EP1709372B1 - Hocheffiziente verdampfung bei kälteanlagen mit dem dazu nötigen verfahren zum erreichen stabilster verhältnisse bei kleinsten und/oder gewünschten temperaturdifferenzen der zu kühlenden medien zur verdampfungstemperatur - Google Patents

Hocheffiziente verdampfung bei kälteanlagen mit dem dazu nötigen verfahren zum erreichen stabilster verhältnisse bei kleinsten und/oder gewünschten temperaturdifferenzen der zu kühlenden medien zur verdampfungstemperatur Download PDF

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EP1709372B1 EP04705750A EP04705750A EP1709372B1 EP 1709372 B1 EP1709372 B1 EP 1709372B1 EP 04705750 A EP04705750 A EP 04705750A EP 04705750 A EP04705750 A EP 04705750A EP 1709372 B1 EP1709372 B1 EP 1709372B1
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evaporation
evaporator
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    • F25B2700/21—Temperatures
    • F25B2700/2115—Temperatures of a compressor or the drive means therefor
    • F25B2700/21151—Temperatures of a compressor or the drive means therefor at the suction side of the compressor

Definitions

  • the dry expansion operation in which the refrigerant undergoes a pressure reduction via an injection valve and the liquid state in a liquid / vapor mixture to completely evaporate in the evaporator, and then leave the evaporator with slightly superheated steam and so on Heat absorption a second medium cools down and secondly, the Thermosyphon ses in which the refrigerant is supplied via a balancing and separation vessel to the evaporator either by gravity or by means of a pump liquid and where at the evaporator outlet may still contain liquid fractions in the steam and so in the Usually there is no overheating of the refrigerant at the evaporator outlet.
  • Dry expansion systems have the advantage of simple design and small refrigerant contents.
  • the evaporator efficiency is essentially influenced by the smallest possible overheating of the evaporator.
  • Our innovation relates first to the dry expansion system (6) (1), to the dry expansion system (6) (1) with downstream IWT (2) (internal heat exchanger, ie with a heat exchange between the refrigerant liquid line before the expansion valve on the one hand and the suction steam after the evaporator on the other hand), to the two-stage evaporation system (6) (1 + 2) (a combination of dry expansion system and thermosyphon system, evaporator with IWT) and other refrigerators constructed on this basis.
  • IWT internal heat exchanger, ie with a heat exchange between the refrigerant liquid line before the expansion valve on the one hand and the suction steam after the evaporator on the other hand
  • x value is the value which indicates the proportion of the already vaporized refrigerant at the beginning of the evaporation process) of the refrigerant state in the injection valve (6 ) and in the evaporator start (1), which has an impact on the injection valve (6) and evaporator performance (1) and the control behavior of the injection valve (6) and its performance, respectively, the delivered refrigerant mass flow and on the other hand the suction steam at the inlet to the compressor (5 ), where the changed temperature (B), because of the specific temperature associated with the respective temperature (and pressure), has an influence on the delivery volume of the compressor (5), ie in turn on the delivered mass flow.
  • the aim of the invention is to achieve in cooling / Tiefkühlangel, chillers for cooling and heating operation, refrigeration systems, refrigeration sets, heat pumps and all systems with the use of refrigerants and Kälteträgem following:
  • the temperature of the refrigerant upstream of the injection valve (6) (A) is kept constant at a defined temperature value (A).
  • this temperature difference can be smaller than when the refrigerant leaves the evaporator (1) "overheated" (P8 / T22) during dry expansion operation.
  • the stabilization of the refrigerant liquid temperature upstream of the injection valve (A) takes place via storage, latent storage, inertial or storage masses (13).
  • New in the invention is that the refrigerant liquid temperature, especially in the two-stage evaporation process (1 + 2) before the injection valve (6) (A) at a very low value, near or on the left limit curve of the log (p), h Diagrarnms for refrigerant, (The refrigerant thus occurs liquid as in a thermosyphone system or with a minimum vapor content in the evaporator (1)) is kept constant.
  • the invention is based on the fact that the refrigerant liquid temperature upstream of the injection valve (A) is kept constant at an arbitrary value by appropriate measures (within the physically possible, however, as far as possible up to the physical limits).
  • valves, heat exchangers, etc. can be used individually or in any possible combination. Further representations will be omitted and refer to the text!
  • the invention is based on the fact that by means of suitable measures a stable operation of cooling systems is achieved with small temperature differences of the media to be cooled and thus higher efficiencies (and thereby highly efficient evaporation in refrigeration systems).
  • the method of cooling is supplemented or changed to the effect that in addition to the controlled suction and high pressures in refrigeration systems, the temperature of the liquid refrigerant before the injection valve (A) is kept constant.
  • Controlling the refrigerant temperature upstream of the injection valve (A) results in defined states in the refrigerant mixture (liquid / vapor). These defined conditions in the refrigerant lead to stable conditions in the refrigeration cycle.
  • This temperature (A) and the associated refrigerant conditions can be controlled and stabilized in many possible ways.

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Description

    Technisches Gebiet:
  • Kälteerzeugungsanlagen in Kühl- und Tiefkühlanlagen, Kältetechnik, Kältemaschine für Kühl- und Heizbetrieb, Kälteanlagen, Kältesätze, Wärmepumpen, Klimaanlagen und weitere.
    • Stand der Technik:
  • Bekannt in der Kältetechnik ist erstens der Trockenexpansionsbetrieb, bei dem das Kältemittel über ein Einspritzventil eine Druckreduktion erfährt und vom flüssigen Zustand in ein Flüssig/Dampfgemisch übergeht, um im Verdampfer vollständig zu verdampfen, um dann mit leicht überhitztem Dampf den Verdampfer zu verlassen und so durch Wärmeaufnahme ein zweites Medium herunterkühlt und zweitens, der Thermosyphonbetrieb, bei dem das Kältemittel über ein Ausgleichs- und Abscheidegefäss dem Verdampfer entweder mittels Schwerkraft oder mit Hilfe einer Pumpe flüssig zugeführt wird und wo beim Verdampferaustritt durchaus noch Flüssigkeitsanteile im Dampf enthalten sein können und so in der Regel keine Überhitzung des Kältemittels am Verdampferaustritt entsteht.
  • Allen diesen Systemen haften unter Praxisbedingungen mehr oder weniger grosse Nachteile an, welche wir durch unsere Erfindung eliminieren und somit beträchtlich Energie- und Kosteneinsparungen erzielen.
  • Trockenexpansionssysteme haben den Vorteil einfacher Bauart und kleinen Kältemittelinhalten.
  • Der Verdampferwirkungsgrad wird im Wesentlichen beeinflusst durch eine möglichst kleine Verdampferüberhitzung.
  • Für den Verdichter ist dies aber von Nachteil und er verlangt eine entsprechend hohe Überhitzung (Liefergradverbesserung, Schmierung, etc.).
  • Der Schnittpunkt dieser beiden Forderungen (optimale Überhitzung für den Verdampfer und Verdichter, welche gegensätzlich optimal sind) gibt die maximale Anlagenkennlinie (wirtschaftlichster Betrieb).
  • Durch unsere Erfindung gelingt es erstmals, diese Abhängigkeit zwischen kleinster Überhitzung für den Verdampfer und grosser Überhitzung für den Verdichter zu durchbrechen.
  • Dabei wird erreicht, den Prozess für eine gegebene Kälteleistung Qo mit dem dafür benötigten kleinsten physikalisch möglichen Massenstrom zu fahren, was zu erheblichen wirtschaftlichen und energetischen Vorteilen führt.
  • Unsere Innovation bezieht sich erstens auf das Trockenexpansionssystem (6) (1), auf das Trockenexpansionssystem (6) (1) mit nachgeschaltetem IWT (2) (Interner Wärmeaustauscher, also mit einem Wärmeaustausch zwischen Kältemittelflüssigkeitsleitung vor dem Expansionsventil einerseits und dem Saugdampf nach dem Verdampfer andererseits), auf das Zweistufenverdampfungssystem (6) (1 + 2) (einer Kombination von Trockenexpansionsystem und Thermosyphonsystem, Verdampfer mit IWT) und weitere auf dieser Basis aufgebauter Kälteanlagen.
  • Allen diesen Systemen sind je nach Betriebsbedingungen relativ grosse Temperaturschwankungen kältemittelseitig vor dem Einspritzventil (6) (A) und vor dem Verdichter (5) (B) eigen.
  • Diese Temperaturen des Kältemittels (vor dem Einspritzventil (A) und vor dem Verdichter (B)) werden heute nicht konstant gehalten oder exakt geregelt.
  • Oft wird, wenn überhaupt, nur der Hoch- oder Saugdruck (Pc/Po) geregelt und/oder konstant gehalten.
  • Dies führt zu mehr oder weniger grossen Schwankungen und Rückkoppelungen (Aufschaukeln) des Kältesystems und somit zu Verlusten im Wirkungsgrad und unstabilen Regelkreisen.
  • Die hauptsächlichen Faktoren für diese Schwankungen sind einerseits der sich mit der veränderten Temperatur des Kältemittels (A) veränderte x-Wert (x-Wert ist der Wert, welcher den Anteil des bereits verdampften Kältemittels am Anfang des Verdampfungsprozesses angibt) des Kältemittelzustandes im Einspritzventil (6) und im Verdampferanfang (1), was Auswirkungen auf die Einspritzventil- (6) und Verdampferleistung (1) sowie das Regelverhalten des Einspritzventils (6) und dessen Leistung, respektive den geförderten Kältemittelmassenstrom hat und andererseits beim Saugdampf am Eintritt in den Verdichter (5), wo die veränderte Temperatur (B), wegen dem der jeweiligen Temperatur (und Druck) zugeordneten spezifischen Volumen, einen Einfluss auf das Fördervolumen des Verdichters (5), also wiederum des geförderten Massenstroms, hat.
  • Diese sich infolge von Temperaturänderungen ständig verändernden Massenströme bringen mehr oder weniger grosse Störfaktoren in den Regelkreis der Kälteanlage ein, was zu Schwankungen im Prozess und somit zu Leistungsverminderungen führt.
  • Aus der US-A-5,533,352 ist eine Klimaanlage mit einem Wärmetauscher mit forcierter Luftkühlung bekannt, bei der die Temperatur des flüssigen Kältemittels als Indikator für die Aussentemperatur herangezogen wird und sich damit naturgemäss mit der Aussentemperatur ändert (siehe die dortigen Fig. 6 oder 7).
  • Aus der US-B1-6,293,123 ist eine Klimaanlage für ein elektrisches Automobil bekannt, bei dem die Temperatur des Kältemittels vor einer Entspannungsvorrichtung (27) gemessen und die Öffnung der Entspannungsvorrichtung nach Massgabe des Messergebnisses so gesteuert wird, dass die Temperatur des Kühlmittels am Ausgang eines vorgängigen Superkühlers geregelt ist. Diese Regelung ändert jedoch auf unerwünschte Weise den Massenstrom des Kühlmittels.
    • Detaillierte Darstellung der Erfindung:
  • Ziel der Erfindung ist es, bei Kühl-/Tiefkühlänlagen, Kältemaschinen für Kühl- und Heizbetrieb, Kälteanlagen, Kältesätzen, Wärmepumpen und allen Anlagen mit Einsatz von Kältemitteln und Kälteträgem folgendes zu erreichen:
  • Einen stabilen Betrieb der Anlage dadurch, dass:
  • Die Temperatur des Kältemittels vor dem Einspritzventil (6) (A) auf einen definierten Temperaturwert (A) konstant gehalten wird."
  • Diese, Massnahme mit einer Trockenexpansionsventilsteuerung (6) herkömmlich nach MSS (minimalstem stabilem Signal) (P8/T22) mit oder ohne IWT (interner Wärmeaustauscher) (2) nach dem Verdampfer (1) (T22/P8) oder nach dem IWT (2) (T23/P9) gemessen oder mit der Temperatur (Druckdifferenzmessung) zwischen Flüssigkeitsleitung vor dem Einspritzventil (6) (T20) und Druck- oder Temperaturmessung nach dem Einspritzventil (6) (P7) (T21) dem Verdampfer (1) (P8) (T22) oder dem IWT (2) (P9) (T23), der sogenannten Zweistufenverdampferregelung (T20/P7) (T20/P8) oder (T20/P9) oder mit neuen Expansionsventilregelungen nach Druckdifferenz (7) über den Verdampfer (1), den IWT (2), den Verdampfer und den IWT (1 + 2) oder über eine Niveauregelung (7) über den Verdampfer (1), den IWT (2), den Verdampfer und den IWT (1 + 2) oder eine entsprechende Referenzgrösse (z.B. Sammler) kombiniert zum Ziel führt.
  • Die Kältemittelflüssigkeitstemperaturkonstanthaltung vor dem Einspritzventil führt zu einem stabilen Betrieb der Kälteanlagen (auch mit grossen Leistungsänderungen).
  • Kommt dabei ein Zweistufenverdampfer (1 + 2) zum Einsatz, können zusätzlich kleinste Temperaturdifferenzen zwischen dem zu kühlenden Medium einerseits (C/D) und der Verdampfungstemperatur to (Saugdruck) andererseits erzielt werden.
  • Diese Temperaturdifferenz kann in jedem Fall kleiner sein als wenn das Kältemittel bei Trockenexpansionsbetrieb den Verdampfer (1) "überhitzt" (P8/T22) verlässt.
  • Neu an unserer Erfindung ist, dass die Temperatur des flüssigen Kältemittels vor dem Einspritzventil auf einen vorgegebenen Wert (A) konstant gehalten wird.
  • Erfindungsgemäss erfolgt die Stabilisierung der Kältemittelflüssigkeitstemperatur vor dem Einspritzventil (A) über Speicher, Latentspeicher, Trägheits- oder Speichermassen (13).
  • Neu bei der Erfindung ist, dass die Kältemittelflüssigkeitstemperatur vor dem Einspritzventil (6) (A)auf diese Weise konstant gehalten wird.
  • Neu bei der Erfindung ist, dass die Kältemittelflüssigkeitstemperatur speziell beim Zweistufenverdampfungsprozess (1 + 2) vor dem Einspritzventil (6) (A) auf einem sehr tiefen Wert, nahe oder auf der linken Grenzkurve des log (p), h-Diagrarnms für Kältemittel, (das Kältemittel tritt also flüssig wie bei einem Thermosyphonsystem oder mit minimalem Dampfgehalt in den Verdampfer (1)) konstant gehalten wird.
  • Die Erfindung beruht im Wesentlichen darauf, dass durch geeignete Massnahmen die Kältemittelflüssigkeitstemperatur vor dem Einspritzventil (A) auf einem beliebigen Wert, (innerhalb des physikalisch Möglichen aber bei Bedarf bis an die physikalischen Grenzen gehend), konstant gehalten wird.
  • Durch die konstante Temperatur des Kältemittels an diesem Punkt im Kältesystem (Kältemittelflüssigkeit vor dem Einspritzventil (A) wird ein stabiler Betrieb und wenn gewünscht, kleinste Temperaturdifferenzen zwischen den zu kühlenden Medien (Ein-/ Austrittstemperatur (C/D) einerseits und Eintritts- und/oder Austrittstemperatur zur Verdampfungstemperatur (C/D zu to) andererseits) erreicht.
    • Aufzählung der Zeichnungen:
    • Fig. 1: Mögliche Lösungen zur Kontrolle der Kältemitteltemperaturen vor dem Einspritzventil bei Trockenexpansionsbetrieb mit IWT und oder Zweistufenverdampfung mit externem Unterkühler und Speicher- oder Trägheitsmasse zur Temperaturkonstanthaltung des Kältemittels vor dem Einspritzventil anstelle des Wärmetauschers.
    • Fig. 2: log (p), h-Diagramm
  • Die Zeichnungen erläutern den Sinn und erheben keinen Anspruch auf Vollständigkeit. Die Ventile, Wärmetauscher, etc. können einzeln oder in jeder möglichen Form kombiniert zum Einsatz kommen. Auf weiter Darstellungen wird verzichtet und auf den Text verwiesen!
    • Ausführung der Erfindung:
  • Die Erfindung beruht darauf, dass mittels geeigneter Massnahmen ein stabiler Betrieb von Kühlanlagen bei kleinen Temperaturdifferenzen der zu kühlenden Medien und somit höheren Wirkungsgraden (und dadurch hocheffiziente Verdampfung in Kälteanlagen) erzielt wird.
  • Das Verfahren der Kälteerzeugung wird dahingehend ergänzt oder geändert, dass neben den kontrollierten Saug- und Hochdrücken in Kältesystemen neu die Temperatur des flüssigen Kältemittels vor dem Einspritzventil (A) konstant gehalten wird.
  • Durch das Kontrollieren der Kältemitteltemperatur vor dem Einspritzventil (A) ergeben sich definierte Zustände im Kältemittelgemisch (Flüssig/Dampf). Diese definierten Zustände im Kältemittel führen zu stabilen Verhältnissen im Kältekreislauf.
  • Durch das Stabilisieren dieser Temperatur und der damit Verbundenen jeweiligen Zustände des jeweiligen Kältemittels an diesem Punkt im Kältekreislauf erzielen wir stabile Verhältnisse und verhindern Rückkoppelungen in der Regeltechnik und ein Aufschaukeln des Systems und somit weniger Störgrössen was zu einem stabilen Regelkreis und somit zu einem stabilen Betrieb der Kälteanlagen und somit zu einer hocheffizienten Verdampfung führt.
  • Durch den gewonnenen stabileren Betrieb ergeben sich Energie- und Kostenersparnisse und es wird möglich, speziell in Kombination mit der Zweistufenverdampfungstechnik (1 + 2) Prozesse mit wesentlich kleineren Temperaturdifferenzen der zu kühlenden Medien zu den jeweiligen Verdampfungstemperaturen, zu fahren.
  • Dadurch können Prozesse auf einfache und kostengünstige Weise gefahren werden, welche heute in dieser Art nicht möglich sind.
  • Diese Temperatur (A) und die dazugehörenden Kältemittelzustände können auf viele mögliche Arten kontrolliert und stabilisiert werden.
  • Zur Temperaturkontrolle des Kältemittels vor dem Einspritzventil wird
    die Temperatur des flüssigen Kältemittels vor dem Einspritzventil mit einer Masse (13) (flüssig, fest, gasförmig oder gemischt zwischen diesen Aggregatszuständen) konstant (träge) gehalten.

Claims (1)

  1. Kälteanlage, welche einen mit einem Kältemittel arbeitenden Kältekreislauf mit einem Verdichter (5), einem Einspritzventil (6) und einem Verdampfer (1, 2) umfasst, wobei das gasförmige Kältemittel im Verdichter (5) verzichtet, anschliessend durch Abkühlung verflüssigt, das flüssige Kältemittel im Einspritzventil (6) entspannt und anschliessend im Verdampfer (1, 2) in den gasförmigen Zustand zurückgeführt wird, wobei zum Erreichen stabiler Verhältnisse im Regel- und Kältekreislauf vor dem Einspritzventil (6) Mittel (13) zum Konstanthalten der Kältemittelflüssigkeitstemperatur angeordnet sind,
    dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zum Konstanthalten der Kältemittetflüssigkeitstemperatur vor dem Einspritzventil (6) eine von einer Speichermasse umgebene Flüssigkeitsleitung (13) umfassen.
EP04705750A 2004-01-28 2004-01-28 Hocheffiziente verdampfung bei kälteanlagen mit dem dazu nötigen verfahren zum erreichen stabilster verhältnisse bei kleinsten und/oder gewünschten temperaturdifferenzen der zu kühlenden medien zur verdampfungstemperatur Expired - Lifetime EP1709372B1 (de)

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