DE19522884A1

DE19522884A1 - Verfahren zum Betrieb einer Kompressionskälteanlage

Info

Publication number: DE19522884A1
Application number: DE19522884A
Authority: DE
Inventors: Hans Dipl Ing Thiesen
Original assignee: Institut fuer Luft und Kaeltetechnik Gemeinnuetzige GmbH
Current assignee: Institut fuer Luft und Kaeltetechnik Gemeinnuetzige GmbH
Priority date: 1995-06-23
Filing date: 1995-06-23
Publication date: 1997-01-02

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer Kompressionskälteanlage mit dem Arbeitsmittel Kohlendioxid (CO₂) mit einer zweistufigen Drosselung und Teilung der des umlaufenden Arbeitsmittelmassestromes.

Nach Bekanntwerden der Ozonproblematik ist ein deutlicher Trend zu natürlichen Kältemit teln erkennbar. Im Gegensatz zu den alternativen FKW-Kältemitteln weisen diese wieder eine direkte Umweltbelastung bezüglich der Treibhausproblematik auf, noch verursachen sie eine unbekannte Restgefährdung, die jede neue Chemikalie, insbesondere bei einem möglichen Zerfall in der oberen Atmosphäre, aufweist.

Das Bestreben, ein natürliches, völlig ungiftiges und unbrennbares Kältemittel überall da einzusetzen, wo unmittelbar Menschen anwesend sind, führte in den letzten Jahren zu ei ner Wiederentdeckung des CO₂, insbesondere in der Fahrzeugklimatisierung.

Vor Einführung der FCKW′s war CO₂ ein gebräuchliches Kältemittel. Die Wärmeabgabe, z. B. an die Umgebungsluft, erfolgt bei CO₂ aufgrund seiner niedrigen Kritischen Temperatur von 31,1°C überwiegend oberhalb dieser durch isobare Druckgaskühlung.

Da bei überkritischer Druckseite und einer bestimmten Kühlmitteltemperatur der Hochdruck zwar verschieden hoch gewählt werden kann, da seine Höhe aber sowohl die spezifische Kälte- und Verdichterleistung bestimmt, kann die optimale Leistungszahl nur bei einem be stimmten Hochdruck erzielt werden (Linge, K.; "Berechnungsgrundlagen von Kolbenkom pressoren", Handbuch der Kältetechnik, Band V, 1966, herausg. von Plank, R., Springer Ver lag).

In der früheren Anwendungsphase wurden zahlreiche Verfahren praktiziert, die eine Anhe bung der Effizienz zum 1stufigen Prozeß bewirkten. Ein Hauptmerkmal dieser Verbesse rungen ist die Mehrstufigkeit der Prozesse, die bei der damalig gebräuchlichen langsam drehenden Verdichterbauart (mit Kreuzkopf und Kurbelstange, sowie mit mehrfach gestuf tem Zylinder in einer Maschine Stand der Technik darstellte. Diese Mehrstufigkeit ist im mo dernen hochdrehenden Kompressorenbau nur mit erhöhtem Aufwand realisierbar.

Ein bekanntes Verfahren zur Erhöhung der Energieeffizienz ist die 2stufige Kompression mit Zwischenkühlung nach R. Plank (Deutsches Patent 278095, 1912).

Ein weiteres bekanntes verbessertes Verfahren ist die 2stufige Kompression mit Unterküh lung der Druckgase unter die Kühlmitteltemperatur durch den Kaltdampf (Ostertag, P.; "Kälteprozesse" Springer Verlag, 1933). Diese Anordnung bewirkt eine Vergrößerung der Kälteleistung bzw. deren Sicherung bei hohen Temperaturen der Wärmeabgabe. Allerdings wächst der erforderliche spezifische Arbeitsaufwand, da infolge der höheren Überhitzung der Saugdämpfe die Kompression in den Bereich ungünstiger Isotropenverläufe rückt.

Ein mögliches Verfahren zur Verbesserung der Effektivität ist ein auf der Hochdruckseite überkritisch arbeitender Kaltdampfprozeß mit CO₂ als Kältemittel zur Kälteerzeugung und für Wärmepumpen nach Lorentzen, G.; Pettersen, J.; Bong, R. (WO 90/07683; WO 93/06423).

Der Kaltdampfprozeß besteht aus Kompressor, Gaskühler, Gegenstromwärmeübertrager druckgasseitig, Drosselventil, Verdampfer, Niederdruckkältemittelsammler und Gegen stromwärmeübertrager saugseitig, verbunden in einem Kreislauf.

Das Verfahren beinhaltet eine Möglichkeit der Hochdruckregelung, die geführt wird von ei ner relevanten Temperatur zur Wärmeabgabe durch die Bereitstellung einer Steuerstrategie für das Drosselventil zur Sicherung des minimalen Energieverbrauches oder zur Leistungs anpassung an die Last.

In dem bevorzugten Verfahren mit saugseitig angeordnetem Niederdruckkältemittelsammler dient dieser der Bevorratung des Kältemittels, der Aufnahme oder Abgabe des Kältemittels zur Gewährleistung der Regelbarkeit der erforderlichen Kältemittelgasfüllung im Gaskühler zur Aufrechterhaltung des optimalen Hochdruckes.

Dieser, nach der relevanten Temperatur der Wärmeabgabe vorausberechnete Hochdruck bestimmt als Eintrittsdruck in das Drosselventil dessen Öffnungsgrad. Dies kann Nachteile für die gleichzeitig auszuführende Funktion des Drosselventils zur Regelung der Beauf schlagung des Verdampfers mit flüssigem Kältemittel entsprechend der jeweiligen Lastan forderung bewirken. Nachteilig an dem vorgestellten Verfahren ist, daß in instationären Zeit räumen, z. B. bei gewünschtem Anstieg des Hochdruckes oder einer Erhöhung der Lei stungsanforderung dies die Verminderung des Öffnungsgrades des Drosselventils und somit eine Verminderung der Kältemittelfüllung im Verdampfer und ein Absinken des Ver dampfungsdruckes bewirkt. Daraus resultiert eine Erhöhung der spezifischen Verdichterlei stung sowie eine gewisse Verdampferaustrocknung und zeitweilige Minderleistung trotz erhöhter Leistungsanforderung.

Weitere energetische Nachteile des o.g. Verfahrens bewirkt der saugseitige Druckverlust im Gegenstromwärmeübertrager infolge einer Absenkung des Saugdruckes bzw. der Erhö hung des Druckverhältnisses der Kompressoren sowie durch die Sauggasüberhitzung der Verschiebung des Kompressionsbeginnes zu höheren Ansaugtemperaturen und ungünsti gen Isentropenverläufen.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen verbesserten Kompressionskältekreislauf mit vorwie gend überkritischer Hochdruckseite zu schaffen, der vorstehend genannte Nachteile be kannter Prozeßführungen vermeidet. Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist eine Effizienz verbesserung der Kompression durch die Erzielung eines optimalen Ansaugzustandes.

Die Aufgaben der Erfindung werden durch die Merkmale der Patentansprüche gelöst.

An nachstehend genanntem Ausführungsbeispiel wird die Erfindung näher erläutert. Die Abbildung zeigt eine Schaltungsanordnung zur Realisierung des erfindungsgemäßen Ver fahrens.

Die Abbildung zeigt die Schaltungsanordnung einer bevorzugten Ausführung der Erfindung bestehend aus dem Kompressor 2, der das Sauggas auf den überkritischen Zustand ver dichtet, dem Gaskühler 3, in dem das Druckgas isobar abgekühlt wird, dem druckgasseiti gem Teil des inneren Wärmetauschers 6, in dem das Druckgas weiter isobar unterkühlt wird. Die Drosseleinrichtung 9 dient zur Einregelung eines geeigneten Hochdruckes bei gleichzeitiger Entspannung des Kältemittels in einen Mitteldruckabscheidesammler 1, wo eine Phasentrennung in einen Flüssigkeitsanteil und einen Dampfanteil erfolgt. Eine Dros seleinrichtung 8 dient der Einpegelung eines geeigneten Mitteldruckes im Mitteldrucksamm ler 1 bei gleichzeitiger Entspannung des dampfförmigen Kältemittelteilstromes. Im Nieder druckteil des inneren Wärmeübertragers 6 verdampft der entstandene Flüssigkeitsanteil des dampfförmigen Teilstromes und der Dampf wird überhitzt. Der flüssige Kältemittelanteil aus dem Mitteldruckabscheidesammler 1 entspannt über die Drosseleinrichtung 7 und ver dampft nahezu vollständig bis auf einen geringen Flüssigkeitsanteil. Die Drosseleinrichtung 7 zur Regelung der Überhitzung des Sauggases beaufschlagt den Verdampfer 5 entspre chend der aktuellen Leistungsanforderung so, daß die Mischung der Kältemittelanteile im Mischrohr 4 des Verdampferaustrittes den gewünschten optimalen Ansaugzustand für die Verdichtung ergibt.

Bezugszeichenliste

1 Mitteldruckabscheidesammler
2 Kompressor
3 Gaskühler
4 Mischrohr
5 Verdampfer
6 innerer Wärmeübertrager
7 Drosseleinrichtung
8 Drosseleinrichtung
9 Drosseleinrichtung

Claims

1. Verfahren zum Betrieb einer Kompressionskälteanlage mit den Arbeitsmittel Kohlendi oxid (CO₂) mit einer zweistufigen Drosselung und Teilung des umlaufenden Arbeitsmit telmassestromes, dadurch gekennzeichnet, daß

- der Arbeitsmittelmassestrom nach der ersten Drosselstufe in einen unterkritisch arbei tenden Mitteldruckabscheidesammler geleitet wird,
- das sich der im unteren Teil des Mitteldruckabscheidesammlers separierende größere flüssige Arbeitsmittelmassestromanteil dem Verdampfer zugeführt wird,
- der im oberen Teil des Mitteldruckabscheidesammlers separierende kleinere dampfförmige Arbeitsmittelmassestromanteil über eine zweite Drosselstufe bis nahe über den Verdampfungsdruck entspannt wird und in einen inneren Wärmeübertrager durch Verdampfung und Überhitzung zur Unterkühlung des überkritischen Hoch druckgases dient,
- nach der Verdampfung und Überhitzung der kleinere Arbeitsmittelmassestromanteil in einen im Verdampfer integrierten Sammelrohr mit den Ausgängen der Verdampfer stränge gemischt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß

- zur Erzielung einer energetisch günstigen kleinen Temperaturdifferenz zwischen Ver dampfungs- und Zulufttemperatur der Verdampfer mit einem gewissen Überschuß an flüssigem Arbeitsmittelmassestrom beaufschlagt wird,
- durch die thermisch gesteuerte Verdampferregelung aus den Ausgängen der Ver dampferstränge in das Sammelrohr der Überschuß an flüssigem Arbeitsmittelmasse strom so bemessen ist, daß die Mischung mit dem überhitzten kleineren Arbeitsmit telmassestrom aus dem inneren Wärmeübertrager den energetisch günstigen nahezu gesättigten oder einen anderen gewünschten Ansaugzustand für die Verdichtung er gibt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß

- das Drosselventil für den kleinen dampfförmigen Arbeitsmittelmassestrom aus dem Mitteldruckabscheidesammler der Regelung des Mitteldruckes dient,
- der Mitteldruck nach einer Steuerstrategie so geregelt wird, daß sich der von Hoch druck auf Mitteldruck entspannende Arbeitsmittelmassestrom im Mitteldruckabschei desammler in einem bevorzugten Verhältnis dampfförmig : flüssig von 0,1 : 0,9 oder in einem anderen gewünschten Verhältnis aufteilt,
- die Führungsgrößen für die Steuerung des Verhältnisses der Phasenanteile dampfförmig : flüssig des Arbeitsmittelmassestromes ist der Druck und die Temperatur des unterkühlten überkritischen Arbeitsmittelmassestromes nach dem inneren Wär metauscher.