NO175830B - Kompresjonskjölesystem - Google Patents

Description

Denne oppfinnelse angår et kompresjonskjølesystem som arbeider ved overkritiske trykk i høytrykkssiden.

I konvensjonelle kompresjonskjølesystemer er trykket i høytrykks-siden bestemt av kondenseringstemperaturen, via metningstrykket. Høytrykket i slike systemer er alltid godt under det kritiske trykk.

I kompresjonskjølesystemer som arbeider med overkritisk trykk i høytrykkssiden, dvs. i en trans-kritisk prosess, vil trykket være bestemt av flere faktorer, slik som momentan kuldemediefylling i høytrykkssiden, komponentvolum og varmeavgivelsestemperatur.

Et enkelt kompresjonskjølesystem med ekspansjonsanordning av konvensjonell utforming, for eksempel termostatisk ekspansjons-ventil, ville også være i stand til å arbeide i en trans-kritisk prosess når varmeavgivingstemperaturen er høyere enn kuldemediets kritiske temperatur. Et slikt system ville gi en enkel og billig utforming for et trans-kritisk kompresjonskkjølesystem, med bruk av et miljøvennlig kuldemedium som for eksempel C02. Dette enkle systemet innbefatter ikke noen mekanismer for regulering av trykket i høytrykkssiden, og trykket vil derfor bli bestemt av driftsforholdene og systemutformingen.

En alvorlig ulempe forbundet med trans-kritisk drift av et system som er konstruert i samsvar med vanlig praksis for konvensjonelle underkritiske systemer er sannsynligheten for relativt lav kapasitet og dårlig effektfaktor på grunn av et langt fra optimalt trykk i høytrykkssiden. Dette vil resultere i betydelig reduksjon av kapasiteten idet overkritiske forhold etableres i høytrykkssiden av kretsen. Denne reduksjonen i kjølekapasitet kan oppveies ved å øke kompressor-volumet, men da på bekostning av betydelig høyere energiforbruk og høyere kapitalkostnader.

En annen vesentlig ulempe forbundet med trans-kritisk drift av et konvensjonelt konstruert system er at lekkasje av kuldemedium vil virke inn på høytrykket, grunnet reduksjon av fyllingen i høytrykkssiden. Ved overkritiske betingelser bestemmes trykket av forholdet mellom momentan kuldemediefylling og komponentvolum, tilsvarende forholdene i en gassfylt trykkbeholder.

Nok en ulempe er at svært høye trykk kan oppstå i et inoperativt system som utsettes for høy omgivelsestemperatur når det er fylt med kuldemedium. Det sistnevnte forhold kan volde skader, og bør tas i betraktning ved konstruksjon av systemet. Dette vil imidlertid resultere i uforholdsmessig tunge, store og dyre komponenter og forbindelsesledninger.

Det er derfor et hovedformål med denne oppfinnelsen å tilby et enkelt, effektivt og pålitelig kompresjonskjølesystem som unngår disse og andre ulemper.

Dette og andre formål med den foreliggende oppfinnelse oppnås ved å frembringe et system som det fremgår av medfølgende patentkrav 1-4. Oppfinnelsen er beskrevet i detalj ved hjelp av foretrukne utforminger, med henvisning til vedlagte tegninger, Fig. 1-3, hvor:

Fig. 1 viser et konvensjonelt kompresjonskjølesystem,

Fig. 2 er en grafisk fremstilling av sammenhengen mellom en gasskjølers kuldemedium-utløpstemperatur og et trykk i høytrykkssiden av kretsen ved overkritiske forhold, og Fig. 3 er en skjematisk fremstilling av den foretrukne utformingen av en trans-kritisk kompresjonskjøleanord-ning konstruert i samsvar med oppfinnelsen. Fig. 1 viser et konvensjonelt kompresjonskjølesystem som omfatter en kompressor 1, en varmeavgivende varmeveksler 2, en ekspansjonsanordning 3 og en fordamper 4, koblet sammen i serie.

Ved trans-kritisk drift av et slikt system bør trykket i høytrykkssiden innstilles slik at man oppnår et maksimalt forhold mellom kjøleeffekt og akseleffekt til kompressor, dvs. maksimal effektfaktor. En viktig parameter for bestemmelse av dette "optimale" trykknivå er kuldemediets temperatur ved utløpet av den varmeavgivende varmeveksleren, dvs. gasskjøleren. Den ønskede relasjon mellom kuldemedietemperaturen ved gasskjøler-utløpet og trykket i høytrykkssiden kan beregnes ut fra termodynamiske data for kuldemediet eller fastslås ved praktiske målinger.

Det kan påvises at denne relasjonen mellom temperatur og trykk kan tilnærmes ved en isokor (konstant tetthet) kurve, dvs. den funksjonelle sammenhengen mellom temperatur og trykk ved konstant tetthet (masse per enhet volum) av kuldemediet. Den gjennomsnitt-lige tetthet av kuldemediet framkommer ved å dividere momentan kuldemediefylling med komponentenes indre volum.

Som et eksempel knyttet til et virkelig kuldemedium er forholdene for C02 vist i Fig. 2. Isokor-kurver for 0.50 - 0.66 kg/l er indikert ved stiplede linjer C, og kurven som gir et optimalt forhold mellom kuldemedium-ut løps temperaturen fra gasskjøleren og trykket i høytrykkssiden er vist i diagrammet som kurve B, mens kurve A viser metningstrykket ved underkritiske forhold. For C02 er isokor-kurven som svarer til en fylling i høytrykkssiden på omtrent 0.60 kg/l ganske nær til kurven for optimalt trykk. Dersom kretsens høy trykks side er fylt med 0.60 kg C02 per liter indre volum vil tilnærmet maksimal effektfaktor oppnås uansett varmeavgivelsestemperatur.

Forutsatt at kretsens høytrykksside har et indre volum og en momentan fylling som gir den ønskede tetthet, vil endringer i varmeavgivelsestemperaturen resultere i at høytrykket endres tilnærmet i samsvar med den "optimale" kurve. For å være sikker på at kuldemedietemperaturen i eller nær gasskjølerens utløp er den bestemmende faktor i denne trykktilpasning, bør volumet av kuldemediet være relativt stort på dette sted. I praksis kan dette oppnås ved å installere en beholder ved gasskjøler-utløpet, eller ved å sørge for at en relativt stor andel av varmeveksler-volumet er lokalisert ved eller nær utløpet.

Så lenge volumet av kretsens lavtrykksside er relativt lite i forhold til volumet i høytrykkssiden, vil varierende fylling i lavtrykksiden ved varierende driftsforhold gi ubetydelige forstyrrelser i høytrykksfyllingen. Lavtrykkssiden i kretsen innbefatter hovedsakelig fordamper, ledninger og kompressorens veivhus.

Kort sagt bør volumet i høytrykkssiden være forholdsvis stort sammenlignet med volumet i lavtrykksiden, og en vesentlig del av volumet i høytrykkssiden bør være lokalisert i eller nær gass-kjølerutløpet. Et forhold pH mellom fylling og volum i høytrykks-siden som gir den ønskede trykk/tempera tur-relasjon kan beregnes, slik som antydet i eksempel 1 for C02. Dette forholdet er som følger:

hvor mH er den momentane kuldemedief yll ingen (massen) i høy-trykkssiden og VH er det totale indre volum av høytrykkssiden i kretsen. Så lenge volumet VL av lavtrykksiden og derved også

fyllingen mL i lavtrykksiden er liten i forhold til henholdsvis VH og mH, vil pH bli ganske nær det totale forhold mellom fylling og volum p for hele systemet. Med andre ord:

hvor m, V og p symboliserer total fylling, totalt indre volum og resulterende gjennomsnittlig tetthet av kuldemediet for hele kretsen. Dersom et konvensjonelt kompresjonskuldesystem frem-stilles i samsvar med disse prinsippene, vil det kunne operere effektivt og med tilstrekkelig kapasitet også ved overkritiske trykk i høytrykkssiden. Beregninger og utførte tester indikerer at det indre volum av høytrykkssiden bør være minst 70% av det totale indre volum av kretsen.

For å unngså uakseptabelt høye trykk i systemet når det utsettes for høy omgivelsestemperaturer og er ute av drift kan en separat ekspansjonsbeholder 5 tilkobles lavtrykkssiden via en ventil 6, som vist i Fig. 3. Denne ventilen åpnes når trykket i kretsen overstiger en bestemt forhåndsinnstilt maksimumsgrense på en måte kjent per se.

Når trykket i lavtrykkssiden reduseres ved oppstart av systemet åpnes ventil 6 og den nødvendige fylling returneres til kretsen for å re-etablere det ønskede forhold mellom fylling og volum i høytrykkssiden. Ventilen 6 lukkes når trykket i høytrykkssiden har nådd det ønskede nivå i samsvar med den målte kjølemediumtem-peratur i gasskjøler-utløpet. Andre parametre enn kuldemediumtem-peraturen i utløpet av gasskjøleren kan også benyttes for å bestemme ventilens lukningstrykk.

Ved å gi trykkbeholderen en litt større fylling enn nødvendig ved vanlig drift av systemet kan dessuten en viss reserve av kuldemedium opprettholdes for å kunne kompensere for lekkasje.

Claims (4)

1. Et kompresjonskjølesystem med karbondioksid som kuldemedium omfattende kompressor (1) , varmeavgivende varmeveksler (2) , ekspansjonsanordning (3) og fordamper (4) , seriesammenkoblet i en lukket krets med overkritisk trykk på høytrykksiden, karakterisert ved at det indre volum av sirkulasjonskretsens høytrykkside utgjør mer enn 7 0% av sirkulasjonskretsens totale indre volum, og at den sirkulerende andel av kuldemediefyllingen i forhold til sirkulasjonskretsens totale indre volum er fra 0,55 og 0,70 kg pr. liter.

2. Systemet ifølge krav 1, karakterisert ved at den varmeavgivende varmeveksleren (2) er slik konstruert at en vesentlig andel av varmevekslerens indre volum er i eller ved dens utløp på kuldemediesiden.

3. Systemet ifølge krav 1, karakterisert ved at høytrykksiden i systemet konstrueres slik at man har størst mulig indre volum i den delen av kretsen som befinner seg mellom utløpet fra varmeveksleren (2) og innløpet til ekspansjonsanordningen (3).

4. Systemet ifølge krav ett eller flere forangående krav, karakterisert ved at systemet videre innbefatter en ekspansjonsbeholder (5) forbundet gjennom en ventil (6) til kretsens lavtrykkside.