WO2024017531A1 - Kompressionskältemaschine, system aus kompressionskältemaschinen und verfahren zum betreiben einer kompressionskältemaschine - Google Patents

Kompressionskältemaschine, system aus kompressionskältemaschinen und verfahren zum betreiben einer kompressionskältemaschine Download PDF

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WO2024017531A1
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working medium
compressor
compression refrigeration
refrigeration machine
compression
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PCT/EP2023/064764
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Alexander Rippl
Salman Azmat CHAUDHRY
Steffen GAU
Johannes Hartz
Gerhard Schlegl
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Man Energy Solutions Se
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    • F25B1/02—Compression machines, plants or systems with non-reversible cycle with compressor of reciprocating-piston type
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    • F25B2400/23—Separators

Definitions

  • Compression refrigeration machine system of compression refrigeration machines and method for operating a compression refrigeration machine
  • the invention relates to a compression refrigeration machine, a system of compression refrigeration machines and a method for operating a compression refrigeration machine.
  • a compression refrigeration machine has a compressor in order to compress a working medium, starting from an inlet pressure of the compressor to an outlet pressure of the compressor.
  • the compressor typically compresses a vaporous or gaseous working medium, which was obtained upstream of the compressor in the area of an evaporator by evaporating liquid working medium.
  • a condenser is provided downstream of the compressor and is designed to extract heat from the vaporous, compressed working medium, with any resulting condensate being able to be collected in a condensate collecting container of the compression refrigeration machine.
  • the condensate collected in the condensate collection container of the compression refrigeration machine can be expanded in the area of an expansion valve, with the resulting liquid and vapor condensate being collected in a flash tank.
  • the liquid condensate collected in the flash tank is evaporated via the evaporator and then compressed in the compressor area.
  • turbo compressors are used as compressors. Turbo compressors can only achieve low compression ratios of the order of 1.5 to 2 per stage. This results in high costs if compression refrigeration machines with an output in the megawatt performance range are to be implemented. There is a need for a compression refrigeration machine with which efficient operation and therefore efficient generation of thermal energy or thermal power is possible, particularly in the megawatt power range, at low cost.
  • the compressor of the compression refrigeration machine is a reciprocating piston compressor with at least one cylinder into which liquid working medium can be injected during suction and/or during compression of the vaporous working medium.
  • the invention proposes a compression refrigeration machine in which the compressor of the same is a reciprocating compressor with at least one cylinder, preferably with several cylinders, wherein liquid working medium can be injected into the respective cylinder of the reciprocating compressor during suction and / or during compression of the vaporous working medium.
  • a compressor designed as a reciprocating piston compressor high compression ratios in the order of 10 to 30 can be achieved. This results in significant cost advantages, particularly in compression refrigeration machines that are intended to provide thermal power in the megawatt power range, compared to compression refrigeration machines that use turbo compressors as compressors.
  • This injected liquid working medium is finely atomized in the vaporous working medium so that the liquid droplets of the liquid working medium evaporate during compression. Evaporation cools the compression process, allowing efficient compression to be achieved.
  • the exit state of the compressed working medium downstream of the compressor designed as a reciprocating piston compressor can be regulated via the amount of liquid working medium injected into the respective cylinder during suction and/or during compression of the vaporous medium.
  • the respective cylinder of the reciprocating compressor is coupled to the condensate collecting container via a condensate line and/or to the flash tank via a condensate line.
  • This makes it possible to inject the liquid working medium into the respective cylinder of the reciprocating compressor during suction and/or during compression of the vaporous working medium, starting from the condensate collecting container and/or starting from the flash tank.
  • the reciprocating compressor preferably has a crankcase ventilation system which is set up to liquefy vaporous working medium and direct it towards the flash tank.
  • a crankcase ventilation system of the reciprocating compressor By using a crankcase ventilation system of the reciprocating compressor, it is easily possible to prevent the working medium from escaping into the environment. This is particularly advantageous if ammonia or another working medium that is harmful to the environment and health is used as the working medium.
  • the respective working medium, in particular ammonia can be condensed via the crankcase ventilation and returned to the area of the flash tank of the compression refrigeration machine. There is then no risk of the respective working medium, especially ammonia, escaping into the environment.
  • the reciprocating compressor preferably has a plurality of cylinders, with at least two cylinders being operable in parallel with different input pressures but the same output pressure and/or at least two cylinders being operable in series to provide at least two compression stages.
  • Parallel compression via at least two cylinders of the reciprocating compressor is particularly advantageous when ammonia is used as the working medium.
  • the serial compression of the vaporous working medium in at least two cylinders of the reciprocating compressor is particularly advantageous when water is used as the working medium.
  • the system of compression refrigeration machines according to the invention is defined in claim 7.
  • the system of compression refrigeration machines according to the invention allows efficient generation of thermal power in the megawatt power range at low costs.
  • liquid working medium is injected into the respective cylinder of the reciprocating piston compressor during suction and/or during compression of the vaporous working medium.
  • the liquid working medium is injected into the respective cylinder in a range of ⁇ 30° CA (crankshaft angle) around a bottom dead center of a piston movement of the respective cylinder.
  • injecting the liquid working medium into the respective cylinder of the reciprocating piston compressor is particularly preferred.
  • a particularly efficient compression is possible with fine atomization and evaporation of the liquid working medium injected into the respective cylinder in the vaporous working medium.
  • the amount or volume of the liquid working medium injected into the respective cylinder is adjusted so that a volume of the injected liquid working medium does not exceed a dead volume of the respective cylinder at the top dead center of a piston movement of the respective cylinder.
  • FIG. 2 is a block diagram of a second compression refrigeration machine according to the invention.
  • FIG. 3 is a block diagram of a third compression refrigeration machine according to the invention.
  • FIG. 4 is a block diagram of a further development of the first compression refrigeration machine according to the invention according to FIG.
  • FIG. 5 is a block diagram of a system consisting of two cascaded compression refrigeration machines
  • Fig. 6 is a logP-h diagram to illustrate the invention.
  • the present invention relates to a compression refrigeration machine, namely a vapor compression refrigeration machine, which can be used in particular as a heat pump for generating heat or steam in the megawatt power range, for example in the range between 10 MW and 200 MW.
  • the compression refrigeration machine uses a working medium or refrigerant with a high volumetric heat capacity, in particular water or ammonia, as the working medium.
  • Fig. 1 shows an embodiment of a first compression refrigeration machine 10 according to the invention.
  • the compression refrigeration machine 10 of Fig. 1 has a compressor 11, which is set up to compress vaporous working medium starting from an inlet pressure of the compressor 11 to an outlet pressure of the compressor 11.
  • the compression refrigeration machine 10 has a condenser 12 downstream of the compressor 11, which is set up to extract heat from the vaporous, compressed working medium, specifically while liquefying the working medium.
  • the resulting condensate is collected in a condensate collection container 13 of the compression refrigeration machine 10.
  • the condensate and thus liquefied working medium collected in the condensate collecting container 13 is expanded in the area of an expansion valve 14 of the compression refrigeration machine 10, with the resulting vaporous working medium and liquid working medium being able to be collected in a flash tank 15 of the compression refrigeration machine 10.
  • the compression refrigeration machine 10 has an evaporator 16 downstream of the flash tank 15 and upstream of the compressor 11, which is set up to evaporate the working medium collected in the flash tank 15 while supplying heat and to provide the evaporated working medium to the compressor 11.
  • the compressor 11 in the compression refrigeration machine 10 according to the invention is a reciprocating piston compressor which has at least one cylinder 17.
  • Fig. 1 shows a highly schematic view of a piston 18 of a cylinder 17 of the reciprocating piston compressor 11.
  • the reciprocating piston compressor 11 can be driven by a motor 19 to compress the working medium.
  • Liquid working medium can be injected into the respective cylinder 17 of the reciprocating piston compressor 11 during suction and/or during compression of the vaporous medium in the reciprocating piston compressor 11. This provides a two-phase compression of vaporous working medium and liquid working medium, in which case the liquid working medium is finely atomized and evaporated in the respective cylinder 17 of the reciprocating piston compressor 11. This can ensure that the working medium exits the reciprocating compressor as saturated or slightly overheated refrigerant vapor.
  • the cylinder 17 of the reciprocating compressor 11 is coupled to the flash tank 15 via a condensate line 20 in order to supply liquid working medium from the flash tank to the respective cylinder 17 of the reciprocating compressor 11.
  • a pump 21 is integrated into the condensate line 20.
  • the cylinder 17 of the reciprocating piston compressor 11 can also be coupled via a condensate line 22 to the condensate collecting container 13 arranged upstream of the expansion valve 14 in order to remove liquid working medium from the condensate collecting container 13 and into the respective cylinder 17 via the pump 21 of the reciprocating compressor 11.
  • Fig. 1 further shows an oil filter or oil separator 23, which is set up to separate oil from the compressed, vaporous working medium downstream of the compressor 11 and upstream of the condenser 12 and to return it in the direction of the reciprocating compressor 11.
  • the compression refrigeration machine 10 shown in FIG. 1 thermal power can be efficiently provided in the megawatt power range.
  • the compression refrigeration machine 10 is particularly suitable for all refrigerants or working media with a high volumetric heat capacity, such as ammonia (NH3) and water (H2O).
  • NH3 ammonia
  • H2O water
  • a high power density can be achieved with the reciprocating piston compressor 11.
  • the reciprocating piston compressor 11, namely the at least one cylinder 17 of the same, is, as explained above, driven by the motor 19, the reciprocating piston compressor 11 sucking in vaporous working medium which has been evaporated in the area of the evaporator 16, in particular in a saturated steam state.
  • the vaporous working medium flows into the cylinder space of the respective cylinder 17 via inlet valves of the respective cylinder 17 of the reciprocating piston compressor 11, with liquid working medium being able to be injected into the cylinder 11 during the suction and/or during the compression of the vaporous working medium in the respective cylinder 11.
  • a system can be used that corresponds to a fuel injection system of reciprocating engines.
  • a two-phase compression is provided, in which the liquid working medium, which is injected directly into the respective cylinder 17 of the reciprocating compressor 11 is injected, finely atomized and evaporated.
  • the resulting evaporation cold ensures that the compressed vaporous working medium emerges from the respective cylinder 17 of the reciprocating piston compressor 11 as saturated or slightly superheated vapor.
  • the exit state of the steam can be regulated via the injection quantity of the liquid working medium into the respective cylinder 17 of the reciprocating piston compressor 11.
  • the liquid working medium is injected into the respective cylinder 17 of the reciprocating piston compressor 11 in a range of ⁇ 30 ° CA (crankshaft angle) around the bottom dead center of a piston movement of the piston 18 of the respective cylinder 17.
  • the range and thus the time in which the liquid working medium is injected directly into the cylinder 17 of the reciprocating compressor 11 is in a range of ⁇ 20° KW around the bottom dead center.
  • the amount or volume of the liquid working medium injected directly into the respective cylinder 17 is preferably adjusted so that a volume of the injected liquid working medium does not exceed a dead volume of the respective cylinder 17 at the top dead center of the piston movement of the respective cylinder 17. This ensures that if the liquid working medium does not evaporate, the piston 18 of the respective cylinder 17 does not suffer a blow against the incompressible liquid.
  • a fuel injection system from reciprocating internal combustion engines can be used as an injection system for the working medium into the respective cylinder 17 of the reciprocating piston compressor.
  • the compression of the vaporous working medium in the respective piston 17 of the reciprocating compressor 11 begins at point Z1 in FIG. 6, with the compression ending at point Z2.
  • the compression largely takes place in the two-phase region, so that at the end of the compression at point Z2 there is slightly superheated steam.
  • crankcase 24 has a crankcase ventilation system 25, which is set up to liquefy vaporous working medium and direct it towards the flash tank.
  • the components of the crankcase ventilation system 25 include a fan or blower 26 in order to suck in air from the environment and to set a negative pressure relative to the atmosphere in the crankcase 24.
  • vaporous working medium does not reach the environment, but rather into the area of the fan or blower 26.
  • the mixture of ambient air and vaporous working medium sucked in via the fan or blower 26 is passed in FIG is supplied to the crankcase 24, and wherein vaporous working medium is condensed in the area of the condenser 28 and collected in the tank 29 in order to be returned from the tank 29 towards the flash tank 15. Air from which the working medium was separated can be discharged from the tank 29 into the environment.
  • working medium which should escape from cylinders 17 into the area of the crankcase 24 during the process, can be captured via the crankcase ventilation system 25 and returned to the cycle of the compression refrigeration machine 10 in order to prevent the working medium from escaping into the surroundings. This is particularly advantageous if ammonia or another working medium that is harmful to the environment and health is used as the working medium.
  • Fig. 4 shows further ventilation devices 30 in the area of the high-pressure side of the compression refrigeration machine 10, in the area in which the working medium is liquefied. Vaporous working medium can be separated via the ventilation devices 30 and directed towards the assemblies 26 and 28 in order to liquefy the working medium and direct it towards the flash tank 15.
  • FIG. 2 shows a further development of the compression refrigeration machine 10 of FIG.
  • the two cylinders 17 shown can be operated as parallel compressors, the inlet pressure of the two cylinders 17 being different, but both cylinders 17 compressing to the same outlet pressure.
  • the right cylinder 17 shown in FIG. 2 has an inlet pressure level which corresponds to the outlet pressure of the evaporator 16.
  • the left cylinder 17 shown in FIG. 2 has a different input pressure level, namely in FIG. 1 an input pressure level of an intermediate expansion.
  • FIG. 2 shows two expansion valves 14a and 14b, with the expansion valve 14a, starting from the condensate collecting container 13, carrying out an intermediate expansion into a tank 31, and with the expansion valve 14b, starting from the intermediate pressure level of the tank 31, expanding to the pressure level of the flash tank 15 takes place.
  • the inlet pressure level of the left cylinder 17 of the reciprocating compressor 11 shown in FIG. 2 corresponds to the pressure level of the tank 31 and thus the intermediate pressure level between the two expansion valves 14a and 14b.
  • both cylinders 17 promote a fixed volume flow, since regulation of individual volume flows is not possible. This is due to the rigid coupling of the cylinders 17 to a shaft or crankshaft.
  • the intermediate pressure level in the tank 31 would then be established as an equilibrium between an evaporation pressure and a vapor volume flow.
  • the parallel compression of FIG. 2 is particularly advantageous when the compression refrigeration machine 10 uses ammonia as the working medium.
  • the parallel compression according to FIG. 2 allows the coupling of at least one further heat source 32 at the temperature level and/or pressure level of the tank 31.
  • the further heat source 32 which can be designed as an evaporator, can be designed as a thermosiphon or as a direct evaporator integrated into the tank 31 in FIG. Fig. 3 shows a modification of the compression refrigeration machine 10, in which the two cylinders 17 shown of the reciprocating piston compressor 11 are not operated in parallel, but rather in series, in contrast to Fig. 2, in order to provide different compression stages.
  • the inlet pressure of the first cylinder 17, viewed in the flow direction of the working medium corresponds to the outlet pressure of the evaporator 16
  • the inlet pressure of the downstream cylinder 17 corresponds to the outlet pressure of the upstream cylinder 17.
  • liquid working medium can be pumped into both cylinders 17 during suction and / or injected directly during the compression of the vaporous working medium in the respective cylinder 17. This is also the case for compression refrigeration machine 10 of FIG. 2.
  • the multi-stage compression of FIG. 3 also allows the coupling of at least one further heat source 32 at the temperature level and/or pressure level of the tank 31.
  • the further heat source 32 which can be designed as an evaporator, can also be designed as a thermosiphon or as a direct evaporator integrated into the tank 31 in FIG.
  • vaporous working medium can be removed from the tank 31 and fed to the working process between the two compression stages provided by the two cylinders 17.
  • the intermediate pressure level between the two cylinders 17 will be set according to a fixed volume flow.
  • the embodiment of FIG. 3 is particularly advantageous when water is used as the working medium.
  • the invention further relates to a system of cascaded compression refrigeration machines. 5 shows a preferred exemplary embodiment of a system consisting of two cascaded compression refrigeration machines 10 and 10', the compression refrigeration machine 10 of FIG. 5 essentially corresponding to the compression refrigeration machine 10 of FIG. 2.
  • the compression refrigeration machine 10' of FIG. 5 essentially corresponds to the compression refrigeration machine 10 of FIG is to evaporate the condensate in the flash tank 15'.
  • the condenser 12 of the compression refrigeration machine 10 and the evaporator 16 'of the compression refrigeration machine 10' are therefore both arranged in the area of the flash tank 15' or integrated into it.
  • the condenser 12 of the compression refrigerator 10 acts as an evaporator 16 'of the compression refrigerator 10'.
  • ammonia is used as the working medium
  • water is used as the working medium.
  • both reciprocating compressors 11 and 11 ' are driven by a common motor 19.
  • the reciprocating compressors 11 and 11 ' can also be driven by separate motors 19.
  • the compression refrigerator 10' can also be operated as an open steam process.
  • Reference symbol list As also shown in FIG. 5, the compression refrigerator 10' can also be operated as an open steam process.

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Abstract

Kompressionskältemaschine (10), mit einem Verdichter (11), der eingerichtet ist, dampfförmiges Arbeitsmedium ausgehend von einem Eingangsdruck des Verdichters (11) auf einen Ausgangsdruck des Verdichters (11) zu verdichten, und mit einem Kondensator (12), der eingerichtet ist, stromabwärts des Verdichters (11) Wärme aus dem dampfförmigen, verdichteten Arbeitsmedium unter Verflüssigung desselben auszukoppeln, und mit einem Kondensat-Sammelbehälter (13), der eingerichtet ist, stromabwärts des Kondensators (12) Kondensat des verflüssigten Arbeitsmediums zu sammeln, und mit einem Expansionsventil (14), das eingerichtet ist, stromabwärts des Kondensat-Sammelbehälters (13) das Kondensat zu entspannen, und mit einem Flash-Tank (15), der eingerichtet ist, stromabwärts des Expansionsventils (14) flüssiges und dampfförmiges Arbeitsmedium zu sammeln, und mit einem Verdampfer (16), der eingerichtet ist, stromaufwärts des Verdichters (11) flüssiges Arbeitsmedium zu verdampfen, wobei der Verdichter (11) ein Hubkolbenverdichter mit mindestens einem Zylinder (17) ist, in den während eines Ansaugens und/oder während eines Verdichtens des dampfförmigen Arbeitsmediums flüssiges Arbeitsmedium injizierbar ist.

Description

Kompressionskältemaschine, System aus Kompressionskältemaschinen und Verfahren zum Betreiben einer Kompressionskältemaschine
Die Erfindung betrifft eine Kompressionskältemaschine, ein System aus Kompressionskältemaschinen und ein Verfahren zum Betreiben einer Kompressionskältemaschine.
Der grundsätzliche Aufbau einer Kompressionskältemaschine, die zum Beispiel als Wärmepumpe ausgeführt sein kann, ist aus der Praxis bekannt. So verfügt eine Kompressionskältemaschine über einen Verdichter, um ein Arbeitsmedium, ausgehend von einem Eingangsdruck des Verdichters auf einen Ausgangsdruck des Verdichters zu verdichten. Der Verdichter verdichtet dabei typischerweise ein dampfförmiges bzw. gasförmiges Arbeitsmedium, welches stromaufwärts des Verdichters im Bereich eines Verdampfers durch Verdampfen flüssigen Arbeitsmediums gewonnen wurde. Stromabwärts des Verdichters ist ein Kondensator vorgesehen, der eingerichtet ist, Wärme aus dem dampfförmigen, verdichteten Arbeitsmedium auszukoppeln, wobei hierbei anfallendes Kondensat in einem Kondensat-Sammelbehälter der Kompressionskältemaschine sammelbar ist. Das im Kondensat-Sammelbehälter der Kompressionskältemaschine gesammelte Kondensat kann im Bereich eines Expansionsventils entspannt werden, wobei hierbei anfallendes flüssiges und dampfförmiges Kondensat in einem Flash-Tank gesammelt wird. Das im Flash-Tank gesammelte, flüssige Kondensat wird über den Verdampfer verdampft, um dann im Bereich des Verdichters verdichtet zu werden. Bei aus der Praxis bekannten Kompressionskältemaschinen im Megawatt-Leistungsbereich kommen als Verdichter Turboverdichter zum Einsatz. Mit Turboverdichtern können nur geringe Verdichtungsverhältnisse in der Größenordnung von 1 ,5 bis 2 je Stufe realisiert werden. Dadurch ergeben sich dann, wenn Kompressionskältemaschinen mit einer Leistung im Megawatt-Leistungsbereich realisiert werden sollen, hohe Kosten. Es besteht Bedarf an einer Kompressionskältemaschine, mit der insbesondere im Megawatt-Leistungsbereich mit geringen Kosten ein effizienter Betrieb und demnach eine effiziente Erzeugung thermischer Energie bzw. thermischer Leistung möglich ist. Diese Aufgabe wird durch eine Kompressionskältemaschine nach Anspruch 1 gelöst. Erfindungsgemäß ist der der Verdichter der Kompressionskältemaschine ein Hubkolbenverdichter mit mindestens einem Zylinder, in den während eines Ansaugens und/oder während eines Verdichtens des dampfförmigen Arbeitsmediums flüssiges Arbeitsmedium injizierbar ist.
Die Erfindung schlägt eine Kompressionskältemaschine vor, bei welcher der Verdichter derselben ein Hubkolbenverdichter mit mindestens einem Zylinder, vorzugsweise mit mehreren Zylindern, ist, wobei in den jeweiligen Zylinder des Hubkolbenverdichters während eines Ansaugens und/oder während eines Verdichtens des dampfförmigen Arbeitsmediums flüssiges Arbeitsmedium injizierbar ist. Mit einem als Hubkolbenverdichter ausgebildeten Verdichter können hohe Verdichtungsverhältnisse in der Größenordnung von 10 bis 30 realisiert werden. Damit ergeben sich insbesondere bei Kompressionskältemaschinen, die im Megawatt- Leistungsbereich thermische Leistung bereitstellen sollen, gegenüber Kompressionskältemaschinen, die als Verdichter Turboverdichter nutzen, erhebliche Kostenvorteile. Durch das Injizieren flüssigen Arbeitsmediums während des Ansaugens und/oder während des Verdichtens des dampfförmigen Arbeitsmediums in einen jeweiligen Zylinder des Hubkolbenverdichters wird eine Zweiphasenverdichtung realisiert. Dieses injizierte, flüssige Arbeitsmedium wird im dampfförmigen Arbeitsmedium fein zerstäubt, sodass die Flüssigkeitströpfchen des flüssigen Arbeitsmediums während der Verdichtung verdampfen. Die Verdampfung kühlt den Verdichtungsprozess, wodurch eine effiziente Verdichtung erreicht werden kann. Über die Menge des in den jeweiligen Zylinder während des Ansaugens und/oder während des Verdichtens des dampfförmigen Mediums injizierten flüssigen Arbeitsmediums kann der Austrittszustand des verdichteten Arbeitsmediums stromabwärts des als Hubkolbenverdichter ausgebildeten Verdichters eingeregelt werden. Insgesamt ermöglicht die erfindungsgemäße Kompressionskältemaschine eine effiziente Verdichtung dampfförmigen Arbeitsmediums im Verdichter bei geringen Kosten, insbesondere bei Kompressionskältemaschinen im Megawatt- Leistungsbereich.
Vorzugsweise ist der jeweilige Zylinder des Hubkolbenverdichters über eine Kondensatleitung mit dem Kondensat-Sammelbehälter und/oder über eine Kondensatleitung mit dem Flash-Tank gekoppelt. Hierdurch ist es möglich, in den jeweiligen Zylinder des Hubkolbenverdichters das flüssige Arbeitsmedium während des Ansaugens und/oder während des Verdichtens des dampfförmigen Arbeitsmediums ausgehend vom Kondensat-Sammelbehälter und/oder ausgehend vom Flash- Tank zu injizieren.
Vorzugsweise weist der Hubkolbenverdichter ein Kurbelgehäuseentlüftungssystem auf, welches eingerichtet ist, dampfförmiges Arbeitsmedium zu verflüssigen und in Richtung auf den Flash-Tank zu führen. Durch die Nutzung eines Kurbelgehäuseentlüftungssystems des Hubkolbenverdichters ist es auf einfache Art und Weise möglich, einen Austritt des Arbeitsmediums in die Umgebung zu verhindern. Dies ist insbesondere dann von Vorteil, wenn als Arbeitsmedium Ammoniak oder ein anderes umweit- und gesundheitsschädliches Arbeitsmedium genutzt wird. Über die Kurbelgehäuseentlüftung kann das jeweilige Arbeitsmedium, insbesondere Ammoniak, kondensiert und in den Bereich des Flash-Tanks der Kompressionskältemaschine zurückgeführt werden. Es besteht dann keine Gefahr, dass das jeweilige Arbeitsmedium, insbesondere Ammoniak, in die Umgebung austritt.
Vorzugsweise weist der Hubkolbenverdichter mehrere Zylinder auf, wobei mindestens zwei Zylinder parallel mit unterschiedlichem Eingangsdruck jedoch gleichem Ausgangsdruck betreibbar sind und/oder wobei mindestens zwei Zylinder seriell zur Bereitstellung von mindestens zwei Verdichtungsstufen betreibbar sind. Die Parallelverdichtung über mindestens zwei Zylinder des Hubkolbenverdichters ist insbesondere dann von Vorteil, wenn als Arbeitsmedium Ammoniak genutzt wird. Die serielle Verdichtung des dampfförmigen Arbeitsmediums in mindestens zwei Zylindern des Hubkolbenverdichters ist insbesondere dann von Vorteil, wenn als Arbeitsmedium Wasser genutzt wird.
Das erfindungsgemäße System aus Kompressionskältemaschinen ist in Anspruch 7 definiert. Das erfindungsgemäße System aus Kompressionskältemaschinen erlaubt bei geringen Kosten eine effiziente Erzeugung thermischer Leistung im Megawatt-Leistungsbereich.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Betreiben einer Kompressionskältemaschine ist in Anspruch 9 definiert. Erfindungsgemäß wird während eines Ansaugens und/oder während eines Verdichtens des dampfförmigen Arbeitsmediums in den jeweiligen Zylinder des Hubkolbenverdichters flüssiges Arbeitsmedium injiziert. Durch das Injizieren des flüssigen Arbeitsmediums in den jeweiligen Zylinder des Hubkolbenverdichters während des Ansaugens und/oder während des Verdichtens des dampfförmigen Arbeitsmediums wird eine Zweiphasenverdichtung bereitgestellt. Dies erlaubt eine besonders effiziente Verdichtung sowie Regelung des Zustands des verdichteten, dampfförmigen Arbeitsmediums stromabwärts des Hubkolbenverdichters.
Vorzugsweise wird das flüssige Arbeitsmedium in einem Bereich von ±30°KW (Kurbelwellenwinkel) um einen unteren Totpunkt einer Kolbenbewegung des jeweiligen Zylinders in den jeweiligen Zylinder injiziert. In diesem Kurbelwellenwinkelbereich und demnach Zeitbereich ist das Injizieren des flüssigen Arbeitsmediums in den jeweiligen Zylinder des Hubkolbenverdichters besonders bevorzugt. Es ist eine besonders effiziente Verdichtung unter einer feinen Zerstäubung sowie Verdampfung des in den jeweiligen Zylinder injizierten flüssigen Arbeitsmediums im dampfförmigen Arbeitsmedium möglich. Vorzugsweise wird die Menge oder das Volumen des in den jeweiligen Zylinder injizierten flüssigen Arbeitsmediums so eingestellt, dass ein Volumen des injizierten flüssigen Arbeitsmediums ein Totvolumen des jeweiligen Zylinders im oberen Totpunkt einer Kolbenbewegung des jeweiligen Zylinders nicht übersteigt. Hierdurch kann vermieden werden, dass dann, wenn das injizierte, flüssige Arbeitsmedium innerhalb des jeweiligen Zylinders des Hubkolbenverdichters nicht verdampft werden sollte, der Kolben des jeweiligen Zylinders keinen Schlag gegen eine inkompressible Flüssigkeit erleidet. Hierdurch kann einem Verschleiß bzw. einer Beschädigungsgefahr des jeweiligen Kolbens des jeweiligen Zylinders des Hubkolbenverdichters entgegengewirkt werden.
Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung. Ausführungsbeispiele der Erfindung werden, ohne hierauf beschränkt zu sein, an Hand der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigt:
Fig. 1 : ein Blockschaltbild einer ersten erfindungsgemäßen Kompressionskältemaschine,
Fig. 2 ein Blockschaltbild einer zweiten erfindungsgemäßen Kompressionskältemaschine,
Fig. 3 ein Blockschaltbild einer dritten erfindungsgemäßen Kompressionskältemaschine,
Fig. 4 ein Blockschaltbild einer Weiterbildung der ersten erfindungsgemäßen Kompressionskältemaschine Gemäß Fig. 1 ,
Fig. 5 ein Blockschaltbild eines Systems aus zwei kaskadierten Kompressionskältemaschine,
Fig. 6 ein logP-h-Diagramm zur Verdeutlichung der Erfindung. Die hier vorliegende Erfindung betrifft eine Kompressionskältemaschine, nämlich eine Dampfkompressionskältemaschine, die insbesondere als Wärmepumpe zur Wärme- bzw. Dampferzeugung im Megawatt-Leistungsbereich, zum Beispiel im Bereich zwischen 10 MW und 200 MW, genutzt werden kann. Die Kompressionskältemaschine nutzt als Arbeitsmedium ein Arbeitsmedium bzw. Kältemittel mit hoher volumetrischer Wärmekapazität, insbesondere Wasser oder Ammoniak.
Fig. 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer ersten erfindungsgemäßen Kompressionskältemaschine 10. Die Kompressionskältemaschine 10 der Fig. 1 verfügt über einen Verdichter 11 , der eingerichtet ist, dampfförmiges Arbeitsmedium ausgehend von einem Eingangsdruck des Verdichters 11 auf einen Ausgangsdruck des Verdichters 11 zu verdichten.
Die Kompressionskältemaschine 10 verfügt in Strömungsrichtung des Arbeitsmediums gesehen stromabwärts des Verdichters 11 über einen Kondensator 12, der eingerichtet ist, Wärme aus dem dampfförmigen, verdichteten Arbeitsmedium auszukoppeln, und zwar unter Verflüssigung des Arbeitsmediums. Hierbei anfallendes Kondensat wird in einem Kondensat-Sammelbehälter 13 der Kompressionskältemaschine 10 gesammelt.
Das in dem Kondensat-Sammelbehälter 13 gesammelte Kondensat und damit verflüssigte Arbeitsmedium wird im Bereich eines Expansionsventils 14 der Kompressionskältemaschine 10 entspannt, wobei hierbei anfallendes dampfförmigen Arbeitsmedium und flüssiges Arbeitsmedium in einem Flash-Tank 15 der Kompressionskältemaschine 10 sammelbar ist.
Die Kompressionskältemaschine 10 verfügt stromabwärts des Flash-Tanks 15 und stromaufwärts des Verdichters 11 über einen Verdampfer 16, der eingerichtet ist, das im Flash-Tank 15 gesammelte Arbeitsmedium unter Zufuhr von Wärme zu verdampfen und das verdampfte Arbeitsmedium dem Verdichter 11 bereitzustellen. Bei dem Verdichter 11 handelt es sich bei der erfindungsgemäßen Kompressionskältemaschine 10 um einen Hubkolbenverdichter, der mindestens einen Zylinder 17 aufweist. Fig. 1 zeigt stark schematisiert einen Kolben 18 eines Zylinders 17 des Hubkolbenverdichters 11.
Der Hubkolbenverdichter 11 ist ausgehend von einem Motor 19 zur Verdichtung des Arbeitsmediums antreibbar.
In den jeweiligen Zylinder 17 des Hubkolbenverdichters 11 ist während eines Ansaugens und/oder während eines Verdichtens des dampfförmigen Mediums im Hubkolbenverdichter 11 flüssiges Arbeitsmedium injizierbar. Hierdurch wird eine Zweiphasenverdichtung aus dampfförmigen Arbeitsmedium und flüssigem Arbeitsmedium bereitgestellt, wobei hierbei das flüssige Arbeitsmedium im jeweiligen Zylinder 17 des Hubkolbenverdichters 11 fein zerstäubt und verdampft wird. Hierdurch kann gewährleistet werden, dass das Arbeitsmedium aus dem Hubkolbenverdichter als gesättigter oder leicht überhitzter Kältemittel-Dampf austritt.
In Fig. 1 ist der Zylinder 17 des Hubkolbenverdichters 11 über eine Kondensatleitung 20 mit dem Flash-Tank 15 gekoppelt, um flüssiges Arbeitsmedium ausgehend vom Flash-Tank dem jeweiligen Zylinder 17 des Hubkolbenverdichters 11 zuzuführen. Hierbei ist gemäß Fig. 1 in die Kondensatleitung 20 eine Pumpe 21 integriert. Alternativ oder zusätzlich kann der Zylinder 17 des Hubkolbenverdichters 11 über eine Kondensatleitung 22 auch mit dem stromaufwärts des Expansionsventils 14 angeordneten Kondensat-Sammelbehälter 13 gekoppelt sein, um ausgehend vom Kondensat-Sammelbehälter 13 flüssiges Arbeitsmedium zu entnehmen und über die Pumpe 21 in den jeweiligen Zylinder 17 des Hubkolbenverdichters 11 zu injizieren. Fig. 1 zeigt weiterhin einen Ölfilter oder Ölabscheider 23, der eingerichtet ist, um aus dem verdichteten, dampfförmigen Arbeitsmedium stromabwärts des Verdichters 11 und stromaufwärts des Kondensators 12 Öl abzuscheiden und in Richtung auf den Hubkolbenverdichter 11 zurückzuführen.
Mit der in Fig. 1 gezeigten Kompressionskältemaschine 10 kann im Megawatt- Leistungsbereich thermische Leistung effizient bereitgestellt werden. Die Kompressionskältemaschine 10 eignet sich insbesondere für alle Kältemittel oder Arbeitsmedien mit einer hohen volumetrischen Wärmekapazität, wie zum Beispiel Ammoniak (NH3) und Wasser (H2O).
Mit dem Hubkolbenverdichter 11 kann eine hohe Leistungsdichte erreicht werden. Der Hubkolbenverdichter 11 , nämlich der mindestens eine Zylinder 17 desselben, ist, wie oben ausgeführt, vom Motor 19 motorisch angetrieben, wobei der Hubkolbenverdichter 11 dampfförmiges Arbeitsmedium, welches im Bereich des Verdampfers 16 verdampft wurde, ansaugt, insbesondere in einem Sattdampf- Zustand. Das dampfförmige Arbeitsmedium strömt über Einlassventile des jeweiligen Zylinders 17 des Hubkolbenverdichters 11 in den Zylinderraum des jeweiligen Zylinders 17 ein, wobei während des Ansaugens und/oder während des Verdichtens des dampfförmigen Arbeitsmediums im jeweiligen Zylinder 11 in den Zylinder 11 flüssiges Arbeitsmedium injizierbar ist. Durch die Bewegung des Kolbens 18 des jeweiligen Zylinders 17 wird das dampfförmige Arbeitsmedium und das injizierte flüssige Arbeitsmedium angesaugt und verdichtet, wobei Auslassventile des jeweiligen Zylinders 17 des Hubkolbenverdichters 11 öffnen, sobald ein Druck im jeweiligen Zylinder 17 einen Gegendruck in einer Auslassleitung übersteigt.
Zur Injektion des flüssigen Arbeitsmediums in die Zylinder 17 des Hubkolbenverdichters 11 kann ein System genutzt werden, das einem Kraftstoff-Einspritzsystem von Hubkolbenmotoren entspricht. Durch die Injektion des flüssigen Arbeitsmediums direkt in den jeweiligen Zylinder 17 des Hubkolbenverdichters 11 während des Ansaugens und/oder während des Verdichtens des dampfförmigen Arbeitsmediums in dem jeweiligen Zylinder 17 wird eine Zweiphasenverdichtung bereitgestellt, bei der das flüssige Arbeitsmedium, welches direkt in den jeweiligen Zylinder 17 des Hubkolbenverdichters 11 injiziert wird, fein zerstäubt und verdampft wird. Hierbei anfallende Verdampfungskälte sorgt dafür, dass das verdichtete dampfförmige Arbeitsmedium aus dem jeweiligen Zylinder 17 des Hubkolbenverdichters 11 als gesättigter oder leicht überhitzter Dampf austritt. Der Austrittszustand des Dampfs kann über die Injektionsmenge des flüssigen Arbeitsmediums in den jeweiligen Zylinder 17 des Hubkolbenverdichters 11 geregelt werden.
Vorzugsweise wird das flüssige Arbeitsmedium in einem Bereich von ±30°KW (Kurbelwellenwinkel) um den unteren Totpunkt einer Kolbenbewegung des Kolbens 18 des jeweiligen Zylinders 17 in den jeweiligen Zylinder 17 des Hubkolbenverdichters 11 injiziert. Vorzugsweise liegt der Bereich und damit Zeitpunkt, in welchem das flüssige Arbeitsmedium direkt in den Zylinder 17 des Hubkolbenverdichters 11 injiziert wird, in einem Bereich von ±20° KW um den unteren Totpunkt.
Die Menge oder das Volumen des direkt in den jeweiligen Zylinder 17 injizierten flüssigen Arbeitsmediums wird dabei vorzugsweise so eingestellt, dass ein Volumen des injizierten, flüssigen Arbeitsmediums ein Totvolumen des jeweiligen Zylinders 17 im oberen Totpunkt der Kolbenbewegung des jeweiligen Zylinders 17 nicht übersteigt. Hierdurch wird sichergestellt, dass bei einer Nichtverdampfung des flüssigen Arbeitsmediums der Kolben 18 des jeweiligen Zylinders 17 keinen Schlag gegen die inkompressible Flüssigkeit erleidet.
Wie bereits ausgeführt, kann als Injektionssystem für das Arbeitsmedium in den jeweiligen Zylinder 17 des Hubkolbenverdichters ein Kraftstoff-Einspritzsystem von Hubkolben-Verbrennungsmotoren genutzt werden. Fig. 6 zeigt für die unter Bezugnahme auf Fig. 1 beschriebene Kompressionskältemaschine mit der Zweiphasenverdichtung von Wasser als Arbeitsmedium ein logP-h-Diagramm (P = Druck, h = Enthalpie). Die Verdichtung des dampfförmigen Arbeitsmediums in dem jeweiligen Kolben 17 des Hubkolbenverdichters 11 beginnt im Punkt Z1 der Fig. 6, wobei die Verdichtung im Punkt Z2 endet. Die Verdichtung erfolgt weitgehend im Zweiphasengebiet, sodass am Ende der Verdichtung im Punkt Z2 leicht überhitzter Dampf vorliegt. Nach dem Stand der Technik würde eine Verdichtung ohne Injektionskühlung erst im Punkt Z1‘ beginnen und im Punkt Z2‘ enden, sodass dann nach dem Stand der Technik eine Zwischenkühlung erforderlich wäre, da die Verdichtungsdampftemperatur im Punkt Z2‘ zu hoch werden würde. Die erfindungsgemäße Zweiphasenverdichtung ist effizient, da Isentropen näher am Nassdampfgebiet steiler verlaufen als außerhalb des Sattdampfgebiets. Die Zweiphasenverdichtung benötigt dann weniger Verdichtungsenergie als eine Sattdampfverdichtung, um denselben Druck zu erreichen. Zwischen den Punkten Z2 und Z3 erfolgt die Kondensation im Bereich des Kondensators 12, zwischen den Punkten Z3 und Z4 erfolgt die Expansion im Bereich des Expansionsventils 14 und zwischen Punkten Z4 und Z1 erfolgt eine Verdampfung im Bereich des Verdampfers 16.
Fig. 4 zeigt eine Weiterbildung der Kompressionskältemaschine 10 der Fig. 1 , wobei in Fig. 4 zwischen dem Motor 19, der dem Antreiben der Kolben 18 der Zylinder 17 des Hubkolbenverdichters 11 dient, und dem dort gezeigten Zylinder 17 ein Kurbelgehäuse 24 gezeigt ist. Das Kurbelgehäuse 24 verfügt über ein Kurbelgehäuseentlüftungssystem 25, welches eingerichtet ist, dampfförmiges Arbeitsmedium zu verflüssigen und in Richtung auf den Flash-Tank zu führen.
Zu den Baugruppen des Kurbelgehäuseentlüftungssystems 25 zählt ein Lüfter bzw. Gebläse 26, um aus der Umgebung Luft anzusaugen und im Kurbelgehäuse 24 einen Unterdrück gegenüber Atmosphäre einzustellen. Hierdurch gelangt dampfförmiges Arbeitsmedium nicht in die Umgebung, sondern in den Bereich des Lüfters bzw. Gebläses 26. Das über den Lüfter bzw. das Gebläse 26 angesaugte Gemisch aus Umgebungsluft und dampfförmigem Arbeitsmedium wird in Fig. 4 über einen Ölfilter bzw. Ölabscheider 27 und nachfolgend über einen Kondensator 28 geführt, wobei im Bereich des Ölfilters bzw. Ölabscheiders 27 Öl abgeschieden und zur Schmierung dem Kurbelgehäuse 24 zugeführt wird, und wobei im Bereich des Kondensators 28 dampfförmiges Arbeitsmedium kondensiert und im Tank 29 gesammelt wird, um ausgehend vom Tank 29 in Richtung auf den Flash-Tank 15 zurückgeführt zu werden. Luft, aus welcher das Arbeitsmedium abgeschieden wurde, kann aus dem Tank 29 in die Umgebung abgeführt werden.
In der Weiterbildung der Fig. 4 kann demnach Arbeitsmedium, welches im Prozess aus Zylindern 17 in den Bereich des Kurbelgehäuses 24 entweichen sollte, über das Kurbelgehäuseentlüftungssystem 25 eingefangen und in den Kreisprozess der Kompressionskältemaschine 10 zurückgeführt werden, um zu verhindern, dass das Arbeitsmedium in die Umgebung gelangt. Dies ist insbesondere dann von Vorteil, wenn als Arbeitsmedium Ammoniak oder ein anderes umwelt- und gesundheitsschädliches Arbeitsmedium genutzt wird.
Fig. 4 zeigt weitere Entlüftungseinrichtungen 30 im Bereich der Hochdruckseite der Kompressionskältemaschine 10, im Bereich derer das Arbeitsmedium verflüssigt vorliegt. Über die Entlüftungseinrichtungen 30 kann dampfförmiges Arbeitsmedium abgetrennt und in Richtung auf die Baugruppen 26 und 28 geführt werden, um Arbeitsmedium zu verflüssigen und in Richtung auf den Flash-Tank 15 zu führen.
Fig. 2 zeigt eine Weiterbildung der Kompressionskältemaschine 10 der Fig. 1 , wobei in Fig. 2 nicht nur ein Zylinder 17 des Hubkolbenverdichters 11 gezeigt ist, vielmehr sind in Fig. 2 zwei Zylinder 17 des Hubkolbenverdichters 11 gezeigt. In Fig. 2 sind die beiden gezeigten Zylinder 17 als Parallelverdichter betreibbar, wobei sich der Eingangsdruck der beiden Zylinder 17 unterscheidet, jedoch beide Zylinder 17 auf den gleichen Ausgangsdruck verdichten. Der in Fig. 2 gezeigte rechte Zylinder 17 verfügt über ein Eingangsdruckniveau, welches dem Ausgangsdruck des Verdampfers 16 entspricht. Der in Fig. 2 gezeigte linke Zylinder 17 verfügt über ein anderes Eingangsdruckniveau, und zwar in Fig. 1 über ein Eingangsdruckniveau einer Zwischenentspannung. So zeigt Fig. 2 zwei Expansionsventile 14a und 14b, wobei das Expansionsventil 14a, ausgehend vom Kondensat-Sammelbehälter 13 eine Zwischenentspannung in einen Tank 31 vornimmt, und wobei das Expansionsventil 14b ausgehend vom Zwischendruckniveau des Tanks 31 eine Entspannung auf das Druckniveau des Flash-Tanks 15 vornimmt. Das Eingangsdruckniveau des in Fig. 2 gezeigten linken Zylinders 17 des Hubkolbenverdichters 11 entspricht dem Druckniveau des Tanks 31 und damit dem Zwischendruckniveau zwischen den beiden Expansionsventilen 14a und 14b.
Bei der Parallelverdichtung der Fig. 2 fördern beide Zylinder 17 einen festen Volumenstrom, da eine Regelung individueller Volumenströme nicht möglich ist. Dies liegt an der starren Kopplung der Zylinder 17 auf einer Welle bzw. Kurbelwelle. Somit würde sich dann das Zwischendruckniveau im Tank 31 als Gleichgewicht zwischen einem Verdampfungsdruck und Dampfvolumenstrom einstellen. Die Parallelverdichtung der Fig. 2 ist insbesondere dann von Vorteil, wenn die Kompressionskältemaschine 10 als Arbeitsmedium Ammoniak nutzt.
Die Parallelverdichtung gemäß Fig. 2 erlaubt die Einkopplung von mindestens einerweiteren Wärmequelle 32 auf dem Temperaturniveau und/oder Druckniveau des Tanks 31.
Die weitere Wärmequelle 32, die als Verdampfer ausgebildet sein kann, kann in Fig. 2 als Thermosiphon oder als Direktverdampfer integriert in den Tank 31 ausgeführt sein. Fig. 3 zeigt eine Abwandlung der Kompressionskältemaschine 10, bei welcher die beiden gezeigten Zylinder 17 des Hubkolbenverdichters 11 im Unterschied zu Fig. 2 nicht parallel, sondern vielmehr seriell betrieben werden, um unterschiedliche Verdichtungsstufen bereitzustellen. So entspricht der Eingangsdruck des in Strömungsrichtung des Arbeitsmediums gesehen ersten Zylinders 17 dem Ausgangsdruck des Verdampfers 16, der Eingangsdruck des nachgeordneten Zylinders 17 entspricht dem Ausgangsdruck des vorgeordneten Zylinders 17. In beide Zylinder 17 kann ausgehend vom Flash-Tank 15 flüssiges Arbeitsmedium während des Ansaugens und/oder während des Verdichtens des dampfförmigen Arbeitsmediums im jeweiligen Zylinder 17 direkt injiziert werden. Dies ist auch für Kompressionskältemaschine 10 der Fig. 2 der Fall.
Die mehrstufige Verdichtung der Fig. 3 erlaubt ebenfalls die Einkopplung von mindestens einer weiteren Wärmequelle 32 auf dem Temperaturniveau und/oder Druckniveau des Tanks 31 .
Die weitere Wärmequelle 32, die als Verdampfer ausgebildet sein kann, kann auch in Fig. 3 als Thermosiphon oder als Direktverdampfer integriert in den Tank 31 aus-geführt sein.
In Fig. 3 kann dampfförmiges Arbeitsmedium dem Tank 31 entnommen und zwischen den beiden durch die beiden Zylinder 17 bereitgestellten Verdichtungsstufen dem Arbeitsprozess zugeführt werden.
Bei der Kompressionskältemaschine 10 der Fig. 3 wird sich das Zwischendruckniveau zwischen den beiden Zylindern 17 nach einem geförderten fixen Volumenstrom einstellen. Die Ausführungsform der Fig. 3 ist insbesondere dann von Vorteil, wenn als Arbeitsmedium Wasser genutzt wird. Die Erfindung betrifft weiterhin ein System aus kaskadierten Kompressionskältemaschinen. So zeigt Fig. 5 ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel eines Systems aus zwei kaskadierten Kompressionskältemaschinen 10 und 10‘, wobei die Kompressionskältemaschine 10 der Fig. 5 im Wesentlichen der Kompressionskältemaschine 10 der Fig. 2 entspricht. Die Kompressionskältemaschine 10‘ der Fig. 5 entspricht im Wesentlichen der Kompressionskältemaschine 10 der Fig. 1. Dabei sind die beiden Kompressionskältemaschinen 10, 10‘ derart kaskadiert, dass der Kondensator 12 der Kompressionskältemaschine 10 in den Flash-Tank 15‘ der Kompressionskältemaschine 10‘ integriert ist, um das Kondensat im Flash-Tank 15‘ zu verdampfen. Der Kondensator 12 der Kompressionskältemaschine 10 und der Verdampfer 16‘ der Kompressionskältemaschine 10‘ sind demnach beide im Bereich des Flash-Tankes 15‘ angeordnet bzw. in denselben integriert. Der Kondensator 12 der Kompressionskältemaschine 10 wirkt als Verdampfer 16‘ der Kompressionskältemaschine 10‘. Insbesondere findet im Bereich der Kompressionskältemaschine 10 des Systems der Fig. 5 als Arbeitsmedium Ammoniak und im Bereich der Kompressionskältemaschine 10‘ als Arbeitsmedium Wasser Verwendung. Mit dem System der Fig. 5 ist es möglich, mit Umgebungswärme einen Wasserdampf bzw. Prozessdampf mit einer Temperatur zwischen 200°C und 300°C bereitzustellen, und zwar mit lediglich zwei Verdichtungsstufen.
Wie in Fig. 5 gezeigt, werden beide Hubkolbenverdichter 11 und 11 ‘ von einem gemeinsamen Motor 19 aus angetrieben. Die Hubkolbenverdichter 11 und 11 ‘ können auch von separaten Motor 19 aus angetrieben sein.
Wie ebenfalls in Fig. 5 gezeigt, kann die Kompressionskältemaschine 10‘ auch als offener Dampfprozess betrieben werden. Bezugszeichenliste
10, 10‘ Kompressionskältemaschine
11 , 11' Verdichter
12, 12' Kondensator
13, 13' Kondensat-Sammelbehälter
14, 14' Expansionsventil
14a Expansionsventil
14b Expansionsventil
15, 15' Flash-Tank
16, 16' Verdampfer
17, 17' Zylinder
18, 18' Kolben
19 Motor
20, 20' Kondensatleitung
21 , 21' Pumpe
22 Kondensatleitung
23, 23' Ölfilter/Ölabscheider
24 Kurbelgehäuse
25 Kurbelgehäuseentlüftungssystem
26 Lüfter, Gebläse
27 Ölfilter/Ölabscheider
28 Kondensator
29 Tank
30 Entlüftungseinrichtung
31 Tank
32 Wärmequelle

Claims

Ansprüche Kompressionskältemaschine (10), mit einem Verdichter (11 ), der eingerichtet ist, dampfförmiges Arbeitsmedium ausgehend von einem Eingangsdruck des Verdichters (11 ) auf einen Ausgangsdruck des Verdichters (11 ) zu verdichten, mit einem Kondensator (12), der eingerichtet ist, stromabwärts des Verdichters (11) Wärme aus dem dampfförmigen, verdichteten Arbeitsmedium unter Verflüssigung desselben auszukoppeln, mit einem Kondensat-Sammelbehälter (13), der eingerichtet ist, stromabwärts des Kondensators (12) Kondensat des verflüssigten Arbeitsmediums zu sammeln, mit einem Expansionsventil (14), das eingerichtet ist, stromabwärts des Kondensat-Sammelbehälters (13) das Kondensat zu entspannen, mit einem Flash-Tank (15), der eingerichtet ist, stromabwärts des Expansionsventils (14) flüssiges und dampfförmiges Arbeitsmedium zu sammeln, mit einem Verdampfer (16), der eingerichtet ist, stromaufwärts des Verdichters (11) flüssiges Arbeitsmedium zu verdampfen, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdichter (11 ) ein Hubkolbenverdichter mit mindestens einem Zylinder (17) ist, in den während eines Ansaugens und/oder während eines Verdichtens des dampfförmigen Arbeitsmediums flüssiges Arbeitsmedium injizierbar ist. Kompressionskältemaschine (10) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der jeweilige Zylinder (17) des Hubkolbenverdichters (11 ) über eine Kondensatleitung (22) mit dem Kondensat-Sammelbehälter (13) gekoppelt ist. 3. Kompressionskältemaschine (10) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der jeweilige Zylinder (17) des Hubkolbenverdichters (13) über eine Kondensatleitung (20) mit dem Flash-Tank (17) gekoppelt ist.
4. Kompressionskältemaschine (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Hubkolbenverdichter (17) ein Kurbelgehäuseentlüftungssystem (25) aufweist, welches eingerichtet ist, dampfförmiges Arbeitsmedium zu verflüssigen und in Richtung auf den Flash-Tank (15) zu führen.
5. Kompressionskältemaschine (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Hubkolbenverdichter (11) mehrere Zylinder (17) aufweist, wobei mindestens zwei Zylinder parallel mit unterschiedlichem Eingangsdruck jedoch gleichem Ausgangsdruck betreibbar sind.
6. Kompressionskältemaschine (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Hubkolbenverdichter (11) mehrere Zylinder (17) aufweist, wobei mindestens zwei Zylinder seriell zur Bereitstellung von mindestens zwei Verdichtungsstufen betreibbar sind.
7. System aus zwei kaskadierten Kompressionskältemaschine (10), gekennzeichnet durch eine erste Kompressionskältemaschine (10‘) nach einem der der Ansprüche 1 bis 4, eine zweite Kompressionskältemaschine (10) nach Anspruch 5, wobei der Kondensator (12) der zweiten Kompressionskältemaschine (10) als Verdampfer (16‘) der ersten Kompressionskältemaschine (10‘) dient. System nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Kompressionskältemaschine (10‘) ein erstes Arbeitsmedium, insbesondere Wasser, und die zweite Kompressionskältemaschine (10) ein zweites Arbeitsmedium, insbesondere Ammoniak, nutzt. Verfahren zum Betreiben einer Kompressionskältemaschine (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass während eines Ansaugens und/oder während eines Verdichtens des dampfförmigen Arbeitsmediums in den jeweiligen Zylinder (17) des Hubkolbenverdichters (11 ) flüssiges Arbeitsmedium injiziert wird. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das flüssige Arbeitsmedium in einem Bereich von ±30°KW um einen unteren Totpunkt einer Kolbenbewegung des jeweiligen Zylinders (17) in den jeweiligen Zylinder (17) injiziert wird. Verfahren (10) nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Menge oder das Volumen des in den jeweiligen Zylinder (17) injizierten flüssigen Arbeitsmediums so eingestellt wird, dass ein Volumen des injizierten flüssigen Arbeitsmediums ein Totvolumen des jeweiligen Zylinders (17) im oberen Totpunkt einer Kolbenbewegung des jeweiligen Zylinders (17) nicht übersteigt.
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