EP3329191A1 - Apparatus and method for carrying out a cold steam process - Google Patents

Apparatus and method for carrying out a cold steam process

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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
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fluid
mass flow
expander
evaporator
high pressure
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EP16748095.3A
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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

The present invention relates to an apparatus and to a method for carrying out a cold steam process. The apparatus has a motor-operated primary compressor (C1) which is designed to draw in a mass flow of a fluid, serving as refrigerant, at evaporator pressure and to compress this mass flow to high pressure, and a high-pressure heat exchanger (H) which is designed to cool the mass flow of the fluid at high pressure, to increase the density and to reduce a temperature of the fluid. Also provided is an expander (E) which is designed to expand to evaporator pressure, so as to perform work, the mass flow of the fluid coming from the high-pressure heat exchanger (H), and an evaporator (V) which is designed to take up heat such that the density of the fluid decreases as it passes through the evaporator and the temperature of the mass flow coming from the expander (E) at evaporator pressure, and of the fluid guided through the evaporator (V), increase. Finally, there is a sub-cooler (U), which is connected downstream of the high-pressure heat exchanger (H) and upstream of the expander (E), wherein downstream of the sub-cooler (U) and upstream of the expander (E) part of the fluid can be diverted from the mass flow and can be expanded by means of a high-pressure control valve (TH) to an intermediate pressure, such that the fluid then, at intermediate pressure, absorbs heat in counter-flow in the sub-cooler (U), and thus additionally sub-cools the mass flow which is at high pressure, and a high-pressure compressor (C2) which is mechanically directly connected to the expander (E) and is designed to compress, to high-pressure, only that part of the fluid that is diverted upstream of the expander (E) in the sub-cooler (U) and guided in counter-flow, and to mix this fluid, upstream of the high-pressure heat exchanger (H) with the mass flow coming from the motor-operated primary compressor (C1).

Description

Vorrichtung und Verfahren zum Durchführen eines Kaltdampf Prozesses  Apparatus and method for performing a cold vapor process
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Durchführen eines Kaltdampfprozesses. The present invention relates to an apparatus and a method for performing a cold vapor process.
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. Cold vapor processes with carbon dioxide as a refrigerant are known and are increasingly used due to the favorable properties of carbon dioxide in terms of the greenhouse effect. To increase the coefficient of performance of such a C0 2 -Kaltdampfprozesses by using a work-expansion is known for example from the document EP 1 812 759 Bl. A disadvantage of this known solution, however, is that a complicated frequency control is used to influence the high pressure. In addition, a so-called hydraulic pressure booster from Quack, H .; Kraus, WE: 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, Germany 1994, pp. 489-494. The present invention is therefore based on the object of proposing a device and a method for carrying out a cold vapor process, with which a simplified control and regulation of the cold steam process is possible.
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. This object is achieved by a device according to claim 1 and a method according to claim 9. Advantageous embodiments and further developments are described in the dependent claims.
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 denAn 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. In addition, a high-pressure heat exchanger is provided to the
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 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
Verdampferdruckniveau entspannt und einem Verdampfer zugeführt. DerEvaporator pressure level relaxed and fed to an evaporator. Of the
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 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
Verdampferdruckniveau befindet und den Verdampfer durchläuft, steigt. Schließlich ist ein dem Hochdruckwärmeübertrager nachgeschalteter und demEvaporator pressure level is and passes through the evaporator rises. Finally, a downstream of the high pressure heat exchanger and the
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 aufExpander 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
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. 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. By 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. Because 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.
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.After the expander (and thus before the evaporator), 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.
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. 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.
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. It can be provided that 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.
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. 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 Hochdruckwämreübertragres meaningful application.
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. Alternatively or additionally, 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.
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. Preferably, 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.
Es kann auch vorgesehen sein, dass der Hilfsschieber von Arbeitskolben durch zwei Stifte bewegbar ist. It can also be provided that the auxiliary slide of working piston is movable by two pins.
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. Typically, 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. In the same way, a main slide unit consisting of the main slide, a slide rod and a slide piston can also be constructed. Likewise, an auxiliary slide unit consisting of the auxiliary slide and the pins can be constructed in the same way.
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. It can be provided to perform the expander in several stages, including in particular several successively connected expander to be understood, which perform an expansion in several stages, with an older type to DE 102 42 271 B3 offers without frequency control.
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. It can occur in the described device four pressure levels, which typically occupy the value ranges described below: a high pressure level between 50 bar and 100 bar, a medium pressure level between 40 bar and 65 bar, a collector pressure level between 30 bar and 35 bar and an evaporator pressure level between 25 bar and 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 motorbetriebenenA 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
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 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
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  Evaporator pressure level relaxed, 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
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 Evaporator pressure level is increasing. After the high pressure heat exchanger and before the expander, 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. Subsequently, 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. After passing through the subcooler, the fluid passes in the branched
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. Medium pressure mass flow to the high pressure compressor, which compresses only the countercurrent fluid from medium pressure level to high pressure level and admixed before the high pressure heat exchanger coming from the motor-driven main compressor mass flow.
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. It can be provided that 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. As 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. As 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.
Das beschriebene Verfahren kann mit der beschriebenen Vorrichtung durchgeführt werden bzw. die beschriebene Vorrichtung ist zum Durchführen des beschriebenen Verfahrens eingerichtet. The described method can be carried out with the described device or the described device is set up to carry out the described method.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden nachfolgend anhand der Figuren 1 bis 12 erläutert. Embodiments of the invention are illustrated in the drawings and are explained below with reference to Figures 1 to 12.
Es zeigen: Show it:
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Prozessführung eines Kaltdampfprozesses und Fig. 1 is a schematic representation of a process control of a cold vapor process and
Fig. 2 eine Figur 1 entsprechende schematische Ansicht der Prozessführung ohne einen Sammler; FIG. 2 is a schematic view corresponding to FIG. 1 of the process control without a collector; FIG.
Fig. 3 eine Querschnittsansicht einer Expander-Kompressor-Einheit; Fig. 3 is a cross-sectional view of an expander-compressor unit;
Fig. 4 eine seitliche Ansicht einer Kolbenstange samt Arbeitskolben; 4 is a side view of a piston rod including working piston.
Fig. 5 eine Schnittansicht durch ein Ende der Expander-Kompressoreinheit; Fig. 5 is a sectional view through one end of the expander compressor unit;
Fig. 6 eine Schnittansicht eines Mittelteils der in Figur 3 gezeigten Expander- Kompressor-Einheit; Fig. 6 is a sectional view of a central part of the expander-compressor unit shown in Fig. 3;
Fig. 7 eine Figur 4 entsprechende seitliche Ansicht des Hauptschiebers samt Schieberstange und Kolben; Fig. 7 is a side view corresponding to Figure 4 of the main slide including slide rod and piston.
Fig. 8 eine vergrößerte Ansicht des Hilfsschiebers samt Stiften; Fig. 9 eine Figur 4 entsprechende Ansicht eines Hilfsschiebers samt Stiften; 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 eine Draufsicht auf einen Dichtungsrahmen samt O-Ringen; 10 is a plan view of a sealing frame including O-rings.
Fig. 11 eine vergrößerte Ansicht des Hauptschiebers in Draufsicht und 11 is an enlarged view of the main spool in plan view and
Fig. 12 eine Draufsicht auf einen weiteren Dichtungsrahmen samt O-Ring. Fig. 12 is a plan view of another sealing frame including 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. FIG. 1 shows a schematic representation of a process control of a cold vapor process. In the lower part of Figure 1, 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.
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 In the illustrated process control, however, 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. After 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
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. 15 percent and 30 percent are throttled in a throttle TH, also referred to as a high pressure regulator. Subsequently, the branched fluid in the subcooler U in countercurrent heat and reaches the high pressure compressor C2. As a result, the high-pressure mass flow of the fluid is additionally undercooled. The exergy of the expansion is thus an additional undercooling at high pressure. Finally, 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. By the diversion of the high-pressure control valve TH directly in front of the expander E also reduces unwanted pulsations in the "liquid part" at high pressure level and has in comparison to the known branch between the high-pressure heat exchanger H and the subcooler U continues to have energy advantages in some operating points.
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 In this case, 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
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. Set expander inlet temperature. However, the high pressure should only be increased so far that a minimum temperature difference on the "hot side" of the subcooler U, d. H. high pressure compressor side, remains. That is another rule of law. The expander mass flow is thus regulated without throttling it, which would equate to exergy loss.
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 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. At a constant
Verdampferdruck erlaubt dies einen konstant niedrigen Sammlerdruck, unabhängig vom Hochdruck. Evaporator pressure allows a constant low collector pressure, regardless of the high pressure.
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 With the device or a corresponding method illustrated in FIG. 1 in one exemplary embodiment, 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
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 Exergieverluste be reduced by a two-stage compression with intermediate cooling, with a residual process or the rest of the structure remains the same. In addition, it is possible to perform the expander E multi-stage, d. H. the
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. Expire expansion of the fluid in multiple stages. For this example, several individual expander E can be arranged one behind the other. For this, the known construction from DE 102 42 271 B3 offers without frequency control.
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 dasFIG. 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
Einspritzventil TV und das Druckhalteventil TS obsolet. Injector TV and the pressure maintenance valve TS obsolete.
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 dieFigure 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
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 derForm the expander compressor unit. Two pistons 1 and 2 are held by a piston rod 3 at a distance and spatially separated from each other by a central part 4 of the unit. As a result, form several work spaces, of which in the example shown, however, only the workrooms 5.1 and 6.2 can be seen at maximum working space. The workspace 5.1 and the
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. 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.
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 the illustrated embodiment, 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. In this case, 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.
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. In the compressor workrooms 6.1 and 6.2 simple ball valves are arranged. Since the piston rod 3 undergoes only compressive forces in the illustrated embodiment, the piston rod 3 is not fixed, but releasably connected to the piston 1 and 2 by the piston 1 and 2 touch the piston rod 3 only on the face or surface. This is shown in Figure 4 in a side view, in which the working piston 1 and 2 are separated from the piston rod 3. In other embodiments, but of course there may be a fixed connection. The illustrated construction thus also allows use of O-rings on otherwise difficult to seal sites.
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. 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.
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 eineFIG. 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
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. 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.
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. The auxiliary slide 9 together with the to his operation by the working piston. 1 and 2 inserted pins 7 is shown in Figure 8 along a line DD of Figure 3. 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.
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. 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. In FIG. 11, 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. In the same way as in FIG. 10, 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.

Claims

Patentansprüche claims
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. Apparatus for performing a cold vapor process with a main engine driven compressor (Cl) adapted to draw a mass flow of a refrigerant fluid at evaporator pressure level and to compress said mass flow to high pressure level, a high pressure heat exchanger (H) arranged to cool the mass flow of the fluid, which is at high pressure level, to increase a density and to reduce a temperature of the fluid, an expander (E) adapted to perform the mass flow of the fluid coming from the high pressure heat exchanger (H) to the evaporator pressure level to relax, an evaporator (V) adapted to absorb heat so that the density of the fluid as it passes through the evaporator (V) decreases and the temperature of the mass flow coming from the expander (E), which is at evaporator pressure level, and of the guided through the evaporator (V) fluid rise, a the High pressure heat exchanger (H) downstream and the expander (E) upstream subcooler (U), after the subcooler (U) and before the expander (E), a part of the mass flow of the fluid, which is at high pressure level, branched off and by means of a high pressure control valve ( TH) is depressurable to medium pressure level, so that the fluid subsequently absorbs heat at a medium pressure level in countercurrent in the subcooler (U) and in this case absorbs the mass flow, which is at high pressure level, subcooled, a high pressure compressor (C2) mechanically directly connected to the expander (E) and arranged, excluding the upstream of the expander (E) branched off and in countercurrent to the subcooler (U) passing through the mass flow of the fluid, on High-pressure level is to compacted mass flow, which is located at medium-pressure level, and to mix before the high-pressure heat exchanger (H) coming from the main engine-driven compressor (Cl) mass flow.
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. 2. Apparatus according to claim 1, characterized in that after the expander (E) a collector (S) is arranged and adapted to separate a liquid phase of the fluid and a vapor phase of the fluid, the liquid phase storable, via an injection valve (TV) Relaxed to evaporator pressure and the vapor phase of the fluid via a pressure relief valve (TS) is relaxed, the relaxed liquid phase to the evaporator (V) can be supplied and the relaxed vapor phase after the evaporator (V) in the mass flow of the fluid coming from the evaporator can be mixed.
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. 3. Apparatus according to claim 1 or claim 2, characterized in that the expander (E) and the high-pressure compressor (C2) are arranged in a common housing (10).
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. 4. Device according to one of the preceding claims, characterized in that a stroke volume ratio between the expander (E) and the high pressure compressor (C2) is maintained between 0.5 and 0.75.
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. 5. Device according to one of the preceding claims, characterized in that working spaces (5.1, 5.2) of the expander (E) via a main slide (8) and an auxiliary slide (9) are controllable, the center between the working spaces (5.1, 5.2) are.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Hauptschieber (8) und/oder der Hilfsschieber (9) als Flachschieber ausgeführt ist/sind. 6. Apparatus according to claim 5, characterized in that the main slide (8) and / or the auxiliary slide (9) is designed as a flat slide / are.
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. 7. Apparatus according to claim 5 or claim 6, characterized in that the auxiliary slide (9) of working piston (1, 2) by at least two pins (7) is movable.
8. Vorrichtung nach einem Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine Kolbenstange (3) lösbar mit den Arbeitskolben (1, 2) verbunden ist. 8. Device according to one claim 7, characterized in that a piston rod (3) is releasably connected to the working piston (1, 2).
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. 9. A method of performing a cold vapor process in which a mass flow of a fluid serving as refrigerant, which is at evaporator pressure level, is sucked by a motor-driven main compressor (Cl) and compressed to high pressure level, the mass flow of the fluid, which is at high pressure level, in a high pressure heat exchanger (H) is cooled, wherein a density is increased and a temperature of the fluid are reduced, the fluid from the high pressure heat exchanger (H) coming in an expander (E) is working expanded to evaporator pressure level, wherein the expander (E) mechanically directly with a high-pressure compressor (C2) is connected, which is supplied by the expander (E) fluid in an evaporator (V) and absorbs heat, so that the density decreases and the temperature of the coming of the expander (E) mass flow, which is on Evaporator pressure level increases, the fluid after the high-pressure heat exchanger (H) by a subcooler (U) and between the subcooler (U) and before the expander (E) a portion of the fluid from the through the subcooler (U) guided mass flow, which is located at high pressure level, branched off and relaxed by means of a high pressure control valve (TH) to medium pressure level, is subsequently performed in the subcooler (U) in countercurrent to the mass flow flowing to high pressure level, absorbs heat and thereby the mass flow, the is at high pressure level, is undercooled, and after passing through the subcooler (U) passes through the high pressure compressor (C2), wherein only the countercurrent fluid is compressed by the high pressure compressor (C2) to high pressure level and before the high pressure heat exchanger (H) of the motor-driven main compressor (Cl) coming mass flow is added.
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. 10. The method according to claim 9, characterized in that the fluid after the expander (E) in a collector (S) is guided, in which a liquid phase of the fluid is separated from a vapor phase of the fluid and the liquid phase via an injection valve (TV) is relaxed to evaporator pressure and the vapor phase of the fluid via a pressure-holding valve (TS) and after the evaporator (V) in the from the evaporator (V) coming mass flow of the fluid is mixed.
11. Verfahren nach Anspruch 9 oder Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass als Fluid Kohlendioxid verwendet wird. 11. The method according to claim 9 or claim 10, characterized in that carbon dioxide is used as the fluid.
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