DE60314559T2

DE60314559T2 - Verfahren zum Erhöhen der Leistungsfähigkeit einer Dampfverdichtungsanordnung mittels Verdampferheizung

Info

Publication number: DE60314559T2
Application number: DE60314559T
Authority: DE
Inventors: Sivakumar Simsbury Gopalnarayanan; Lili East Hartford Zhang; Tobias H. Manchester Sienel
Original assignee: Carrier Corp
Current assignee: Carrier Corp
Priority date: 2002-03-20
Filing date: 2003-03-17
Publication date: 2008-02-07
Anticipated expiration: 2023-03-18
Also published as: EP1347251B1; US6698234B2; US20030177782A1; EP1347251A2; DE60314559D1; EP1347251A3; DK1347251T3; ES2287416T3

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft generell ein Verfahren zum Erhöhen der Effizienz eines Dampfkompressorsystems durch Erwärmen des Kühlmittels in dem Verdampfer mit von dem Kompressor bereitgestellter Wärme.
Chlorhaltige Kühlmittel sind wegen ihres Ozon-schädigenden Potentials in den meisten Teilen der Welt ausgelaufen. Fluorkohlenwasserstoffe (HFCs – hydrofluoro carbons) wurden als Ersatzkühlmittel verwendet, aber diese Kühlmittel haben immer noch ein hohes Potential für globale Erwärmung. "Natürliche" Kühlmittel, wie beispielsweise Kohlendioxid und Propan wurden als Ersatzfluide vorgeschlagen. Leider gibt es Probleme bei der Verwendung von vielen dieser Fluide. Kohlendioxid hat einen niedrigen kritischen Punkt, was zur Folge hat, dass die meisten Klimatisierungssysteme, die Kohlendioxid verwenden, transkritisch oder über dem kritischen Punkt arbeiten.
Wenn ein Dampfkompressorsystem transkritisch arbeitet, ist der Druck der hohen Seite des Kühlmittels typischerweise hoch, so dass das Kühlmittel keinen Phasenübergang von dampfförmig zu flüssig hat, während es durch den Wärmeabfuhrwärmetauscher strömt. Deshalb arbeitet der Wärmeabfuhrwärmetauscher als ein Gaskühler im transkritischen Betrieb und nicht als ein Kondensator. Der Druck eines unterkritischen Fluids ist eine Funktion der Temperatur unter Sättigungsbedingungen (wo sowohl Flüssigkeit als auch Dampf vorhanden sind). Der Druck eines transkritischen Fluids ist jedoch eine Funktion der Fluiddichte wenn die Temperatur höher ist als die kritische Temperatur.
In einem Dampfkompressorsystem des Stands der Technik geht die von dem Kompressormotor erzeugte Wärme verloren, indem sie entweder an die Umgebung abgegeben wird oder das Sauggas in dem Kompressor überhitzt. Wenn die Wärme das Sauggas in dem Kompressor überhitzt, nehmen die Dichte und die Massenströmungsrate des Kühlmittels ab und verringern die Systemeffizienz. Es wäre vorteilhaft, die Kompressorwärme zur Verbesserung der Sys temeffizienz zu benutzen und die Größe und die Kosten des Systems zu verringern.
US-A-2677944 beschreibt ein System mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1. Andere Systems sind in DE 3319318 A und EP-A-0933603 beschrieben.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Gemäß der Erfindung wird ein Dampfkompressorsystem gemäß Anspruch 1 und ein Verfahren zum Erhöhen der Kapazität eines transkritischen Dampfkompressorsystems gemäß Anspruch 7 dargestellt.
Die Effizienz eines Dampfkompressorsystems kann man erhöhen, indem man einen Verdampfer mit dem Kompressor koppelt, um Wärme von dem Kompressor dem Kühlmittel in dem Verdampfer bereitzustellen. Ein Zwischenkühler eines Zweistufen-Dampfkompressorsystems ist mit dem Verdampfer gekoppelt, um dem Verdampferkühlmittel Wärme bereitzustellen. Das Kühlmittel in dem Verdampfer nimmt Wärme von dem Kühlmittel in dem Zwischenkühler auf und erhöht die Temperatur des Kühlmittels in dem Verdampfer. Da der Druck direkt mit der Temperatur in Beziehung ist, nimmt die Temperatur des Kühlmittels in dem Verdampfer zu und erhöht den Druck auf der niedrigen Seite des den Verdampfer verlassenden Kühlmittels. Da der Druck auf der niedrigen Seite zunimmt, muss der Kompressor weniger Arbeit verrichten, um das Kühlmittel auf den Druck der hohen Seite zu bringen, was die Effizienz und/oder Kapazität des Systems erhöht.
Außerdem wird das Kühlmittel in dem Kompressor gekühlt, wenn die Wärme von dem Kühlmittel in dem Zwischenkühler auf das Kühlmittel in dem Verdampfer abgeführt wird. Durch das Kühlen des Kühlmittels in dem Kompressor nehmen die Dichte und die Massenströmungsrate des Kühlmittels in dem Kompressor zu und erhöhen die Systemeffizienz.
Diese und andere Merkmale der vorliegenden Erfindung versteht man aus der vorgehenden Beschreibung und den Zeichnungen am besten.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die verschiedenen Merkmale und Vorteile der Erfindung werden den Fachleuten aus der folgenden detaillierten Beschreibung der momentan bevorzugten Ausführungsform ersichtlich. Die Zeichnungen, die die detaillierte Beschreibung begleiten, können kurz wie folgt beschrieben werden:
1 zeigt eine schematische Darstellung eines Dampfkompressorsystems des Stands der Technik;
2 zeigt eine schematische Darstellung eines zum Erhöhen der Effizienz mit dem Zwischenkühler eines mehrstufigen Dampfkompressorsystems gekoppelten Verdampfers, die jedoch außerhalb des Umfangs der vorliegenden Erfindung liegt;
3 zeigt das Koppeln des Verdampfers mit dem Zwischenkühler gemäß der Erfindung;
4 zeigt eine schematische Darstellung des zum Erhöhen der Effizienz mit einem Kompressorbauteils gekoppelten Verdampfers, die jedoch außerhalb des Umfangs der vorliegenden Erfindung liegt; und
5 zeigt eine alternative Kopplung des Verdampfers mit dem Kompressorbauteil, die auch nicht in den Umfang der vorliegenden Erfindung fällt.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
1 zeigt eine schematische Darstellung eines Dampfkompressorsystems 20 des Stands der Technik. Das System 20 weist einen Kompressor 22 mit einem Motor 23, einen ersten Wärmetauscher 24, eine Expansionsvorrichtung 26, einen zweiten Wärmetauscher 28 und eine Strömungsumkehrvorrichtung 30 auf, um die Strömung des durch das System 20 zirkulierenden Kühlmittels umzukehren. Bei Betrieb in einem Heizmodus strömt das Kühlmittel, nachdem das Kühlmittel den Kompressor 22 bei hohem Druck und hoher Enthalpie ver lässt, durch den ersten Wärmetauscher 24, der als ein Kondensator oder Gaskühler wirkt. Das Kühlmittel verliert Wärme, verlässt den ersten Wärmetauscher 24 bei einer niedrigen Enthalpie und hohem Druck. Das Kühlmittel gelangt dann durch die Expansionsvorrichtung 26 und der Druck fällt. Nach dem Expandieren strömt das Kühlmittel durch den zweiten Wärmetauscher 28, der als ein Verdampfer arbeitet und tritt bei hoher Temperatur und niedrigem Druck aus. Das Kühlmittel gelangt durch die Wärmepumpe 30 und gelangt dann wieder in den Kompressor 22, was das System 20 schließt. Die Wärmepumpe 30 kann die Strömung des Kühlmittels umkehren, um das System 20 von einem Heizbetrieb auf einen Kühlbetrieb zu ändern.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird Kohlendioxid als das Kühlmittel verwendet. Obwohl Kohlendioxid gezeigt ist, können andere Kühlmittel von der Erfindung profitieren. Weil Kohlendioxid einen niedrigen kritischen Punkt hat, benötigen Systeme, die Kohlendioxid als ein Kühlmittel verwenden, üblicherweise das Dampfkompressorsystem 20, um transkritisch zu arbeiten. Dieses Konzept kann auf Kühlkreise angewandt werden, die bei mehreren Druckniveaus arbeiten, so dass diese Systeme zwei oder mehr Kompressoren, Gaskühler, Expansionsvorrichtungen oder Verdampfer haben. Obwohl ein transkritisches Dampfkompressorsystem beschrieben ist, sollte man verstehen, dass ein konventionelles unterkritisches Dampfkompressorsystem ebenfalls verwendet werden kann. Außerdem kann die vorliegende Erfindung auch auf Kühlkreisläufe angewandt werden, die bei mehreren Druckniveaus arbeiten, wie beispielsweise Systeme mit mehr als einem Kompressor, Gaskühler, Expandermotoren oder Verdampfern.
2 zeigt ein mehrstufiges Kompressorsystem 120, welches nicht in den Umfang der Erfindung fällt. Gleiche Bezugszeichen sind um Mehrfache von 100 erhöht, um gleiche Teile zu bezeichnen. Das System 120 weist eine Expansionsvorrichtung 126, einen zweiten Wärmetauscher 128 oder Verdampfer, entweder einen einzelnen Kompressor mit zwei Stufen oder zwei einstufige Kompressoren 122a und 122b, einen zwischen den beiden Kompressoren 122a und 122b angeordneten Zwischenkühler 124a und einen ersten Wärmetauscher oder Gaskühler und 124b auf.
Der Verdampfer 128 ist mit dem Zwischenkühler 124a gekoppelt. Wärme von dem Kühlmittel in dem Zwischenkühler 124 wird von dem durch den Verdampfer 128 gelangenden Kühlmittel aufgenommen. Das Erhöhen der Temperatur des Kühlmittels in dem Verdampfer 128 erhöht die Leistung des Verdampfers 128 und des Systems 120. Da der Druck in einer direkten Beziehung mit der Temperatur steht, erhöht das Erhöhen der Temperatur des den Verdampfer 128 verlassenden Kühlmittels den Druck der niedrigen Seite des Kühlmittels, welches den Verdampfer 128 verlässt.
Die Arbeit der Kompressoren 122a und 122b ist eine Funktion der Differenz zwischen dem Druck der hohen Seite und dem Druck der niedrigen Seite des Systems 120. Wenn der Druck der niedrigen Seite zunimmt, müssen die Kompressoren 122a und 122b weniger Arbeit verrichten und erhöhen die Effizienz des Systems 120. Zusätzlich muss der Verdampfer 128 weniger Kühlmittelerwärmung leisten, wenn Wärme durch das Kühlmittel in den Zwischenkühler 128 geliefert wird, was die Heizfunktion des Verdampfers 128 verringert oder eliminiert.
Wenn die Wärme in dem Kühlmittel in den Zwischenkühler 124a in das Kühlmittel in dem Verdampfer 128 abgeführt wird, nimmt die Temperatur des den Zwischenkühler 124a verlassenden und in den Kompressor 122b der zweiten Stufe gelangenden Kühlmittels ab. Das verringert das Überhitzen des Sauggases in dem Kompressor 122b der zweiten Stufe und erhöht die Dichte und die Fluidmasse des Kühlmittels in dem Kompressor 122b der zweiten Stufe und erhöht weiter die Effizienz des Systems 120. Die Abgabetemperatur des Kompressors 122b der zweiten Stufe wird auch verringert, was die Lebensdauer des Kompressors 122b verlängert.
Wie in der 3 gezeigt, weist das Dampfkompressorsystem 220 gemäß der Erfindung zwei Verdampfer 228a und 228b auf. Der erste Verdampfer 228a ist zwischen einer ersten Expansionsvorrichtung 226a und einem ersten Kompressor 222a der ersten Stufe positioniert. Der zweite Verdampfer 228b ist zwischen einer zweiten Expansionsvorrichtung 226b und dem Kompressor 222a der ersten Stufe positioniert und ist mit dem Zwischenkühler 224a gekoppelt.
Wärme von dem Kühlmittel in dem Zwischenkühler 224a wird dem durch den zweiten Verdampfer 228b gelangenden Kühlmittel bereitgestellt, um die Temperatur des den zweiten Verdampfer 228b verlassenden Kühlmittels zu erhöhen. Außerdem wird die Temperatur des Kühlmittels in dem Zwischenkühler 224b verringert, was die Effizienz des Systems 220 erhöht, indem die Dichte und die Massenströmungsrate des Sauggases in dem Kompressor 222b der zweiten Stufe erhöht werden.
Die erste Expansionsvorrichtung 226a und die zweite Expansionsvorrichtung 226b steuern die Strömung des Kühlmittels durch den Verdampfer 228a bzw. 228b. Durch das Schließen der Expansionsvorrichtung 226a strömt das Kühlmittel durch den Verdampfer 228b und nimmt Wärme von dem Kühlmittel in den Zwischenkühler 224a auf. Alternativ strömt durch ein Schließen der Expansionsvorrichtung 226b das Kühlmittel durch den Verdampfer 228a und nimmt keine Wärme von dem Kühlmittel in dem Zwischenkühler 224a auf. Beide Expansionsvorrichtungen 226a und 226b können in einem gewünschten Maß eingestellt werden, um eine gewünschte Strömung des Kühlmittels durch den Verdampfer 228a bzw. 228b zu erreichen. Eine Steuerung 232 überwacht das System 220, um die optimale Verteilung des Kühlmittels durch die Verdampfer 228a und 228b festzulegen und stellt die Expansionsvorrichtungen 226a und 226b ein, um die optimale Verteilung zu erreichen. Beispielsweise beginnt die Steuerung 232 die Expansionsvorrichtung 226a zu schließen und die Expansionsvorrichtung 226b zu öffnen, wenn Kühlmittel durch die Expansionsvorrichtung 226a gelangt und die Steuerung 232 feststellt, dass die Effizienz des Systems 220 niedrig ist, und erhöht die Effizienz des Systems 220. Sobald die gewünschte Effizienz erreicht ist, werden die Expansionsvorrichtungen 226a und 226b eingestellt, um diese Effizienz beizubehalten. Die Faktoren, die man verwendet, um den optimalen Druck zu bestimmen, gehören zum Fachwissen der Fachleute.
4 zeigt Dampfkompressorsystem 320, welches nicht in den Umfang der vorliegenden Erfindung fällt und einen Verdampfer 328 verwendet, der mit einem Kompressorbauteil 325 eines Kompressors 322 gekoppelt ist. Vorzugsweise ist das Kompressorbauteil 325 ein Kompressorölkühler oder ein Kompressormotor. Wärme des Kompressors 322 wird von dem Kühlmittel in den Ver dampfer 328 aufgenommen. Wenn die Temperatur des Kühlmittels in dem Verdampfer 328 zunimmt, nimmt der Druck der niedrigen Seite des Systems 320 zu und verringert die Arbeit des Kompressors 322 und erhöht die Effizienz des Systems 320. Wenn die Temperatur des Kühlmittels in dem Kompressor 322 abnimmt, nimmt die Effizienz des Systems 320 zu.
Alternativ weist das System 420 (welches auch nicht in den Umfang der Erfindung fällt), wie in der 5 gezeigt, zwei Verdampfer 428a und 428b auf. Der erste Verdampfer 428a ist zwischen einer ersten Expansionsvorrichtung 426a und dem Kompressor 422 angeordnet, und der zweite Verdampfer 428b ist zwischen einer zweiten Expansionsvorrichtung 426b und dem Kompressor 422 angeordnet. Der zweite Verdampfer 428b ist mit dem Kompressorbauteil 425 gekoppelt, um die Temperatur des Kühlmittels in dem zweiten Verdampfer 428b zu erhöhen und das Kompressorbauteil 425 zu kühlen.
Die erste Expansionsvorrichtung 426a und die zweite Expansionsvorrichtung 426b kontrollieren die Strömung des Kühlmittels durch den Verdampfer 428a bzw. 428b. Durch das Schließen der Expansionsvorrichtung 426a strömt das Kühlmittel durch den Verdampfer 428b und tauscht Wärme mit dem Kühlmittel in dem Kompressorbauteil 425 aus. Alternativ strömt das Kühlmittel durch das Schließen der Expansionsvorrichtung 426b durch den Verdampfer 428a und tauscht keine Wärme mit dem Kühlmittel in dem Kompressorbauteil 425 aus. Beide Expansionsvorrichtungen 426a und 426b können auf ein gewünschtes Maß eingestellt werden, um eine gewünschte Strömung zu erreichen. Eine Steuerung 432 überwacht das System 420, um die optimale Verteilung des Kühlmittels auf die Verdampfer 428a und 428b festzustellen, und stellt die Expansionsvorrichtungen 426a und 426b ein, um die optimale Verteilung zu erreichen. Beispielsweise bestimmt die Steuerung 432 die Expansionsvorrichtung 226a zu schließen und die Expansionsvorrichtung 426b zu öffnen, wenn Kühlmittel durch die Expansionsvorrichtung 426a gelangt und die Steuerung 432 feststellt, dass die Effizienz des Systems 420 niedrig ist, und erhöht die Effizienz des Systems. Sobald eine gewünschte Effizienz erreicht ist, werden die Expansionsvorrichtungen 426a und 426b eingestellt, um diese Effizienz beizubehalten. Die Faktoren, die man verwenden würde, um den optimalen Druck zu bestimmen, gehören zum Fachwissen der Fachleute.
Obwohl der Zwischenkühler 124a und 224a und das Kompressorbauteil 325 und 425 separat beschrieben wurden, sollte man verstehen, dass ein Dampfkompressorsystem beide den Zwischenkühler 124a und 224a und das Kompressorbauteil 325 und 425 zum Erwärmen des Kühlmittels in dem Verdampfer 128, 228, 328b und 428b verwenden könnte. Wenn sowohl der Zwischenkühler 124a und 224a als auch das Kompressorbauteil 325 und 425 verwendet werden, können sie entweder seriell oder parallel eingesetzt werden.
Außerdem gilt, dass obwohl beschrieben wurde, dass der Verdampfer 228b mit dem Zwischenkühler 224a gekoppelt ist, man verstehen sollte, dass der interne Wärmeübertrag zwischen diesen Bauteilen durch ein drittes Medium, beispielsweise Luft, zustande kommen könnte.
Die vorangegangene Beschreibung ist lediglich beispielhaft für die Grundlagen der Erfindung.

Claims

Dampfkompressorsystem (220), aufweisend: eine Kompressionsvorrichtung, aufweisend eine erste Kompressorstufe (222a) und eine zweite Kompressorstufe (222b), um ein Kühlmittel auf einen hohen Druck zu komprimieren; einen Wärmeabfuhrwärmetauscher (224b) zum Kühlen des Kühlmittels; eine Expansionsvorrichtung (226a, 226b) zum Reduzieren des Kühlmittels auf einen niedrigen Druck; einen ersten Wärmeaufnahmewärmetauscher (228a) und einen zweiten Wärmeaufnahmewärmetauscher (228b), die in einer parallelen Strömungsrelation angeordnet sind zum Verdampfen des Kühlmittels; wobei ein Zwischenkühler (224a) zwischen den Kompressionsstufen positioniert ist, um das durch den Zwischenkühler gelangende Kühlmittel weiter zu kühlen; dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Wärmeaufnahmewärmetauscher (228b) mit dem Zwischenkühler (224a) gekoppelt ist, so dass Wärme von dem Kühlmittel in dem Zwischenkühler (224a) zu dem Kühlmittel in dem zweiten Wärmeaufnahmewärmetauscher (228b) abgegeben wird, wodurch der zweite Wärmetauscher (228b) Wärme von der Kompressionsvorrichtung aufnimmt.
System nach Anspruch 1, wobei die Expansionsvorrichtung eine erste Expansionsvorrichtung (226a), welche die Strömung des Kühlmittels durch den ersten Wärmeaufnahmewärmetauscher (228a) kontrolliert, und eine zweite Expansionsvorrichtung (226b) aufweist, die die Kühlmittelströmung durch den zweiten Wärmeaufnahmewärmetauscher (228b) kontrolliert.
System nach Anspruch 2, aufweisend eine Steuerung (232) zum Einstellen eines Öffnungsmaßes der ersten Expansionsvorrichtung (226a) und der zweiten Expansionsvorrichtung (226b).
System nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Kühlmittel Kohlendioxid ist.
System nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das System ferner eine zusätzliche Kompressionsvorrichtung, einen zusätzlichen Wärmeabgabewärmetauscher, eine zusätzliche Expansionsvorrichtung und einen zusätzlichen Wärmeaufnahmewärmetauscher aufweist.
System nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Kühlmittel in dem Wärmeaufnahmewärmetauscher Wärme von der Kompressionsvorrichtung durch ein zusätzliches Medium aufnimmt.
Verfahren zum Erhöhen der Kapazität eines transkritischen Dampfkompressorsystems, aufweisend die folgenden Schritte: Komprimieren eines Kühlmittels auf einen hohen Druck in einer ersten und einer zweiten Stufe (222a, 222b); Kühlen des Kühlmittels; Expandieren des Kühlmittels auf einen niedrigen Druck; Verdampfen des Kühlmittels in dem ersten und dem zweiten Verdampfer (228a, 228b), die in einer parallelen Strömungsrelation angeordnet sind; Zwischenkühlen des Kühlmittels in einem Zwischenkühler (222a), der zwischen der ersten und der zweiten Kompressionsstufe angeordnet ist; gekennzeichnet durch: Koppeln des zweiten Verdampfers (228b) mit dem Zwischenkühler (224a), um so Wärme von dem Schritt des Komprimierens auf den Schritt des Verdampfens zu übertragen.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei das Kühlmittel Kohlendioxid ist.