NO178593B - Anordning for kontroll av trykket i höytrykksiden i et transkritisk kompresjonskuldesystem samt fremgangsmåte for utförelse av samme - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelsen vedrører kompresjonskjøleanordninger, slik som kjøle-maskiner, luftkondisjoneringsanlegg og varmepumper, som bruker et kuldemedium som arbeider i et lukket system under transkritiske forhold, og mer spesifikt anordninger og en metode for variabel kontroll av trykket i høytrykksiden i disse anordningene.

Oppfinnelsen vedrører transkritiske dampkompresjonssystemer, som beskrevet i WO-A-90/07683.

Nåværende underkritisk kompresjonsteknologi krever et driftstrykk og en drifts-temperatur som ligger under det kritiske punkt for et bestemt kuldemedium. En transkritisk dampkompresjonsprosess opererer med et trykk som er høyere enn kritisk trykk på høytrykksiden i strømningskretsen. Siden den viktigste hensikten med oppfinnelsen er å frembringe utstyr og metoder som gir anledning til bruk av alternativer til miljømessig uakseptable kuldemedier, er bakgrunnen for oppfinnelsen best forklart med utgangspunkt i standard kalddampkompresjonsteknologi.

Hovedkomponentene i et ett-trinns dampanlegg består av en kompressor, en kondensator, en strupeventil eller en ekspansjonsventil og en fordamper. Disse basiskomponentene kan videre suppleres med en motstrømvarmeveksler.

Den grunnleggende underkritiske prosessen er som følger. Kuldemedievæsken fordampes delvis og avkjøles ved trykkreduksjon i strupeventilen. I fordamperen koker og fordamper kuldemedievæsken helt ved absorbering av varme fra fluidet som strømmer gjennom fordamperen, dvs. at fluidet som strømmer gjennom fordamperen blir avkjølt. Lavtrykksdampen blir så suget inn i kompressoren, hvor trykket økes til et punkt hvor den overhetede gassen kan kondenseres ved hjelp av det tilgjengelige kjølefluid. Den komprimerte gassen strømmer inn på kondensatoren, hvor gassen i kjøles og kondenseres ved at varme blir transportert til luft, vann eller et annet kjølende medium. Den kondenserte væsken strømmer så til strupeventilen.

Uttrykket "transkritisk prosess" betegner en kjøleprosess som opererer delvis under og delvis over kuldemediets kritiske trykk. I det overkritiske området er trykket mer eller mindre uavhengig av temperaturen siden det ikke lenger eksisterer noen t metningstilstand. Trykket kan derfor velges fritt som en design-variabel. Nedstrøms fra kompressorutløpet blir kuldemediet kjølt ved tilnærmet konstant trykk ved varmeveksling med et kjølende medium. Avkjølingen øker gradvis tettheten til kuldemediet som er i én-fase tilstand.

En forandring i volum og/eller momentan kuldemediefylling på høytrykksiden vil påvirke trykket, som er bestemt ved forholdet mellom fyllingen og volumet.

Til forskjell fra dette vil underkritiske prosesser operere under kuldemediets kritiske punkt med en to-fase tilstand av væske og damp i kondensatoren. En forandring av volumet på høytrykksiden vil ikke direkte påvirke likevekten for metningstrykket.

I en transkritisk prosess kan trykket på høytrykksiden reguleres for å oppnå i kapasitetsendring eller optimalisering av effektfaktoren, og endringen utføres ved regulering av kuldemediefyllingen og/eller regulering av det totale indre volumet på høytrykksiden.

WO-A-90/07683 viser en av disse mulighetene for kontrollering av trykket på høytrykksiden i det overkritisk området ved hjelp av variasjon av momentan kuldemediefylling i høytrykksiden.

Fra DE-C-898 751 er det kjent å anvende en høytrykk væskeakkumulator i den hensikt å opprettholde kuldeytelsen og jevne ut temperaturvariasjoner på lavtrykksiden under stillstand. Dette er et system som opererer med et underkritisk trykk på høytrykksiden, og oppfinnelsen har andre formål og mekanismer enn ved regulering av overkritisk trykk i samsvar med foreliggende oppfinnelse.

Et formål med foreliggende oppfinnelsen er å frembringe en anordning og en metode for å variere volumet i høytrykksiden av et transkritisk kompresjonskjøleanlegg i den hensikt å kontrollere trykket på høytrykksiden.

Et annet formål med oppfinnelsen er å frembringe en anordning og en metode for kompensering av kuldemedielekkasje effekter.

En ytterligere formål er å frembringe et variabelt volumelement som driftsmessig kan knyttes til et konvensjonelt hydraulikksystem, for eksempel i et motorkjøretøy, slik at volumet kan varieres på høytrykksiden i et transkritisk dampprosessystem.

Et annet formål med oppfinnelsen er å frembringe et variabelt volumelement integrert i et hvilket som helst reguleringssystem for optimalisering av trykket på høytrykksiden eller kapasitetregulering i et transkritisk dampprosessystem.

Nok et formål med oppfinnelsen er å fremskaffe utstyr for å redusere trykket når det transkritiske anlegget ikke er i drift, og derved oppnå en vektreduksjon og en reduksjon i materialkostnader siden lavtrykksiden av kretsen kan konstrueres for et lavere maksimaltrykk.

Et videre formål med oppfinnelsen er å fremskaffe anordninger og en metode for luftkondisjonering av en bil, uten å benytte miljømessig uakseptable kuldemedier. Disse og andre formål ved foreliggende oppfinnelse er oppnådd ved å frembring et system og en metode som opererer i samsvar med patentkravene 1 -9.

Flere systemutførelser av oppfinnelsens konsept er illustrert i vedlagte figurer 1-4, i hvor: Fig. 1 er en skjematisk presentasjon av et transkritisk kompresjons-kjøleanlegg med en trykkbeholder som inneholder en indre fleksibel membran, som kan forskyves ved variasjon av trykket i et fluid som fyller den skraverte delen av trykkbeholderen.

i Fig. 2 er en skjematisk fremstilling av et annet variabelt volumelement utført som en bevegelig stempelsylinder.

Fig. 3 er en skjematisk fremstilling av en tredje utførelse av et variabelt volumelement med elementet utformet som en fleksibel slange omgitt av hydraulikkolje.

i Fig. 4a,b illustrerer skjematisk nok en utførelse av det variable volumelement som en belg festet til eller integrert i strømningskretsen.

Fig. 1 viser hovedkomponentene i et transkritisk kompresjonskjøleanlegg omfattende oppfinnelsens anordning og som opererer i samsvar med oppfinnelsens metode. I strømningskretsen ledes kuldemediestrømmen fra kompressor 1 til ,gasskjøler eller varmeveksler 2. Oppfinnelsens variable volumelement 5 er forbundet med høytrykk-siden av strømningskretsen, nærmere bestemt mellom utløpet av kompressoren 1 og innløpet til strupeventilen 3 som er av konvensjonell type, eksempelvis en termostatisk ekspansjonsventil. Kuldemediet strømmer videre til fordamperen 4 og deretter tilbake til kompressorinnløpet.

Det variable volumelementet 5 er plassert mellom kompressoren 1 og strupeventilen 3, men trenger ikke å plasseres som skjematisk vist i fig. 1. I den foretrukne utførelsen vist i fig. 1, vil det variable volumelementet 5 ha en konstruksjon som en konvensjonell trykkbeholder.

Det variable volumelementet 5 inneholder en indre fleksibel membran eller deling 6 av konvensjonell type. Membranen 6 beveges sammenhengende eller i flukt med indre overflater i det variable volumelement 5 slik at det indre blir delt i to ikke-kommuniserende kammer 7,8, hvor de relative volum blir bestemt av posi-sjonen til membranen 6.

I den foretrukne utførelsen av oppfinnelsen er membranen eller delingen 6 kontinuerlig forskyvbar inne i det variable volumelement 5, slik at man kontinuerlig kan forandre det relative volumet av kamrene 7 og 8. Selv om oppfinnelseskonseptet også omfatter ikke-kontinuerlig forskyvning av membranen 6, så vil trinnløs eller kontinuerlig justering av posisjonen til membranen 6 gi en mer fleksibel og effektiv kontroll enn trinnvis justering.

Kammer 8 kommuniserer med en ventil 9 som er forbundet med et hydraulisk system (ikke vist). Ventilen 9 kan kontrollere mengden av hvilket som helst fluid, fortrinnsvis hydraulikkvæske, i kammer 8. Det er hensiktsmessig, men ikke nødvendig, at hydraulikkolje eller et hydraulikksystem benyttes til å bevege den fleksible membranen 6. Mekaniske anordninger forbundet med membranen 6 eller trykkførende anordninger forbundet med det variable volumelement 5, for eksempel komprimert gass som fyller kammer 8, eller til og med fjærtrykk for forskyvning av membranen eller delingen 6, er omfattet av oppfinnelsens konsept.

Når ventilen 9 slipper en kontrollert mengde av hydraulikkolje inn i kammer 8 vil oljen presse mot den fleksible membranen 6 og trykke den bort fra ventilen 9 slik at volumet i kammmer 7 reduseres og derved reguleres.

Kammer 7 er forbundet med høytrykksiden av strømningskretsen i det transkritiske kompresjonskjølesystemet. Når hydraulikkolje strømmer inn i kammer 8 slik at volumet i kammer 7 reduseres, vil kuldemediet i kammer 7 bli tvunget ut av kammer 7 i samsvar med reduksjonen av volumet.

Denne utpressingen av kuldemediet fra kammer 7 øker trykket i anleggets høytrykk-side. Når hydraulikkoljen blir presset ut gjennom ventilen 9 fra kammer 8, blir oljetrykket i kammer 8 lavere slik at oljen ikke lenger kan trykke membranen 6 så langt fra ventilen 9 som tidligere.

Kuldemediet strømmer fra strømningskretsen inn i kammer 7 når membranen 6 beveger seg til en indre sirkulær utstrekning i en posisjon nærmere ventilen 9. Volumet i kammer 7 blir da økt, mens volumet i kammer 8 reduseres. I mellomtiden vil trykket på høytrykksiden av strømningskretsen være redusert. Fig. 2, 3 and 4 viser alternative utførelser av det variable volumelementet 5. Den i ovenfor detaljerte beskrivelsen av det variable volumelement 5 og dets funksjon som vist i fig. 1 er like anvendelig på utførelsene vist i fig. 2-4 modifisert, med hensyn til de forskjellige utførelsene. Fig. 2 viser et variabelt volumkontrollelement 5 utført som en sylinder 10 som har en topp 13. En stempelstang 12 er i den ene enden forbundet til en kontrollmekanisme (ikke vist), og i den andre enden til et stempel 11 som er godt tilpasset sylinderen 10 og som er bevegelig fram og tilbake eller opp og ned i samsvar med posisjonen til kontrollmekanismen. Et kammer 14 er definert i det indre av sylinderen 10 ved avstanden mellom sylindertoppen 13 og toppen av stemplet 11, hvor stempeltoppen er overflaten som vender mot sylindertoppen 13.

Kammer 14 er forbundet med høytrykksiden av strømningskretsen i kompresjons-kjølesystemet slik at kammerets volum er fylt med kuldemedium.

De avbildede utførelser av det variable volumelement 5 er i fig. 1 og 2 knyttet til en avgrening fra hovedstrømningskretsen mellom kompressoren 1 og strupeventil 3. Denne plassering av disse utførelsene på siden eller utenfor strømningskretsen er ved drift hensiktsmessig med hensyn til form og funksjon av disse utførelsene. Slik som avbildet vil disse utformingene gi mulighet til volumkontroll uten direkte å endre volumet til selve rørene i hovedstrømningskretsen. Imidlertid er det innen oppfinnelsens konsept å plassere utformingene i fig. 1 og 3 direkte i hovedstrømningskretsen mellom kompressoren 1 og strupeventilen 3.

Utformingen avbildet i fig. 3 antyder muligheten av å plassere et variabelt volumelement 5 direkte i hovedstrømningskretsen, selv om element 5 ifølge oppfinnelseskonseptet også kan plasseres i en posisjon på siden av strømningskretsen. Fig. 3 viser et variabelt volumelement 5 utformet som en fleksibel slange 15 forbundet og i kommunikasjon med deler av hovedstrømningskretsen, hvor slangen er omsluttet av et forseglet kammer 16 som inneholder hydraulikkolje eller et annet komprimert fluid. Det forseglede kammer 16 forhindrer ikke forbindelse mellom slange 15 og hoved-strømningskretsen, og har ingen forbindelse med kammer 17 i slangen 15. Kammer 16 er helst ikke fleksibelt. Slangen 15 kan utvides eller innsnevres i samsvar med trykket fra hydraulikkoljen som strømmer gjennom ventilen 18 slik at volumet varieres. Denne utformingen vil sannsynligvis gi den beste muligheten for å motvirke ansamling av smøreolje.

Andre variable volumelementer, slik som for eksempel belger, kan også benyttes, som skjematisk illustrert i fig. 4a og 4b. Det variable volumelement 5 er vist som belger hvor det indre volum (kammer) 17 vil variere når den blir utsatt for en mekanisk kontrollmekanisme/forskyvningsanordning eller et variabelt trykk fra et eksternt medium (ikke vist på figuren). Belgene kan enten bli knyttet til en forbindelse til strømnings-kretsen (fig. 4a) eller plassert i serie som en integrert del av strømningskretsen (fig. 4b).

Oppfinnelsens konsept er også uttrykt i form av en prosedyre for å variere volumet av

> høytrykksiden i et transkritisk kompresjonskjøleanlegg, hvor strømningskretsen fører et kuldemedium henholdsvis nedstrøms fra en kompressor 1 gjennom en varmeveksler 2 til en strupeventil 3. Metoden omfatter tilknytning av et volumkontrollelement 5 til strømningskretsen ved et punkt mellom kompressoren 1 og strupeventilen 3, og arrangement av kamrene 7, 14,17 inne i element 5 slik at kamrene 7,14,17 forbindes med strømningskretsen ved tilkoblingsstedet, plassering av en bevegelig deling 6,11,15 inne i element 5 for å definere minst én side av kamrene 7,14,17 i elementet, slik at delingen 6,11,15 kan forskyves mellom en første posisjon karakterisert ved et første volum for kamrene 7,14,17 og en andre posisjon karakterisert ved et andre volum større enn det første volumet, og tilknytning av forskyvningsinnretninger 9,12,18 slik at de er i forbindelse eller inngrep med delingen 6,11,15 og beveger delingen 6,11,15 mellom den første og den andre posisjonen ved å operere forskyv-ningsinnretningen 9,12,18. I en foretrukket utførelse av oppfinnelsens metode utføres forskyvningen kontinuerlig.

Ved å kontrollere det indre volum av det variable volumelement 5 blir trykket i i høytrykksiden i det transkritiske kompresjonskjøleanlegget kontrollert. Denne kontroll oppnås ved å variere den mekaniske forskyvning av delingen 6,11,15 eller mengden av trykksatt fluid utenfor strømningskretsen (dvs. fluid som ikke gjennomgår kompresjon i kjøleanlegget) som tjener til å presse kuldemediet ut av det variable volumelement 5. Installert i en bil kan bilens hydrauliske system tilkobles via et ventilarrangement. Dette i systemet for volumregulering kan integreres i en hvilken som helst kontrollstrategi for optimalisering av trykket i høytrykksiden, for kapasitetregulering og for kapasitets-økning.

Muligheten for å redusere trykket utenom drift eller ved stillstand er en spesiell fordel ved oppfinnelsens konsept. For eksempel i et luftkondisjoneringsanlegg for en bil vil oppfinnelsens variable volumelement (med forskjellige utforminger som vist i figurene) kunne redusere trykket ved å øke volumet når anlegget er avslått. Dette er ønskelig fordi den høye temperaturen i motorrommet vil overføres til det ikke aktive luft-kondisjoneringsanlegget, slik åt trykket øker. Ved bruk av oppfinnelsens variable volumelement kan lavtrykksiden konstrueres for lavere maksimaltrykk, slik at materialforbruk, kostnader og vekt reduseres.

Claims (9)

1. Anordning for kontroll av trykket i høytrykksiden i et kompresjonskuldesystem som opererer med overkritisk trykk i høytrykksiden og som består av en kompressor (1), en varmeveksler (2), en strupeventil (3) og en fordamper (4) forbundet i serie i en strømningskrets, karakterisert ved at anordningen omfatter minst ett variabelt volumelement (5) hvor kammer (7,14,17) er forbundet og kommuniserer fritt med strømningskretsen i et punkt lokalisert mellom kompressoren (1) og strupeventilen (3), en bevegelig delingsinnretning (6,11,15) som definerer minst én side av kammeret, hvor delingsinnretningen kan forskyves mellom en første og en andre posisjon som definerer henholdsvis et første og et andre volum av kuldemediet inne i kammeret, og en innretning utenfor strømningskretsen for forskyving av delingsinnretningen mellom den første og den andre posisjonen for slik å endre og kontrollere kuldemedievolumet i kammeret.

2. Anordning ifølge krav 1, karakterisert ved at volumelementet (5) definerer et hult indre og delingsinnretningen er en fleksibel membran (6) som er kontinuerlig bevegelig i flukt med overflaten langs den indre periferien av elementet (5) slik at det indre hulrom deles opp i et første kammer (7) og et andre kammer (8), hvor kamrene (7,8) ikke kommuniserer med hver-andre og har relative volumer bestemt ved posisjonen av delingsinnretningen (6) som styres av et trykksatt middel som kommuniserer med kammeret (8).

3. Anordning ifølge krav 1, karakterisert ved at volumelementet (5) består av en sylinder (10) og et stempel (8), hvor stemplet er forskyvbart gjennom sylinderen og utgjør delingsinnretningen (11).

4. Anordning ifølge krav 1, karakterisert ved at hele kammeret (17) utgjøres av den bevegelige delingsinnretningen.

5. Anordning ifølge krav 4, karakterisert ved at den bevegelige delingsinnretningen er en fleksibel slange (15).

6. Anordning ifølge krav 4, karakterisert ved at den bevegelige delingsinnretningen er et belgarrangement (17).

7. Anordning ifølge krav 1-4, karakterisert ved at innretningen for forskyvning av delingsinnretningen består av en hydraulisk eller en pneumatisk anordning som kommuniserer med delingsinnretningen.

8. Anordning ifølge ett eller flere tidligere krav, karakterisert ved a t delingsinnretningene (6,11,15) er kontinuerlig forskyvbare.

9. Fremgangsmåte for å variere trykket i høytrykksiden i et kompresjonskuldesystem som opererer med overkritisk trykk i strømningskretsens høytrykkside som fører kuldemediet fra kompressoren gjennom en varmeveksler og til en strupeinnretning som angitt i krav 1, karakterisertvedat det overkritiske trykket i høytrykksiden reguleres ved å påtrykke det totale indre volumet av høytrykksiden i strømningskretsen kontrollerte variasjoner ved hjelp av ett eller flere variable volumelementer forbundet til strømningskretsen mellom kompressoren og strupeinnretningen, hvor elementene består av et kammer som har variabelt volum som fritt kommuniserer med strømningskretsen.