EP3329191A1 - Vorrichtung und verfahren zum durchführen eines kaltdampfprozesses - Google Patents

Vorrichtung und verfahren zum durchführen eines kaltdampfprozesses

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EP3329191A1
EP3329191A1 EP16748095.3A EP16748095A EP3329191A1 EP 3329191 A1 EP3329191 A1 EP 3329191A1 EP 16748095 A EP16748095 A EP 16748095A EP 3329191 A1 EP3329191 A1 EP 3329191A1
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EP
European Patent Office
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fluid
mass flow
expander
evaporator
high pressure
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EP16748095.3A
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EP3329191B1 (de
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Joerg Nickl
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Bitzer Kuehlmaschinenbau GmbH and Co KG
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Bitzer Kuehlmaschinenbau GmbH and Co KG
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Definitions

  • the present invention relates to an apparatus and a method for performing a cold vapor process.
  • An apparatus for performing a cold vapor process comprises a main engine-driven compressor configured to draw a mass flow of a refrigerant fluid at evaporator pressure level and to compress this mass flow to a high pressure level.
  • a high-pressure heat exchanger is provided to the
  • Mass flow of the fluid which is at high pressure level, to cool, to increase a density thereof and to reduce a temperature of the fluid by the cooling.
  • the coming from the high-pressure heat exchanger mass flow of the fluid is working in an expander on
  • Evaporator is designed to absorb heat so that the density of the fluid as it passes through the evaporator decreases and the temperature of the coming of the expander mass flow, which is on
  • Evaporator pressure level is and passes through the evaporator rises. Finally, a downstream of the high pressure heat exchanger and the
  • Expander upstream subcooler provided. After the subcooler and before the expander part of the mass flow of the fluid, which is located at high pressure level, branched off and by means of a high pressure control valve at medium pressure level, so that the fluid then absorbs heat to mid-pressure level in countercurrent in the subcooler and thereby the mass flow, the at high pressure level, subcooled in subcooler.
  • a high-pressure compressor which is mechanically directly connected to the expander, is designed to exclusively control the mass flow of the fluid passing between the subcooler and in front of the expander and countercurrent to that of the subcooler
  • High-pressure level is located, guided mass flow of medium-pressure level Compress high pressure level and mix in front of the high-pressure heat exchanger to the mass flow of the fluid coming from the motor-driven main compressor.
  • the described device is an efficient control of the high pressure, which is typically applied to the high pressure heat exchanger, the high pressure compressor and partially to the subcooler possible.
  • the high-pressure compressor additionally driven directly by the expander compresses only a separate mass flow of the fluid, the medium-pressure mass flow, the mass flow passed through the expander, which comes from the high-pressure heat exchanger, can be additionally subcooled. The exergy of the expansion is thus ultimately used for additional supercooling at high pressure or a performance of the expander serves to compress the medium-pressure mass flow in the high-pressure compressor.
  • a collector may be arranged. This is adapted to separate a liquid phase of the fluid and a vapor phase of the fluid.
  • the liquid phase of the fluid can be stored in the collector and can be relaxed to evaporator pressure via an injection valve arranged between the collector and the evaporator.
  • the vapor phase of the fluid can be relaxed via a pressure-holding valve.
  • the expanded liquid phase can be supplied to the evaporator in the mass flow, while the expanded vapor phase after the evaporator can be mixed into the mass flow of the fluid coming from the evaporator.
  • the expander and the high-pressure compressor are arranged in a common housing and form a unit, which is also referred to as "expander-compressor unit".
  • the arrangement in a single housing allows a space-saving design, in which the expander and the high pressure compressor are mechanically directly, in particular pressure-tight connected to each other.
  • a displacement ratio between the expander and the high-pressure compressor should preferably be between 0.5 and 0.75 in order to ensure an optimal course of the cold vapor process. Particularly preferably, the displacement ratio is 0.6. Basically, lower values for high he re-cooling temperatures at the outlet of Hoch Kunststofferiemreübertragres meaningful application.
  • working spaces of the expander can be controlled via a main slide and an auxiliary slide.
  • the main slide and the auxiliary slide are in this case arranged centrally between the usually inner, ie mutually facing working spaces of the expander.
  • the main slide and or or the auxiliary slide are designed as flat slide to ensure a simple and very dense operation with only a small footprint.
  • auxiliary slide of working piston is movable by two pins.
  • a piston rod which holds the working piston at a distance, releasably connected to the working piston, that is not firmly connected to these.
  • This is manufacturing technology simple yet functional, since the internal piston rod experiences only compressive forces and thus does not have to be firmly connected to the piston or. As a result, minor misalignment of housing parts can be accepted and the production is facilitated.
  • a main slide unit consisting of the main slide, a slide rod and a slide piston can also be constructed.
  • an auxiliary slide unit consisting of the auxiliary slide and the pins can be constructed in the same way.
  • a method of performing a cold vapor process comprises a step of controlling a mass flow of a fluid serving as a refrigerant, which is at an evaporator pressure level, by a motor-driven one
  • Main compressor is compressed to high pressure level. This mass flow of the fluid, which is at high pressure level, is cooled in a high pressure heat exchanger, increasing density and lowering a temperature of the fluid. The coming of the high-pressure heat exchanger fluid is working in an expander
  • the expander is mechanically connected directly to a high pressure compressor.
  • the fluid coming from the expander is passed into an evaporator where it absorbs heat, so that the density of the fluid decreases and the temperature of the mass flow of the fluid coming from the expander, which increases
  • Evaporator pressure level is increasing.
  • the fluid is passed through a subcooler, wherein between the subcooler and before the expander, a portion of the fluid from the high pressure level mass flow is diverted and expanded by means of a high pressure control valve to medium pressure level.
  • the fluid is passed in countercurrent to the passed through the subcooler mass flow, which is at high pressure level, at medium pressure level through the subcooler, wherein it absorbs heat and the mass flow, which is at high pressure level, is undercooled.
  • the fluid passes in the branched
  • the fluid is led to the expander in a collector, in which a liquid phase of the fluid is separated from a vapor phase of the fluid.
  • the liquid phase is expanded to evaporator pressure via an injection valve.
  • the vapor phase of the fluid is released via a pressure-holding valve and admixed downstream of the evaporator into the mass flow of the fluid coming from the evaporator.
  • a fluid which is also referred to as a refrigerant in this context, carbon dioxide, C0 2 , can be used because carbon dioxide is not explosive and non-combustible, but thermally stable.
  • a refrigerant its advantages include a low specific volume and a high heat transfer coefficient and low pressure losses in a flow through heat exchangers.
  • the described method can be carried out with the described device or the described device is set up to carry out the described method.
  • Fig. 1 is a schematic representation of a process control of a cold vapor process
  • FIG. 2 is a schematic view corresponding to FIG. 1 of the process control without a collector
  • Fig. 3 is a cross-sectional view of an expander-compressor unit
  • FIG. 4 is a side view of a piston rod including working piston.
  • Fig. 5 is a sectional view through one end of the expander compressor unit
  • Fig. 6 is a sectional view of a central part of the expander-compressor unit shown in Fig. 3;
  • Fig. 7 is a side view corresponding to Figure 4 of the main slide including slide rod and piston.
  • FIG. 8 is an enlarged view of the auxiliary slide including pins.
  • FIG. 9 is a view corresponding to FIG. 4 of an auxiliary slide together with pins; FIG.
  • FIG. 10 is a plan view of a sealing frame including O-rings.
  • Fig. 12 is a plan view of another sealing frame including O-ring.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a process control of a cold vapor process.
  • a low pressure circuit is shown, in which coming from a collector S through an injection valve TV, a fluid, in the illustrated embodiment, carbon dioxide, passes through an evaporator V to a motor-driven main compressor Cl.
  • the fluid compressed by the main compressor Cl mixes with a medium-pressure mass flow of the fluid compressed by a high-pressure compressor C2 in front of the high-pressure heat exchanger H, in which a higher pressure than in the collector S is maintained. From the high pressure heat exchanger H, the fluid passes through a subcooler U and the expander E back into the collector S.
  • a separate medium-pressure mass flow is compressed by the high-pressure compressor C2 driven directly by the expander E before it enters the high-pressure heat exchanger H.
  • the high-pressure compressor C2 compresses only this medium-pressure mass flow, so no fluid that is out of the medium-pressure mass flow.
  • the high-pressure heat exchanger H which is also referred to as a gas cooler or condenser
  • the fluid flowing straight from the high-pressure heat exchanger H and into a subcooler U lying between the high-pressure heat exchanger H and the expander E is divided after passing through the subcooler U. A smaller part, typically between
  • a throttle TH also referred to as a high pressure regulator.
  • the branched fluid in the subcooler U in countercurrent heat and reaches the high pressure compressor C2.
  • the high-pressure mass flow of the fluid is additionally undercooled.
  • the exergy of the expansion is thus an additional undercooling at high pressure.
  • the medium pressure mass flow compressed by the high pressure compressor C2 back to high pressure before the high pressure heat exchanger H is added to the fluid coming from the main compressor C1.
  • a pressure difference and a suction volume flow can be set freely on the high-pressure compressor C2 in accordance with an offer on the expander side. If the high-pressure control valve or throttle TH is closed, its pressure difference increases until the sketched expander compressor unit stops and no expander mass flow is no longer present. The result is an increasing high pressure. If the high-pressure control valve TH now slowly opened, the medium pressure increases again, until the expander E is running and the desired expander mass flow, high pressure and
  • the collector pressure in the collector S is selected to be sufficiently high to ensure sufficient controllability of the injection valve TV and of a pressure-maintaining valve TS arranged in a line connected between a vapor space of the collector S and downstream of the evaporator V collector and upstream of the main compressor C1.
  • Evaporator pressure allows a constant low collector pressure, regardless of the high pressure.
  • a coefficient of performance at -10 ° C. evaporation temperature and 20 ° C. ambient temperature can be reduced by approx. 15 percent compared to a simple cold steam process in which only a compressor, a high-pressure gas cooler or condenser, a throttle valve, a collector and an evaporator are used in a known manner, be increased.
  • the high pressure remains at comparable values. To get an even bigger boost, there can be more
  • Exergie pene be reduced by a two-stage compression with intermediate cooling, with a residual process or the rest of the structure remains the same.
  • FIG. 2 shows, in a view corresponding to FIG. 1, the described process control without the collector S. Recurring features are provided with identical reference symbols in this figure as well as in the following figures.
  • the expander E thus directs the fluid directly to the evaporator V, without the fluid previously passing through the collector S. Accordingly, that too
  • Figure 3 shows a side view of a cross section through an expander compressor unit from the expander E and the high pressure compressor C2, which are arranged in a common housing 10 and thus the
  • Workspace 5.2 is in each case one of two expander workrooms, while the workspace 6.1 and 6.2 is in each case one of two compressor workrooms.
  • the optimal stroke volume ratio of the illustrated unit has been found to be between 0.5 and 0.75.
  • the internal Expander working spaces 5.1 and 5.2 via a arranged in the middle part 4 auxiliary slide 9 and a main slide 8 controlled.
  • the auxiliary slide 9 is moved directly from the working piston 1 and 2 by pins 7.
  • the auxiliary slide 9 then changes a pressurization on the main spool 8, which thereby moves and controls an inflow opening and an outflow opening for the working spaces 5.1 and 5.2 of the expander E by opening and closing.
  • the main slide 8 and the auxiliary slide 9 are designed in an advantageous manner as a flat slide.
  • FIG. 5 shows a sectional view along the line B-B of FIG. 3 through an end piece of the expander-compressor unit.
  • a compressor valve configured as a ball valve is connected to an upper connection on the high-pressure side and with its lower connection to the medium-pressure level of the subcooler U.
  • FIG. 6 shows a sectional view of the central part 4 of the expander / compressor unit shown in FIG. 3 along the line A-A.
  • An upper port carries the fluid from the high pressure level of the subcooler U, while the lower port leads to the collector S.
  • the main slide 8 is over a
  • Slider rod 11 connected to a spool 12, wherein this connection is detachable. This is also shown in a side view in Figure 7, in which the main spool 8, the spool rod 11 and the spool 12 are shown as separate and separate components.
  • FIG. 9 shows, in a view corresponding to FIG. 4, the auxiliary slide 9 and the two pins 7 in a separate manner, by means of which the auxiliary slide 9 can be moved.
  • FIG. 10 shows a top view of a sealing frame 13 with two O-rings 14 and 15 for the auxiliary slide 9, which are arranged in openings in the sealing frame 13 when installed.
  • the main slide 8 together with slide rod 11 and slide piston 12 are shown in plan view along the line C-C of FIG.
  • FIG. 12 shows a further sealing frame 16 with O-ring 17 for the main slide 8.
  • the construction described just allows the use of O-rings on surfaces which are difficult to be sealed (namely around the main slide 8 and the auxiliary slide 9), so that a pocket milling is avoided by appropriate support frame.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Durchführen eines Kaltdampfprozesses. Die Vorrichtung weist einen motorbetriebenen Hauptkompressor (C1) auf, der eingerichtet ist, einen Massestrom eines als Kältemittel dienenden Fluids auf Verdampferdruckniveau anzusaugen und diesen Massestrom auf Hochdruckniveau zu komprimieren, sowie einen Hochdruckwärmeübertrager (H), der eingerichtet ist, den Massestrom des Fluids auf Hochdruckniveau zu kühlen, eine Dichte zu erhöhen und eine Temperatur des Fluids zu verringern. Außerdem ist ein Expander (E) vorgesehen, der eingerichtet ist, den von dem Hochdruckwärmeübertrager (H) kommenden Massestrom des Fluids arbeitsleistend auf Verdampferdruckniveau zu entspannen, und ein Verdampfer (V), der eingerichtet ist, Wärme aufzunehmen, so dass die Dichte des Fluids beim Durchlaufen des Verdampfers abnimmt und die Temperatur des von dem Expander (E) kommenden Massestroms auf Verdampferdruckniveau und des durch den Verdampfer (V) geführten Fluids steigen. Schließlich gibt es einen dem Hochdruckwärmeübertrager (H) nachgeschalteten und dem Expander (E) vorgeschalteten Unterkühler (U), wobei nach dem Unterkühler (U) und vor dem Expander (E) ein Teil des Fluids aus dem Masse- strom abzweigbar und mittels eines Hochdruckregelventils (TH) auf Mitteldruckniveau entspannbar ist, so dass das Fluid anschließend auf Mitteldruckniveau im Gegenstrom im Unterkühler (U) Wärme aufnimmt und hierbei den Massestrom auf Hochdruckniveau zusätzlich unterkühlt, sowie einen Hochdruckkompressor (C2), der mit dem Expander (E) mechanisch direkt verbunden ist und eingerichtet ist, ausschließlich den vor dem Expander (E) in den Unterkühler (U) abgezweigten und im Gegenstrom geführten Teil des Fluids auf Hochdruckniveau zu verdichten und vor dem Hochdruckwärmeübertrager (H) dem von dem motorbetriebenen Hauptkompressor (C1) kommenden Massestrom beizumischen.

Description

Vorrichtung und Verfahren zum Durchführen eines Kaltdampf Prozesses
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Durchführen eines Kaltdampfprozesses.
Kaltdampfprozesse mit Kohlendioxid als Kältemittel sind bekannt und werden aufgrund der günstigen Eigenschaften von Kohlendioxid im Hinblick auf den Treibhauseffekt zunehmend verstärkt eingesetzt. Die Leistungszahl eines derartigen C02-Kaltdampfprozesses durch Nutzung einer arbeitsleistenden Expansion zu erhöhen ist beispielsweise aus der Druckschrift EP 1 812 759 Bl bekannt. Nachteilig an dieser bekannten Lösung ist jedoch, dass eine komplizierte Frequenzsteuerung zur Beeinflussung des Hochdrucks verwendet wird. Darüber hinaus ist ein sogenannter hydraulischer Druckübersetzer aus Quack, H.; Kraus, W. E.: Carbon Dioxide as a Refrigerant for Railway Refrigeration and Air Conditioning, Proceedings of the IIR-Conference New Application of Natural Working Fluids in Refrigeration and Air Conditioning, Hannover, Deutschland 1994, S. 489-494 bekannt. Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Durchführen eines Kaltdampfprozesses vorzuschlagen, mit denen eine vereinfachte Steuerung und Regelung des Kalt- dampfprozesses möglich ist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Vorrichtung nach Anspruch 1 und ein Verfahren nach Anspruch 9. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
Eine Vorrichtung zum Durchführen eines Kaltdampfprozesses weist einen motorbetriebenen Hauptkompressor auf, der eingerichtet ist, einen Massestrom eines als Kältemittel dienenden Fluids, der sich auf Verdampferdruckniveau befindet, anzusaugen und diesen Massestrom auf Hochdruckniveau zu kom- primieren. Außerdem ist ein Hochdruckwärmeübertrager vorgesehen, um den
Massestrom des Fluids, der sich auf Hochdruckniveau befindet, zu kühlen, eine Dichte desselben zu erhöhen und eine Temperatur des Fluids durch das Kühlen zu verringern. Der vom Hochdruckwärmeübertrager kommende Massestrom des Fluids wird in einem Expander arbeitsleistend auf
Verdampferdruckniveau entspannt und einem Verdampfer zugeführt. Der
Verdampfer ist eingerichtet, Wärme aufzunehmen, so dass die Dichte des Fluids beim Durchlaufen des Verdampfers abnimmt und die Temperatur des von dem Expander kommenden Massestroms, der sich auf
Verdampferdruckniveau befindet und den Verdampfer durchläuft, steigt. Schließlich ist ein dem Hochdruckwärmeübertrager nachgeschalteter und dem
Expander vorgeschalteter Unterkühler vorgesehen. Nach dem Unterkühler und vor dem Expander ist ein Teil des Massestroms des Fluids, der sich auf Hochdruckniveau befindet, abzweigbar und mittels eines Hochdruckregelventils auf Mitteldruckniveau entspannbar, so dass das Fluid anschließend auf Mitteldruckniveau im Gegenstrom im Unterkühler Wärme aufnimmt und hierbei den Massestrom, der sich auf Hochdruckniveau befindet, im Unterkühler unterkühlt. Ein Hochdruckkompressor, der mit dem Expander mechanisch direkt verbunden ist, ist dazu eingerichtet, ausschließlich den zwischen dem Unterkühler und vor dem Expander abgezweigten und im Gegenstrom zu dem den Unterkühler durchlaufenden Massestrom des Fluids, der sich auf
Hochdruckniveau befindet, geführten Massestrom von Mitteldruckniveau auf Hochdruckniveau zu verdichten und vor dem Hochdruckwärmeübertrager dem von dem motorbetriebenen Hauptkompressor kommenden Massestrom des Fluids beizumischen. Durch die beschriebene Vorrichtung ist eine effiziente Regelung des Hochdrucks, der typischerweise an dem Hochdruckwärmeübertrager, dem Hochdruckkompressor und teilweise an dem Unterkühler anliegt, möglich. Dadurch, dass der zusätzlich von dem Expander direkt angetriebene Hochdruckkompressor nur einen separaten Massestrom des Fluids, den Mitteldruckmas- sestrom, verdichtet, kann der durch den Expander geführte Massestrom, der von dem Hochdruchwärmeübertager kommt, zusätzlich unterkühlt werden. Die Exergie der Expansion wird somit letztlich zur zusätzlichen Unterkühlung bei Hochdruck genutzt bzw. eine Leistung des Expanders dient dazu, den Mitteldruckmassestrom im Hochdruckkompressor zu verdichten.
Nach dem Expander (und somit vor dem Verdampfer) kann ein Sammler angeordnet sein. Dieser ist dazu eingerichtet, eine Flüssigphase des Fluids und eine Dampfphase des Fluids zu trennen. Die Flüssigphase des Fluids ist speicherbar in dem Sammler sowie über ein zwischen dem Sammler und dem Verdampfer angeordnetes Einspritzventil auf Verdampferdruck entspannbar.
Die Dampfphase des Fluids ist über ein Druckhalteventil entspannbar. Die entspannte Flüssigphase ist im Massestrom dem Verdampfer zuführbar, während die entspannte Dampfphase nach dem Verdampfer in den von dem Verdampfer kommenden Massestrom des Fluids beimischbar ist.
Es kann vorgesehen sein, dass der Expander und der Hochdruckkompressor in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet sind und eine Einheit bilden, die auch als "Expander-Kompressor-Einheit" bezeichnet wird. Durch die Anordnung in einem einzigen Gehäuse wird eine platzsparende Bauart ermöglicht, bei der der Expander und der Hochdruckkompressor mechanisch direkt, insbesondere druckdicht miteinander verbindbar sind.
Ein Hubraumverhältnis zwischen dem Expander und dem Hochdruckkompressor soll vorzugsweise zwischen 0,5 und 0,75 liegen, um einen optimalen Ver- lauf des Kaltdampfprozesses zu gewährleisten. Besonders vorzugsweise beträgt das Hubraumverhältnis 0,6. Grundsätzlich sind niedrigere Werte für ho- he Rückkühltemperaturen am Austritt des Hochdruckwämreübertragres sinnvoll anzuwenden.
Alternativ oder zusätzlich können Arbeitsräume des Expanders über einen Hauptschieber und einen Hilfsschieber steuerbar sein. Der Hauptschieber und der Hilfsschieber sind hierbei mittig zwischen den üblicherweise innenliegenden, also einander zugewandten Arbeitsräumen des Expanders angeordnet.
Vorzugsweise sind der Hauptschieber und bzw. oder der Hilfsschieber als Flachschieber ausgeführt, um eine einfache und besonders dichte Funktionsweise bei nur geringem Platzbedarf zu gewährleisten.
Es kann auch vorgesehen sein, dass der Hilfsschieber von Arbeitskolben durch zwei Stifte bewegbar ist.
Typischerweise ist eine Kolbenstange, die die Arbeitskolben auf Abstand hält, lösbar mit den Arbeitskolben verbunden, also nicht fest mit diesen verbunden. Dies ist fertigungstechnisch einfach und dennoch funktional, da die innenliegende Kolbenstange nur Druckkräfte erfährt und somit nicht fest mit dem oder den Kolben verbunden sein muss. Hierdurch können geringe Fluchtungsfehler von Gehäuseteilen akzeptiert werden und die Fertigung wird erleichtert. In gleicher Weise kann auch eine aus dem Hauptschieber, einer Schieberstange und einem Schieberkolben bestehende Hauptschiebereinheit aufgebaut sein. Ebenso kann in gleicher Weise auch eine aus dem Hilfsschieber und den Stiften bestehende Hilfsschiebereinheit aufgebaut sein.
Es kann vorgesehen sein, den Expander mehrstufig auszuführen, worunter insbesondere auch mehrere hintereinander geschaltete Expander verstanden werden sollen, die in mehreren Stufen eine Expansion durchführen, wobei sich eine ältere Bauart nach DE 102 42 271 B3 ohne Frequenzsteuerung anbietet.
Es können bei der beschriebenen Vorrichtung vier Druckniveaus auftreten, die typischerweise die nachfolgend beschriebenen Wertebereiche einnehmen: ein Hochdruckniveau zwischen 50 bar und 100 bar, ein Mitteldruckniveau zwischen 40 bar und 65 bar, ein Sammlerdruckniveau zwischen 30 bar und 35 bar sowie ein Verdampferdruckniveau zwischen 25 bar und 30 bar.
Ein Verfahren zum Durchführen eines Kaltdampfprozesses weist einen Verfahrensschritt auf, in dem ein Massestrom eines als Kältemittel dienenden Fluids, der sich auf Verdampferdruckniveau befindet, durch einen motorbetriebenen
Hauptkompressor auf Hochdruckniveau komprimiert wird. Dieser Massestrom des Fluids, der sich auf Hochdruckniveau befindet, wird in einem Hochdruckwärmeübertrager gekühlt, wobei eine Dichte erhöht wird und eine Temperatur des Fluids verringert wird. Das von dem Hochdruckwärmeübertrager kommende Fluid wird in einem Expander arbeitsleistend auf
Verdampferdruckniveau entspannt, wobei der Expander mechanisch direkt mit einem Hochdruckkompressor verbunden ist. Das von dem Expander kommende Fluid wird in einen Verdampfer geführt und nimmt dort Wärme auf, so dass die Dichte des Fluids abnimmt und die Temperatur des von dem Expander kommenden Massestroms des Fluids, der sich auf
Verdampferdruckniveau befindet, zunimmt. Nach dem Hochdruckwärmeübertrager und vor dem Expander wird das Fluid durch einen Unterkühler geführt, wobei zwischen dem Unterkühler und vor dem Expander ein Teil des Fluids aus dem auf Hochdruckniveau befindlichen Massestrom abgezweigt sowie mittels eines Hochdruckregelventils auf Mitteldruckniveau entspannt wird. Nachfolgend wird das Fluid im Gegenstrom zu dem durch den Unterkühler geführten Massestrom, der sich auf Hochdruckniveau befindet, auf Mitteldruckniveau durch den Unterkühler geführt, wobei es Wärme aufnimmt und der Massestrom, der sich auf Hochdruckniveau befindet, unterkühlt wird. Nach dem Durchlaufen des Unterkühlers gelangt das Fluid im abgezweigten
Mitteldruckmassestrom zu dem Hochdruckkompressor, der ausschließlich das im Gegenstrom geführte Fluid von Mitteldruckniveau auf Hochdruckniveau verdichtet und vor dem Hochdruckwärmeübertrager dem von dem motorbetriebenen Hauptkompressor kommenden Massestrom beimischt.
Es kann vorgesehen sein, dass das Fluid nach dem Expander in einen Sammler geführt wird, in dem eine Flüssigphase des Fluids von einer Dampfphase des Fluids getrennt wird. Die Flüssigphase wird über ein Einspritzventil auf Verdampferdruck entspannt. Die Dampfphase des Fluids wird über ein Druck- halteventil entspannt und nach dem Verdampfer in den von dem Verdampfer kommenden Massestrom des Fluids beigemischt. Als Fluid, das in diesem Zusammenhang auch als Kältemittel bezeichnet wird, kann Kohlendioxid, C02, verwendet werden, da Kohlendioxid nicht explosiv und nicht brennbar, aber thermisch stabil ist. Als Kälteträger zählen zu seinen Vorteilen ein geringes spezifisches Volumen und ein hoher Wärmeübergangskoeffizient sowie niedrige Druckverluste bei einer Strömung durch Wärmeübertrager.
Das beschriebene Verfahren kann mit der beschriebenen Vorrichtung durchgeführt werden bzw. die beschriebene Vorrichtung ist zum Durchführen des beschriebenen Verfahrens eingerichtet.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden nachfolgend anhand der Figuren 1 bis 12 erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Prozessführung eines Kaltdampfprozesses und
Fig. 2 eine Figur 1 entsprechende schematische Ansicht der Prozessführung ohne einen Sammler;
Fig. 3 eine Querschnittsansicht einer Expander-Kompressor-Einheit;
Fig. 4 eine seitliche Ansicht einer Kolbenstange samt Arbeitskolben;
Fig. 5 eine Schnittansicht durch ein Ende der Expander-Kompressoreinheit;
Fig. 6 eine Schnittansicht eines Mittelteils der in Figur 3 gezeigten Expander- Kompressor-Einheit;
Fig. 7 eine Figur 4 entsprechende seitliche Ansicht des Hauptschiebers samt Schieberstange und Kolben;
Fig. 8 eine vergrößerte Ansicht des Hilfsschiebers samt Stiften; Fig. 9 eine Figur 4 entsprechende Ansicht eines Hilfsschiebers samt Stiften;
Fig. 10 eine Draufsicht auf einen Dichtungsrahmen samt O-Ringen;
Fig. 11 eine vergrößerte Ansicht des Hauptschiebers in Draufsicht und
Fig. 12 eine Draufsicht auf einen weiteren Dichtungsrahmen samt O-Ring.
Figur 1 zeigt in einer schematischen Darstellung eine Prozessführung eines Kaltdampfprozesses. Im unteren Teil von Figur 1 ist ein Niederdruckkreis dargestellt, bei dem von einem Sammler S kommend durch ein Einspritzventil TV ein Fluid, im dargestellten Ausführungsbeispiel Kohlendioxid, durch einen Verdampfer V zu einem motorbetriebenen Hauptkompressor Cl gelangt. Das von dem Hauptkompressor Cl verdichtete Fluid mischt sich mit einem von einem Hochdruckkompressor C2 verdichteten Mitteldruckmassestrom des Fluids vor dem Hochdruckwärmeübertrager H, in dem ein höherer Druck als in dem Sammler S eingehalten ist. Von dem Hochdruckwärmeübertrager H gelangt das Fluid über einen Unterkühler U und den Expander E wieder in den Sammler S.
Bei der dargestellten Prozessführung wird jedoch ein separater Mitteldruckmassestrom durch den von dem Expander E direkt angetriebenen Hochdruckkompressor C2 verdichtet, bevor er in den Hochdruckwärmeübertrager H gelangt. Der Hochdruckkompressor C2 verdichtet nur diesen Mitteldruckmassestrom, also kein Fluid, das außerhalb des Mitteldruckmassestroms geführt ist. Nach dem Hochdruckwärmeübertrager H, der auch als Gaskühler bzw. Kondensator bezeichnet wird, wird das gerade aus dem Hochdruckwärmeübertrager H und in einen zwischen dem Hochdruckwärmeübertrager H und dem Expander E liegenden Unterkühler U strömende Fluid nach Durchlaufen des Unterkühlers U aufgeteilt. Ein kleinerer Teil, typischerweise zwischen
15 Prozent und 30 Prozent wird in einer Drossel TH, die auch als Hochdruckregelventil bezeichnet wird, drosselentspannt. Anschließend nimmt das abgezweigte Fluid im Unterkühler U im Gegenstrom Wärme auf und gelangt zu dem Hochdruckkompressor C2. Dadurch wird der Hochdruckmassestrom des Fluids zusätzlich unterkühlt. Die Exergie der Expansion wird somit zur zusätzli- chen Unterkühlung bei Hochdruck genutzt. Schließlich wird der durch den Hochdruckkompressor C2 wieder auf Hochdruck verdichtete Mitteldruckmassestrom vor dem Hochdruckwärmeübertrager H dem vom Hauptkompressor Cl kommenden Fluid zugemischt. Durch die Abzweigung des Hochdruckregelventils TH direkt vor dem Expander E reduziert es außerdem ungewollte Pulsationen im "Flüssigkeitsteil" auf Hochdruckniveau und hat im Vergleich zur bekannten Abzweigung zwischen dem Hochdruckwärmeübertrager H und dem Unterkühler U weiterhin energetische Vorteile in manchen Betriebspunkten.
Eine Druckdifferenz und ein Saugvolumenstrom können sich hierbei am Hochdruckkompressor C2 entsprechend einem Angebot auf der Expanderseite frei einstellen. Wird das Hochdruckregelventil bzw. die Drossel TH geschlossen, steigt dessen Druckdifferenz solange, bis die skizzierte Expander-Kompressor- Einheit stehenbleibt und kein Expandermassestrom mehr vorhanden ist. Die Folge ist ein steigender Hochdruck. Wird das Hochdruckregelventil TH nun langsam geöffnet, steigt der Mitteldruck wieder, bis der Expander E läuft und der gewünschte Expandermassestrom, Hochdruck und
Expandereintrittstemperatur sich einstellen. Dabei sollte allerdings der Hochdruck nur soweit gesteigert werden, dass eine minimale Temperaturdifferenz an der "heißen Seite" des Unterkühlers U, d. h. hochdruckkompressorseitig, bleibt. Das ist ein weiterer Regelungsgrundsatz. Der Expandermassestrom wird somit geregelt, ohne ihn einzudrosseln, was einem Exergieverlust gleichkäme.
Der Sammlerdruck in dem Sammler S wird nur so hoch gewählt, dass eine ausreichende Regelbarkeit des Einspritzventils TV und eines Druckhalteventils TS gewährleistet ist, das in einer zwischen einem Dampfraum des Sammlers S und nach dem Verdampfer V Sammlersowie vor dem Hauptkompressor Cl angeschlossenen Leitung angeordnet ist. Bei einem konstanten
Verdampferdruck erlaubt dies einen konstant niedrigen Sammlerdruck, unabhängig vom Hochdruck.
Mit der in dem in Figur 1 in einem Ausführungsbeispiel dargestellten Vorrichtung bzw. einem entsprechenden Verfahren kann eine Leistungszahl bei -10 °C Verdampfungstemperatur und 20 °C Umgebungstemperatur um ca. 15 Prozent gegenüber einem einfachen Kaltdampfprozess, bei dem lediglich ein Kompressor, ein Hochdruckgaskühler bzw. Kondensator, ein Drosselventil, ein Sammler und ein Verdampfer in bekannter Weise Verwendung finden, gesteigert werden. Der Hochdruck bleibt hierbei bei vergleichbaren Werten. Um eine noch größere Steigerung zu erhalten, können noch weitere
Exergieverluste durch eine zweistufige Verdichtung mit Zwischenkühlung verringert werden, wobei eine restliche Prozessführung bzw. der restliche Aufbau gleich bleibt. Außerdem ist es möglich, den Expander E mehrstufig auszuführen, d. h. die
Expansion des Fluids in mehreren Stufen ablaufen zu lassen. Hierfür können beispielsweise mehrere einzelne Expander E hintereinander angeordnet werden. Dafür bietet sich die bekannte Konstruktion aus DE 102 42 271 B3 ohne Frequenzsteuerung an.
Figur 2 zeigt in einer Figur 1 entsprechenden Ansicht die beschriebene Prozessführung ohne den Sammler S. Wiederkehrende Merkmale sind in dieser Figur wie auch in den folgenden Figuren mit identischen Bezugszeichen versehen. Der Expander E führt das Fluid somit direkt zu dem Verdampfer V, ohne dass das Fluid zuvor den Sammler S passiert. Dementsprechend sind auch das
Einspritzventil TV und das Druckhalteventil TS obsolet.
Figur 3 zeigt in einer seitlichen Ansicht einen Querschnitt durch eine Expander-Kompressor-Einheit aus dem Expander E und dem Hochdruckkompressor C2, die in einem gemeinsamen Gehäuse 10 angeordnet sind und somit die
Expander-Kompressor-Einheit bilden. Zwei Kolben 1 und 2 werden über eine Kolbenstange 3 auf Abstand gehalten und durch einen Mittelteil 4 der Einheit räumlich voneinander getrennt. Hierdurch bilden sich mehrere Arbeitsräume, von denen im dargestellten Beispiel allerdings nur die Arbeitsräume 5.1 und 6.2 bei maximalem Arbeitsraum zu sehen sind. Der Arbeitsraum 5.1 sowie der
Arbeitsraum 5.2 ist jeweils einer von zwei Expanderarbeitsräumen, während der Arbeitsraum 6.1 und 6.2 jeweils einer von zwei Kompressorarbeitsräumen ist. Als optimales Hubvolumenverhältnis der dargestellten Einheit hat sich ein Wert zwischen 0,5 und 0,75 herausgestellt.
Im dargestellten Ausführungsbeispiel werden die innenliegenden Expanderarbeitsräume 5.1 und 5.2 über einen im Mittelteil 4 angeordnete Hilfsschieber 9 bzw. einen Hauptschieber 8 gesteuert. Dabei wird der Hilfsschieber 9 direkt von den Arbeitskolben 1 und 2 durch Stifte 7 bewegt. Der Hilfsschieber 9 wechselt anschließend eine Druckbeaufschlagung auf den Hauptschieber 8, der sich dadurch bewegt und eine Zuströmöffnung und eine Abströmöffnung für die Arbeitsräume 5.1 und 5.2 des Expanders E durch Öffnen und Schließen steuert. Der Hauptschieber 8 und der Hilfsschieber 9 sind dabei in vorteilhafter Weise als Flachschieber ausgestaltet.
In den Kompressorarbeitsräumen 6.1 und 6.2 sind einfache Kugelventile angeordnet. Da die Kolbenstange 3 im dargestellten Ausführungsbeispiel nur Druckkräfte erfährt, ist die Kolbenstange 3 nicht fest, sondern lösbar mit den Kolben 1 und 2 verbunden, indem die Kolben 1 und 2 auf die Kolbenstange 3 nur stirnseitig oder flächig berühren. Dies ist in Figur 4 in einer seitlichen Darstellung gezeigt, bei der die Arbeitskolben 1 und 2 von der Kolbenstange 3 getrennt sind. In weiteren Ausführungsbeispielen kann aber natürlich auch eine feste Verbindung vorliegen. Die dargestellte Konstruktion erlaubt somit auch eine Verwendung von O-Ringen an sonst schwierig abzudichtenden Stellen.
Figur 5 stellt eine Schnittansicht entlang der Linie B-B von Figur 3 durch ein Endstück der Expander-Kompressor-Einheit dar. Ein als Kugelventil ausgestaltetes Kompressorventil ist mit einem oberen Anschluss hochdruckseitig und mit seinem unteren Anschluss mit dem Mitteldruckniveau des Unterkühlers U verbunden.
In Figur 6 ist eine Schnittansicht des Mittelteils 4 der in Figur 3 gezeigten Expander-Kompressor-Einheit entlang der Linie A-A dargestellt. Ein oberer Anschluss führt das Fluid vom Hochdruckniveau des Unterkühlers U, während der untere Anschluss zum Sammler S führt. Der Hauptschieber 8 ist über eine
Schieberstange 11 mit einem Schieberkolben 12 verbunden, wobei diese Verbindung lösbar ist. Dies ist in einer seitlichen Ansicht in Figur 7 auch dargestellt, bei der der Hauptschieber 8, die Schieberstange 11 und der Schieberkolben 12 als separate und voneinander getrennte Bauteile dargestellt sind.
Der Hilfsschieber 9 samt den zu seiner Betätigung durch die Arbeitskolben 1 und 2 eingesetzten Stiften 7 ist in Figur 8 entlang einer Linie D-D aus Figur 3 gezeigt. Figur 9 zeigt in einer Figur 4 entsprechenden Ansicht den Hilfsschieber 9 und die beiden Stifte 7 in getrennter Weise, durch die der Hilfsschieber 9 bewegt werden kann.
Figur 10 zeigt in Draufsicht einen Dichtungsrahmen 13 mit zwei O-Ringen 14 und 15 für den Hilfsschieber 9, die bei einem Einbau in Durchbrüchen des Dichtungsrahmens 13 angeordnet werden. In Figur 11 ist der Hauptschieber 8 samt Schieberstange 11 und Schieberkolben 12 in Draufsicht entlang der Linie C-C aus Figur 3 dargestellt. In gleicher Weise wie Figur 10 zeigt Figur 12 einen weiteren Dichtungsrahmen 16 mit O-Ring 17 für den Hauptschieber 8. Die beschriebene Konstruktion erlaubt gerade die Verwendung von O-Ringen an schwierig abzudichtenden Flächen (nämlich um den Hauptschieber 8 und den Hilfsschieber 9), so dass ein Taschenfräsen durch entsprechende Stützrahmen vermieden wird.

Claims

Patentansprüche
Vorrichtung zum Durchführen eines Kaltdampfprozesses mit einem motorbetriebenen Hauptkompressor (Cl), der eingerichtet ist, einen Massestrom eines als Kältemittel dienenden Fluids, der sich auf Verdampferdruckniveau befindet, anzusaugen und diesen Massestrom auf Hochdruckniveau zu komprimieren, einem Hochdruckwärmeübertrager (H), der eingerichtet ist, den Massestrom des Fluids, der sich auf Hochdruckniveau befindet, zu kühlen, eine Dichte zu erhöhen und eine Temperatur des Fluids zu verringern, einem Expander (E), der eingerichtet ist, den von dem Hochdruckwärmeübertrager (H) kommenden Massestrom des Fluids arbeitsleistend auf Verdampferdruckniveau zu entspannen, einem Verdampfer (V), der eingerichtet ist, Wärme aufzunehmen, so dass die Dichte des Fluids beim Durchlaufen des Verdampfers (V) abnimmt und die Temperatur des von dem Expander (E) kommenden Massestroms, der sich auf Verdampferdruckniveau befindet, und des durch den Verdampfer (V) geführten Fluids steigen, einem dem Hochdruckwärmeübertrager (H) nachgeschalteten und dem Expander (E) vorgeschalteten Unterkühler (U), wobei nach dem Unterkühler (U) und vor dem Expander (E) ein Teil des Massestroms des Fluids, der sich auf Hochdruckniveau befindet, abzweigbar und mittels eines Hochdruckregelventils (TH) auf Mitteldruckniveau entspannbar ist, so dass das Fluid anschließend auf Mitteldruckniveau im Gegenstrom im Unterkühler (U) Wärme aufnimmt und hierbei den Massestrom, der sich auf Hochdruckniveau befindet, unterkühlt, einem Hochdruckkompressor (C2), der mit dem Expander (E) mechanisch direkt verbunden ist und eingerichtet ist, ausschließlich den vor dem Expander (E) abgezweigten und im Gegenstrom zu dem den Unterkühler (U) durchlaufenden Massestrom des Fluids, der sich auf Hochdruckniveau befindet, geführten Massestrom, der sich auf Mitteldruckniveau befindet, zu verdichten und vor dem Hochdruckwärmeübertrager (H) dem von dem motorbetriebenen Hauptkompressor (Cl) kommenden Massestrom beizumischen.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Expander (E) ein Sammler (S) angeordnet und eingerichtet ist, eine Flüssigphase des Fluids und eine Dampfphase des Fluids zu trennen, wobei die Flüssigphase speicherbar, über ein Einspritzventil (TV) auf Verdampferdruck entspannbar und die Dampfphase des Fluids über ein Druckhalteventil (TS) entspannbar ist, wobei die entspannte Flüssigphase dem Verdampfer (V) zuführbar und die entspannte Dampfphase nach dem Verdampfer (V) in den von dem Verdampfer kommenden Massestrom des Fluids beimischbar ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Expander (E) und der Hochdruckkompressor (C2) in einem gemeinsamen Gehäuse (10) angeordnet sind.
4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Hubvolumenverhältnis zwischen dem Expander (E) und dem Hochdruckkompressor (C2) zwischen 0,5 und 0,75 eingehalten ist.
5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Arbeitsräume (5.1, 5.2) des Expanders (E) über einen Hauptschieber (8) und einen Hilfsschieber (9) steuerbar sind, die mittig zwischen den Arbeitsräumen (5.1, 5.2) angeordnet sind.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Hauptschieber (8) und/oder der Hilfsschieber (9) als Flachschieber ausgeführt ist/sind.
7. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Hilfsschieber (9) von Arbeitskolben (1, 2) durch mindestens zwei Stifte (7) bewegbar ist.
8. Vorrichtung nach einem Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine Kolbenstange (3) lösbar mit den Arbeitskolben (1, 2) verbunden ist.
9. Verfahren zum Durchführen eines Kaltdampfprozesses, bei dem ein Massestrom eines als Kältemittel dienenden Fluids, der sich auf Verdampferdruckniveau befindet, durch einen motorbetriebenen Hauptkompressor (Cl) angesaugt und auf Hochdruckniveau komprimiert wird, der Massestrom des Fluids, der sich auf Hochdruckniveau befindet, in einem Hochdruckwärmeübertrager (H) gekühlt wird, wobei eine Dichte erhöht und eine Temperatur des Fluids verringert werden, das Fluid von dem Hochdruckwärmeübertrager (H) kommend in einem Expander (E) arbeitsleistend auf Verdampferdruckniveau entspannt wird, wobei der Expander (E) mechanisch direkt mit einem Hochdruckkompressor (C2) verbunden ist, das von dem Expander (E) kommende Fluid in einem Verdampfer (V) geführt wird und Wärme aufnimmt, so dass die Dichte abnimmt und die Temperatur des von dem Expander (E) kommenden Massestroms, der sich auf Verdampferdruckniveau befindet, zunimmt, wobei das Fluid nach dem Hochdruckwärmeübertrager (H) durch einen Unterkühler (U) geführt und zwischen dem Unterkühler (U) und vor dem Expander (E) ein Teil des Fluids aus dem durch den Unterkühler (U) geführten Massestrom, der sich auf Hochdruckniveau befindet, abgezweigt sowie mittels eines Hochdruckregelventils (TH) auf Mitteldruckniveau entspannt wird, nachfolgend im Unterkühler (U) im Gegenstrom zu dem auf Hochdruckniveau strömenden Massestrom geführt wird, Wärme aufnimmt und hierbei der Massestrom, der sich auf Hochdruckniveau befindet, unterkühlt wird, und nach dem Durchlaufen des Unterkühlers (U) den Hochdruckkompressor (C2) durchläuft, wobei ausschließlich das im Gegenstrom geführte Fluid durch den Hochdruckkompressor (C2) auf Hochdruckniveau verdichtet wird und vor dem Hochdruckwärmeübertrager (H) dem von dem motorbetriebenen Hauptkompressor (Cl) kommenden Massestrom beigemischt wird.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Fluid nach dem Expander (E) in einen Sammler (S) geführt wird, in dem eine Flüssigphase des Fluids von einer Dampfphase des Fluids getrennt wird und die Flüssigphase über ein Einspritzventil (TV) auf Verdampferdruck sowie die Dampfphase des Fluids über ein Druckhalteventil (TS) entspannt wird und nach dem Verdampfer (V) in den von dem Verdampfer (V) kommenden Massestrom des Fluids beigemischt wird.
11. Verfahren nach Anspruch 9 oder Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass als Fluid Kohlendioxid verwendet wird.
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