DE629809C

DE629809C - Control device for refrigeration systems with turbo compressors

Info

Publication number: DE629809C
Application number: DEA75341D
Authority: DE
Original assignee: BBC Brown Boveri France SA
Current assignee: BBC Brown Boveri France SA
Priority date: 1935-02-17
Filing date: 1935-02-17
Publication date: 1936-05-15

Description

Regelvorrichtung für Kälteanlagen mit Turboverdichtern Kältemaschinen werden oft auf gleichbleibende Kältetemperatur geregelt. Bei Kompressionskältemaschinen stehen bekanntlich hierfür verschiedene Mittel zur Verfügung, unter anderm die Regelung der Verdichterdrehzahl, die Saugdrosselung, die Regelung des Kondensatorkühlwassers oder der Sole usw. Es ist hierbei gleichgültig, ob der Verdichter ein Kolben- oder Turboverdichter ist. Bei Turboverdichtern wird diese Regelung dann' gestört, wenn die Belastung unterhalb des sogenannten kritischen Fördervolumens fällt, weil dann ein stoßweises Arbeiten des Verdichters einsetzt. Es sind deshalb in diesem Falle besondere Verhütungsmaßnahmen gegen das Pumpen zu treffen, von denen die bekannteste die Öffnung eines Umlaufventils ist. Eine solche kombinierte Regelungsanordnung ist in Abb. i gezeigt. Der Verdichter i drückt den Kältemitteldampf durch die Druckleitung 2 in den Kondensator - 3; das verflüssigte Kältemittel durchläuft das Drosselventil q. und gelangt in den Verdampfer 5 und von diesem-- durch die Saugleitung 6 in den Verdichter. Bei beispielsweiser Saugdrosselregelung wird ein Saugschieber 7 von einer Regelstelle 9 im Verdampfer so. betätigt, daß die Verdampfertemperatur unveränderlich bleibt, unabhängig von der Belastung oder der Kühlwassertemperatur. Neben dieser Regelung wird, wie einleitend erwähnt, das Pumpen z. B. durch ein Umlaufventil 8 verhütet, welches eine Verbindung zwischen Druckleitung 2 und Saugleitung 6 herstellt und so den Unterschied zwischen kritischem Fördervolumen und nützlich notwendigem Volumen umlaufen läßt. Das Ventil 8 wird meist volumenabhängig betätigt, wie durch die beiden punktiert angedeuteten Rohre io dargestellt, die z. B. an eine Blende i i in der Saugleitung 6 angeschlossen'sind. Eine dermaßen bekannte Regelungsart von Turboverdichtern ist unwirtschaftlich, weil unterhalb des kritischen Volumens die Leistungsaufnahme konstant bleibt.Control device for refrigeration systems with turbo compressors, refrigeration machines are often regulated to a constant refrigeration temperature. For compression refrigeration machines As is well known, various means are available for this, including the regulation the compressor speed, the suction throttling, the control of the condenser cooling water or the brine etc. It does not matter whether the compressor is a piston or Turbo compressor is. In the case of turbo compressors, this regulation is disrupted if the load falls below the so-called critical delivery volume because then intermittent operation of the compressor begins. It is therefore in this case Take special preventive measures against pumping, the most famous of which is the opening of a circulation valve. Such a combined control arrangement is shown in Fig. i. The compressor i pushes the refrigerant vapor through the pressure line 2 in the capacitor - 3; the liquefied refrigerant passes through the throttle valve q. and gets into the evaporator 5 and from there - through the suction line 6 into the Compressor. In the case of suction throttle control, for example, a suction slide 7 of a control point 9 in the evaporator so. actuated that the evaporator temperature invariable remains, regardless of the load or the cooling water temperature. Besides this Regulation is, as mentioned in the introduction, the pumping z. B. by a circulation valve 8 prevents, which establishes a connection between pressure line 2 and suction line 6 and so the difference between critical funding and what is useful Volume circulates. The valve 8 is usually operated depending on the volume, as by the two dotted tubes indicated io shown, the z. B. on an aperture i i connected to the suction line 6. Such a well-known type of regulation of turbo compressors is uneconomical because it is below the critical volume the power consumption remains constant.

Ein anderes bekanntes Mittel, um bei Turboverdichtern das Pumpen zu verhüten, bildet die Anordnung einer sogenannten Umlaufturbine zwischen Druck- und Saugseite des Verdichters. Von diesem Mittel wird gemäß der Erfindung Gebrauch gemacht, um bei Kälteanlagen - die beiden vorgenannten Regelfunktionen, nämlich das Konstanthalten der Verdampfertemperatur und das Verhüten des Pumpens, durch diese Umlaufturbine als einzige Regelvorrichtung zu erfüllen. Die Anordnung ist beispielsweise im Prinzip in Abb. 2 schematisch dargestellt. Die Teile i bis 6 sind dieselben wie in Abb. i und wie dort die notwendigen Bestandteile einer Kompressionskältemaschine. Zusätzlich ist die Umlaufturbine T2, welche auf der verlängerten Verdichterwelle sitzt. Diese Turbine ist durch die Düsenventile 13 mittels Leitung 14 an die Druckleitung .2 des :Verdichters i angeschlossen; so- -daß - je nach Bedarf ein Teil .oder der gesamte, verdichtete Kältemitte4 dampf über die Turbine 12 und Leitung nach der Saugleitung 6 des Verdichters e: pandieren kann unter Abgabe einer ent' sprechenden Expansionsarbeit. Der so umlaufende Dampf ist nicht am Kälteprozeß beteiligt, indem er nicht in den Kondensator 3 und Verdampfer 5 gelangt. Betätigt wird nun diese Umlaufturbine i2 erfindungsgemäß ebenfalls durch die Regelstelle g, welche beispielsweise Druck oder Temperatur im Verdampfer 5 konstant halten soll. Dies geschieht so, daß z. B. bei sinkender Verdampf ertemperatur ein oder mehrere Düsenventile 13 der Umlaufturbine geöffnet werden. Die Auswirkung kann an Hand der Abb. 3 erläutert werden. Als Abszisse ist das Fördervolumen V des Verdichters und als Ordinaten sind Verdichterdruck p und Leistungsaufnahme L aufgetragen. Der normale Betriebspunkt sei A mit Leistungsaufnahme A'. Ohne besondere Regelung würde nun bei abnehmender Belastung, also kleinerem Fördervolumen V, der erzeugte Druckunterschied bis zum kritischen Punkt K steigen, mit Leistungsaufnahme K', wo das stoßweise Fördern einsetzen würde. Der zunehmende Druckunterschied hat nun aber bei gleichbleibender Verflüssigungstemperatur ein Sinken der Verdämpfertemperatur zur Folge, was über die Regelstelle g das Offnen der Düsenventile 13 auslöst. Ist beispielsweise der Kältebedarf derart gesunken, daß der nützliche Kältemittelumlauf nur noch Vyz. betragen soll, so muß das Volumen Vu über die Umlaufturbine 12 umgeleitet werden, und der Verdichter i arbeitet also unabhängig von der Belastung der Kältemaschine dauernd im Punkt A. Dadurch wird nun nicht nur der erzeugte Druckunterschied bzw. die Verdampfertemperatur konstant gehalten, sondern auch die Unterschreitung des kritischen Punktes K verhütet. Trotzdem der Verdichter also dauernd im Punkt A arbeitet, verringert sich die Leistungsaufnahme L dann, wenn ein Teil des Dampfes über die Turbine expandiert. Für den Betriebspunkt C ist dank der so, rückgewonnenen Expansionsarbeit die Leistungsaufnahme C. Es wird also auf diese Weise mit einfachen Regelmitteln sowohl die Temperatur geregelt als auch das Pumpen verhütet. Die Regelung tritt natürlich auch in Wirksamkeit, wenn sich z. B. die Kühlwassertemperatur des Kondensators ändert, was ebenfalls eine Änderung der Verdampferterizperatur zur Folge hätte, `was- aber durch die vorgeschilderte Regelungsart verhindert wird. Eine besonders vorteilhafte Anwendung des vorgenannten Erfindungsgedankens ergibt sich durch eine Kombination mit einer "-.ttgdrosselstenerung; nach der ein für das ' " ahren benötigtes Saugdrosselorgan im 'lären Betrieb weiter benützt wird zur fänstanthaltung der Verdampfungstempera- tur, der Soletemperatur oder der Kühlraumtemperatur. Diese Regelungsart kann nun aber nur bis zum kritischen Volumen Vk (Abb.3) angewendet werden, da unterhalb dieses Volumens der Verdichter pumpen würde. Der Leistungsverbrauch verläuft bei dieser Saugdrosselregelung nach der Linie A'-K", d. h. unterhalb der mit Umlaufturbine erreichbaren Leistung A' C' B'. Man wendet deshalb mit Vorteil diese -Saugdrosselregelung gemeinsam mit der Umlaufturbinenregelung an, derart, daß man bis zum kritischen Volumen mit Saugdrossel regelt und unterhalb desselben mit der Umlaufturbine. Beim Anlassen wird man zwecks Verhütung einer Überlastung des Antriebsmotors die Saugdrossel so lange geschlossen halten, bis der Verdampferdruck auf ungefähr normalen Wert gesunken ist, oder man läßt sie so verzögert öffnen, daß die Leistungsaufnahme des Antriebsmotors den zulässigen Wert nicht übersteigt, nach -erfolgtem' Anlaufen der Kältemaschine und hinreichend gesunkenem Verdampferdruck aber in Abhängigkeit von der Kühlraumtemperatur (oder Verdampfungs- oder Soletemperatur), worauf man dann unterhalb des kritischen Fördervolumens mit der Umlaufturbine weiterregelt. Der Leistungsverbrauch wird also bis zum kritischen Volumen A' K" sein, welche Linie der reinen Saugdrosselung entspricht; unterhalb des kritischen Volumens Vk setzt nun die Umlaufturbinenregelung ein mit einem Leistungsverbrauch I<"-C"-B", der ungefähr parallel zu A' CB' läuft, welche Linie der reinen Umlaufturbinenregelung für den Fall entspricht, daß diese schon im Punkt A bzw. A' beginnt. Man erzielt also einen namhaften Gewinn .durch diese kombinierte Regelung. Abb. q. zeigt andeutungsweise eine beispielsweise Ausführung dieser Regelungsart. Es ist 16 ein Antriebszahnrad der Drehwelle 17, welche die Saugdrosselklappe i8 trägt. Für den vorliegenden Fall ist letztere nicht fest mit der Welle 17 verbunden, sondern kann sich lose auf dieser drehen; an der Stelle ig zieht eine Feder die Klappe z. B. im Öffnungssinn der.Klappe, und die nötige Klappenstellung wird =durch die Stellung des Hebels 2o des Antriebszahnrades 16 festgelegt. Nachdem die Klappe ihre mögliche Tätigkeit erledigt hat, d. h. wenn der Verdichter im kritischen Volumen hk der Abb. 3 angelangt ist, so darf bei weiterer Abnahme der Belastung die Klappe nicht mehr weiter schließen, sondern von hier ab muß nun die Umlaufturbine einsetzen. Es ist zu diesem Zweck ein Anschlag 21 vorgesehen, an welchem der Hebel 22 der Klappe anschlägt, wenn der Betrieb bei diesem Punkt angelangt ist, und die Welle 17 dreht nun weiter, während die Klappe stehenbleibt und durch die Feder i9 gegen den Anschlag 21 in dieser Lage festgehalten wird. Die Welle 17 trägt nun weiter die Drehschieber z3, welche das Druckgas zur Umlaufturbine steuern. Die vier Leitungen 24 führen zu den Düsenkammern derselben und werden von den Steuerschiebern 23 nacheinander in Betrieb gesetzt, indem der Unterschied zwischen kritischem Volumen Vk (Abb.3) und nützlichem Volumen, z. B. Tlc, über die Turbine geleitet wird. In Abb. 5 sind im Vektordiagramm noch die verschiedenen Stellungen von Saugklappe und Drehschieber angedeutet. In I ist die Klappe geschlossen und in II offen; zwischen II und III wird sie zur Regelung bis zum kritischen Volumen benützt, es entspricht also Punkt III dem Anschlag 2r der Abb. q.. Über III hinaus werden die Düsendrehschieber 2,3 geöffnet, die z. B. in Punkt IV ganz offen sind.Another known means of preventing pumping in turbo compressors is the arrangement of a so-called circulating turbine between the pressure and suction sides of the compressor. According to the invention, use is made of this means in refrigeration systems - the two aforementioned control functions, namely keeping the evaporator temperature constant and preventing pumping, using this circulating turbine as the only control device. The arrangement is shown schematically in principle in Fig. 2, for example. Parts i to 6 are the same as in Fig. I and, like there, the necessary components of a compression refrigeration machine. In addition, there is the rotary turbine T2, which sits on the extended compressor shaft. This turbine is connected through the nozzle valves 13 by means of line 14 to the pressure line .2 of the: compressor i; so - that - a part as required . or all of the compressed refrigerant 4 steam through turbine 12 and line after suction line 6 of compressor e: can pander with the submission of a speaking expansion work. The steam circulating in this way is not involved in the refrigeration process in that it does not get into the condenser 3 and evaporator 5. According to the invention, this circulating turbine i2 is now also actuated by the control point g, which is intended to keep the pressure or temperature in the evaporator 5 constant, for example. This is done so that, for. B. with falling evaporator temperature one or more nozzle valves 13 of the circulating turbine are opened. The effect can be explained using Fig. 3. The delivery volume V of the compressor is plotted as the abscissa and the compressor pressure p and power consumption L are plotted as the ordinates. The normal operating point is A with power consumption A '. Without special regulation, with decreasing load, that is to say with a smaller delivery volume V, the pressure difference generated would increase to the critical point K, with power consumption K ', where the intermittent delivery would begin. The increasing pressure difference, however, results in a decrease in the evaporator temperature at the same condensing temperature, which triggers the opening of the nozzle valves 13 via the control point g. If, for example, the refrigeration requirement has decreased to such an extent that the useful refrigerant circulation is only Vyz. is to be, the volume Vu must be diverted via the circulation turbine 12, and the compressor i works independently of the load on the refrigeration machine continuously at point A. Falling below the critical point K is prevented. In spite of the fact that the compressor works continuously at point A, the power consumption L decreases when part of the steam expands through the turbine. For the operating point C, thanks to the work of expansion recovered in this way, the power consumption C is . In this way, simple control means both regulate the temperature and prevent pumping. The regulation comes into effect, of course, if z. B. changes the cooling water temperature of the condenser, which would also result in a change in the evaporator temperature, but this is prevented by the control mode described above. A particularly advantageous application of the aforementioned inventive concept results from a combination with a "-.ttgdrosselstenerung; after the one for the '"ahren required suction throttle device in the 'Larger operation continues to be used for keeping the evaporation temperature constant temperature, the brine temperature or the cold room temperature. This type of control can only be used up to the critical volume Vk (Fig. 3), since the compressor would pump below this volume. With this suction throttle control, the power consumption runs along the line A'-K ", ie below the power A 'C' B ' that can be achieved with the circulating turbine Volume with suction throttle regulates and below the same with the circulating turbine. When starting, in order to prevent overloading of the drive motor, the suction throttle will be kept closed until the evaporator pressure has fallen to approximately normal value, or you can let it open with a delay so that the power consumption of the The drive motor does not exceed the permissible value, after the refrigeration machine has started up and the evaporator pressure has dropped sufficiently, but depending on the cold room temperature (or evaporation or brine temperature), whereupon the circulating turbine continues to regulate below the critical delivery volume critical Vo lumen A 'K ", which line corresponds to the pure suction throttling; below the critical volume Vk, the circulating turbine control now sets in with a power consumption I <"- C" -B ", which runs roughly parallel to A ' CB', which line corresponds to the pure circulating turbine control in the event that this is already at point A or A 'begins. A considerable profit is thus achieved through this combined control. Fig. Q. Shows an example of an embodiment of this type of control not firmly connected to the shaft 17, but can rotate loosely on it; at point ig a spring pulls the flap, e.g. in the opening direction of the flap, and the necessary flap position is determined by the position of the lever 2o of the drive gear 16 After the flap has completed its possible activity, ie when the compressor has reached the critical volume hk in Fig. 3, the Do not close the flap any more, but from here onwards the circulation turbine must start. For this purpose, a stop 21 is provided, against which the lever 22 of the flap strikes when the operation has reached this point, and the shaft 17 now continues to rotate while the flap stops and the spring i9 against the stop 21 in this situation is held. The shaft 17 now carries the rotary valve z3, which control the compressed gas to the circulating turbine. The four lines 24 lead to the nozzle chambers of the same and are put into operation by the control slides 23 one after the other by determining the difference between the critical volume Vk (FIG. 3) and the useful volume, e.g. B. Tlc, is passed through the turbine. In Fig. 5 the different positions of the suction flap and rotary valve are indicated in the vector diagram. In I the flap is closed and in II it is open; between II and III it is used to control up to the critical volume, so it corresponds to the stop point III 2r Fig. q .. About III, the nozzle vanes are opened 2.3, z. B. in point IV are completely open.

Zusammenfassend vollzieht sich der Regelvorgang wie folgt:. ' r. Anlassen: Das Saugdrosselorgan wird langsam in dem Maß geöffnet, daß die Leistungsaufnahme 'des Antriebsmotors den zulässigen Wert nicht überschreitet. Dieses öffnen geschieht unter Kontrolle des Verdampferdruckes oder -temperatur oder der Leistungsaufnahme, derart, daß erst nach Erreichung normaler Betriebsverhältnisse das Saugdrosselorgan ganz geöffnet wird.In summary, the control process takes place as follows: 'r. Tempering: The suction throttle is slowly opened to the extent that the power consumption 'of the drive motor does not exceed the permissible value. This opening happens under control of the evaporator pressure or temperature or the power consumption, such that only after normal operating conditions have been reached, the suction throttle member is fully opened.

2. Normaler Betrieb bis zum kritischen Fördervolumen: Verdampferdruck oder Verdampfertemperatur oder Soletemperatur oder Kühlraumtemperatur werden durch Regelung mit dem Saugdrosselorgan auf gleichbleibendem Wert gehalten.2. Normal operation up to the critical delivery volume: evaporator pressure or evaporator temperature or brine temperature or refrigerator temperature are through Regulation with the suction throttle device kept at a constant value.

3. Normaler Betrieb unterhalb des kritischen Fördervolumens: Die unter 2. genannte Regelung wird auf die Umlaufturbine übertragen, während das Saugdrosselorgan in der Lage des kritischen Volumens festgehalten wird. Es wird also dabei neben der Temperaturregelung gleichzeitig das Pumpen verhütet unter Rückgewinnung eines Teiles der Verdichtungsarbeit.3. Normal operation below the critical delivery volume: The below 2. Said regulation is transferred to the circulation turbine, while the suction throttle element is held in the position of the critical volume. So it will be next the temperature control at the same time prevents pumping while recovering a Part of the compression work.

Natürlich kann die Umleitung der Regelung von 2. auf 3. von bekannten volumenabhängigen Organen getätigt werden, es kann, wie ebenfalls bekannt, neben der Volumenabhängigkeit gleichzeitig auch noch der Verdichterdruck wie z. B. der Saugdruck herbeigezogen werden, was z. B. dann erwünscht ist, wenn die Drehzahl des Verdichters veränderlich ist, so. daß das. kritische Volumen mit der Drehzahl ändert. - Bei unveränderlicher Drehzahl kann auch das kritische Druckverhältnis des Verdichters als Umleitimpuls benutzt werden, welches Druckverhältnis unabhängig von der Verdampfer- oder Kondensatordrücklage unverändert bleibt.Of course, the rerouting of the scheme from 2nd to 3rd of known Volume-dependent organs are made, it can, as is also known, in addition to the volume dependence at the same time also the compressor pressure such. B. the Suction pressure are used, which z. B. is desirable when the speed of the compressor is variable, so. that the. critical volume with the speed changes. - If the speed does not change, the critical pressure ratio of the compressor can be used as a diversion pulse, regardless of which pressure ratio from the evaporator or condenser reserve remains unchanged.

Ferner wird noch bemerkt, daß das Festhalten der Saugklappe beim Übergang von 2. auf 3. nur dann nötig ist, wenn der Abdampf der Umlaufturbine vor dem Saugdrosselörgan in die Saugleitung zurückgeleitet wird. Geschieht dies nachher, so muß das Saugdrosselorgan unter 3. der momentanen Netzbelastung entsprechend weiter verstellt werden, indem im ersten Fall das gesamte Dampfvolumen das Saugdrosselorgan passiert und im zweiten Falle nur das Nutzvolumen.It should also be noted that holding the suction flap during the transition from 2nd to 3rd is only necessary if the exhaust steam from the circulating turbine is upstream of the suction throttle body is returned to the suction line. If this happens afterwards, the suction throttle device must under 3. the current network load can be further adjusted by in the first case the entire volume of steam passes through the suction throttle and in the second Only trap the usable volume.

Claims

PATENT CLAIMS: i. Control device for refrigeration systems with turbo compressors, characterized in that one in a known manner between pressure and The suction side of the compressor is switched on as the only control device In addition to preventing pumping, temperature control is as loss-free as possible (Keeping the evaporator temperature constant) is used:

2. Control device according to Claim i, characterized in that the turbine as a function of the pressure of the Evaporator or by the temperature of the evaporator or the brine so that that when the temperature drops, the nozzle valves of the turbine open one after the other will.

3. Control device according to claim i and 2, characterized by the combination with a suction throttle control device. q ..

Control device according to claim i to 3, characterized in that the regulation with a rotary turbine such with suction throttling proceed in such a way that it is regulated with suction throttling up to the critical delivery volume, such that when starting depending on the evaporator pressure or temperature or the opening of the throttle device is delayed by the power of the drive motor, that the drive motor is not overloaded and that after starting and Achieving the steady state of the refrigeration machine the evaporator pressure, the evaporator temperature, the brine temperature or the cold room temperature by means of this suction throttle element on constant Value is held, whereupon .below the critical delivery volume is further controlled with a rotary turbine.

5. Control device according to .Anspruch z to q., characterized in that the suction throttle member and the Nozzle valves of the circulating turbine are moved by a common control motor.

6, control device according to claim z to 5, characterized in that the suction throttle member Closing continues even below the critical delivery volume if the circulating steam is returned to the suction line after the suction throttle device, in such a way that the sum of the percentage openings of the suction throttle element and the circulating turbine remains unchanged, so that the compressor never falls below the critical delivery volume is loaded, while only the useful volume flows through the suction throttle member.