DK177591B1 - Kølesystem og metode til olieudskilning - Google Patents

Abstract

Kølesystem og metode til olieudskilning, hvor systemet består af mindst en kompressor, hvor en kondenseringsenhed med en kølemiddelforbindelse er forbundet til mindst et restriktionselement, som er forbundet med en fordamper, som står i forbindelse med kompressorens sugetilslutning, hvilken kondenseringsenhed indeholder en olieudskiller, fra hvilken olieudskiller olie føres gennem en rørforbindelse retur til kompressoren. Det er opfindelsen formål at samle alle kondenserings- og olieudskillelsesfunktioner i en fælles trykbeholder. Formålet kan opnås med et system, hvis kondenseringsenhed og olieudskiller er integreret i en fælles tryktank, som indeholder mindst en første primær olieudskiller og mindst en anden sekundær olieudskiller, hvilken tryktank indeholder en kondenseringsbeholder, hvilken kondenseringsbeholder samvirker med en tredje olieudskiller. Hermed kan opnås, at kondensering og olieudskillelse integreres i en fælles tryktank, således at de enkelte komponenter inde i tanken kan fremstilles af relativt tyndt materiale, fordi der er tilnærmelsesvis samme tryk i hele tryktanken.

Description

i DK 177591 B1 Kølesystem og metode til olieudskilning Opfindelsens område Kølesystem og metode til olieudskilning, hvor systemet består af mindst en kompres-5 sor, hvilken kompressor har mindst en sugetilslutning og mindst en trykafgang, hvilket kølesystem indeholder mindst en kondenseringsenhed, hvilken kondenseringsenhed med en kølemiddelforbindelse er forbundet til mindst et restriktionselement, hvilket restriktionselement har forbindelse til mindst en fordamper, hvilken fordamper står i forbindelse med kompressorens sugetilslutning, hvilken kondenseringsehhed inde-10 holder mindst en olieudskiller, fra hvilken olieudskiller olie føres gennem en rørforbindelse retur til kompressoren.

Opfindelsens baggrund W02007/068247 med titlen Oil Management System indgivet af York Denmark ApS, 15 Danmark, beskriver en metode og et system til styring og regulering af olieforsyning, hvor en fælles trykindeslutning indeholder alle oliebehandl ingsfunktioneme for behandling af blanding af olie og kølemiddel, som forlader kompressoren og for at udskille og returnere olien til kompressoren.

20 Trykindeslutningen indeholder følgende komponenter, som er relateret til oliehåndtering:

En olieseparator hvorfra olie strømmer til en oliesump; en oliekøler, som er forbundet til oliesumpen; en blandingsventil, hvor olien fra oliekøleren blandes med olie fra oliesumpen for at 25 opnå en optimal olietemperatur; et oliefilter for filtrering af den blandede olie, som senere returneres fra oliefilteret til kompressoren.

Specielt de omtalte komponenter kan fungere ved et tryk, som tilnærmelsesvist er sammenfaldende med afgangstrykket på kompressoren.

30 2 DK 177591 B1

Endvidere beskriver JP 2005 127542 A et kølesystem bestående af mindst én kompressor, der har mindst én sugetilslutning og mindst én trykafgang, hvor systemet endvidere indeholder mindst én kondenseringsenhed, der med en kølemiddelforbindelse er forbundet til mindst ét restriktionselement, hvor restriktionselementet har forbindel-5 se til mindst én fordamper, der står i forbindelse med kompressorens sugetilslutning, hvor kondenseringsenheden indeholder mindst én olieudskiller, hvorfra olie føres igennem en rørforbindelse og tilbage til kompressoren, og hvor kondenseringsenheden og olieudskilleren er integreret i en fælles tryktank. I dette system indeholder tryktanken ikke en oliesump eller en kondenseringsbeholder, der nedkøles af en varmeveks-10 ler, der gennemstrømmes af et første kølemiddel. Ligeledes ses i dette system ikke et samvirke imellem kondenseringsbeholderen og en oliekøler, som er placeret i forbin- S delse med kondenseringsbeholderen, og hvor der er etableret en væske- og gasforbindelse mellem bunden af kondenseringsbeholderen og oliekøleren, og hvor der fra oliesumpen i bunden af den fælles tryktank ledes olie gennem oliekølerens varmeveksler 15 og tilbage til kompressoren.

Opfindelsens formål

Det er opfindelsen formål at samle alle kondenserings- og olieudskillelsesfunktioner i en fælles trykbeholder.

20 Beskrivelse af opfindelsen

Formålet kan opnås med et system som det, der er beskrevet i indledningen til krav 1, hvis kondenseringsenhed og olieudskiller er integreret i en fælles tryktank, hvilken tryktank indeholder mindst en oliesump, hvilken tryktank indeholder en kondenseringsbeholder, hvilken kondenseringsbeholder nedkøles af en varmeveksler, hvilken 25 varmeveksler gennemstrømmes af et første kølemedie, hvilken kondenseringsbeholder samvirker med en oliekøler, hvilken oliekøler er udformet som en beholder placeret i forbindelse med kondenseringsbeholderen, hvor der er etableret en væske- og gasforbindelse mellem kondenseringsbeholderen og oliekøleren, fra hvilken oliesump i bunden af den fælles tryktank olie ledes gennem oliekølerens varmeveksler retur til kom-30 pressoren.

3 DK 177591 B1

Hermed kan opnås, at kondensering og olieudskillelse og oliekøling-integreres i en fælles tryktank, således at de enkelte komponenter inde i tanken kan fremstilles af relativt tyndt materiale, fordi der er tilnærmelsesvis samme tryk i hele tryktanken. Specielt hvis kompressoren er en skruekompressor, kan man forvente, at en relativ 5 stor oliemængde udskilles sammen med kølemidlet. Derfor er en olieudskilning og oliekøling strengt nødvendig, og en kontinuerlig tilbageførsel af olie til skruekompressoren vil være nødvendig. Tilbageførsel af olie til en skruekompressor kan foregå forholdsvis enkelt ved at olien ledes ind i forbindelse med de samvirkende skruer et sted, hvor trykket faktisk er lavere end det tryk, der hersker under olieudskillelse.

10 Herved kan der opstå en sugevirkning, således at returolien automatisk suges retur til en skruekompressor. Ved at integrere olieudskillelse, kondensering og oliekøling i den fælles tryktank opnås en meget kompakt op ygning af et kølesystem. Flydende kølemiddel kan ledes direkte fra tryktanken til en eller flere fordampere. Ligeledes kan en varmeveksler placeret i kondenseringstanken køles direkte af et gennemstrømmende 15 medie, fx. kølevand. Specielt ved en flertrins olieudskillelse opnås en meget effektiv olieudskillelse i tryktanken. En første olieudskiller tager langt den største mængde af olie, idet alle større oliedråber automatisk fanges og kombineres og løber ned i oliesumpen. Det er vigtigt, at disse store oliedråber fanges, inden kølemidlet med iblandet olie passerer en anden olieudskiller, fordi denne olieudskiller traditionelt indeholder et 20 meget fint net, som hurtigt ville stoppe fuldstændigt til, hvis der var større oliepartikler i kølemidlet. Men ud fra at de større oliedråber for længst er fjernet, således at der måske kun er fa procent af den samlede oliemængde tilbage, opnås en virkelig effektiv olieudskillelse i den anden olieudskiller. Den sidste olieudskillelse sker i forbindelse med faktisk kondensering af kølemidlet. Små oliedråber, som eventuelt stadigvæk 25 strømmer sammen med det gasformige kølemiddel vil automatisk tilsvarende ende i det flydende kølemiddel, hvor olien har en anden vægtfylde end kølemidlet, hvorefter olien kan separeres. Specielt hvis kølemidlet har lavere vægtfylde end olien kan kølemidlet aftappes over det faktiske bundniveau for kølemiddel. Derved kan man opnå opsamling af olie under kølemidlets bundniveau. Således kan denne olie aftappes og 30 returneres til kompressoren.

En olie/kølemiddel-blanding, som er opkoncentreret ved fordampning afkølemiddel i oliekølerbeholder (22), aftappes gennem mindst en ventil (25) og returneres til kom 4 DK 177591 B1 pressoren (4). Der er tale om en meget lille oliemængde, således at ventilen kun skal åbnes kortvarigt med lange tidsintervaller imellem. Herved kan opnås at olieniveauet i oliekølertanken forbliver lavt, således at oliekølerens varmeveksler er helt omgivet af kølemiddel.

5

Oliekøleren kan være integreret i beholderen. Ved at integrere oliekøleren i den eksisterende kondenseringstank kan man opnå yderligere kompakt opbygning af selve systemet. Tilførsel af kølemiddel til oliekølertanken er nødvendig, men dette kan ske ved rørtilslutninger.

10

Varmeveksleren kan køles af det første gennemstrømmende kølemedie, hvilken varmeveksler indeholder et antal rør som gennemstrømmes af det første kølemedie. Med fordel kan selve kondenseringsenheden være dannet som en krans af langsgående rør, som gennemstrømmes af det første kølemiddel, således at kondensering foregår ved 15 gassens passage mellem rørene. En yderligere nedkøling af det flydende kølemiddel, inden kølemidlet forlader kondenseringsenheden kan medføre en øget virkningsgrad af hele kølesystemet.

Varmeveksleren køles af det første gennemstrømmende kølemedie, hvilken varme-20 veksler er udformet som en pladevarmeveksler. Som alternativ til benyttelse af et antal rør kan der i stedet anvendes en pladevarmeveksler. Pladevarmevekslere er ganske almindelig teknologi, som giver en meget stor overflade til varmeudveksling mellem primære og sekundære medier.

25 Med fordel kan kølesystemet anvendes til et varmepumpesystem. Kondenseringsvarmen kan anvendes til opvarmning. Et varmepumpesystem som anvender denne opfindelse vil være yderst effektivt, fordi den varme, der afgives, ved oliekøling, sammen med kondenseringsvarmen vil overføres til det medie, der gennemstrømmer kondenseringsvarmeveksleren.

30

Som et alternativ kan opfindelsen anvendes til nedkøling. Kølesystemet kan opbygges med en høj virkningsgrad, fordi både kølemiddel og olie nedkøles effektivt.

5 DK 177591 B1 Kølesystemet kan danne et kombineret køle- og varmepumpesystem. Med fordel kan denne opfindelse anvendes enten til et varmepumpesystem eller til et kølesystem eller til en kombination af begge systemer. Det første kølemiddel, som anvendes til kondensering vil modtage en ret stor varmemængde, og afhængig af trykforholdene kan 5 man forestille sig en opvarmning til en temperatur mellem 50 og 70 grader C. Derved kan denne kondenseringsvarme anvendes til fx varmtvandsproduktion eller rumopvarmning. Tilsvarende vil der produceres kondenseret kølemiddel i en mængde, således at et større kølesystem kan anvendes. En alternativ mulighed vil være at anvende dette system til et større aircondition-system.

10

Kondenseringsbeholder og oliékølerbeholder kan være integreret i en fælles indeslutning, som er indeholdt i den trykbærende beholder. Herved kan kondenseringsbeholder og oliekølerbeholder fremstilles som en samlet enhed, som er udsat for tilnærmelsesvis same tryk indvendigt og udvendigt.

15

Opfindelsen omfatter ligeledes en fremgangsmåde til olieudskillelse, kondensering og oliekøling i et system, hvor olieudskilning, kondensering og oliekøling sker ved en sekvens af procestrin: 20 a: komprimeret kølemiddel ledes ind i tryktanken, b: kølemidlet passerer den første indvendige flade af tryktanken og ydersiden af kondenseringstanken .

25 c: kølemidlet med en olie rest suges ind i kondenseringsbeholderen, d: kølemidlet med en olierest kondenseres ved varmeveksling med et første kølemedie e: olie udskilles, hvorved der sker en opkoncentrering a olie i oliekølerbeholderen, 30 f: kondenseret kølemiddel strømmer ud af kondenseringsbeholderen gennem udløbet, 6 DK 177591 B1 g: olie ledes fra oliesump gennem oliekølerens varmeveksler og rørforbindelse retur til kompressoren.

h: kølemiddel i oliekølerbeholderen fordampes ved kontakt med den varme olie, som 5 strømmer i oliekølervarmeveksleren, hvorved olie i oliekølervarmeveksler afkøles, i: fordampet kølemiddel fra oliekøling ledes til kondensatorvarmeveksleren, hvor kølemidlet genkondenseres.

10 Ved den anførte fremgangsmåde er beskrevet en yderst effektiv metode til at kombinere olieudskillelse, kondensering og oliekøling.

Tegningsbeskrivelse

Fig. 1 viser en mulig udførelsesform ifølge opfindelsen.

Fig. 2 viser en første mulig udførelsesform for en kombineret kondenserings- og olie-15 udskilningsenhed.

Detaljeret beskrivelse af opfindelsen

Fig. 1 viser en mulig udførelsesform for et kølesystem 2, som består af en kompressor 4, der har en sugeledning 6 og en trykafgang 8. Trykafgang 8 forbindes til en konden-20 seringsenhed 10, der her er vist som en varmeveksler, som har en forbindelse 32 til et eksternt kølemedie. Fra kondenseringsenheden 10 ledes flydende kølemiddel gennem en rørledning 12 frem til et restriktionselement 14, som typisk vil være udformet som en ekspansionsventil, hvorfra ekspanderet kølemiddel ledes til mindst en fordamper 16. Denne fordamper 16 har en forbindelse til kompressorens sugegastilslutning 6.

25

Kompressoren 4 tryksætter kølemidlet således, at gasformigt kølemiddel som suges gennem sugeledning 6 og forlader kompressoren under et væsentligt højere tryk gennem trykafgang 8. Der findes en lang række forskellige kølekompressorer, som alle i princippet kan være udtrykt ved kompressor 4. Der kan være tale om et- eller fler-30 stemplede kompressorer, der kan være tale om scroll-kompressorer, eller der kan være tale om skruekompressorer. Derudover findes fx almindeligt kendt fra automobilaircondition stempelkompressorer, som drives af en roterende skråskive. Kølemiddel 7 DK 177591 B1 under højt tryk ledes således gennem trykafgang 8 frem til kondenseringsenhed 10.

Her vil der ske en væsentlig afkøling af den varme trykgas, således at trykgassen kondenserer til væske. Kølemiddel på væskeform forlader herefter kondenseringsenheden gennem forbindelsen 12 og når frem til restriktionselementet 14. Der findes forskelli-5 ge former for restriktionselementer; traditionelt anvendes kapillarrør, som restriktionselement i små kølesystemer, medens der, så snart kølesystemer kommer over en vis størrelse, anvendes automatisk virkende ekspansionsventiler. Mange ekspansionsventiler styres af fordamperen 16’s overhedning, idet en måling af tryk eller temperatur på fordamperens afgang føres tilbage til ekspansionsventilen 14, således at der 10 sikres en overhedning for beskyttelse af kompressoren. Andre ekspansions ventiler er elektronisk styrede, og der anvendes meget avancerede styringsalgoritmer for at tilpasse optimalt kølemiddel-flow gennem fordampere. Kølemidlet forlader restriktionselement 14 og passerer ind gennem en eller flere fordampere 16. Det er underforstået, at der kan findes et stort antal ekspansionsventiler 14, som arbejder parallelt og hver 15 styrer en eller flere fordampere. Fordampere findes i forskellige former, og i fordamperen opvarmes kølemidlet, således at kølemidlet fordamper. I visse tilfælde anvendes oversvømmede fordampere hvor fordamperne er helt væskefyldte, og kølemidlet koger indvendigt i fordamperen, og kun gasformigt kølemiddel suges tilbage til kompressoren. Herved er der risiko for opsamling af olie i bunden af en oversvømmet for-20 damper, og enten kræves et system til olieudtømning eller en meget effektiv olieudskilning, som er beskrevet i denne patentansøgning.

Fig. 2 viser en kombineret enhed til olieudskillelse, kondensering og oliekøling. Fig. 2 viser således en kondenseringsenhed 10, som er udformet indeni en fælles tryktank 25 26. Tryktanken kan indeholde en første olieudskiller 18 og en efterfølgende olieud skiller 20. Oliekølerbeholder 22 er vist under kondenseringstanken. Olien samles i en oliesump 28, hvor der gennem en studs 37 suges olie gennem oliekølervarmeveksle-ren 34, inden olien sendes retur til kompressoren gennem en rørledning 42. Kølemidlet suges gennem den sekundære olieudskiller 20 gennem en sugeledning 29 ind i en 30 kondenseringsbeholder 30.

Kondenseringsbeholderen indeholder en varmeveksler, der kan være udformet som en kølespiral 31, som gennemstrømmes af eksternt kølemiddel 32. Indvendig i kondense- 8 DK 177591 B1 ringsenheden 30 er vist et væskeniveau 35. Flydende kølemiddel forlader kondense- _ ringsenheden 30 gennem en rørledning 31, hvor flydende kølemiddel kan ledes mod en flow-restriktionsenhed, typisk i form af en ekspansionsventil. Samtidig med at der sker kondensering i kondenseringsbeholderen 30 afkølemiddel, så vil den gasformige 5 olie, som eventuelt stadig er indeholdt i kølemidlet ligeledes kondensere. Olien har større vægtfylde end kølemidlet og søger derfor mod bunden af kondenseringstanken 30, hvor olien og kølemiddel gennem åbninger 33 opfylder en oliekølertank 22. Fra oliekølertanken 22 kan olie aftappes gennem rørledning 24, eventuelt gennem en ventil 25.

10

Ved anvendelse af opfindelsen som beskrevet kan olien afkøles til en optimal temperatur til indsugning i en skruekompressor. Hvis olien indledes i skruekompressoren i nærheden at sugegassens indløb, så bliver olien suget automatisk ind i kompressoren. Olien bør være så kold, at olien ikke opvarmer sugegassen, fordi en udvidelse af kø-15 lemidlet nedsætter kompressorens virkningsgrad.

Med en yderligere nedkøling af olien, inden denne olie returneres til kompressoren kan man tilpasse olietemperaturen til den optimale temperatur i forhold til fx en skruekompressor. Valg af olietemperatur til en skruekompressor er altid forbundet 20 med op til flere kompromisser. Olien skal have tilstrækkelig høj temperatur til at have god smøreegenskab, men samtidig en så lav temperatur, at der ikke sker unødig opvarmning af kølemidlet, som derved vil ekspandere, og virkningsgraden i kompressoren reduceres. Det vil være muligt ved en kontrolleret blanding mellem afkølet olie og varm olie aftappet fra oliesumpen at opnå en perfekt temperatur for en skruekompres-25 sor.

Claims (10)

1. Kølesystem (2) som består af mindst en kompressor (4), hvilken kompressor (4) har mindst en sugetilslutning (6) og mindst en trykafgang (8), hvilket kølesystem (2) indeholder mindst en kondenseringsenhed (10), hvilken kondenseringsenhed (10) med 5 en kølemiddelforbindelse (12) er forbundet til mindst et restriktionselement (14), hvilket restriktionselement (14) har forbindelse til mindst en fordamper (16), hvilken fordamper (16) står i forbindelse med kompressorens (4) sugetilslutning (6), hvilken kondenseringsenhed (10) indeholder mindst en olieudskiller (18,20), fra hvilken olieudskiller (18,20) olie føres gennem en rørforbindelse (24) retur til kompressoren (4), 10 kendetegnet ved, at kondenseringsenhed (10) og olieudskiller (18,20,22) er integreret i en fælles tryktank (26), hvilken tryktank (26) indeholder mindst en oliesump (28), hvilken tryktank (26) indeholder en kondenseringsbeholder (30), hvilken kondenseringsbeholder (30) nedkøles af en varmeveksler, hvilken varmeveksler gennemstrømmes af et første kølemedie (32), hvilken kondenseringsbeholder (30) samvirker med 15 en oliekøler (22,42), hvilken oliekøler (22,42) er udformet som en beholder (22) med integreret varmeveksler (42), hvilken oliekøler (22,42) er placeret i forbindelse med kondenseringsbeholderen (30), hvor der er etableret en væske- og gasforbindelse mellem bunden af kondenseringsbeholderen (30) og oliekøleren (22,42), fra hvilken oliesump (28) i bunden af den fælles tryktank (26) ledes olie gennem oliekølerens varme-20 veksler (42) retur til kompressoren (4).

2. Kølesystem ifølge krav 1, kendetegnet ved, at en olie/kølemiddel-blanding, som er opkoncentreret ved fordampning af kølemiddel i oliekølerbeholder (22), fra hvilken oliekølerbeholder (22) olie/kølemiddel-blandingen ledes gennem mindst en ventil (25) 25 retur til kompressoren (4).

3. Kølesystem ifølge krav 2, kendetegnet ved, at oliekøleren (22,42) er integreret i beholderen (30). 30

4. Kølesystem ifølge et af kravene 1 -3, kendetegnet ved at varmeveksleren (31) køles af gennemstrømmende kølemedie (32), hvilken varmeveksler indeholder et antal rør, som gennemstrømmes afkølemedie (32). 10 DK 177591 B1

5. Kølesystem ifølge et af kravene 1-3, kendetegnet ved at varmeveksleren køles af gennemstrømmende kølemedie (32), hvilken varmeveksler er udformet som en pladevarmeveksler. 5

6. Kølesystem ifølge et af kravene 1-5, kendetegnet ved at kølesystemet danner et varmepumpesystem.

7. Kølesystem ifølge et af kravene 1-5, kendetegnet ved at kølesystemet anvendes 10 som et system til nedkøling.

8. Kølesystem ifølge et af kravene 1-5, kendetegnet ved at kølesystemet danner et kombineret køle- og varmepumpesystem. 15 9. Kølesystem ifølge et af kravene 1-8, kendetegnet ved at kondenseringsbeholder (30) og oliekølerbeholder (22) er integreret i en fælles indeslutning (22,30) som er indeholdt i den trykbærende beholder (26).

9 DK 177591 B1

10. Fremgangsmåde til kondensering og olieudskillelse og oliekøling i et system som 20 beskrevet i kravene 1-9, hvor olieudskilning, kondensering og oliekøling sker ved en sekvens af procestrin: a: komprimeret kølemiddel ledes ind i tryktanken (26) 25 b: kølemidlet passerer den indvendige flade af tryktanken (26) og ydersiden af kondenseringstanken (30). c: kølemidlet med en olierest suges ind i kondenseringsbeholderen (30), 30 d: kølemidlet med en olierest kondenseres ved varmeveksling med et første kølemedie e: olie udskilles, hvorved der sker en opkoncentrering af olie i oliekølerens beholder (22) DK 177591 B1 π f: kondenseret kølemiddel strømmer ud af kondenseringsbeholderen (30) gennem udløbet (31), 5 g: olie ledes fra oliesump (28) gennem varmeveksler (42) og rørforbindelse (40) retur til kompressoren (4). h: kølemiddel i oliekølerbeholder (22) fordampes ved kontakt med den varme olie, som strømmer i varmeveksleren (42), hvorved olie i varmeveksler (42) afkøles, 10 i: fordampet kølemiddel fra oliekøling ledes til kondensatorvarmeveksleren (31), hvor kølemidlet genkondenseres.