuerung oder Nachfüllverfahren, verwendet werden.
Zusätzliche Aufgaben und Vorteile der Erfindung sind teilweise in der nachfolgenden Beschreibung dargestellt und teilweise aus der Beschreibung ersichtlich oder können durch Ausführen der Erfindung erfahren werden. Die Aufgaben und Vorteile der Erfindung werden mittels der Elemente und Kombinationen, die insbesondere in den beigefügten Ansprüchen dargelegt sind, realisiert und erzielt.
Es wird davon ausgegangen, dass sowohl die vorangehende allgemeine Beschreibung als auch die nachfolgende ausführliche Beschreibung beispielhaft und nur erläuternd sind und die beanspruchte Erfindung nicht einschränken.
Die beigefügten Zeichnungen, die in der Patentbeschreibung aufgenommen sind und einen Teil davon bilden, veranschaulichen eine Ausführungsform der Erfindung und dienen zusammen mit der Beschreibung dazu, die Prinzipien der Erfindung zu erläutern.
IV. KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine schematische Darstellung eines Kühlsystems.
2 ist ein Druck-Enthalpie-Diagramm, das eine beispielhafte „Druck-Enthalpie-Kuppel" zeigt, die für eine Kühlmittelzusammensetzung charakteristisch ist; wobei das Trapezoid a-b-c-d einen beispielhaften Kühlkreislauf zeigt; und die Linie c-d eine beispielhafte isenthalpische Expansion darstellt.
V. BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM(EN)
Die 1 zeigt ein beispielhaftes Kühlsystem oder eine beispielhafte Kühlschleife, umfassend einen Kompressor 3, einen Kondensator 5, eine Expansionsvorrichtung (manchmal nachfolgend als „Expansionsventil" bezeichnet) 7 und einen Verdampfer 9. Die Messeinrichtungen an dem Kühlsystem weisen eine erste Temperaturmessvorrichtung oder einen ersten Temperaturmesssensor 13, eine zweite Temperaturmessvorrichtung oder einen zweiten Temperaturmesssensor 15 und eine Druckmessvorrichtung oder einen Durchmesssensor 17 auf. In der bevorzugten Ausführungsform liefern die Messvorrichtungen die einzigen erforderlichen Prozessgrößen-Eingangsdaten an einen Rechner 19, wie beispielsweise einen Mikroprozessor. Alternativ kann eine Gruppe von Diagrammen, Tabellen oder Graphen verwendet werden, um die ternäre Kühlmittelzusammensetzung aus den obigen Prozessgrößen-Eingangsdaten zu berechnen.
Der Kompressor 3, der Kondensator 5, die Expansionsvorrichtung 7 und der Verdampfer 9 sind in einer Schleife durch eine Rohrleitung verbunden, wie in der 1 gezeigt ist. Das Kühlsystem kann durch andere Elemente ergänzt werden, wie es dem Durchschnittsfachmann bekannt ist. Zum Beispiel kann ein Sammler stromaufwärts zu dem Kompressor angeordnet sein, um die Qualität der Zufuhr zu dem Kompressor zu steuern.
Das Trapezoid a-b-c-d der 2 stellt den thermodynamischen Betrieb des Kühlsystems dar. Bei einem konstanten Druck nimmt das verdampfende Kühlmittel in dem Verdampfer 9 Wärme aus der Umgebung auf, wie in der Linie d-a gezeigt ist. Der Dampf wird im Kompressor 3 komprimiert, und dann wird Wärme in der in der Linie b-c gezeigten, konstanten Druckkondensation abgeführt. Die isenthalpische Expansion, die in dem Expansionsventil 7 stattfindet, ist durch die Linie c-d dargestellt.
In der vorliegenden Erfindung wird die Temperatur des ternären Kühlmittels in der Flüssigphase durch eine Temperaturmessvorrichtung 13 vor der Expansion gemessen. Die Vorrichtung 13 wird vorzugsweise direkt angrenzend an den Einlass der Expansionsvorrichtung angeordnet, obwohl sie an anderen Stellen stromaufwärts zu der Expansionsvorrichtung angeordnet sein kann, solange der Zustand der gemessenen Flüssigkeit im Wesentlichen gleich dem in die Expansionsvorrichtung eintretenden ist. Die Temperatur und der Druck der Flüssigphase und der Dampfphase nach der Expansion werden durch eine zweite Temperaturmessvorrichtung 15 und eine Druckmessvorrichtung 17 gemessen. Wieder sind die Vorrichtungen 15 und 17 vorzugsweise direkt angrenzend an die stromabwärtige Seite der Expansionsvorrichtung angeordnet, obwohl diese Messungen auch an einer anderen Stelle vorgenommen werden können, vorausgesetzt der Zustand des Kühlmittels ist im Wesentlichen mit dem Zustand des die Expansionsvorrichtung verlassenden Kühlmittels identisch.
Der Vorgang der Zusammensetzungsberechnung betrifft die Linie c-d der 2. Die Expansion ist nur in der Theorie isenthalpisch. Die Berechnung nach der vorliegenden Erfindung geht von einer isenthalpischen Expansion aus, die nach dem Schluss des Erfinders genau genug ist, um aussagekräftige Informationen betreffend die Zusam mensetzung der ternären Kühlmittel, wie beispiels weise R-407C, zur Verfügung zu stellen.
Bei dem Verfahren der vorliegenden Erfindung tritt das ternäre Kühlmittel, das eine erste Komponente, eine zweite Komponente und eine dritte Komponente aufweist, in die Expansionsvorrichtung 7 als Flüssigkeit ein. Wenn der Druck reduziert wird, verlässt das Kühlmittel den Flüssigphasenbereich an der linken Seite der „Druckenthalpiekuppel", Linie E, und tritt in den sogenannten Zweiphasenbereich unter der Kuppel ein. An dem Punkt, an dem die vertikale Linie c-d die Linie E in den Zweiphasenbereich kreuzt, würde ein binäres System vollständig durch die Temperatur, den Druck und die Enthalpie beschrieben. Allerdings hat ein ternäres System einen zusätzlichen Freiheitsgrad, der von der zusätzlichen Komponente herrührt. Die Erfinder haben den Schluss gezogen, dass eine relativ kostengünstige und praktische Auswertung eines Drei-Komponenten-Systems erfolgen kann, wenn das Verhältnis von zwei der Komponenten relativ konstant bleibt.
Ein Element der vorliegenden Erfindung ist die Annahme, dass das Verhältnis der ersten Komponente zu der zweiten Komponente konstant bleibt. Der Erfinder hat den Schluss gezogen, dass diese Annahme genau auf die ternären Gemische, wie beispielsweise R-407C, zutrifft. Diese Annahme erlaubt zusammen mit der Annahme einer isenthalpischen Expansion die Berechnung der Zusammensetzung des ternären Kühlmittels unter Verwendung allein von stromaufwärtiger Temperatur und stromabwärtiger Temperatur und Druck als Prozessgrößen-Eingangsdaten.
In einer bevorzugten Ausführungsform besteht das ternäre Kühlmittel im Wesentlichen aus Difluormethan (R-32), Pentafluorethan (R-125) und 1,1,1,2-Tetrafluorethan (R-134a) und kann beispielsweise R-407C sein. In der bevorzugten Ausführungsform wird davon ausgegangen, dass das Verhältnis von R-32 zu R-125 konstant ist. Der Erfinder der vorliegenden Erfindung hat erkannt, dass diese Komponenten dieses bekannten Kühlmittels ähnliche Flüchtigkeiten aufweisen und ein Azeotrop bilden. Deshalb können die Gemische dieser beiden Komponenten für die hier angegebenen Zwecke im Wesentlichen als eine Komponente behandelt werden.
Sobald die Kühlmittel, wie beispielsweise R-407C, ausgewählt sind und die obigen Parameter gemessen werden und die Annahmen erfolgen, gibt es eine Anzahl relevanter Zustandsgleichungen, die angewendet werden können, um die Zusammensetzung des Kühlmittels zu bestimmen, insbesondere die jeweiligen Gewichtsverhältnisse seiner Komponenten. Wie im Stand der Technik bekannt ist, sind Computerprogramme im Handel erhältlich, um die Berechnungen durchzuführen, sobald diese Annahmen erfolgen. Die Auswahl eines Algorithmus für die Zusammensetzungsberechnung ist dem Fachmann ohne weiteres offensichtlich. Nur beispielhaft kann das Unterprogramm REFPROP 6, das im Handel direkt von National Institute of Standards and Testing (NIST) erhältlich ist, dazu verwendet werden, um physikalische Eigenschaftsdaten einander anzunähern und so die Komponentengewichtsverhältnisse zu erhalten.
Die mit dem Verfahren und dem System der Erfindung erreichten Ergebnisse können dazu eingesetzt werden, um das Kühlsystem zu steuern und so optimale Ergebnisse zu liefern. Darüber hinaus können das permanente Verfahren und die allgemein in der 1 veranschaulichten Systeme dazu verwendet werden, um regelmäßig Proben der Kühlmittelzusammensetzung zu nehmen und zu bestimmen, ob das Kühlmittel beispielsweise durch Leckage fraktioniert wurde. Sobald die bestimmte Zusammensetzung bekannt ist, kann das Kühlmittel nachgefüllt werden, so dass es die bevorzugten relativen Gewichtsverhältnisse der Komponenten aufweist.
In einer anderen bevorzugten Ausführungsform werden das Verfahren und das System dazu verwendet zu bestimmen, ob bei einem System nach einem Leck eine Fraktionierung erfolgt ist. Zum Beispiel können die Sensoren und/oder der Rechner als vorübergehende Vorrichtung oder vorübergehendes System ausgelegt sein, die bzw. das erforderlichenfalls entfernbar an dem Kühlsystem angebracht sein kann. Zum Beispiel kann eine Kühlschleife so ausgelegt sein, dass sie stromaufwärts und stromabwärts zu der Expansionsvorrichtung Anschlüsse aufweist, und Messwertgeber können mit diesen Anschlüssen auf einer vorübergehenden Basis verbunden sein. Im Betrieb wird ein Rechner betriebsfähig mit den Prozessgrößen-Ausgängen der ersten und zweiten Temperaturmessvorrichtung 13, 15 und der Druckmessvorrichtung 17 verbunden. Die Sensoren und der Rechner können als tragbare Einheit ausgelegt sein. Diese tragbare Anordnung ermöglicht die Verwendung des Verfahrens und der Vorrichtung der vorliegenden Erfindung in einem Fall, in dem ein Leck festgestellt wurde und eine Bedienungsperson wissen möchte, ob und/oder in welchem Ausmaß das ternäre Kühlmittel darin fraktioniert wurde, ohne die Steuervorrichtung, die bereits bei dem System vorhanden ist, mit einzubeziehen. Die Messwertgeber und Rechner können vorübergehend in Anschlüsse einsteckt werden, die in dem Kühlsystem installiert sind.

Claims

Verfahren zum Bestimmen der Zusammensetzung eines ternären Kühlmittels in einer Kühlmittelschleife eines Kühlmittelsystems, wobei die Kühlmittelschleife eine Expansionsvorrichtung aufweist, wobei das Verfahren folgendes umfasst: Messen einer stromaufwärtigen Temperatur des Kühlmittels in der Flüssigphase stromaufwärts zur Expansionsvorrichtung; Expandieren des Kühlmittels in der Expansionsvorrichtung, so dass das Kühlmittel stromabwärts zur Expansionsvorrichtung in einer Dampfphase und einer Flüssigphase vorliegt; Messen einer stromabwärtigen Temperatur und eines stromabwärtigen Drucks des Kühlmittels stromabwärts zur Expansionsvorrichtung; und Berechnen der Kühlmittelzusammensetzung mit einer thermodynamischen Zustandsgleichung, wobei die Berechnung davon ausgeht, dass die Enthalpie eine Funktion allein der Temperatur ist; worin das Kühlmittel eine erste Komponente, eine zweite Komponente und eine dritte Komponente aufweist, wobei die erste Komponente und die zweite Komponente ein im Wesentlichen azeotropes Fluid bilden und wobei die Berechnung von einem konstanten Verhältnis der ersten Komponente zu der zweiten Komponente in der Flüssigphase stromaufwärts zur Expansionsvorrichtung und in der Flüssig- und der Dampfphase stromabwärts zur Expansionsvorrichtung ausgeht.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt des Berechnens davon ausgeht, dass die Expansion isenthalpisch ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das ternäre Kühlmittel im Wesentlichen aus Difluormethan, Pentafluorethan und 1,1,1,2-Tetrafluorethan besteht.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei der Schritt des Berechnens von einem konstanten Verhältnis von Difluormethan (R-32) zu Pentafluorethan (R-125) ausgeht.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das ternäre Kühlmittel R-407C ist.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei der Schritt des Berechnens von einem konstanten Verhältnis von Difluormethan zu Pentafluorethan ausgeht.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt des Berechnens nach dem Feststellen eines Lecks durchgeführt wird, um zu bestimmen, ob das ternäre Kühlmittel fraktioniert wurde.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt des Berechnens mit einer Gruppe von Tabellen, Diagrammen oder Graphen durchgeführt wird.
System zum Bestimmen der Zusammensetzung eines ternären Kühlmittels in einer Kühlmittelschleife, wobei zwei der Komponenten ein im Wesentlichen azeotropes Fluid bilden, wobei das System aus folgendem besteht: einer Expansionsvorrichtung (7), die in der Kühlmittelschleife strömungsverbunden und so angepasst ist, dass sie ein Kühlmittel aus einer Flüssigphase zu einer Flüssigphase und einer Dampfphase expandiert; einem ersten Temperaturmeßwertgeber (13), der dazu bestimmt ist, die Temperatur des Kühlmittels in der Flüssigphase stromaufwärts zur Expansionsvorrichtung zu messen; einer zweiten Temperatumessvorrichtung (15) und einem Druckmeßwertgeber (17), die dazu bestimmt sind, die Temperatur bzw. den Druck des Kühlmittels in der Dampfphase und der Flüssigphase stromabwärts zur Expansionsvorrichtung zu messen; und einem Rechner, der Eingabedaten von der ersten Temperaturmessvorrichtung, der zweiten Temperaturmessvorrichtung und der Druckmessvorrichtung und keine Eingabedaten von anderen Prozessgrößen erhält und die Kühlmittelzusammensetzung basierend auf der Voraussetzung berechnet, dass die Enthalpie eine Funktion allein der Temperatur ist; worin der Rechner zum Berechnen der Zusammensetzung basierend auf der Voraussetzung dient, dass mindestens zwei Komponenten des ternären Kühlmittels ein im Wesentlichen azeotropes Fluid bilden und ein konstantes Verhältnis von einer ersten Komponente zu einer zweiten Komponente in der Flüssigphase stromaufwärts zur Expansionsvorrichtung und in der Flüssig- und der Dampfphase stromabwärts zur Expansionsvorrichtung aufrechterhalten.