CH665708A5

CH665708A5 - Verfahren zum betreiben eines kaeltemittelkreislaufs und kaeltemittelkreislauf zur durchfuehrung des verfahrens.

Info

Publication number: CH665708A5
Application number: CH3012/84A
Authority: CH
Inventors: Hermann Krahe
Original assignee: Linde Ag
Priority date: 1983-06-22
Filing date: 1984-06-21
Publication date: 1988-05-31
Also published as: NO842507L; BE899969A; NO159504B; FR2549209A1; DE3322474A1; NO159504C

Description

BESCHREIBUNG Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Kältemittelkreislaufs, bei dem ein Kältemittel in gasförmigem Zustand verdichtet, dann verflüssigt, unterkühlt, entspannt, verdampft und erneut verdichtet wird, sowie einen Kältemittelkreislauf zur Durchführung des Verfahrens.

Für die Erzeugung von Kälte werden Kältemittelkreisläufe verwendet, in denen ein Kältemittel, welches zunächst gasförmig ist, unter erhöhtem Druck durch Wärmeentzug verflüssigt wird. Die Verflüssigung erfolgt beispielsweise durch Wärmetausch mit Kühlwasser oder Umgebungsluft. Das kondensierte Kältemittel wird anschliessend durch weiteren Wärmeentzug unterkühlt, dann entspannt und unter niedrigem Druck verdampft, wobei es einem Kälteverbraucher Wärme entzieht.

Allerdings ist der mit dem beschriebenen Verfahren erzielbare Wirkungsgrad der Kälteerzeugung nicht immer optimal. Der Grund hierfür ist darin zu sehen, dass nur ein Teil der dem System entzogenen Wärme in einer Unterkühlung des verflüssigten Kältemittels resultiert.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art zu entwickeln, das sich durch einen guten Wirkungsgrad und hohe Kälteleistung auszeichnet.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass zwischen Verflüssigung und Unterkühlung eine Phasentrennung zur Abtrennung dampfförmiger Anteile aus dem verflüssigten Kältemittel durchgeführt wird.

Es wurde im Rahmen der vorliegenden Erfindung gefunden, dass in dem Kältemittel auch nach seiner Verflüssigung zum Teil noch dampfförmige Anteile enthalten sind. Die Dampfbildung ist die Folge von Druckabfällen oder lokalen Überhitzungen in der Kältemittelleitung. Erfindungsgemäss werden nunmehr die Dampfanteile vor der Unterkühlung von dem verflüssigten Kältemittel abgetrennt, so dass ausschliesslich flüssiges Kältemittel in die Unterkühlungszone strömt. Dadurch wird der Wirkungsgrad der Unterkühlung erhöht und der Wärmeübertrag auf das kühlende Medium noch verbessert.

Durch die erfindungsgemässe Massnahme wird bei gleichbleibendem umlaufenden Kältemittelmassenstrom die Kälteleistung des Kreislaufs, insbesondere bei Kompressionskältemaschinen erhöht, mit anderen Worten, es wird bei gleichem Leistungsbedarf z.B. des Kältemittelverdichters eine grössere Kälteleistung erzielt. Hierfür sind keine baulichen Erweiterungen notwendig, da alle wesentlichen Komponenten des Kältemittelkreislaufs, wie Kompressor, Rohrleitungen und Armaturen, gleichbleiben. Ein kältemittelsei-tiger Druckabfall innerhalb der Unterkühlungszone bringt keine energetischen betrieblichen Nachteile mit sich, so dass hohe Strömungsgeschwindigkeiten und Wärmeübergangskoeffizienten realisiert werden können.

Das erfindungsgemässe Verfahren bietet den weiteren Vorteil, dass der nachfolgenden Entspannung nur flüssiges Kältemittel ohne Dampfanteil zugeführt wird. Bei einer bevorzugten Weiterbildung des erfindungsgemässen Verfahrens erfolgen die Verflüssigung und Unterkühlung durch Luftkühlung oder Verdunstungskühlung.

Die Erfindung betrifft weiterhin einen Kältemittelkreislauf zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens mit einem Verdichter, einem Verflüssiger, einer Unterkühlungszone und eine Entspannungseinrichtung, der dadurch gekennzeichnet ist, dass zwischen dem Verflüssiger und der Unterkühlungszone eine Phasentrenneinrichtung vorgesehen ist.

Es erweist sich als zweckmässig, wenn gemäss einer weiteren Ausgestaltung des Erfindungsgegenstandes Verflüssiger und Unterkühlungszone eine bauliche Einheit bilden.

Insbesondere ist es von Vorteil, wenn Verflüssiger und Unterkühlungszone als Rohrschlangenkühler ausgebildet sind. Zweckmässigerweise bilden Verflüssiger und Unterkühlungszone einen gemeinsamen Lamellenblock.

Gemäss einem weiteren Erfindungsmerkmal ist dem Verflüssiger und der Unterkühlungszone eine gemeinsame Kühleinrichtung zugeordnet.

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung des Erfindungsgegenstandes sind Verflüssiger und Unterkühlungszone in einem gemeinsamen Wärmetauscher untergebracht, wobei der Strömungsquerschnitt für das Kältemittel am Ausgang des Verflüssigers benachbarte zum Strömungsquerschnitt für das Kältemittel am Eintritt der Unterkühlungszone angeordnet ist.

Die Strömungsquerschnitte der Unterkühlungszone, die am nächsten am Verflüssiger liegen, werden von dem kondensierten Kältemittel zuerst durchflössen. Dies bietet den Vorteil, dass der Wärmestrom zwischen Verflüssiger und Unterkühlungszone minimiert ist.

Bei einer anderen vorteilhaften Ausgestaltung des Erfindungsgegenstandes sind Verflüssiger und Unterkühlungszone nacheinander im Strömungsweg eines Kühlfluids

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angeordnet, wobei die Unterkühlungszone im ICühlfluid-strom vor dem Verflüssiger angeordnet ist.

Als Kühlfluid wird insbesondere Luft verwendet. Da das Kühlfluid zuerst auf die Unterkühlungszone trifft, wird ein maximaler Unterkühlungseffekt erzielt. Daneben bietet sich insbesondere beim Winterbetrieb, bei dem aus Gründen der Betriebssicherheit trotz niedriger Lufttemperatur die Verflüssigungstemperatur nicht in dem Masse abgesenkt werden kann, wie dies thermodynamisch möglich wäre, der Vorteil, dass die kalte Luft für die Unterkühlung ausgenutzt wird, während für die Verflüssigung bereits angewärmte Luft zur Verfügung steht.

Die Erfindung sowie weitere Einzelheiten der Erfindung werden anhand von schematisch dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Hierbei zeigen:

Fig. 1 einen Kältemittelkreislauf gemäss der Erfindung

Fig. 2 ein Enthalpie-Druck-Diagramm für das erfindungsgemässe Verfahren.

Fig. 1 zeigt in schematischer Darstellung einen Kältemittelkreislauf einer Kompressionskältemaschine. Ein Kältemittel, z.B. Chlordifluormethan, wird in gasförmigem Zustand in einem Verdichter 1 auf z.B. 15,3 bar verdichtet. Das verdichtete Kältemittel wird anschliessend einem Verflüssiger 2 zugeführt, in dem es in Wärmetausch mit Umgebungsluft abgekühlt und verflüssigt wird. Die Luft wird durch einen Ventilator 3 angesaugt. Das verflüssigte Kältemittel gelangt in eine Phasentrenneinrichtung 4, in dem das verflüssigte Kältemittel von der Gasphase abgetrennt wird. Vom Boden der Phasentrenneinrichtung 4 wird verflüssigtes Kältemittel entnommen und einer Unterkühlungszone 5 zugeführt, in der das kondensierte Kältemittel unterkühlt wird.

In der gezeigten Ausführungsform sind Verflüssiger 2 und Unterkühlungszone 5 zu einer baulichen Einheit zusammen-gefasst und werden gemeinsam durch Kühlluft aus der Umgebung beaufschlagt. Das kondensierte Kältemittel aus der Phasentrenneinrichtung 4 wird zuerst durch diejenigen Rohrabschnitte der Unterkühlungszone 6 geleitet, die dem Verflüssiger 2 benachbart sind, um den Wärmestrom vom Verflüssiger 2 zur Unterkühlungszone 6 zu minimieren. Diese Massnahme ist insbesondere dann wichtig, wenn die Rohre des Verflüssigers 2 und der Unterkühlungszone 6 gemeinsame Lamellen tragen.

Das unterkühlte kondensierte Kältemittel wird in einem Entspannungsventil 7 entspannt und in einem nachfolgenden Verdampfer 8 verdampft, wobei es einem Kälteverbraucher Wärme entzieht. Anschliessend wird das Kältemittel erneut verdichtet.

Anstelle der gezeigten Anordnung von Verflüssiger 2 und Unterkühlungszone 6 ist es auch möglich, diese beiden Bauteile im Kühlluftstrom hintereinander anzuordnen, wobei die Unterkühlungszone 6 vor dem Verflüssiger im Luftstrom liegt.

Fig. 2 zeigt ein Enthalpie (H)-Druck (p)-Diagramm für ein herkömmliches und für das erfindungsgemässe Verfahren.

Mit 10 ist die Sättigungslinie, mit 11 der kritische Punkt des Kältemittels bezeichnet. Ausgehend vom Punkt a wird das Kältemittel bis zum Punkt b verdichtet. Seine Enthalpie erhöht sich dabei von ha auf den Wert hb.

Das verdichtete Kältemittel wird nun verflüssigt, was in s dem Diagramm der Isobaren b-c entspricht. Der Punkt c liegt auf der Sättigungslinie 10.

Die Temperatur am Punkt c beträgt beispielsweise 39°C, die Enthalpie hat den Wert hc.

Erfindungsgemäss wird das Kältemittel entlang der Linie i« c-c' unterkühlt, z. B. auf 30°C. Die Enthalpie an diesem Punkt hat den Wert h'c.

Nunmehr wird das Kältemittel isenthalp entspannt und erreicht den Zustand d'1, bei dem seine Temperatur z.B. -10°C beträgt. Der Kreislauf wird durch Verdampfen des 15 Kältemittels entlang der Isobaren zum Punkt a zurück geschlossen.

Würde das Kältemittel ohne vorherige Unterkühlung isenthalp entspannt, so würde vom Zustand c der Zustand d erreicht.

20 Im folgenden wird die Energieeinsparung mit dem erfindungsgemässen gegenüber dem herkömmlichen Verfahren gezeigt. Hierbei werden folgende Zahlenwerte beispielhaft angenommen:

25 ha = 407,5 kJoule/kg hc = 249,2 kJoule/kg h'c = 236,7 kJoule/kg

Die Verdichterarbeit W errechnet sich aus der Differenz

30 hb-ha.

Dann gilt für die Kälteleistung Q im Fall ohne Unterkühlung

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Q = ha - hc = 158,3 kJoule/kg und für die Kälteleistung Q' im Fall mit Unterkühlung Q' = ha - h'c = 170,8 kJoule/kg.

40 Die Leistungszahlen 8 und e' des Kältemittelkreislaufs ohne bzw. mit Unterkühlung sind definiert als e = -^-unde' =Q-

45 W W

Die relative Leistungsverbesserung des erfindungsgemässen Verfahrens beträgt

50

Ü-Ql-iZM.-1,079

s Q 158,3

Durch das erfindungsgemässe Verfahren erhöht sich demnach die Leistung um ca. 8%.

1 Blatt Zeichnungen

Claims

665 708 PATENTANSPRÜCHE

1. Verfahren zum Betreiben eines Kältemittelkreislaufs, bei dem ein Kältemittel in gasförmigem Zustand verdichtet, dann verflüssigt, unterkühlt, entspannt, verdampft und erneut verdichtet wird, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Verflüssigung und Unterkühlung eine Phasentrennung zur Abtrennung dampfförmiger Anteile aus dem verflüssigten Kältemittel durchgeführt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verflüssigung und Unterkühlung durch Luftkühlung oder Verdunstungskühlung erfolgt.

3. Kältemittelkreislauf zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 mit einem Verdichter, einem Verflüssiger, einer Unterkühlungszone und einer Entspannungseinrichtung, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Verflüssiger (2) und der Unterkühlungszone (5) eine Phasentrenn-einrichtung (4) vorgesehen und die Unterkühlungszone (5) mit einem Flüssigkeitssammelraum der Phasentrenneinrich-tung (4) verbunden ist.

4. Kältemittelkreislauf nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass Verflüssiger (2) und Unterkühlungszone (5) eine bauliche Einheit bilden.

5. Kältemittelkreislauf nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass Verflüssiger und Unterkühlungszone als Rohrschlangenkühler ausgebildet sind.

6. Kältemittelkreislauf nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass dem Verflüssiger (2) und der Unterkühlungszone (5) eine gemeinsame Kühleinrichtung zugeordnet ist.

7. Kältemittelkreislauf nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass Verflüssiger (2) und Unterkühlungszone (5) in einem gemeinsamen Wärmetauscher untergebracht sind, wobei der Strömungsquerschnitt für das Kältemittel am Ausgang des Verflüssigers (2) benachbart zum Strömungsquerschnitt für das Kältemittel am Eintritt der Unterkühlungszone (5) angeordnet ist.

8. Kältemittelkreislauf nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass Verflüssiger (2) und Unterkühlungszone (5) nacheinander im Strömungsweg eines Kühlfluids angeordnet sind, wobei die Unterkühlungszone (5) im Kühlfluidstrom vor dem Verflüssiger (2) angeordnet ist.