WO2006092108A1 - Kälteanlage für transkritische betriebsweise mit economiser - Google Patents

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WO2006092108A1
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pressure
compressor
heat exchanger
refrigerant
refrigeration
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PCT/DE2005/000359
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French (fr)
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Dieter Mosemann
Dmytro Zaytsev
Original Assignee
Grasso Gmbh Refrigeration Technology
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    • F25B2400/23—Separators

Definitions

  • the invention relates to a refrigeration plant for transcritical operation with compressors having geometrically controlled inlet and outlet openings, for example screw compressors or scroll compressors, which operate at least at three pressure levels.
  • the pressure levels are suction pressure applied to the suction side of the compressor and close to the pressure in the evaporator, intermediate pressure applied to the economiser port and compression pressure acting on the pressure side of the compressor and close to the pressure in a gas cooler ,
  • the associated sides of the compressor are also called low pressure side, suction side or suction side and high pressure side or outlet side.
  • the pressure on the high-pressure side is greater than the pressure at the critical point of the refrigerant. Therefore, this process is called transcritical or supercritical refrigeration process.
  • the compressor sucks under suction pressure standing working medium, which evaporates in the evaporator, and compresses it to the discharge pressure, the pressure on the high pressure side.
  • the working medium (refrigerant) is cooled in a gas cooler and then either relaxed in an expansion machine under mechanical work or relaxed in a throttle device to the pressure in a liquid separator.
  • the pressure is below the pressure at the critical point of the working medium, therefore both liquid and vapor (flash gas) are formed, which are separated in the liquid separator.
  • By lowering the pressure the temperature of the working fluid decreases.
  • the liquid is evaporated by supplying heat.
  • the to required amount of heat is referred to in refrigeration and air conditioning as refrigeration capacity.
  • the invention relates to a device on a compressor for use in refrigeration systems whose compression end pressure is in the supercritical range of a refrigerant, for example CO2.
  • the proportion of flash gas is very high, both during expansion in an expansion machine and in a throttle device.
  • the remaining amount of liquid is comparatively small in relation to the mass flow conveyed by the compressor.
  • the ratio of cooling capacity to drive power, the COP is correspondingly small.
  • the energy demand for refrigeration is unacceptably high. Therefore, in another embodiment, a two-stage expansion is used in which a first flash gas portion and a first liquid portion at higher pressure arise.
  • the first flash gas portion is again compressed in a second compressor to the pressure of the high pressure side and the first liquid is depressurized to the pressure in the liquid separator, wherein the ratio of liquid content and flash gas portion is increased significantly.
  • a disadvantage is a second compressor is required with its own drive.
  • the cost of such a system increase, and the operation of such a system is more complicated than in a one-machine plant, since both the timing for the start and stop of the compressor, and the flow rates of both compressors must be coordinated and therefore regulated.
  • Another known technical solution the so-called economiser coupling with a screw compressor, which is used in the subcritical refrigeration cycle, in which the pressure on the high pressure side of the compressor is below the pressure at the critical point, can not be realized with known screw compressors because set an intermediate pressure in the transcritical refrigeration cycle, which is above the pressure at the critical point.
  • the feed begins in this opening, the charge, at the earliest after the tooth gaps their maximum have reached geometric chamber volume and have no connection to the arranged in the compressor housing inlet window by the progressive rotation of the rotors.
  • the available chamber volume is not large enough to accommodate the flash gas portion at a pressure less than the pressure at the critical point of the refrigerant.
  • the object of the invention is to realize a technical solution in which only one compressor is needed, which can be operated with a two-stage expansion and economizer.
  • the flash gas content should be less than the pressure at the critical point of the refrigerant at intermediate pressure at the economizer connection.
  • the refrigerant vapor exiting the gas cooler passes before the expansion from the high pressure level to the intermediate pressure level and thus before entering the economizer port on the compressor an internal heat exchanger.
  • the high pressure refrigerant vapor is cooled on one side of the heat transfer surfaces of the heat exchanger, while refrigerant vapor after exiting the evaporator on the other side of the heat transfer surfaces of the internal heat exchanger, is overheated before it is sucked and compressed by the compressor.
  • the geometric tooth space volume of the considered tooth gap can be constant (transport phase) or reduced as a result of rotor rotation.
  • the refrigeration plant for transcritical operation comprises at least the following components: a gas cooler, an internal heat exchanger, an intermediate pressure vessel, an evaporator, a compressor having geometrically controlled inlet and outlet ports, for example a screw compressor or a scroll compressor, Throttling devices and connecting pipes between the listed components.
  • a gas cooler an internal heat exchanger
  • an intermediate pressure vessel for example a screw compressor or a scroll compressor
  • Throttling devices and connecting pipes between the listed components In the operating condition, suction pressure on the suction side and compression pressure on the discharge side of the compressor are present at the compressor, the pressure on the outlet side being greater than the pressure at the critical point of the refrigerant.
  • the compressor has an economizer port on the housing, which has a flow connection to the intermediate pressure vessel, the pressure of which lies between the compression end pressure and the suction pressure.
  • the internal heat exchanger Prior to the economiser connection to the compressor, the internal heat exchanger is arranged with two flow paths on which heat transfer surfaces are arranged, one downstream of the gas cooler exit and throttle upstream of the intermediate pressure vessel configured as a liquid separator, and the other downstream flow path Evaporator outlet and suction side of the compressor is arranged. Due to the different temperature levels, the refrigerant vapor leaving the evaporator is heated in the inner heat exchanger, while the refrigerant vapor emerging from the gas cooler is further cooled. As a result of this cooling, the flash gas portion decreases during the subsequent expansion to intermediate pressure level in the intermediate pressure vessel. The relative humidity of the expanded refrigerant also increases. With less flash gas, the intermediate pressure at the economizer port of the compressor is lowered significantly below the pressure at the critical point of the refrigerant, so that compressors are present Construction can be used for this type of refrigeration system and refrigeration systems can be operated with improved efficiency.
  • the refrigeration plant for transcritical operation has at least the following components: a gas cooler, first and second internal heat exchangers, an evaporator, a compressor having geometrically controlled inlet and outlet ports, for example a screw compressor or a scroll compressor , Throttling devices and connecting piping between the listed components.
  • the compressor has an economizer port on the housing, which has a flow connection to the first internal heat exchanger of refrigeration or air conditioning with two flow paths, on which heat transfer surfaces are arranged, wherein the one flow path, the high-pressure refrigerant flow from the gas cooler through the second inner Heat exchanger relates to the evaporator and the other flow path relates to a partial flow of high-pressure refrigerant, which passes a throttle device to relax the high-pressure refrigerant to intermediate pressure level, enters the first inner heat exchanger and downstream cools the high pressure refrigerant vapor of the other flow path.
  • the second internal heat exchanger In front of the suction side of the compressor, the second internal heat exchanger is arranged with two flow paths on which heat transfer surfaces are arranged, with one flow path located downstream between liquid separator with the lowest pressure level of the refrigeration system and suction side of the compressor and the other flow path downstream between gas cooler exit and throttle point the first inner heat exchanger is arranged.
  • the same technical features apply to other types of compressors and compressors with geometrically controlled inlet and outlet ports.
  • the technical solutions according to the invention reduce the circulating mass flow through the evaporator, since the overheating on the suction side increases, the flash gas portion is reduced to intermediate pressure after expansion, so that the intermediate pressure of the first expansion stage of the two-stage expansion is lowered to such an extent the intermediate pressure is well below the pressure at the critical point of the refrigerant.
  • Figure 1 shows a log p, h diagram for a refrigeration or air conditioning according to the
  • Figure 2 shows a simplified scheme for the arrangement of compressors and heat exchangers with associated pipe connections and control devices.
  • Figure 3 shows the log p, h diagram for a refrigeration or air conditioning system according to the invention.
  • Figure 4 shows a simplified scheme for the arrangement of compressor and heat exchangers with associated pipe connections and control devices for another refrigeration system according to the invention.
  • point 1 describes the state at the evaporator outlet.
  • the entry state of the refrigerant before the compressor, item 2 is the exit state of the refrigerant after passing through the internal heat exchanger.
  • the refrigerant is relatively overheated, reducing the mass flow drawn by the compressor.
  • the chamber volume for example the considered tooth space volume of a screw compressor, has its maximum size at this point.
  • the suction process is completed and it begins to create a flow connection to the working chamber through the economizer port.
  • the pressure rises in the working chamber by the inflowing Flashgas- share to the intermediate pressure Pz.
  • point 3 By mixing the colder flash gas, point 3, with the already drawn refrigerant, point 2, this is compressed and cooled.
  • the mixing process is finished at point 4.
  • point 4 also closes the economizer port, and it begins the compression of the suction gas and flash gas portion to the compression end pressure at point 5.
  • the refrigerant passes through a gas cooler, which is acted upon by a cooling medium, for example cooling water, for cooling the refrigerant vapor.
  • the refrigerant When leaving this gas cooler, the refrigerant has the state at point 6.
  • the internal heat exchanger are guided by the two refrigerant streams of the refrigeration system, the refrigerant is cooled from point 6 to point 7.
  • the other refrigerant flow which is guided for cooling from point 6 to point 7 through the inner heat exchanger, heated from point 1 to point 2.
  • the cooled refrigerant flow is expanded from point 7 to point 8, to intermediate pressure.
  • the refrigerant vapor decomposes into a relatively small proportion of flash gas, point 3, and into a relatively large proportion of liquid, point 9.
  • the proportion of flash gas was reduced by the additional cooling according to the invention so far that the intermediate pressure at the economizer connection far enough from the critical point is removed.
  • the refrigeration plant for transcritical operation has a gas cooler 13, an internal heat exchanger 14, an intermediate pressure vessel 12, which is designed as a liquid separator for the separation of flash gas and liquid, an evaporator system with heat exchanger 18 and liquid separator 17, a screw compressor 11, the geometrically controlled Inlet and outlet ports, throttle means 15,16 and connecting pipes between the listed components.
  • the screw compressor 11 is in the operating state suction pressure on the suction side 24 and compression pressure on the outlet side 25 of the screw compressor 11, wherein the pressure on the outlet side 25 is greater than the pressure at the critical point of the refrigerant.
  • the screw compressor 11 has an economizer connection opening 21 on the housing, which has a flow connection to the intermediate pressure container 12, the pressure of which lies between the compression end pressure and the suction pressure.
  • the internal heat exchanger 14 Before the suction side 24 on the screw compressor 11, the internal heat exchanger 14 is arranged with two flow paths, on which Heat transfer surfaces are arranged, wherein the one flow path 10 downstream of the outlet of the gas cooler 13 and throttling device 15 before the intermediate pressure vessel 12, which is designed as a liquid, is arranged, and the other flow path 23 downstream between the evaporator outlet and suction side 24 of the screw compressor 1 1 is arranged. Due to the different temperature levels, the refrigerant vapor emerging from the liquid separator 17 is heated in the inner heat exchanger 14, while the refrigerant vapor emerging from the gas cooler 13 is further cooled. As a result of this cooling, the flash gas portion decreases during the subsequent expansion to intermediate pressure level in the intermediate pressure vessel 12.
  • the relative humidity of the expanded refrigerant also increases.
  • the intermediate pressure at the economizer connection opening 21 of the compressor is markedly lowered so that compressors of existing design can be used for this type of refrigeration system and refrigeration plants can be operated with improved economy.
  • point 1 describes the state at the evaporator outlet.
  • the state of entry of the refrigerant upstream of the screw compressor 11, point 2 is the exit state of the refrigerant after passing through the internal heat exchanger 14 (FIG. 4).
  • the refrigerant is relatively overheated, reducing the mass flow drawn by the compressor.
  • the chamber volume for example the considered tooth space volume of a screw compressor, has its maximum size at this point. At this maximum chamber size, the suction process is completed and it begins to create a flow connection to the working chamber through the economizer port.
  • point 26 By mixing the refrigerant flow, point 26, with the already drawn refrigerant, NOTE2, this is compressed to the intermediate pressure Pz and cooled.
  • the mixing process is finished at point 4.
  • point 4 also closes the economizer port, and it begins the compression of suction gas and refrigerant from the internal heat exchanger 19 to the compression end pressure at point 27.
  • the refrigerant passes through the gas cooler 13, which acts by a cooling medium, for example cooling water, for cooling the refrigerant vapor becomes.
  • the refrigerant has the state at point 28.
  • the refrigerant is cooled from point 28 to point 29.
  • the other refrigerant flow which is guided for the purpose of cooling from point 28 to point 29 through the inner heat exchanger 14, is heated from point 1 to point 2.
  • the refrigerant flow cooled so far is expanded into two partial flows, once through the throttle device 20 to the intermediate pressure, point 33, and through the throttle device 34 from point 30 to point 31.
  • At the throttle device 20 creates a cooling effect, which serves to cool the refrigerant flow part, flow path 35, from point 29 to point 30.
  • the temperature difference between the saturation temperature at the point 32 and the exit temperature at the point 30 on the inner heat exchanger 19 depends on the dimensioning of the inner heat exchanger 19 and could be about 5 degrees Kelvin.
  • the refrigeration plant for transcritical operation has a gas cooler 13, an evaporator system with heat exchanger 18 and liquid separator 17, a screw compressor 11, throttle bodies 20 and 34 and connecting pipes between the listed components, wherein the compressor has an economizer port 21 on the housing.
  • the first inner heat exchanger 19 and the second inner heat exchanger 14 are arranged in such a way that a flow connection to the first inner heat exchanger 19 of the refrigeration or air conditioning with two flow paths 22 and 35 are arranged on the heat transfer surfaces, wherein the one flow path 35th the high-pressure refrigerant flow from the gas cooler 13 through the second inner heat exchanger 14 to the evaporator system and the other flow path 22 is a partial flow of the high-pressure refrigerant concerns, which is connected via the throttle device 20 for relaxing the high-pressure refrigerant to intermediate pressure level and is fluidly connected to the first inner heat exchanger 19 and downstream cooling the high-pressure refrigerant vapor of the other flow path 35 and before the suction side of the compressor, the second inner heat exchanger 14 is arranged with two flow paths on which heat transfer surfaces are arranged, wherein the one flow path 23 is arranged downstream between liquid separator 17 with the lowest pressure level of the refrigeration system and suction side of the screw compressor 11 and the other flow path 22 downstream between gas cooler outlet and throttle device 20 and

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung an einem Verdichter für den Einsatz in Kälteanlagen, deren Verdichtungsendruck im überkritischen Bereich eines Kältemittels, zum Beispiel CO2, liegt. Nach dem Stand der Technik ist bei der Kälteerzeugung durch einen Kälteprozess mit überkritischer Hochdruckseite der Flashgas-Anteil sowohl bei Entspannung in einer Expansionsmaschine als auch in einer Drosseleinrichtung sehr groß. Das Verhältnis Kälteleistung zu Antriebsleistung, der COP, fällt entsprechend klein aus. Der Energiebedarf zur Kälteerzeugung ist inakzeptabel groß. Deshalb wird bei einer anderen Ausführung eine zweistufige Entspannung verwendet, bei der ein erster Flashgas-Anteil und ein erster Flüssigkeitsanteil bei höherem Druck entstehen. Der erste Flashgas-Anteil wird wieder in einem zweiten Verdichter auf den Druck der Hochdruckseite verdichtet, und die erste Flüssigkeit wird auf den Druck im Flüssigkeitsabscheider entspannt, wobei das Verhältnis Flüssigkeitsanteil und Flashgas-Anteil deutlich vergrößert wird. Nachteilig wird ein zweiter Verdichter mit einem eigenen Antrieb benötigt.

Description

Kälteanlage für transkritische Betriebsweise mit Economiser
Die Erfindung betrifft eine Kälteanlage für transkritischen Betrieb mit Verdichtern, die geometrisch gesteuerte Einlass- und Auslassöffnungen, zum Beispiel Schraubenverdichter oder Scrollverdichter, aufweisen, die zumindest mit drei Druckniveaus arbeiten. Die Druckniveaus sind Ansaugdruck, der auf der Saugseite des Verdichters anliegt und in der Nähe des Druckes im Verdampfer liegt, Zwischendruck, der am Economiser-Anschluss anliegt und Verdichtungsendruck, der auf der Druckseite des Verdichters wirkt und in der Nähe des Druckes in einem Gaskühler liegt. Die dazu gehörenden Seiten des Verdichters werden auch mit Niederdruckseite, Ansaugseite oder Saugseite und mit Hochdruckseite oder Auslassseite bezeichnet. Der Druck auf der Hochdruckseite ist größer als der Druck am kritischen Punkt des Kältemittels. Deshalb wird dieser Prozess als transkritischer oder auch überkritischer Kälteprozess bezeichnet.
Bei Kälteanlagen dieser Art saugt der Verdichter unter Ansaugdruck stehendes Arbeitsmedium, das im Verdampfer verdampft, an und verdichtet es auf Verdichtungsenddruck, den Druck auf der Hochdruckseite. Das Arbeitsmedium (Kältemittel) wird in einem Gaskühler abgekühlt und danach entweder in einer Expansionsmaschine unter Abgabe mechanischer Arbeit entspannt oder in einer Drosseleinrichtung auf den Druck in einem Flüssigkeitsabscheider entspannt. Der Druck liegt unterhalb des Druckes am kritischen Punkt des Arbeitsmediums, deshalb entstehen sowohl Flüssigkeit als auch Dampf (Flashgas), die im Flüssigkeitsabscheider getrennt werden. Durch die Druckabsenkung sinkt die Temperatur des Arbeitsmediums ab. Die Flüssigkeit wird durch Wärmezufuhr verdampft. Die dazu erforderliche Wärmemenge wird in der Kälte- und Klimatechnik als Kälteleistung bezeichnet.
Je größer der Flüssigkeitsanteil, desto größer die Kälteleistung.
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung an einem Verdichter für den Einsatz in Kälteanlagen, deren Verdichtungsenddruck im überkritischen Bereich eines Kältemittels, zum Beispiel CO2, liegt.
Nach dem Stand der Technik ist bei der Kälteerzeugung durch einen Kälteprozess mit überkritischer Hochdruckseite der Flashgas-Anteil sowohl bei Entspannung in einer Expansionsmaschine als auch in einer Drosseleinrichtung sehr groß. Die verbleibende Flüssigkeitsmenge ist in Bezug auf den vom Verdichter geförderten Massenstrom vergleichsweise klein. Das Verhältnis Kälteleistung zu Antriebsleistung, der COP, fällt entsprechend klein aus. Der Energiebedarf zur Kälteerzeugung ist inakzeptabel groß. Deshalb wird bei einer anderen Ausführung eine zweistufige Entspannung verwendet, bei der ein erster Flashgas-Anteil und ein erster Flüssigkeitsanteil bei höherem Druck entstehen. Der erste Flashgas-Anteil wird wieder in einem zweiten Verdichter auf den Druck der Hochdruckseite verdichtet und die erste Flüssigkeit wird auf den Druck im Flüssigkeitsabscheider entspannt, wobei das Verhältnis Flüssigkeitsanteil und Flashgas-Anteil deutlich vergrößert wird. Nachteilig wird ein zweiter Verdichter mit einem eigenen Antrieb benötigt. Die Kosten für eine solche Anlage steigen, und der Betrieb einer solchen Anlage wird komplizierter als bei einer Einmaschinen-Anlage, da sowohl die zeitliche Abfolge für den Start und Stopp der Verdichter, als auch die Förderströme beider Verdichter aufeinander abgestimmt und deshalb geregelt werden müssen. Eine andere bekannte technische Lösung, die sogenannte Economiser-Kopplung mit einem Schraubenverdichter, die im unterkritischen Kältekreislauf, bei dem der Druck auf der Hochdruckseite des Verdichters unterhalb des Druckes am kritischen Punkt liegt, verwendet wird, kann mit bekannten Schaubenverdichtern nicht realisiert werden, da sich beim transkritischen Kältekreislauf ein Zwischendruck einstellt, der oberhalb des Druckes am kritischen Punkt liegt. Somit entsteht bei der Entspannung in der ersten Stufe vom Hochdruck auf Zwischendruck keine Flüssigkeit, die weiter entspannt werden könnte. Bei bekannten Verdichtern mit Economiser-Anschlussöffnung beginnt die Einspeisung in diese Öffnung , die Aufladung, frühestens nachdem die Zahnlücken ihr maximales geometrische Kammervolumen erreicht haben und durch die fortschreitende Drehung der Rotoren keine Verbindung mehr zu dem im Verdichtergehäuse angeordneten Einlassfenster haben. Das zur Verfügung stehende Kammervolumen ist nicht ausreichend groß, um den Flashgas-Anteil bei einem Druck, der kleiner als der Druck am kritischen Punkt des Kältemittels ist, aufzunehmen.
Das Ziel der Erfindung besteht darin, eine technische Lösung zu verwirklichen, bei der nur ein Verdichter benötigt wird, der mit einer zweistufigen Entspannung und Economiser betrieben werden kann. Dabei soll der Flashgas-Anteil bei Zwischendruck am Economiser-Anschluss kleiner als der Druck am kritischen Punkt des Kältemittels sein.
Nach den Merkmalen der Erfindung passiert der aus dem Gaskühler austretende Kältemitteldampf vor der Entspannung vom Hochdruckniveau auf Zwischendruckniveau und somit vor Eintritt in den Economiser-Anschluss am Verdichter einen inneren Wärmeübertrager. Dabei wird der unter hohem Druck stehende Kältemitteldampf auf der einen Seite der Wärmeübertragungsflächen des Wärmeübertragers abgekühlt, während Kältemitteldampf nach dem Austritt aus dem Verdampfer auf der anderen Seite der Wärmeübertragungsflächen des inneren Wärmeübertragers, überhitzt wird, bevor er vom Verdichter angesaugt und verdichtet wird.
Durch die Weitere Abkühlung des Kältemittel dampf es nach Verlassen des Gaskühlers entsteht bei der Entspannung auf Zwischedruckniveau weniger Flashgas. Dadurch lassen sich mit einem Schraubenverdichter bekannter Konstruktion Zwischendrücke am Economiser-Anschluss realisieren, die unterhalb des kritischen Druckes des Kältemittels liegen, und die Wirtschaftlichkeit des Kältekreislaufes wird gegenüber bekannten Verfahren deutlich verbessert.
Der Einlassvorgang in eine Arbeitskammer, einer betrachteten Zahnlücke eines Schraubenrotors ist in dem Augenblick beendet, wenn die Strömungsverbindung dieser Zahnlücke zur Saugseite des Verdichters verloren geht. Das geometrische Zahnlückenvolumen der betrachteten Zahnlücke hat in dieser Phase seinen Maximalwert in etwa erreicht. Vorteilhaft entsteht kurz vorher, zu diesem Zeitpunkt oder etwas später infolge der weiteren Drehung des Rotors eine Strömungsverbindung der betrachteten Zahnlücke zur am Umfassungsgehäuse der Rotoren angeordneten Economiser-Anschlussöffnung.
Das geometrische Zahnlückenvolumen der betrachteten Zahnlücke kann je nach Umschlingungswinkel des Rotorprofils am Hauptrotor, je nach Zähnezahl der beiden Rotoren konstant sein (Transportphase) oder sich infolge Rotordrehung verkleinern.
Nach einem Merkmal der Erfindung hat die Kälteanlage für transkritischen Betrieb, mindestens die folgenden Komponenten: einen Gaskühler, einen inneren Wärmeübertrager, einen Zwischendruckbehälter, einen Verdampfer, einen Verdichter, der geometrisch gesteuerte Einlass- und Auslassöffnungen aufweist, zum Beispiel einen Schraubenverdichter oder einen Scrollverdichter, Drosseleinrichtungen und verbindende Rohrleitungen zwischen den aufgeführten Komponenten. Am Verdichter liegen im Betriebszustand Ansaugdruck auf der Saugseite und Verdichtungsendruck auf der Auslassseite des Verdichters an, wobei der Druck auf der Auslassseite größer ist als der Druck am kritischen Punkt des Kältemittels. Der Verdichter hat eine Economiser-Anschlussöffnung am Gehäuse, die eine Strömungsverbindung zum Zwischendruckbehälter, dessen Druck zwischen Verdichtungsenddruck und Saugdruck liegt, aufweist. Vor dem Economiser-Anschluss am Verdichter ist der innere Wärmeübertrager mit zwei Srömungspfaden angeordnet, an denen Wärmeübertragerflächen angeordnet sind, wobei der eine Strömungspfad stromabwärts zwischen Gaskühleraustritt und Drosselstelle vor dem Zwischendruckbehälter, der als Flüssigkeitsabscheider ausgebildet ist, angeordnet ist, und der andere Strömungspfad stromabwärts zwischen Verdampferaustritt und Saugseite des Verdichters angeordnet ist. Bedingt durch die unterschiedlichen Temperaturniveaus wird in dem inneren Wärmeübertrager der aus dem Verdampfer austretende Kältemitteldampf erwärmt, während der aus dem Gaskühler austretende Kältemitteldampf weiter abgekühlt wird. Durch diese Abkühlung verringert sich während der nachfolgenden Entspannung auf Zwischendruckniveau im Zwischendruckbehälter der Flashgas-Anteil. Die relative Feuchte des entspannten Kältemittels vergrößert sich ebenfalls. Durch weniger Flashgas wird der Zwischendruck am Economiseranschluss des Verdichters deutlich unter der Druck am kritischen Punkt des Kältemittels abgesenkt, so dass Verdichter vorhandener Konstruktion für diese Art der Kälteanlage eingesetzt werden können und Kälteanlagen mit verbesserter Wirtschaftlichkeit betrieben werden können.
Nach einem anderen Merkmal der Erfindung hat die Kälteanlage für transkritischen Betrieb mindestens die folgenden Komponenten: einen Gaskühler, einen ersten und einen zweiten inneren Wärmeübertrager, einen Verdampfer, einen Verdichter, der geometrisch gesteuerte Einlass- und Auslassöffnungen aufweist, zum Beispiel einen Schraubenverdichter oder einen Scrollverdichter, Drosseleinrichtungen und verbindende Rohrleitungen zwischen den aufgeführten Komponenten. Bei Betrieb der Kälteanlage liegen Ansaugdruck auf der Ansaugseite des Verdichters und Verdichtungsendruck auf der Auslassseite des Verdichters an, wobei der Druck auf der Auslassseite größer als der Druck am kritischen Punkt des Kältemittels ist. Der Verdichter hat eine Economiser-Anschlussöffnung am Gehäuse, die eine Strömungsverbindung zu dem ersten inneren Wärmeübertrager der Kälte- oder Klimaanlage mit zwei Strömungspfaden, an denen Wärmeübertragungsflächen angeordnet sind, aufweist, wobei der eine Strömungspfad den unter Hochdruck stehenden Kältemittelstrom vom Gaskühler durch den zweiten inneren Wärmeübertrager zum Verdampfer betrifft und der andere Strömungspfad einen Teilstrom des unter Hochdruck stehenden Kältemittels betrifft, der eine Drosseleinrichtung zur Entspannung des unter Hochdruck stehenden Kältemittels auf Zwischendruckniveau passiert, in den ersten inneren Wärmeübertrager eintritt und stromabwärts den unter Hochdruck stehenden Kältemitteldampf des anderen Strömungspfades abkühlt . Vor der Ansaugseite des Verdichters ist der zweite innere Wärmeübertrager mit zwei Srömungspfaden angeordnet, an denen Wärmeübertragerflächen angeordnet sind, wobei der eine Strömungspfad stromabwärts zwischen Flüssigkeitsabscheider mit dem untersten Druckniveau der Kälteanlage und Saugseite des Verdichters angeordnet ist und der andere Strömungspfad stromabwärts zwischen Gaskühleraustritt und Drosselstelle vor dem ersten inneren Wärmeübertrager angeordnet ist. Sinngemäß gelten die gleichen technischen Merkmale für andere Verdichterbauarten und Verdichter mit geometrisch gesteuerten Einlass- und Auslassöffnungen.
Durch die technischen Lösungen gemäß der Erfindung wird der zirkulierende Massenstrom durch den Verdampfer reduziert, da die Überhitzung auf der Saugseite zunimmt, der Flashgas-Anteil nach Entspannung auf Zwischendruck reduziert wird, so dass der Zwischendruck der ersten Entspannungsstufe der zweistufigen Entspannung soweit abgesenkt wird, dass der Zwischendruck deutlich unter dem Druck am kritischen Punkt des Kältemittels liegt.
Ausführungsbeispiele
Figur 1 zeigt ein log p,h -Diagramm für eine Kälte- oder Klimaanlage gemäß der
Erfindung.
Figur 2 zeigt ein vereinfachtes Schema für die Anordnung von Verdichter und Wärmeaustauschern mit dazugehörigen Rohrverbindungen und Regeleinrichtungen.
Figur 3 zeigt das log p,h -Diagramm für eine Kälte- oder Klimaanlage gemäß der Erfindung.
Figur 4 zeigt ein vereinfachtes Schema für die Anordnung von Verdichter und Wärmeaustauschern mit dazugehörigen Rohrverbindungen und Regeleinrichtungen für eine andere erfindungsgemäße Kälteanlage.
Im log p,h-Diagramm gemäß Figur 1 beschreibt Punkt 1 den Zustand am Verdampferaustritt. Der Eintrittszustand des Kältemittels vor dem Verdichter, Punkt 2, ist der Austrittszustand des Kältemittels nach Passieren des inneren Wärmeübertragers. Das Kältemittel ist relativ stark überhitzt, der vom Verdichter angesaugte Massenstrom reduziert.
Das Kammervolumen, zum Beispiel das betrachtete Zahnlückenvolumen eines Schraubenverdichters, hat an diesem Punkt seine maximale Größe. Bei dieser maximalen Kammergröße ist der Ansaugvorgang beendet und es beginnt durch die Economiser-Anschlussöffnung eine Strömungsverbindung zur Arbeitskammer zu entstehen. Der Druck steigt in der Arbeitskammer durch den einströmenden Flashgas- Anteil auf den Zwischendruck Pz. Durch Mischung des kälteren Flashgases, Punkt 3, mit dem bereits angesaugten Kältemittel, Punkt 2, wird dieses verdichtet und abgekühlt. Der Mischvorgang ist am Punkt 4 beendet. Im Punkt 4 schließt auch die Economiser-Anschlussöffnung, und es beginnt die Verdichtung von Ansauggas und Flashgas-Anteil zum Verdichtungsenddruck am Punkt 5. Das Kältemittel passiert einen Gaskühler, der durch ein Kühlmedium, z.B. Kühlwasser, zwecks Kühlung des Kältemitteldampfes beaufschlagt wird. Bei Verlassen diese Gaskühlers hat das Kältemittel den Zustand am Punkt 6. In einem zweiten Wärmeübertrager, dem inneren Wärmeübertrager durch den zwei Kältemittelströme der Kälteanlage geführt werden, wird das Kältemittel vom Punkt 6 auf Punkt 7 abgekühlt. Dabei wird der andere Kältemittelstrom, der zur Kühlung von Punkt 6 zu Punkt 7 durch den inneren Wärmeübertrager geführt wird, von Punkt 1 auf Punkt 2 erwärmt. Der soweit abgekühlte Kältemittelstrom wird von Punkt 7 auf Punkt 8 entspannt, auf Zwischendruck. Dabei zerfällt der Kältemitteldampf in einen relativ kleinen Flashgas- Anteil, Punkt 3, und in einen relativ großen Flüssigkeitsanteil, Punkt 9. Der Flashgasanteil wurde durch die zusätzliche Abkühlung gemäß der Erfindung soweit reduziert, dass der Zwischendruck am Economiser-Anschluss weit genug vom kritischen Punkt entfernt ist. Daraus resultieren zwei Vorteile:
Höhere Wirtschaftlichkeit der Kälteanlage durch Vergrößerung der Kälteleistung - Vergrößerung des Dichteunterschiedes zwischen Flüssigkeit und Flasgas (Trennung der beiden Phasen in einem Zwischendruckabscheider).
Die Kälteanlage für transkritischen Betrieb gemäß Figur 2 hat einen Gaskühler 13, einen inneren Wärmeübertrager 14, einen Zwischendruckbehälter 12, der als Flüssigkeitsabscheider zur Trennung von Flashgas und Flüssigkeit ausgeführt ist, ein Verdampfersystem mit Wärmeübertrager 18 und Flüssigkeitsabscheider 17, einen Schraubenverdichter 11, der geometrisch gesteuerte Einlass- und Auslassöffnungen aufweist, Drosseleinrichtungen 15,16 und verbindende Rohrleitungen zwischen den aufgeführten Komponenten. Am Schraubenverdichter 11 liegen im Betriebszustand Ansaugdruck auf der Saugseite 24 und Verdichtungsendruck auf der Auslassseite 25 des Schraubenverdichters 11 an, wobei der Druck auf der Auslassseite 25 größer ist als der Druck am kritischen Punkt des Kältemittels. Der Schraubenverdichter 11 hat eine Economiser-Anschlussöffnung 21 am Gehäuse, die eine Strömungsverbindung zum Zwischendruckbehälter 12, dessen Druck zwischen Verdichtungsenddruck und Saugdruck liegt, aufweist. Vor der Saugseite 24 am Schraubenverdichter 11 ist der innere Wärmeübertrager 14 mit zwei Srömungspfaden angeordnet, an denen Wärmeübertragerflächen angeordnet sind, wobei der eine Strömungspfad 10 stromabwärts zwischen Austritt des Gaskühler 13 und Drosseleinrichtung15 vor dem Zwischendruckbehälter 12 , der als Flüssigkeitsabscheider ausgebildet ist, angeordnet ist, und der andere Strömungspfad 23 stromabwärts zwischen Verdampferaustritt und Saugseite 24 des Schraubenverdichters 1 1 angeordnet ist. Bedingt durch die unterschiedlichen Temperaturniveaus wird in dem inneren Wärmeübertrager 14 der aus dem Flüssigkeitsabscheider 17 austretende Kältemitteldampf erwärmt, während der aus dem Gaskühler 13 austretende Kältemitteldampf weiter abgekühlt wird. Durch diese Abkühlung verringert sich während der nachfolgenden Entspannung auf Zwischendruckniveau im Zwischendruckbehälter 12 der Flashgas-Anteil. Die relative Feuchte des entspannten Kältemittels vergrößert sich ebenfalls. Durch weniger Flashgas wird der Zwischendruck an der Economiser-Anschlussöffnung 21 des Verdichters deutlich abgesenkt, so dass Verdichter vorhandener Konstruktion für diese Art der Kälteanlage eingesetzt werden können und Kälteanlagen mit verbesserter Wirtschaftlichkeit betrieben werden können.
Im log p,h-Diagramm gemäß Figur 3 beschreibt Punkt 1 den Zustand am Verdampferaustritt. Der Eintrittszustand des Kältemittels vor dem Schraubenverdichter 11, Punkt 2, ist der Austrittszustand des Kältemittels nach Passieren des inneren Wärmeübertragers 14 (Figur 4). Das Kältemittel ist relativ stark überhitzt, der vom Verdichter angesaugte Massenstrom reduziert. Das Kammervolumen, zum Beispiel das betrachtete Zahnlückenvolumen eines Schraubenverdichters, hat an diesem Punkt seine maximale Größe. Bei dieser maximalen Kammergröße ist der Ansaugvorgang beendet und es beginnt durch die Economiser-Anschlussöffnung eine Strömungsverbindung zur Arbeitskammer zu entstehen. Durch Mischung des Kältemittelstromes, Punkt 26, mit dem bereits angesaugten Kältemittel, Punkt2, wird dieses verdichtet auf den Zwischendruck Pz und abgekühlt. Der Mischvorgang ist am Punkt 4 beendet. Im Punkt 4 schließt auch die Economiser-Anschlussöffnung, und es beginnt die Verdichtung von Ansauggas und Kältemittel aus dem inneren Wärmeübertrager 19 zum Verdichtungsenddruck am Punkt 27. Das Kältemittel passiert den Gaskühler 13, der durch ein Kühlmedium, z.B. Kühlwasser, zwecks Kühlung des Kältemitteldampfes beaufschlagt wird. Bei Verlassen dieses Gaskühlers13 hat das Kältemittel den Zustand am Punkt 28. In dem inneren Wärmeübertrager 14 durch den zwei Kältemittelströme der Kälteanlage geführt werden, wird das Kältemittel vom Punkt 28 auf Punkt 29 abgekühlt. Dabei wird der andere Kältemittelstrom, der zur Kühlung von Punkt 28 zu Punkt 29 durch den inneren Wärmeübertrager 14 geführt wird, von Punkt 1 auf Punkt 2 erwärmt. Der soweit abgekühlte Kältemittelstrom wird in zwei Teilströmen, einmal durch die Drosseleinrichtung 20 auf den Zwischendruck, Punkt 33, und durch die Drosseleinrichtung 34 von Punkt 30 auf Punkt 31 entspannt. An der Drosseleinrichtung 20 entsteht ein Kühleffekt, der zur Abkühlung des Kältemittelteilstromes, Strömungspfad 35, von Punkt 29 auf Punkt 30 dient. Die Temperaturdifferenz zwischen Sättigungstemperatur am Punkt 32 und Austrittstemperatur am Punkt 30 am inneren Wärmeübertrager 19 hängt von der Dimensionierung des ineren Wärmeübertragers 19 ab und könnte etwa 5 Grad Kelvin betragen. Durch die Abkühlung des Kältemittreis von 29 auf Punkt 30 im inneren Wärmeübertrager 19 verringert sich der Flashgasanteil bei der Entspannung des Kältemittels vom Hochdruck auf den Saugdruck. Infolge der Abkühlung des Kältemittelmassenstromes im inneren Wärmeübertrager 14 von Punkt 28 auf Punkt 29 vergrößert sich die volumetrische Kälteleistung des Kältemittelteilstromes, der von Punkt 29 zu Punkt 33 entspannt wird, so dass zur Abkühlung des Hochdruckgases von Punkt 29 zu Punkt 30 weniger Kältemiteldampf entsteht und damit der Zwischendruck am Economiser- Anschluss weit genug vom kritischen Punkt entfernt ist. Daraus resultieren zwei Vorteile:
Höhere Wirtschaftlichkeit der Kälteanlage durch Vergrößerung der Kälteleistung - Verwendung bekannter Schraubenverdichter mit Economiser-Anschluss
Die Kälteanlage für transkritischen Betrieb gemäß Figur 4 hat einen Gaskühler 13, ein Verdampfersystem mit Wärmeübertrager 18 und Flüssigkeitsabscheider 17, einen Schraubenverdichter 11, Drosseleinrichtungen 20 und 34 und verbindende Rohrleitungen zwischen den aufgeführten Komponenten, wobei der Verdichter eine Economiser-Anschlussöffnung 21 am Gehäuse hat. Der erste innere Wärmeübertrager 19 und der zweite innere Wärmeübertrager 14 sind in der Art und Weise angeordnet, dass eine Strömungsverbindung zu dem ersten inneren Wärmeübertrager 19 der Kälte- oder Klimaanlage mit zwei Strömungspfaden 22 und 35 an dem Wärmeübertragungsflächen angeordnet sind, wobei der eine Strömungspfad 35 den unter Hochdruck stehenden Kältemittelstrom vom Gaskühler 13 durch den zweiten inneren Wärmeübertrager 14 zum Verdampfersystem betrifft und der andere Strömungspfad 22 einen Teilstrom des unter Hochdruck stehenden Kältemittels betrifft, der über die Drosseleinrichtung 20 zur Entspannung des unter Hochdruck stehenden Kältemittels auf Zwischendruckniveau verbunden ist und mit dem ersten inneren Wärmeübertrager 19 strömungsmäßig verbunden ist und stromabwärts den unter Hochdruck stehenden Kältemitteldampf des anderen Strömungspfades 35 abkühlt und vor der Ansaugseite des Verdichters der zweite innere Wärmeübertrager 14 mit zwei Srömungspfaden angeordnet ist, an dem Wärmeübertragerflächen angeordnet sind, wobei der eine Strömungspfad 23 stromabwärts zwischen Flüssigkeitsabscheider 17 mit dem untersten Druckniveau der Kälteanlage und Saugseite des Schraubenverdichters 11 angeordnet ist und der andere Strömungspfad 22 stromabwärts zwischen Gaskühleraustritt und Drosseleinrichtung 20 sowie Strömungspfad 35 vor dem ersten inneren Wärmeübertrager 19 angeordnet ist.

Claims

Patentansprüche
1. Kälteanlage für transkritischen Betrieb, die mindestens einen Gaskühler, einen inneren Wärmeübertrager, einen Zwischendruckbehälter, einen Verdampfer, einen Verdichter, der geometrisch gesteuerte Einlass- und Auslassöffnungen aufweist, zum Beispiel einen Schraubenverdichter oder einen Scrollverdichter, Drosseleinrichtungen und verbindende Rohrleitungen zwischen den aufgeführten Komponenten, aufweist, bei der im Betriebszustand Ansaugdruck auf der Ansaugseite des Verdichters und Verdichtungsendruck auf der Auslassseite des Verdichters anliegen, wobei der Druck auf der Auslassseite größer ist als der Druck am kritischen Punkt des Kältemittels, und eine Economiser-Anschlussöffnung am Gehäuse des Verdichters vorhanden ist, die eine Strömungsverbindung zu einem Zwischendruckbehälter der Kälte- oder Klimaanlage aufweist, dessen Druck zwischen Verdichtungsenddruck und Saugdruck liegt, dadurch gekennzeichnet, dass ein innerer Wärmeübertrager mit zwei Srömungspfaden angeordnet ist, an denen Wärmeübertragerflächen angeordnet sind, wobei der eine Strömungspfad stromabwärts zwischen Gaskühleraustritt und Drosselstelle vor dem Flüssigkeitsabscheider angeordnet ist und der andere Strömungspfad stromabwärts zwischen Verdampferaustritt und Saugseite des Verdichters angeordnet ist.
2. Kälteanlage für transkritischen Betrieb, die mindestens einen Gaskühler, einen Verdampfer, einen Verdichter, der geometrisch gesteuerte Einlass- und Auslassöffnungen aufweist, zum Beispiel einen Schraubenverdichter oder einen Scrollverdichter, Drosseleinrichtungen und verbindende Rohrleitungen zwischen den aufgeführten Komponenten aufweist, wobei der Verdichter eine Economiser- Anschlussöffnung am Gehäuse hat, gekennzeichnet dadurch, dass zusätzlich zu den oben genannten Komponenten ein erster und ein zweiter innerer Wärmeübertrager, an denen Wärmeübertragungsflächen vorhanden sind, in der Art und Weise angeordnet sind, dass eine Strömungsverbindung zu dem ersten inneren Wärmeübertrager der Kälte- oder Klimaanlage mit zwei Strömungspfaden, , besteht, wobei der eine Strömungspfad den unter Hochdruck stehenden Kältemittelstrom vom Gaskühler durch den zweiten inneren Wärmeübertrager zum Verdampfer betrifft und der andere Strömungspfad einen Teilstrom des unter Hochdruck stehenden Kältemittels betrifft, der über eine Drosseleinrichtung zur Entspannung des unter Hochdruck stehenden Kältemittels auf Zwischendruckniveau verbunden ist und mit dem Economiser Anschluss des Verdichters strömungsmäßig verbunden ist und stromabwärts den unter Hochdruck stehenden Kältemitteldampf des anderen Strömungspfades abkühlt und vor der Ansaugseite des Verdichters der zweite innere Wärmeübertrager mit zwei Srömungspfaden angeordnet ist, an denen Wärmeübertragerflächen angeordnet sind, wobei der eine Strömungspfad stromabwärts zwischen Flüssigkeitsabscheider mit dem untersten Druckniveau der Kälteanlage und Saugseite des Verdichters angeordnet ist und der andere Strömungspfad stromabwärts zwischen Gaskühleraustritt und Drosselstelle vor dem ersten inneren Wärmeübertrager angeordnet ist.
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