NO327832B1 - Dampkompresjons-kjolesystem med lukket krets samt fremgangsmate for drift av systemet. - Google Patents

Abstract

Den foreliggende oppfinnelse vedrører en fremgangsmåte for drift av et dampkompresjonskjølesystem med lukket krets. Systemet kan operere med overkritisk trykk på en høytrykksside, og inkluderer minst én kompressor (1) minst én varmeavviser (2), minst to i parallell forbundne varmeabsorberer (4), minst ett variabelt ekspansjonsmiddel (3) oppstrøms for hver varmeabsorber (4) og minst én styringsenhet (8") for styring av de variable ekspansjonsmidler (3), forbundet til et sett av sensorer (9', 15). Strømningsmengden av kuldemediet gjennom hvert av de variable ekspansjonsmidler 3 styres av styringsenheten (8"), for koordinering av strømmen av kuldemedien gjennom hvert av de variable ekspansjonsmidler (3) for å opprettholde en styringsparameter innenfor et innstilt område. Eventuell overskytende fylling som er et resultat av styringen bufres på en lavtrykksside av systemet. Videre beskrives et kjølesystem basert på en lukket dampkompresjonskrets.

Description

Dampkompresjons-kjølesystem med lukket krets samt fremgangsmåte for drift av systemet

Oppfinnelsens område

Den foreliggende oppfinnelse vedrører et kompresjons-kjølesystem som inkluderer en kompressor eller en flerhet av kompressorer, en varmeavviser eller en flerhet av varmeavvisere, ekspansjonsmidler og to eller flere varmeabsorbere, som er forbundet i en lukket sirkulasjonskrets som kan operere med overkritisk trykk på høytrykkssiden, idet karbondioksid eller en blanding som inneholder karbondioksid er det foretrukkede kuldemedium i systemet.

Beskrivelse av kjent teknikk og bakgrunn for oppfinnelsen

Konvensjonelle dampkompresjonssystemer avviser varme på høytrykks-siden ved kondensasjon av kuldemediet ved underkritisk trykk som er gitt av metningstrykket ved den gitte temperatur. Ved bruk av et kuldemedium med lav kritisk temperatur, for eksempel C02, vil trykket ved varmeawising være overkritisk hvis temperaturen i varmemottakeren er høy, for eksempel høyere enn den kritiske temperatur i kuldemediet, for å oppnå en effektiv drift av systemet. Drifts-syklusen vil da være transkritisk, for eksempel fra WO 90/07683. Temperatur og trykk på høytrykkssiden vil være uavhengige variabler, i motsetning til konvensjonelle systemer.

WO 94/14016 og WO 97/27437 beskriver begge en enkel krets for reali-sering av et slikt system, i sin grunnleggende form omfattende en kompressor, en varmeavviser, et ekspansjonsmiddel og en varmeabsorber (fordamper) som er forbundet i en lukket krets. C02 er det foretrukkede kuldemedium for begge disse, på grunn av bekymringer for miljøet.

Den ovenfor beskrevne transkritiske syklus kan også brukes i multikjøle-systemer, f.eks. i et supermarkedsystem, i et industrielt system eller i en salgs-automat, som typisk har en flerhet av fordampere og kompressorer i parallell. I kontrast til konvensjonelle systemer, kan trykket på høytrykkssiden, som også beskrevet ovenfor, styres uavhengig av temperaturen på høytrykkssiden. Det eksisterer et optimalt eller ideelt trykk på høytrykkssiden, med en korresponderende optimal, eller maksimum, systemeffektivitet for en gitt driftstilstand, som beskrevet i WO 90/07683.

Hver av fordamperne i multikjølesystemet kan ha forskjellige og varierende kjølekrav og krever følgelig en individuell styring av tilførselen av kuldemedium. Hver fordamper er forbundet til et ekspansjonsmiddel, som styrer tilførselen av kuldemedium for å oppfylle de varierende kjølekrav. Problemet er å holde det optimale trykk på høytrykkssiden i det samlede system, og samtidig betjene alle kravene fra fordamperne. Optimal drift av et slikt system vil tvinge en spesiell styringsstrategi.

Den individuelle tilførsel av kuldemedium styres vanligvis av separate ven-tiler som bruker overhetingen av fordamperens kuldemedium som inngangssignal eller styringsparameter. Overheting gjør imidlertid fordamperne mindre effektive. Redusert overheting kan gi væskepulsasjon i fordamperen og følgelig et ustabilt temperatursignal og muligens syklisk operasjon av ventilstyringen. Det er verken mulig å opprettholde, eksempelvis en optimal høytrykksstyring, eller å styre et væskenivå i en mottaker ved et mellomliggende trykknivå, ved bruk av denne styringsstrategi. Forandringer i fylling av det aktive kuldemedium som er innført av denne styringsstrategi må bufres og slippes ut ved et mellomliggende trykknivå eller på høytrykkssiden hvis en optimal høytrykksstyring skal oppnås. Dette gjør en optimal styring av trykket på høytrykkssiden vanskelig på grunn av svært høyt designtrykk for de komponenter som ville være påkrevet. En mer robust og effektiv design er derfor ønskelig.

Et ytterligere problem for store kjøleanlegg, f.eks. i supermarkedinstal-lasjoner, er at fordamperens tilførselsledninger kan bli svært lange. For å spare kostnader kan det for høytrykks kuldemedier, så som C02, være fordelaktig å bytte til en lavere trykk-klassifikasjon for tilførselsledningene ved å redusere tilførsels-trykket for kuldemediet. En optimert systemdesign kan sørge for lavere tilførsels-trykk.

WO 2004/057246 A1 beskriver en enkel metode for styring av et kjøle-system som opererer i transkritisk modus, ved bruk av f.eks. karbondioksid som kuldemedium. En enkel og energieffektiv styringsstrategi er også nødvendig ved drift i underkritisk modus. Ulikt konvensjonelle systemer, vil kun en begrenset del av varmeavviseren bli brukt for kondensasjon ved bruk av et kuldemedium med en lav kritisk temperatur, f.eks. karbondioksid. En ny og enkel metode for optimal styring ved underkritiske tilstander er nødvendig.

Fordamper-kveiler for fryseapplikasjoner (lagringstemperaturer under 0 °C) må avises. Den konvensjonelle måte å gjennomføre avising er å tilføre varme ved hjelp av varmestaver med elektrisk motstand som er montert i fordamper-kveilen. Det elektriske oppvarmingssystem øker fordamperens produksjonskostnad, hvilket øker driftskostnaden og øker kveilens størrelse. Ved å benytte en korrekt systemdesign kan tilgjengelig prosessvarme brukes for fjerning av frost.

Sammenfatning av oppfinnelsen

En hovedhensikt med den foreliggende oppfinnelse er å lage et enkelt, kostnadseffektivt, energieffektivt og praktisk system som reduserer de ovennevnte mangler og ulemper.

Oppfinnelsen er karakterisert ved de trekk som er angitt i de ledsagende uavhengige krav. Fordelaktige trekk ved oppfinnelsen er videre angitt i det ledsagende avhengige.

Den foreliggende oppfinnelse vedrører følgelig en fremgangsmåte for drift av et dampkompresjons-kjølesystem med lukket krets som inneholder en fylling av kuldemedium som kan operere med overkritisk trykk på høytrykkssiden. Systemet inkluderer videre minst én kompressor, minst én varmeavviser, minst to i parallell forbundne varmeabsorbere, minst ett variabelt ekspansjonsmiddel oppstrøms for hver varmeabsorber og minst én styringsenhet for styring av de variable ekspansjonsmidler som er forbundet til et sett av sensorer. Fremgangsmåten inkluderer trinnene med koordinert styring av strømningsmengden av kuldemediet gjennom hvert av de variable ekspansjonsmidler, ved hjelp av styringsenheten, for å opprettholde en styringsparameter innenfor et innstilt område, og bufre eventuell overskytende fylling, som er et resultat fra styringen, på en lavtrykksside av systemet.

Styringsparameteren kan være trykket på høytrykkssiden av systemet.

Styringsparameteren kan være et væskenivå ved mellomliggende trykk og høytrykket kan styres av et separat ekspansjonsmiddel.

Karbondioksid eller en kuldemediumblanding som inneholder karbondioksid kan anvendes som kuldemediet i systemet.

Overskytende skylling eller væske fra varmeabsorberne kan samles opp i en lavtrykks mottaker eller volum ved lavt trykk, som også kan brukes som buffer for en systemmassebalanse.

Varmeabsorberne kan opereres med en del av kuldemediet som væske ved utløpet.

Kontrolleren kan fra sensorer samle inn utløpstilstanden ved hver varmeabsorber, og justere ekspansjonsmidlene inntil utløpssignai-innstillingspunkter innenfor et definert område er nådd for hver varmeabsorber.

Styringssignalet fra væskenivåindikatoren kan brukes til å styre strømmen av kuldemedium fra den mellomliggende trykkmottaker eller beholder til lavtrykkssiden av systemet gjennom et ekspansjonsmiddel for å holde væskenivået i den mellomliggende trykkmottaker konstant.

Trykket i varmeabsorber-tilførselsledningene kan reduseres ved å trekke ut kuldemediumdamp fra den mellomliggende trykkmottaker gjennom en separat strømningsledning til en hovedkompressor, en separat kompressor. Trykket i varmeabsorberens tilførselsledninger kan reduseres ved å trekke ut kuldemediumdamp fra den mellomliggende trykkmottaker til en kompressor eller til et lavtrykksnivå i systemet.

En to-trinns ekspansjonsprosess kan gjennomføres med et passivt ekspansjonsinnretnings-arrangement som er montert i serie med ekspansjonsmidlene for varmeabsorberne.

Det passive ekspansjonsinnretnings-arrangement kan ha variable trykkdifferanser i henhold til driftstiistander.

Systemet kan ha to eller flere lavtrykksnivåer.

Oppfinnelsen vedrører videre et kjølesystem som er basert på en lukket dampkompresjonskrets som inneholder en fylling av kuldemedium, som kan operere med overkritisk trykk på en høytrykksside. Systemet inkluderer videre minst én kompressor, minst én varmeavviser, minst to i parallell forbundne varmeabsorbere, minst ett variabelt ekspansjonsmiddel oppstrøms for hver varmeabsorber og minst én styringsenhet for styring av de variable ekspansjonsmidler, forbundet til et sett av sensorer. En styringsenhet er tilveiebrakt for koordinert styring av strømningsmengden av kuldemedium gjennom hvert av de variable ekspansjonsmidler for å opprettholde en styringsparameter innenfor et innstilt område, og et volum på lavtrykkssiden av systemet er tilveiebrakt for buf ring av eventuell overskytende fylling som er et resultat fra styringen.

Systemet kan inkludere en lavtrykksmottaker.

Lavtrykksmottakeren kan inkludere en kveil som alt eller en del av høy-trykksfluidet strømmer gjennom.

Lavtrykksmottakeren kan inkludere en ledning som en del av det væskedannede kuldemedium som er blandet med smøremiddel kan transporteres gjennom, ut av mottakeren.

Systemet kan inkludere en intern varmeveksler.

Systemet kan inkludere en mellomliggende trykkmottaker med en nivåindikator og et separat ekspansjonsmiddel for styring av trykket på høytrykkssiden.

Systemet kan inkludere en strømningsledning fra den mellomliggende trykkmottaker til lavtrykkssiden av systemet med et ekspansjonsmiddel som kan transportere væskedannet kuldemedium eller en blanding av væskedannet kuldemedium og gass-kuldemedium.

Systemet kan inkludere en strømningsledning fra den mellomliggende trykkmottaker til hovedkompressoren, en separat kompressor eller til lavtrykkssiden av systemet som kan transportere damp-kuldemedium ut av den mellomliggende trykkmottaker.

Systemet kan inkludere et passivt ekspansjonsinnretnings-arrangement som er montert i serie med ekspansjonsmidlene for varmevekslerne.

Systemet kan inkludere et passivt ekspansjonsinnretnings-arrangement med variabel trykkdifferanse-karakteristikk som er justert i henhold til driftstilstander.

Systemet kan inkludere to eller flere lavtrykksnivåer.

Den foreliggende oppfinnelse vedrører et kompresjons-kjølesystem som omfatter minst en kompressor, en varmeavviser, ekspansjonsmiddel og to eller flere varmeabsorbere (fordampere), som er forbundet i en lukket sirkulasjonskrets som kan operere med overkritisk trykk på høytrykkssiden, ved bruk av .f.eks. karbondioksid som kuldemediet.

Den foreliggende oppfinnelse beskriver en ny fremgangsmåte for styring, for å oppnå et optimalt eller ideelt trykk på høytrykkssiden, eller et optimalt trykk i kombinasjon med en annen styrt parameter, eksempelvis et væskenivå ved et mellomliggende trykknivå i det ovennevnte system. Væskenivået ved det mellomliggende trykk er et nivå i en relativt liten mottaker som er plassert nedstrøms for et hovedekspansjonsmiddel som styrer trykknivået på høytrykkssiden av systemet. Samtidig er de individuelle krav til tilførsel av kuldemedium til fordamperne oppfylt. Forandringer i fylling av det aktive kuldemedium, som er et resultat av å holde det optimale trykk på høytrykkssiden, bufres og slippes ut på lavtrykkssiden av systemet, når hver av fordamperne i et multikjølesystem har et forskjellig og varierende kjølekrav.

I en foretrukket utførelse har hver av kjøleenhetene eller fordamperne et ekspansjonsmiddel, som styrer tilførselen av kuldemedium for å oppfylle varierende kjølekrav. Ved hjelp av en koordinert styring av alle ekspansjonsmidlene som styrer tilførselen av kuldemedium til de forskjellige fordampere i kjøleenhetene, er det mulig å oppnå f.eks. et optimalt eller ideelt trykk på høytrykkssiden av prosessen. Hvert ekspansjonsmiddel vil bli styrt av et styringssignal basert på den tilst-and som måles ved utløpet fra fordamperen. Den eneste begrensning er at ingen av fordamperne bør undermates, dvs. ikke få tilstrekkelig tilførsel av kuldemedium. Hvis trykket på høytrykkssiden må forandres, vil alle ekspansjonsmidlene bli styrt sammen i en koordinert handling for å oppnå en forandring av trykket, ved sam-menligning av styringssignaler fra kjøleenhetene. Hvis styringssignalet fra én av sensorene er utenfor et akseptabelt område, må den nødvendige justering av de korresponderende ekspansjonsmidler oppfylles ved hjelp av en samtidig komp-ensasjon det kan være nødvendig å justere for én eller flere av de andre ekspansjonsmidler. Dette gjøres for ikke å avvike fra den optimale styring av den viktigste styrte parameter, f.eks. trykket på høytrykkssiden av systemet. På denne måte etableres optimal drift for et system for multikjøleformål.

En annen utførelse inkluderer en separat ventil for styring av trykket på høytrykkssiden. Deretter kan den koordinerte styring av ekspansjonsmidlene brukes til å styre en annen parameter, f.eks. et væskenivå i en mottaker ved mellomliggende trykk.

I en utførelse vil overskytende væske fra én eller flere av fordamperne bli bufret på lavtrykkssiden i en mottaker eller et volum mellom fordamperne og kompressoren.

I en annen utførelse kan et omløp mellom den mulige mellomliggende trykkmottaker og lavtrykkssiden tillate at væskedannet kuldemedium eller en blanding av væskedannet kuldemedium og damp-kuldemedium overføres til lavtrykkssiden, for å forenkle styringen av de individuelle ekspansjonsmidler som styrer matingen av kuldemedium til de forskjellige fordampere.

Styringsprinsippet er utviklet for flere systemdesign og for flere applikasjoner. Eksempler på applikasjoner er supermarkedkjøling, industrielt system og salgsautomater.

Kort beskrivelse av tegningene

Oppfinnelsen vil videre bli beskrevet i det følgende, kun ved hjelp av eksempler, og med henvisning til tegningene, hvor,

Fig. 1 illustrerer en enkel krets for et dampkompresjonssystem.

Fig. 2 illustrerer en systemløsning og et styringssystem for et multivarme-absorbersystem. Fig. 3 illustrerer en systemløsning og et styringssystem for et multivarme-absorbersystem med en mellomliggende trykkmottaker for en to-trinns strupeprosess som tillater fordeling av kuldemedium ved mellomliggende trykk. Fig. 4 illustrerer en systemløsning og et styringssystem for et multivarme-absorbersystem med en mellomliggende trykkmottaker for en to-trinns strupeprosess som tillater fordeling av kuldemedium ved mellomliggende trykk med muligheter for et separat omløp av kuldemedium fra den mellomliggende trykkmottaker til lavtrykket i systemet. Fig. 5 illustrerer en systemløsning og et styringssystem for et multivarme-absorbersystem med en to-trinns strupeprosess som tillater fordeling av kuldemedium ved mellomliggende trykk, uten bruk av en mellomliggende trykkmottaker. Fig. 6 illustrerer en systemløsning og et styringssystem for et multivarme-absorbersystem med to forskjellige trykknivåer for varmeabsorpsjonen.

Detaljert beskrivelse av oppfinnelsen:

I den følgende beskrivelsen, viser like henvisningstall til like deler på de forskjellige figurene. Fig. 1 illustrerer et konvensjonelt dampkompresjonssystem som omfatter en kompressor 1, en varmeavviser 2, et ekspansjonsmiddel 3 og en varmeabsorber 4 som er forbundet i et lukket sirkulasjonssystem. Fig. 2 viser et ett-trinns dampkompresjonssystem med to eller flere varmeabsorbere (evaparatorer) 4', 4" i parallell. Systemet inneholder også en lavtrykksmottaker 5, en intern varmeveksler 6, en kompressor 1, en gasskjøler 2, en temp-eratursensor 14, trykksensorer 9', 9" og sensorer 15', 15" for detektering av utløps-tilstanden fra varmeabsorberne (fordamperne). Signaler som sendes fra sensorene 14,15', 15", 9', 9" som reflekterer driftstilstanden til systemet, sendes til et styringssystem 8', 8". Styringssystemene 8', 8" styrer respektivt kompressorens kapasitet henholdsvis ekspansjonsmidlene 3', 3" for styring av mating av kuldemedium til varmeabsorberne.

Styringssystemene 8', 8" mottar inngangssignal fra temperatursensoren 14, inngangssignal fra sensorene 15', 15", ved utløpet fra varmeabsorberne, og inngangssignal fra trykksensorene 9', 9" på høy- henholdsvis lavtrykkssidene av kompressoren 1. Inngangssignalet fra trykksensorene 9' kan reflektere trykket på høy-trykkssiden av systemet, mens trykksensoren 9" overvåker trykket på lavtrykkssiden. Styringssystemene 8', 8" kan også være kun ett styringssystem eller flere separate styringssystemer, eksempelvis styringssystem for hvert ekspansjonsmiddel eller styrte komponent, så lenge det tjener til å styre de beskrevne parametere.

Temperatursensoren 14, som produserer et signal til styringssystemet 8", kan måle en temperatur som reflekterer de omgiende betingelser. Sensoren kan også måle eksempelvis gasskjølerens utløpstemperatur eller en annen parameter som er viktig for identifisering av det ideelle eller optimale trykk.

Basert på de mottatte signaler, kan styringssystemet eller enheten 8' mate styringsinngang til ekspansjonsmidlene 3', 3", for å styre trykkfall og strømnings-mengde gjennom ekspansjonsmidlene 3', 3".

Styringssystemet kan bruke forskjellige strategier eller algoritmer for å gjen-nomføre styringen. En slik algoritme er skjematisk representert av kurve 10. Alternativt, eller i tillegg, kan styringssystemet inkluderer et adaptivt online-system.

Styringssystemet 8" kan, basert på det ovenstående, sørge for optimale driftsbetingelser gjennom individuell styring av ekspansjonsmidlene 3', 3". Ved hjelp av en koordinert styring av alle ekspansjonsmidlene 3', 3", hvilket styrer tilfør-selen av kuldemedium til de forskjellige kjøleenheter, er det mulig å kjøle, med styringssystemet 8", f.eks. et optimalt høytrykk for prosessen, og sørger samtidig for tilstrekkelig mating av de individuelle fordampere 4.

Systemet på fig. 2 kan brukes til ett-trinns ekspansjon, som forklart neden-for. Trykket på høytrykkssiden bør styres sammen med styringen av tilførselen av kuldemedium til fordamperne 4', 4". For hver av fordamperne 4', 4" (eller flerhet av fordampere), blir matingen eller tilførselen av kuldemedium styrt av ekspansjonsmidlene 3', 3".

Hvis trykket på høytrykkssiden må forandres som et resultat av et avvik fra én av de definerte verdier 10, eksempelvis som et resultat av en forandring av de omgiende betingelser, vil dette bli registrert av temperatursensoren 14, og et end-ret signal vil bli sendt til styringssystemet 8". Som et resultat av dette vil styringssystemet 8" tilføre et signal til ekspansjonsmidlene 3', 3", slik at disse midler 3', 3" vil bli styrt samtidig i en koordinert handling, for å fremskaffe en forandring av trykket på høytrykkssiden. Hvis styringssignalet til ett av ekspansjonsmidlene 3', 3" resulterer i en utløpstilstand som måles av sensorene 15', 15", som er utenfor et forhåndsbestemt område, må justeringen av disse ekspansjonsmidler kompenseres for av en samtidig justering av ett eller flere av de andre ekspansjonsmidler for ikke å avvike fra den optimale styring av den viktigste styrte parameter, f.eks. høytrykket. På denne måte, blir optimal drift etablert for et system for multi-kjøleformål, og det er samtidig mulig å operere fordamperne 4', 4" med forskjellige tilstander ved utløpet, eksempelvis med overheting, våt eller mettet.

Overskytende væske fra én eller flere av fordamperne 4', 4", som er et resultat av det beskrevne styringskonsept eller -algoritme, vil bli bufret på lavtrykkssiden i en mottaker 5 eller et volum mellom fordamperne og kompressoren. Volumet 5 kan være en integrert dei av strømningsledningene. På denne måte kan systemet motta våt utgang fra én eller flere av kjøleenhetene 4', 4", hvilket kan være et resultat av styringskonseptet. Dette er i motsetning til alminnelige systemer som krever en overhetet utgang fra alle fordamperne. Resultatet er også at et bredt område av signaler kan aksepteres fra sensorene 15', 15". Styringsenheten 8" behøver kun å kompensere mellom de forskjellige ekspansjonsmidler 3', 3", hvis sensorene 15', 15" detekterer en uakseptabel høy overheting ut av én av fordamperne 4', 4". En for høy overheting, som er et resultat fra undermating av fordamperen på grunn av en for lav massestrøm av kuldemedium, ville redusere både kapasitet for kjøleenheten og resultere i uakseptabel energieffektivitet for systemet.

Hvis trykket på høytrykkssiden er for høyt, vil ett eller flere av ekspansjonsmidlene 3', 3" bli justert for å gi økt massestrømningsmengde, og dette trykket vil bli redusert. Siden trykkdifferansen i systemet har blitt forandret, vil masse-strømmen gjennom fordamperne 4', 4" bli påvirket. Ekspansjonsmidlene 3', 3" vil da bli justert av styringssystemet 8" til å gi aksepterte innstilte verdier for til-standene eller egenskapene ved fordamperens utløp målt av sensorene Z', Z" 15', 15", hvilket igjen kan påvirke trykkdifferansen i systemet. For å nå innstilte verdier både for dette trykk og akseptable fluidegenskaper ut av fordamperen, kan det være at styringssystemet 8" må gjenta justeringsprosessen, hvilket gir en styrings-sløyfe. Når alle innstillingspunktene er nådd, har masse blitt transportert fra høy-trykkssiden til lavtrykkssiden, og overskytende kuldemedium er akkumulert i mottakeren 5.

Hvis trykket på høytrykkssiden blir for lavt, så vil én eller flere av ekspansjonsmidlene 3', 3" bli justert for å redusere massestrøm men. Trykk på høytrykks-siden vil øke. Samtidig vil fordamperens utløpstilstand(er) forandres, enten ved å nå en høyere dampkvalitet eller en overheting av høyere grad. Trykket på lavtrykkssiden av systemet kan også bli redusert. Begge de ovennevnte effekter bidrar til en avkoking av væske i lavtrykksmottakeren 5. Masse vil bli transport til høy-trykkssiden, hvilket øker trykket på denne siden enda mer. Siden trykkdifferansen i systemet har blitt forandret på denne måte, vil massestrømmen gjennom fordamperne 4', 4" bli påvirket. Ekspansjonsmidler 3', 3" vil da bli justert av styringssystemet 8" for å gi akseptable innstillingsverdier for utløpstilstandene fra fordamperne 4', 4" målt av sensorene 15, 15", hvilket igjen kan påvirke trykkdifferansen i systemet. For å nå innstilte verdier både for trykket på høytrykkssiden og tilstan-dene ved fordamperens utløp, kan det være at styringssystemet 8" må gjenta justeringsprosessen, hvilket gir en styringssløyfe. Lavtrykket i systemet, som muligens måles med en trykksensor 9", vil typisk bli separat styrt ved styring av komp-ressorene med en styringsenhet 8'.

Den interne varmeveksler 6, som vises på fig. 2, er ikke absolutt nødvendig for at systemet skal virke, men vil oftest forbedre effektiviteten og den generelle drift av systemet. Den vil også tjene til å fordampe noe av eller all den væske som innføres ved lavtrykksinngangen til varmeveksleren før den kommer inn i kompressoren 1. På det samme tidspunkt vil den interne varmeveksler bidra til å under-kjøle fluidet på høytrykkssiden før ekspansjon i ekspansjonsmidlene 3', 3". En annen måte til å håndtere væske i sugeledningen før kompressoren 1 vil være å bruke en kompressor som aksepterer sug av væske.

I forbindelse med den interne varmeveksler 6, kan et rør 17 installeres for å suge ut smøremiddel, væskedannet kuldemedium eller en blanding av disse. Transporten av væskedannet kuldemedium ut av lavtrykksmottakeren 5 vil be-stemme den midlere dampkvalitet ut av fordamperne 4', 4".

Ved å innføre en kveil 7 inne i lavtrykksmottakeren 5, kan ytterligere under-kjøling av høytrykksfluidet oppnås, og mer væske vil bli kokt av i lavtrykksmottakeren 5. Kveilen 7 kan enten være designet for full høytrykksstrøm, eller for en delt strøm, som angitt på fig. 2. Jo mer væske som kokes av i lavtrykksmottakeren 5, jo lavere vil den midlere dampkvalitet av kuldemediet som strømmer ut av fordamperne 4', 4" være. Lavere dampkvalitet betyr i denne sammenheng et høyere væs-keinnhold, i henhold til massebalansen ved stabil drift.

To-trinns struping

Det styringsprinsipp som er beskrevet ovenfor innebærer at rørene som mater fordamperne må motstå høytrykket hele veien til fordamperne 4', 4". Dette kan være ufordelaktig hvis rørene er lange, f.eks. i supermarkeder. Det kreves også at fordamperens strupeventiler motstår høytrykket. Spesialdesignede høy-trykksventiler vil sannsynligvis være mer kostbare.

Fig. 3 viser et prinsipp som ligner det som er beskrevet ovenfor, men med et to-trinns strupesystem. Ytterligere komponenter er et høytrykks ekspansjonsmiddel 11, en mottaker eller beholder 12, væskenivådetektor 13 som detekterer et væskenivå i mottakeren 12 og en nivådetektor 13. Kontrolleren 8" styrer ekspansjonsmidlene 3', 3" basert på signalene fra sensorene 15', 15" og nivådetektoren 13.

Et hovedekspansjonsmiddel 11 styres av styringsenheten 8" for å justere høytrykket i systemet. Som angitt ovenfor, kan det optimale trykket på høytryk-ksiden oppnås med forskjellige styringsstrategier. En styringsstrategi kan f.eks. være relatert til en forhåndsbestemt kurve 10 basert på beregninger eller erfaring, eller et adaptivt online-system.

Utgangsstrømmen fra ekspansjonsmidlene 11 ledes til en mellomliggende trykkmottaker 12. Væske med middels trykk kan deretter fordeles til fordamperne 4', 4" gjennom ekspansjonsmidlene 3', 3". For å lagre kun et lite volum av kuldemedium ved det mellomliggende trykk, er mottakeren 12 ikke designet til å håndtere variasjoner i fylling. Ekspansjonsmidlene 3', 3" blir isteden styrt samtidig i en koordinert handling av kontrolleren 8" for å holde et konstant væskenivå i mottakeren 12.

Hvis styringssignalet til ett av ekspansjonsmidlene 3', 3" resulterer i en ut-løpstilstand som måles av sensorene 15', 15", som er utenfor et forhåndsbestemt område, må justeringen av disse ekspansjonsmidler kompenseres for ved hjelp av en samtidig justering av ett eller flere av de andre ekspansjonsmidler 3', 3", for ikke å avvike fra den optimale styring av den viktigste styrte parameter, i dette tilfelle væskenivået i mottakeren 12, som detekteres av væskenivådetektoren 13.

Variasjon i forskjellige parametere kan fremkalle en forandring i væskenivået i mellomliggende trykkmottakeren 12, eksempelvis styring av høytrykket ved hjelp av ekspansjonsmiddelet 11. Dette vil måtte bli kompensert for av kontrolleren 8" ved samtidig justering av én eller flere av ekspansjonsmidlene 3', 3" som styrer strømmen til fordamperne 4', 4".

Kapasitetsstyringen for hver av fordamperne vil i prinsippet være identisk til den styring som er beskrevet ovenfor. Hvert ekspansjonsmiddel 3', 3" vil bli justert for å holde fordamperutløpets tilstander som detekteres av sensorene 15', 15" innenfor akseptable verdier. Disse justeringer vil også påvirke væskenivået i mellomliggende trykkmottaker 12, og det kan være at kontrolleren 8" må gjenta justeringen av væskenivået i mottakeren 12, hvilket gir en styringssløyfe.

Hvis væskenivået i mellomliggende trykkmottaker 12 detekteres av væskenivådetektoren 13 til å være for høyt, vil ett eller flere av ekspansjonsmidlene 3', 3" bli justert til å gi økt strømningsmengde. Væskenivå vil bli redusert. Når væske-nivåets innstillingspunkt er nådd, vil ekspansjonsmidlene 3', 3" deretter bli justert av styringssystemet for å gi innstilte verdier for fordamperens 4 utgangstilstander. Kuldemediemasse har blitt transportert fra den mellomliggende trykkmottakeren 12 til lavtrykksmottakeren 5, hvor mulig overskytende væske akkumuleres.

Hvis væskenivået blir for lavt, vil den ene eller flere av ekspansjonsmidlene 3', 3" bli justert for å redusere strømningsmengden. Væskenivå vil øke.

Samtidig, kan fordamperens utgangstilstander, som detekteres av sensorene 15', 15" bli (mer) overhetet, og lavtrykket i systemet kan også bli redusert. Begge effekter bidrar til en avkoking av væske i lavtrykksmottakeren 5. Kuldemediummasse vil bli transportert til høytrykkssiden, hvilket øker høytrykket. Hovedekspansjonsmidlene 11 vil da øke åpningen for å opprettholde det innstillingspunkt-trykk som er gitt av den optimale kurve 10. Mer væske vil bli produsert i ekspansjonsprosessen i den mellomliggende trykkmottakeren 12, og væskenivået vil øke ytterligere. Når innstillingspunktverdien for væskenivået er nådd, vil ett eller flere av ekspansjonsmidlene 3', 3" bli justert for å øke strømn-ingsmengden. For å nå innstillingspunktverdiene for alle fordamperne 4', 4" sine utløpstilstander som detekteres av 15', 15", trykket på høytrykksiden og væskenivået i mellomliggende trykkmottaker 12 , kan det være at styringssystemet må gjenta justeringsprosessen, hvilket gir en styringssløyfe.

Mellomliggende trykkmottaker 12 kan lages med et relativt lite volum og således spares kostnader. Det er ikke påkrevet å bufre varierende mengder av kuldemedium.

I totrinns-strupeprosessen som er beskrevet ovenfor, blir damp ikke suget ut av mellomliggende trykkmottaker 12. Pr. definisjon, tilstanden i mellomliggende trykkmottaker 12 vil alltid være på væskemetningslinjen. Trykket i denne mottaker vil følgelig være definert av innløpstilstanden til hovedekspansjonsmiddelet 11. Hvis et lavere trykk i mellomliggende trykkmottaker 12 er ønsket, er det nødvendig at damp transporteres ut av mottaker 12. Dette kan gjøres enten direkte av en kompressor, hvilket sannsynligvis er praktisk for større systemer, eller dampen kan ekspanderes ned til lavtrykkssiden gjennom en strømningsledning, ikke vist på fig. 3, som styres av et ekspansjonsmiddel.

Det mellomliggende trykk kan styres ved å variere damputgangsstrømmen. Det kan følgelig eksempelvis styres til å være 40 bar uavhengig av høytrykket i systemet. Dette vil åpne for bruk av standardkomponenter i fordampersystemene.

Siden dampen er mettet i mottakeren 12, vil en ekspansjonsprosess for

dampen på lagtrykksiden produsere væske, som fortrinnsvis bør fjernes fra strøm-men før den kommer inn i kompressoren. En valgmulighet er å ekspandere damp-strømmen ned til sugeledningen foran den interne varmeveksler 6 for avkoking av væske i varmeveksling med høytrykksfluidet. En annen valgmulighet er ekspansjon ned til lavtrykksmottakeren 5.

Fig. 4 viser et prinsipp som ligner det som er beskrevet ovenfor, med et to-trinns strupesystem, men et ytterligere ekspansjonsmiddel 16 er inkludert. Det ytterligere ekspansjonsmiddel 16 styrer strøm av kuldemedium, væske eller en blanding av væske og damp, fra mellomliggende trykkmottaker 12 til lavtrykkssiden av systemet, eksempelvis til lavtrykksmottakeren 5. Kontrolleren 8" styrer ekspansjonsmiddelet 16 med det signal som er gitt av nivåindikatoren 13, for å holde nivået i mellomliggende trykkmottaker 12 konstant. En direkte mekanisk eller elektronisk styring av ekspansjonsmiddelet 16 av nivådetektoren 13 vil også være mulig. Ekspansjonsmidlene 3', 3" kan nå styres av kontrolleren 8" for å mate fordamperne 4 basert på signalene fra sensorene 15', 15". Signal-innstillingspunktet for sensorene 15', 15" kan nå være eksempelvis et definert overhetingssignal, siden den mulige væske som kan begynne å akkumulere i mellomliggende trykkmottaker 12 kan bli ledet forbi til lavtrykkssiden gjennom ekspansjonsmidler 16. Dette kan også tillate en direkte mekanisk eller elektronisk styring av ekspansjonsmidlene 3', 3" med hjelp av sensorene 15', 15", som eksempelvis er kulde-mediumfylte kolber, som vanligvis brukes i termostatiske ekspansjonsventiler.

Også for denne løsning kan det være fordelaktig å redusere trykket i mellomliggende trykkmottaker 12 ved å transportere damp ut av mottakeren 12, enten direkte av en kompressor, hvilket sannsynligvis er praktisk for større systemer, eller dampen kan ekspanderes ned til lavtrykkssiden gjennom en strøm-ningsledning, ikke vist på fig. 4, som styres av et ekspansjonsmiddel.

To- trinns struping uten mellomliggende trykkmottaker

To-trinns strupeprosessen som er beskrevet ovenfor krever et mer avansert styringssystem enn den som er vist på fig. 2, og en mellomliggende trykkmottaker er også påkrevet. Et enklere system vil være å bruke et to-trinns strupesystem uten mellomliggende trykkmottaker. Fig. 5 viser en prinsippskisse. I tillegg til de komponenter som er beskrevet for fig. 2, inneholder systemet ett eller flere av ekspansjonsmidlene 19', 19". Siden det ikke er noe buffervolum mellom de to ekspansjonstrinn, som følgelig gjennomføres av ekspansjonsmidlene 19', 19" og ekspansjonsmidlene 3', 3", må ett av ekspansjonsmidlene være passive. På grunn av kapasitetsstyringen av fordamperne 4', 4", bør det passive ekspansjonsmiddel fortrinnsvis være det første ekspansjonstrinn som utføres av ekspansjonsmidlene 19', 19". Dette kan f.eks. være en ventil med konstant differansetrykk (differential pressure, DP. Ved å bruke det styringsprinsipp som er beskrevet for det system som representeres på fig. 2, for styring av strømningsmengden til fordamperne 4', 4", vil høytrykket indirekte bli styrt av fordamper-ekspansjonsmidlene 3', 3" for fordamperne 4', 4".

Ingen væskegass-separasjon ved det mellomliggende trykk, oppstrøms for ekspansjonsmidlene 3', 3", vil skje i systemet. Følgelig kan ingen damp suges ut for å styre det mellomliggende trykk. Mellomliggende trykk styres av trykkdifferansen i ekspansjonsmidlene 19', 19". Hvis det er krav til det mellomliggende trykknivå, f.eks. aldri å overstige 45 bar, så kan det være påkrevet med et mer sofistikert ekspansjonsmiddel-arrangement. En mulighet kan være å sette to eller flere ekspansjonsmidler med forskjellige differansetrykkverdier i serie med omløp, som vist på fig. 5 med 19', 19". Ved å forandre de aktive DP-ekspansjonsmidler, kan det oppnås et korrekt mellomliggende trykk.

Systemer med to lavtrvkksnivåer

Det ovenfor beskrevne styringsprinsipp kan anvendes på systemer med ett lavtrykksnivå. Det eller de påkrevde lavtrvkksnivåer kan variere i avhengighet av applikasjonen, f.eks. kjøle- og fryseapplikasjoner.

Fig. 6 illustrerer det samme styringsprinsipp som er beskrevet på fig. 2 for et system som arbeider ved to forskjellige lavtrykksnivåer ved bruk av en almin-nelig gasskjøler 22. Andre komponenter med korresponderende henvisningstall som på fig. 2 er vist. Fig. 6 viser et eksempel på et kompressor- og gasskjøler-arrangement. Flere andre arrangementer er mulige.

Claims (23)

1. Fremgangsmåte for drift av et dampkompresjonskjølesystem med lukket krets inneholdende en fylling av kuldemedium, som kan operere med overkritisk trykk på en høytrykksside, hvor systemet videre inkluderer minst én kompressor (1), minst én varmeavviser (2), minst to i parallell forbundne varmeabsorbere (4), minst ett variabelt ekspansjonsmiddel (3) oppstrøms for hver varmeabsorber (4) og minst én styringsenhet (8") for styring av de variable ekspansjonsmidler (3), forbundet til et sett av sensorer (9\ 15), inkludert trinn for: koordinert styring av strømningsmengden av kuldemediet gjennom hvert av de variable ekspansjonsmidler (3), ved hjelp av en styringsenhet (8"), for å opprettholde en styringsparameter innenfor et innstilt område, og bufre eventuelt overskytende fylling, som er et resultat av styringen, på en lavtrykksside av systemet.

2. Fremgangsmåte i krav 1, hvor styringsparameteren er trykket på høytrykks-siden av systemet.

3. Fremgangsmåte som angitt i krav 1, hvor den styrte parameter er et væskenivå som er målt av en væskenivådetektor (13) i en mellomliggende trykkmottaker (12), idet den mellomliggende trykkmottaker (12) og trykket på høytrykksiden styres av et separat ekspansjonsmiddel (11).

4. Fremgangsmåte som angitt i et av de foregående krav 1 -3, hvor karbondioksid eller en kuldemediumblanding som inneholder karbondioksid anvendes som kuldemediet i systemet.

5. Fremgangsmåte som angitt i et av de foregående krav 1 -4, hvor overskytende fylling fra varmeabsorberne (4) samles opp i en lavtrykksmottaker (5) eller volum ved lavt trykk, som også brukes som buffer for en systemmassebalanse.

6. Fremgangsmåte som angitt i et av de foregående krav 1 -5, hvor varmeabsorberne (4) kan opereres med en del av kuldemediet som væske ved utløpet.

7. Fremgangsmåte som angitt i et av de foregående krav 1 -6, hvor styringsenheten (8") fra sensorene (15) samler inn utløpstilstanden for hver varmeabsorber (4), og justerer ekspansjonsmidlene (3) inntil utløpssignal-innstillingspunkter innenfor et definert område er nådd for hver varmeabsorber (4).

8. Fremgangsmåte som angitt i et av de foregående krav 3-7, hvor et signal fra væskenivådetektoren (13) brukes til å styre strømmen av kuldemedium fra mellomliggende trykkmottakeren (12) til lavtrykkssiden av systemet gjennom et ekspansjonsmiddel (16), for å holde væskenivået i mellomliggende trykkmottakeren 12 konstant.

9. Fremgangsmåte som angitt i et av de foregående krav 3-8, hvor et trykk i varmeabsorberens tilførselsledninger reduseres ved uttrekking av kuldemediumdamp fra mellomliggende trykkmottakeren (12) gjennom en separat strømnings-ledning til hovedkompressoren (1), en separat kompressor eller til et lavere trykknivå i systemet.

10. Fremgangsmåte som angitt i et av de foregående krav 3-9, hvor en to-trinns ekspansjonsprosess gjennomføres med et passivt ekspansjonsinnretnings-arrangement (19) som er montert i serie med ekspansjonsmidlene (3) for varmeabsorberne (4).

11. Fremgangsmåte som angitt i krav 10, hvor det passive ekspansjonsinnretningsarrangement (19) kan ha variable trykkdifferanser i henhold til driftsbetingelser.

12. Fremgangsmåte som angitt i et av de foregående krav 1-11, hvor systemet har to eller flere lavtrykksnivåer.

13. Kjølesystem basert på en lukket dampkompresjonskrets som inneholder en fylling av kuldemedium, som kan operere med overkritisk trykk på en høytrykks-side, hvor systemet videre inkluderer minst én kompressor (1), minst én varmeavviser (2), minst to i parallell forbundne varmeabsorbere (4), minst ett variabelt ekspansjonsmiddel (3) oppstrøms for hver varmeabsorber (4) og minst én styringsenhet (8") som er forbundet til et sett av sensorer (9', 15), hvor styringsenheten (8") videre er anordnet til koordinert styring av strømnings-mengden av kuldemediet gjennom hvert av de variable ekspansjonsmidler (3), for å opprettholde en styringsparameter innenfor et innstilt område, og et volum på lavtrykkssiden av systemet for bufring av eventuell overskytende fylling som er et resultat av styringen.

14. Kjølesystem som angitt i krav 13, omfattende en lavtrykksmottaker (5).

15. Kjølesystem som angitt i krav 14, hvor lavtrykksmottakeren (5) omfatter en kveil (7) som alt eller en del av høytrykksfluidet strømmer gjennom.

16. Kjølesystem som angitt i et av de foregående krav 14-15, hvor lavtrykksmottakeren (5) omfatter en ledning (17) som en del av det væskedannede kuldemedium som er blandet med smøremiddel kan transporteres gjennom, ut av mottakeren (5).

17. Kjølesystem som angitt i et av de foregående krav 13-16, omfattende en intern varmeveksler (6).

18. Kjølesystem som angitt i et av de foregående krav 13-17, omfattende en mellomliggende trykkmottaker (12) med en nivåindikator (13) og et separat ekspansjonsmiddel (11) for styring av trykket på høytrykkssiden.

19. Kjølesystem som angitt i et av de foregående krav 13-18, omfattende en strømningsledning fra den mellomliggende trykkmottakeren (12) til lagtrykkssiden av systemet med et ekspansjonsmiddel (16) som kan transportere væskedannet kuldemedium eller en blanding av væskedannet og gassformet kuldemedium.

20. Kjølesystem som angitt i et av de foregående krav 13-19, omfattende en strømningsledning fra den mellomliggende trykkmottakeren (12) til hovedkompressoren (1), en separat kompressor eller til lavtrykkssiden av systemet som kan transportere kuldemedium i dampform ut av den mellomliggende trykkmottakeren (12).

21. Kjølesystem som angitt i et av de foregående krav 13-17, omfattende et passivt ekspansjons-innretningsarrangement (19) som er montert i serie med ekspansjonsmidlene (3) for varmeabsorberne (4).

22. Kjølesystem som angitt i et av de foregående krav 13-17 og 21, omfattende et passivt ekspansjons-innretningsarrangement (19) med variabel trykkdifferanse-karakteristikk som er justert i henhold til driftstilstander.

23. Kjølesystem som angitt i et av de foregående krav 13-22, hvor systemet har to eller flere lagtrykksnivåer.