EP2063201A2 - Verfahren zum Betreiben einer Kälteanlage - Google Patents

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EP2063201A2
EP2063201A2 EP09003503A EP09003503A EP2063201A2 EP 2063201 A2 EP2063201 A2 EP 2063201A2 EP 09003503 A EP09003503 A EP 09003503A EP 09003503 A EP09003503 A EP 09003503A EP 2063201 A2 EP2063201 A2 EP 2063201A2
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EP
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measures
operating
refrigeration system
temperature
refrigerant
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Remo Meister
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Meister Remo
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BMS Energietechnik AG
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    • F25B2700/21—Temperatures
    • F25B2700/2115—Temperatures of a compressor or the drive means therefor
    • F25B2700/21151—Temperatures of a compressor or the drive means therefor at the suction side of the compressor

Definitions

  • the dry expansion operation in which the refrigerant undergoes a pressure reduction via an injection valve and the liquid state in a liquid / vapor mixture to completely evaporate in the evaporator, and then leave the evaporator with slightly superheated steam and so on Heat absorption a second medium cools down and secondly, the Thermosyphon ses in which the refrigerant is supplied via a balancing and separation vessel to the evaporator either by gravity or by means of a pump liquid and where at the evaporator outlet may still contain liquid fractions in the steam and so in the Usually there is no overheating of the refrigerant at the evaporator outlet.
  • Dry expansion systems have the advantage of simple design and small refrigerant contents.
  • the evaporator efficiency is essentially influenced by the smallest possible overheating of the evaporator.
  • Our innovation relates first to the dry expansion system (6) (1), to the dry expansion system (6) (1) with downstream IWT (2) (internal heat exchanger, ie with a heat exchange between the refrigerant liquid line before the expansion valve on the one hand and the suction steam after the evaporator on the other hand), to the two-stage evaporation system (6) (1 + 2) (a combination of dry expansion system and thermosyphon system, evaporator with IWT) and other refrigerators constructed on this basis.
  • IWT internal heat exchanger, ie with a heat exchange between the refrigerant liquid line before the expansion valve on the one hand and the suction steam after the evaporator on the other hand
  • x value is the value which indicates the proportion of the already vaporized refrigerant at the beginning of the evaporation process) of the refrigerant state in the injection valve (6 ) and in the evaporator start (1), which has an impact on the injection valve (6) and evaporator performance (1) and the control behavior of the injection valve (6) and its performance, respectively, the delivered refrigerant mass flow and on the other hand the suction steam at the inlet to the compressor (5 ), where the changed temperature (B), because of the specific temperature associated with the respective temperature (and pressure), has an influence on the delivery volume of the compressor (5), ie in turn on the delivered mass flow.
  • this temperature difference can be smaller than when the refrigerant leaves the evaporator (1) "overheated" (P8 / T22) during dry expansion operation.
  • This constant can be achieved by various measures. For the sake of simplicity, we describe the constant maintenance by means of a heat exchanger (4) in the refrigerant liquid line in front of the injection valve, which keeps the outlet temperature of the liquid refrigerant constant by means of a second medium.
  • the medium used for keeping the refrigerant liquid temperature constant can be arbitrary in nature (gaseous, liquid, etc.).
  • One way of keeping constant the refrigerant liquid temperature before the injection valve (A) may be that the flow (D) of the medium to be cooled, for example water, brine, etc., is passed through a heat exchanger (4), in which on the second side the heat exchanger, the refrigerant is conducted either in cocurrent, cross or countercurrent, etc.
  • the refrigerant liquid temperature upstream of the injection valve (A) can also be regulated by the IWT (2) by means of mass flow control of the refrigerant liquid (9) by the IWT (2) (depending on the conditions, in some cases only partial mass flows flow through the IWT (2)).
  • New in the invention is that the refrigerant liquid temperature, especially in the two-stage evaporation process (1 + 2) in front of the injection valve (6) (A) at a very low value, near or on the left limit curve of the log (p), h diagram for refrigerant, (The refrigerant thus occurs liquid as in a thermosyphone system or with a minimum vapor content in the evaporator (1)) is kept constant.
  • Measures may be appropriate, as in the constant maintenance of the refrigerant liquid before the injection valve (6) (A).
  • heat exchangers or storage or inertial masses are used for keeping the suction steam temperature constant.
  • Suction-plate temperature maintenance may also be performed by means such as external sub-coolers (3) which control the refrigerant liquid inlet temperature to the IWT (2) (8) and in this way control the suction vapor exit temperature from the IWT (2) (B).
  • the Saugdampftemperaturkonstantaria can also be regulated by means of mass flow control of the refrigerant liquid (9) by the IWT (2) or the suction steam (12) by the IWT (2).
  • Suction temperature maintenance can also be achieved by more or less "flooding" the IWT (2) (only in the two-stage evaporation process).
  • the "flooding" of the IWT (2) can by means of a temperature control of the suction steam at the inlet of the compressor (two-stage evaporator control) (T23), level control (7) directly through the evaporator (1), IWT (2) individually or together or a reference variable For example, the collector or other or a pressure difference control (7) directly via the evaporator (1), IWT (2) individually or together.
  • the invention is based on the fact that the refrigerant liquid temperature upstream of the injection valve (A) and the suction steam temperature upstream of the compressor (B) are at an arbitrary value by suitable measures (within the physically possible, however, as far as possible reaching the physical limits) is held.
  • valves, heat exchangers, etc. can be used individually or in any possible combination. Further representations will be omitted and refer to the text!
  • the invention is based on the fact that by means of suitable measures a stable operation of cooling systems is achieved with small temperature differences of the media to be cooled and thus higher efficiencies (and thereby highly efficient evaporation in refrigeration systems).
  • the process of refrigeration is supplemented or changed to the effect that in addition to the controlled suction and high pressures in refrigeration systems, the temperature of the liquid refrigerant before the injector (A) and the suction steam in front of the compressor inlet (B) is controlled, controlled and kept constant.
  • Controlling the refrigerant temperature upstream of the injection valve (A) results in defined states in the refrigerant mixture (liquid / vapor). These defined conditions in the refrigerant lead to stable conditions in the refrigeration cycle.
  • the innovation is to control the two described refrigerant conditions (A + B), no matter which method this is used with, depending on the application, only one or the other measure (A or B or 7) must be taken. It is thus possible, only with the temperature control of the liquid refrigerant before the injection valve (A) or the temperature control of the suction steam before the compressor (B) or with the control of the liquid refrigerant before the injection valve and the temperature control of the suction steam (A + B) desired result to come.
  • the temperature in front of the injection valve is kept constant by means of suitable measures (as described above).
  • This temperature constant maintenance of the liquid refrigerant upstream of the injection valve can be done, for example, with a built-in between the liquid line and the medium flow heat exchanger (4).
  • the medium can be passed through the exchanger at a regulated or uncontrolled temperature.
  • the proportion of already evaporated refrigerant in the evaporator can be optimized and adjusted with a corresponding temperature of the liquid refrigerant upstream of the injection valve (A) to the Verdampferbauart (1) and thus the efficiency for starting the evaporation process.
  • the refrigerant liquid inlet temperature in the second evaporator stage (IWT) (2) (F), for example by means of an external Subcooler (3) are limited at high condensation temperatures.

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Abstract

Verfahren zum Betreiben einer Kälteanlage gekennzeichnet durch Kältemittelflüssigkeitstemperaturkontrolle und Kältemittelflüssigkeitstemperaturstabilisierung vor dem Einspritzventil (6) durch eine Saugdampftemperaturkontrolle und Saugdampftemperaturstabilisierung vor dem Verdichter (5) bei Trockenexpansionssystemen, Thermosyphonanlagen, Zweistufenverdampfungsanlagen, Trockenexpansionsanlagen mit nachgeschaltetem internen Wärmeaustauscher (IWT) (2) und allen weiteren Kältesystemen.

Description

    Technisches Gebiet:
  • Kälteerzeugungsanlagen in Kühl- und Tiefkühlanlagen, Kältetechnik, Kältemaschine für Kühl- und Heizbetrieb, Kälteanlagen, Kältesätze, Wärmepumpen, Klimaanlagen und weitere.
    • Stand der Technik:
  • Bekannt in der Kältetechnik ist erstens der Trockenexpansionsbetrieb, bei dem das Kältemittel über ein Einspritzventil eine Druckreduktion erfährt und vom flüssigen Zustand in ein Flüssig/Dampfgemisch übergeht, um im Verdampfer vollständig zu verdampfen, um dann mit leicht überhitztem Dampf den Verdampfer zu verlassen und so durch Wärmeaufnahme ein zweites Medium herunterkühlt und zweitens, der Thermosyphonbetrieb, bei dem das Kältemittel über ein Ausgleichs- und Abscheidegefäss dem Verdampfer entweder mittels Schwerkraft oder mit Hilfe einer Pumpe flüssig zugeführt wird und wo beim Verdampferaustritt durchaus noch Flüssigkeitsanteile im Dampf enthalten sein können und so in der Regel keine Überhitzung des Kältemittels am Verdampferaustritt entsteht.
  • Allen diesen Systemen haften unter Praxisbedingungen mehr oder weniger grosse Nachteile an, welche wir durch unsere Erfindung eliminieren und somit beträchtlich Energie- und Kosteneinsparungen erzielen.
  • Trockenexpansionssysteme haben den Vorteil einfacher Bauart und kleinen Kältemittelinhalten.
  • Der Verdampferwirkungsgrad wird im Wesentlichen beeinflusst durch eine möglichst kleine Verdampferüberhitzung.
  • Für den Verdichter ist dies aber von Nachteil und er verlangt eine entsprechend hohe Überhitzung (Liefergradverbesserung, Schmierung, etc.).
  • Der Schnittpunkt dieser beiden Forderungen (optimale Überhitzung für den Verdampfer und Verdichter, welche gegensätzlich optimal sind) gibt die maximale Anlagenkennlinie (wirtschaftlichster Betrieb).
  • Durch unsere Erfindung gelingt es erstmals, diese Abhängigkeit zwischen kleinster Überhitzung für den Verdampfer und grosser Überhitzung für den Verdichter zu durchbrechen.
  • Dabei wird erreicht, den Prozess für eine gegebene Kälteleistung Qo mit dem dafür benötigten kleinsten physikalisch möglichen Massenstrom zu fahren, was zu erheblichen wirtschaftlichen und energetischen Vorteilen führt.
  • Unsere Innovation bezieht sich erstens auf das Trockenexpansionssystem (6) (1), auf das Trockenexpansionssystem (6) (1) mit nachgeschaltetem IWT (2) (Interner Wärmeaustauscher, also mit einem Wärmeaustausch zwischen Kältemittelflüssigkeitsleitung vor dem Expansionsventil einerseits und dem Saugdampf nach dem Verdampfer andererseits), auf das Zweistufenverdampfungssystem (6) (1 + 2) (einer Kombination von Trockenexpansionsystem und Thermosyphonsystem, Verdampfer mit IWT) und weitere auf dieser Basis aufgebauter Kälteanlagen.
  • Allen diesen Systemen sind je nach Betriebsbedingungen relativ grosse Temperaturschwankungen kältemittelseitig vor dem Einspritzventil (6) (A) und vor dem Verdichter (5) (B) eigen.
  • Diese Temperaturen des Kältemittels (vor dem Einspritzventil (A) und vor dem Verdichter (B)) werden heute nicht konstant gehalten oder exakt geregelt.
  • Oft wird, wenn überhaupt, nur der Hoch- oder Saugdruck (Pc/Po) geregelt und/oder konstant gehalten.
  • Dies führt zu mehr oder weniger grossen Schwankungen und Rückkoppelungen (Aufschaukeln) des Kältesystems und somit zu Verlusten im Wirkungsgrad und unstabilen Regelkreisen.
  • Die hauptsächlichen Faktoren für diese Schwankungen sind einerseits der sich mit der veränderten Temperatur des Kältemittels (A) veränderte x-Wert (x-Wert ist der Wert, welcher den Anteil des bereits verdampften Kältemittels am Anfang des Verdampfungsprozesses angibt) des Kältemittelzustandes im Einspritzventil (6) und im Verdampferanfang (1), was Auswirkungen auf die Einspritzventil- (6) und Verdampferleistung (1) sowie das Regelverhalten des Einspritzventils (6) und dessen Leistung, respektive den geförderten Kältemittelmassenstrom hat und andererseits beim Saugdampf am Eintritt in den Verdichter (5), wo die veränderte Temperatur (B), wegen dem der jeweiligen Temperatur (und Druck) zugeordneten spezifischen Volumen, einen Einfluss auf das Fördervolumen des Verdichters (5), also wiederum des geförderten Massenstroms, hat.
  • Diese sich infolge von Temperaturänderungen ständig verändernden Massenströme bringen mehr oder weniger grosse Störfaktoren in den Regelkreis der Kälteanlage ein, was zu Schwankungen im Prozess und somit zu Leistungsverminderungen führt.
    • Detaillierte Darstellung der Erfindung:
  • Ziel der Erfindung ist es, bei Kühl-/Tiefkühlanlagen, Kältemaschinen für Kühl- und Heizbetrieb, Kälteanlagen, Kältesätzen, Wärmepumpen und allen Anlagen mit Einsatz von Kältemitteln und Kälteträgem folgendes zu erreichen:
    • Einen stabilen Betrieb der Anlage dadurch, dass:
      • "Erstens, die Temperatur des Kältemittels vor dem Einspritzventil (6) (A) auf einen definierten Temperaturwert (A) konstant gehalten wird."
      • "Zweitens, die Temperatur des Kältemittels vor dem Verdichter (5) (B) auf einen definierten Temperaturwert (B) konstant gehalten wird."
      • "Drittens, diese beiden Massnahmen für sich alleine oder in Kombination miteinander eingesetzt werden."
      • "Viertens, diese drei Massnahmen mit einer Trockenexpansionsventilsteuerung (6) herkömmlich nach MSS (minimalstem stabilem Signal) (P8/T22) mit oder ohne IWT (Interner Wärmeaustauscher) (2) nach dem Verdampfer (1) (T22/P8) oder nach dem IWT (2) (T23/P9) gemessen oder mit der Temperatur (Druckdifferenzmessung) zwischen Flüssigkeitsleitung vor dem Einspritzventil (6) (T20) und Druck- oder Temperaturmessung nach dem Einspritzventil (6) (P7) (T21) dem Verdampfer (1) (P8) (T22) oder dem IWT (2) (P9) (T23), der sogenannten Zweistufenverdampferregelung (T20/P7) (T20/P8) oder (T20/P9) oder mit neuen Expansionsventilregelungen nach Druckdifferenz (7) über den Verdampfer (1), den IWT (2), den Verdampfer und den IWT (1 + 2) oder über eine Niveauregelung (7) über den Verdampfer (1), den IWT (2), den Verdampfer und den IWT (1 + 2) oder eine entsprechende Referenzgrösse (z.B. Sammler) kombiniert oder einzeln zum Ziel führen.
  • Diese Massnahmen wie Kältemittelflüssigkeitstemperaturkonstanthaltung vor dem Einspritzventil, Saugdampftemperaturkonstanthaltung vor dem Verdichter, Zweistufenverdampferprozess (mit entsprechender Regelung) und/oder Druckdifferenz/Niveauregelung des Einspritzventils führen alleine oder in beliebiger Kombination zu einem stabilen Betrieb der Kälteanlagen (auch mit grossen Leistungsänderungen).
  • Kommt dabei ein Zweistufenverdampfer (1 + 2) zum Einsatz, können zusätzlich kleinste Temperaturdifferenzen zwischen dem zu kühlenden Medium einerseits (C/D) und der Verdampfungstemperatur to (Saugdruck) andererseits erzielt werden.
  • Diese Temperaturdifferenz kann in jedem Fall kleiner sein als wenn das Kältemittel bei Trockenexpansionsbetrieb den Verdampfer (1) "überhitzt" (P8/T22) verlässt.
  • Neu an unserer Erfindung ist, dass die Temperatur des flüssigen Kältemittels vor dem Einspritzventil auf einen vorgegebenen Wert (A) konstant gehalten wird.
  • Dieses Konstanthalten kann durch verschiedene Massnahmen erreicht werden. Der Einfachheithalber beschreiben wir die Konstanthaltung mittels eines Wärmeaustauschers (4) in der Kältemittelflüssigkeitsleitung vor dem Einspritzventil, welcher durch ein zweites Medium die Austrittstemperatur des flüssigen Kältemittels konstant hält. Das zur Konstanthaltung der Kältemittelflüssigkeitstemperatur eingesetzte Medium kann dabei in seiner Art beliebig sein (gasförmig, flüssig, etc.).
  • Eine Möglichkeit zur Konstanthaltung der Kältemittelflüssigkeitstemperatur vor dem Einspritzventil (A) kann sein, dass der Vorlauf (D) des zu kühlenden Mediums, zum Beispiel Wasser, Sole, etc., durch einen Wärmeaustauscher (4) geleitet wird, bei dem auf der zweiten Seite des Wärmetauschers das Kältemittel entweder im Gleich-, Kreuz- oder Gegenstrom, etc. geführt wird.
  • Weitere Möglichkeiten zur Stabilisierung der Kältemittelflüssigkeitstemperatur vor dem Einspritzventil (A) können beispielsweise auch über Speicher, Latentspeicher, Trägheits- oder Speichermassen (13) oder weitere Massnahmen erfolgen.
  • Die Kältemittelflüssigkeitstemperatur vor dem Einspritzventil (A) kann auch mittels Massenstromregelung der Kältemittelflüssigkeit (9) durch den IWT (2) oder des Saugdampfes (12) durch den IWT (2) geregelt werden (es fliessen je nach Bedingungen zum Teil nur Teilmassenströme durch den IWT (2)).
  • Neu bei der Erfindung ist, dass die Kältemittelflüssigkeitstemperatur vor dem Einspritzventil (6) (A) konstant gehalten wird.
  • Neu bei der Erfindung ist, dass die Kältemittelflüssigkeitstemperatur speziell beim Zweistufenverdampfungsprozess (1 + 2) vor dem Einspritzventil (6) (A) auf einem sehr tiefen Wert, nahe oder auf der linken Grenzkurve des log (p), h-Diagramms für Kältemittel, (das Kältemittel tritt also flüssig wie bei einem Thermosyphonsystem oder mit minimalem Dampfgehalt in den Verdampfer (1)) konstant gehalten wird.
  • Neu bei der Erfindung ist, dass der Kältemittelsaugdampf am Eintritt in den Verdichter (5) (B) konstant gehalten wird.
  • Massnahmen dazu können sinngemäss sein, wie bei der Konstanthaltung der Kältemittelflüssigkeit vor dem Einspritzventil (6) (A):.
  • Man verwendet also Wärmetauscher oder Speicher- respektive Trägheitsmassen zur Konstanthaltung der Saugdampftemperatur.
  • Weiter gibt es Kältesysteme mit eingesetzten IWT's (2) (Zweistufenverdampfer, semigeflutete Systeme), welche das flüssige Kältemittel vor dem Einspritzventil (A) (und den Temperaturkonstanthaltungsmassnahmen) unterkühlen und den Saugdampf nach dem Verdampfer (1) (2) überhitzen (B).
  • Die Saugdampftemperaturkonstanthaltung kann auch mittels Massnahmen wie externen Unterkühlern (3), welche die Kältemittelflüssigkeitseintrittstemperatur in den IWT (2) (8) und auf diesem Weg die Saugdampfaustrittstemperatur aus dem IWT (2) (B) regelt, vorgenommen werden.
  • Die Saugdampftemperaturkonstanthaltung kann auch mittels Massenstromregelung der Kältemittelflüssigkeit (9) durch den IWT (2) oder des Saugdampfes (12) durch den IWT (2) geregelt werden.
  • Die Saugdampftemperaturkonstanthaltung kann auch mittels mehr oder weniger "Überfluten" des IWT's (2) (nur beim Zweistufenverdampfungsprozess) erreicht werden.
  • Das "Überfluten" des IWT's (2) kann dabei mittels einer Temperaturregelung des Saugdampfes am Eintritt des Verdichters (Zweistufenverdampferregelung) (T23), Niveauregelung (7) direkt über den Verdampfer (1), IWT (2) einzeln oder zusammen oder einer Referenzgrösse wie zum Beispiel den Sammler oder andere oder einer Druckdifferenzregelung (7) direkt über den Verdampfer (1), IWT (2) einzeln oder zusammen erfolgen.
  • Alle diese beschriebenen Massnahmen können einzeln oder beliebig kombiniert zum Einsatz kommen.
  • Die Erfindung beruht im Wesentlichen darauf, dass durch geeignete Massnahmen die Kältemittelflüssigkeitstemperatur vor dem Einspritzventil (A) und die Saugdampftemperatur vor dem Verdichter (B) auf einem beliebigen Wert, (innerhalb des physikalisch Möglichen aber bei Bedarf bis an die physikalischen Grenzen gehend), konstant gehalten wird.
  • Durch die konstante Temperatur des Kältemittels an diesen beiden Punkten im Kältesystem (Kältemittelflüssigkeit vor dem Einspritzventil (A), Saugdampf vor dem Verdichter (B)) wird ein stabiler Betrieb und wenn gewünscht, kleinste Temperaturdifferenzen zwischen den zu kühlenden Medien (Ein-/ Austrittstemperatur (C/D) einerseits und Eintritts- und/oder Austrittstemperatur zur Verdampfungstemperatur (C/D zu to) andererseits) erreicht.
    • Aufzählung der Zeichnungen:
    • Fig. 1: Mögliche Lösungen zur Kontrolle der Kältemitteltemperaturen vor dem Einspritzventil und Verdichter.
    • Fig. 2: Mögliche Lösungen zur Kontrolle der Kältemitteltemperaturen vor dem Einspritzventil und Verdichter ohne Hilfspumpen im Sekundärkreislauf.
    • Fig. 3: Mögliche Lösungen zur Kontrolle der Kältemitteltemperaturen vor dem Einspritzventil und Verdichter bei Trockenexpansionsbetrieb ohne IWT
    • Fig. 4: Mögliche Lösungen zur Kontrolle der Kältemitteltemperaturen vor dem Einspritzventil und Verdichter bei Trockenexpansionsbetrieb mit IWT und oder Zweistufenverdampfung.
    • Fig. 5: Mögliche Lösungen zur Kontrolle der Kältemitteltemperaturen vor dem Einspritzventil und Verdichter bei Trockenexpansionsbetrieb mit IWT und oder Zweistufenverdampfung mit externem Unterkühler.
    • Fig. 6: Mögliche Lösungen zur Kontrolle der Kältemitteltemperaturen vor dem Einspritzventil und Verdichter bei Trockenexpansionsbetrieb mit IWT und oder Zweistufenverdampfung mit externem Unterkühler und Speicher- oder Trägheitsmasse zur Temperaturkonstanthaltung des Kältemittels vor dem Einspritzventil anstelle des Wärmetauschers.
    • Fig. 7: log (p), h-Diagramm
  • Die Zeichnungen erläutern den Sinn und erheben keinen Anspruch auf Vollständigkeit. Die Ventile, Wärmetauscher, etc. können einzeln oder in jeder möglichen Form kombiniert zum Einsatz kommen. Auf weiter Darstellungen wird verzichtet und auf den Text verwiesen!
    • Ausführung der Erfindung:
  • Die Erfindung beruht darauf, dass mittels geeigneter Massnahmen ein stabiler Betrieb von Kühlanlagen bei kleinen Temperaturdifferenzen der zu kühlenden Medien und somit höheren Wirkungsgraden (und dadurch hocheffiziente Verdampfung in Kälteanlagen) erzielt wird.
  • Das Verfahren der Kälteerzeugung wird dahingehend ergänzt oder geändert, dass neben den kontrollierten Saug- und Hochdrücken in Kältesystemen neu die Temperatur des flüssigen Kältemittels vor dem Einspritzventil (A) und des Saugdampfes vor dem Verdichtereingang (B) kontrolliert, geregelt und konstant gehalten wird.
  • Durch das Kontrollieren der Kältemitteltemperatur vor dem Einspritzventil (A) ergeben sich definierte Zustände im Kältemittelgemisch (Flüssig/Dampf). Diese definierten Zustände im Kältemittel führen zu stabilen Verhältnissen im Kältekreislauf.
  • Den gleichen Effekt erhalten wir mit der Temperaturkontrolle und dem Konstanthalten der Saugdampftemperatur am Verdichtereintritt (B).
  • Durch das Stabilisieren dieser beiden Temperaturen und der damit Verbundenen jeweiligen Zustände des jeweiligen Kältemittels an diesen zwei Punkten im Kältekreislauf erzielen wir stabile Verhältnisse und verhindern Rückkoppelungen in der Regeltechnik und ein Aufschaukeln des Systems und somit weniger Störgrössen was zu einem stabilen Regelkreis und somit zu einem stabilen Betrieb der Kälteanlagen und somit zu einer hocheffizienten Verdampfung führt.
  • Durch den gewonnenen stabileren Betrieb ergeben sich Energie- und Kostenersparnisse und es wird möglich, speziell in Kombination mit der Zweistufenverdampfungstechnik (1 + 2) Prozesse mit wesentlich kleineren Temperaturdifferenzen der zu kühlenden Medien zu den jeweiligen Verdampfungstemperaturen, zu fahren.
  • Dadurch können Prozesse auf einfache und kostengünstige Weise gefahren werden, welche heute in dieser Art nicht möglich sind.
  • Diese beiden Temperaturen (A + B) und die dazugehörenden Kältemittelzustände können auf viele mögliche Arten kontrolliert und stabilisiert werden.
  • Die Aufzählung der Möglichkeiten beschränkt sich in dieser Patentschrift sinngemäss auf einige wenige.
  • Die Innovation ist das Kontrollieren der beiden beschriebenen Kältemittelzustände (A + B), egal mit welcher Methode dies erreicht wird, wobei je nach Anwendungsfall nur die eine oder die andere Massnahme (A oder B oder 7) ergriffen werden muss. Es ist somit möglich, nur mit der Temperaturkontrolle des flüssigen Kältemittels vor dem Einspritzventil (A) oder der Temperaturkontrolle des Saugdampfes vor dem Verdichter (B) oder mit der Kontrolle des flüssigen Kältemittels vor dem Einspritzventil und der Temperaturkontrolle des Saugdampfes (A + B) zum gewünschten Ergebnis zu kommen.
  • Geeignete Massnahmen für die Temperaturkontrolle des Kältemittels vor dem Einspritzventil sind:
    1. 1. Die Temperatur des flüssigen Kältemittels vor dem Einspritzventil mit einem Sekundärmedium über einen Wärmeaustausch (4) konstant halten.
    2. 2. Die Temperatur des flüssigen Kältemittels vor dem Einspritzventil mit einer Masse (13) (flüssig, fest, gasförmig oder gemischt zwischen diesen Aggregatszuständen) konstant (träge) zu halten.
    3. 3. Die Temperatur des flüssigen Kältemittels vor dem Einspritzventil, speziell bei Verwendung eines IWT's oder der Anwendung des Zweistufenverdampfungsprozesses, mittels Einsatz eines Regelventils (9) konstant zu halten. Diese Regelung leitet nur einen bestimmten Massenstrom durch den IWT oder die zweite Stufe des Zweistufenverdampfers und den restlichen Massenstrom (E) direkt oder indirekt zum Einspritzventil, wobei der am IWT oder der zweiten Stufe des Zweistufenverdampfers vorbeigeleitete Massenstrom (E) gekühlt, erwärmt oder gleich gehalten werden kann.
  • Geeignete Massnahmen für die Temperaturkontrolle des Kältemittels vor dem Verdichter sind:
    • 4. Die Temperatur des Saugdampfes vor dem Verdichter (B) mit einem Sekundärmedium über einen Wärmeaustausch konstant zu halten.
    • 5. Die Temperatur des Saugdampfes vor dem Verdichter mit einer Masse (flüssig, fest, gasförmig oder gemischt zwischen diesen Aggregatszuständen) konstant (träge) zu halten.
    • 6. Die Temperatur des Saugdampfes vor dem Verdichter, speziell bei Verwendung eines IWT's oder der Anwendung des Zweistufenverdampfungsprozesses, mittels Einsatz eines Regelventils (8), (12) und/oder (9) konstant zu halten. Diese Regelung (12) (9) leitet nur einen bestimmten Massenstrom durch den IWT (2) oder die zweite Stufe des Zweistufenverdampfers und den restlichen Massenstrom (9) direkt oder indirekt zum Einspritzventil (6) resp. Verdichter (5).
    • 7. Mittels einer kontrollierten Eintrittstemperatur (8) (F) des flüssigen Kältemittels in den IWT (2) oder die zweite Stufe des Zweistufenverdampfers, zum Beispiel unter Verwendung eines externen Kältemittelflüssigkeitsunterkühlers (3) oder ähnlichem.
    • 8. Mittels kontrolliertem Füllstand des zu verflüssigenden Kältemittels im Verdampfer resp. im IWT resp. in der zweiten Stufe des Zweistufenverdampfers, zum Beispiel mittels Niveauregelung (7) oder Druckdifferenzmessung (7) oder Saugdampftemperaturregelung (T23) vor dem Verdichter, wobei die Niveauregelung über den Verdampfer, den IWT oder die zweite Stufe des Zweistufenverdampfers einzeln und/oder der Verdampfer alleine oder in Kombination mit dem IWT oder der zweiten Stufe des Zweistufenverdampfers oder eines Referenzobjektes, z. B. Sammlers, erfolgen kann.
    • 9. Speziell bei einem Kältesystem mit Zweistufenverdampfung (1 + 2) kann die Regelung und Einbindung wie folgt ausgeführt werden (Kombinationen und Varianten davon sind auch möglich): Einspritzventilregelung mittels Erfassen der Temperatur des Kältemittels vor dem Einspritzventil (T20) und Druck/Temperatur nach dem Einspritzventil (T21/P7), zwischen der ersten und der zweiten Verdampferstufe P8/T22) oder nach der zweiten Verdampferstufe (P9/T23) oder Kombinationen davon. Die Temperatur-/Druckdifferenz (T20/ P7, P8, P9) dient als Regelgrösse für das Einspritzventil (6). Eine Saugdampftemperaturerfassung (T23) vor dem Verdichter (5) übersteuert die Temperaturdifferenz/Druckregelung (T20/ P7, P8, P9) bei Bedarf. Alternativ zur Temperaturdifferenz/Druckregelung kann eine Niveau- oder Druckdifferenzregelung (7) für das Einspritzventil eingesetzt werden.
  • Die Temperatur vor dem Einspritzventil wird mittels geeigneten Massnahmen (wie oben beschrieben) konstant gehalten. Diese Temperaturkonstanthaltung des flüssigen Kältemittels vor dem Einspritzventil kann zum Beispiel mit einem zwischen der Flüssigkeitsleitung und dem Mediumvorlauf eingebauten Wärmeaustauscher (4) erfolgen.
  • Durch den Wärmetauscher (4) wird ein Teil- oder der ganze Massenstrom des gekühlten Mediums im Gleich-, Gegen- oder Kreuzstrom, etc. zur Kältemittelflüssigkeit geführt (10/11).
  • Das Medium kann dabei mit einer geregelten oder ungeregelten Temperatur durch den Tauscher geführt werden.
  • Durch die richtige Dimensionierung des Wärmetauschers (4) findet eine Unterkühlung respektive Konstanthaltung der Kältemittelflüssigkeit vor dem Einspritzventil (A) auf einem beliebigen aber auf Wunsch auch auf einem sehr tiefen Temperaturniveau statt, was bedeutet, dass der Verdampfer (1) mit flüssigem oder nur geringem Anteil von bereits verdampftem Kältemittel gespiesen wird.
  • Der Anteil an bereits verdampftem Kältemittel in den Verdampfer kann mit einer entsprechenden Temperatur des flüssigen Kältemittels vor dem Einspritzventil (A) auf die Verdampferbauart (1) und somit den Wirkungsgrad zum Starten des Verdampfungsprozesses optimiert und eingestellt werden.
  • Alternativ zur Übersteuerung der Einspritzventilregelung durch die Sauggastemperatur durch Überfluten der zweiten Stufe des Zweistufenverdampfers bei zu hohen Saugdampftemperaturen vor dem Verdichter (T23) kann die Kältemittelflüssigkeitseintrittstemperatur in die zweite Verdampferstufe (IWT) (2) (F) zum Beispiel mittels eines externen Unterkühlers (3) bei hohen Kondensationstemperaturen begrenzt werden.
  • Alternativ oder in Kombination zu dieser Begrenzung kann ein Teil des Kältemittelflüssigkeitsmassenstroms (E), in Abhängigkeit der Saugdampftemperatur (B), an der zweiten Verdichterstufe (IWT) (2) vorbei geleitet werden.

Claims (21)

  1. Verfahren zum Betreiben einer Kälteanlage, dadurch gekennzeichnet, dass durch das Konstanthalten der Kältemittelflüssigkeitstemperatur vor dem Einspritzventil (A) stabile Verhältnisse im Regel- und Kältekreislauf (und damit hocheffiziente Verdampfung) erreicht werden.
  2. Verfahren zum Betreiben einer Kälteanlage gemäss Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass durch das Konstanthalten der Saugdampftemperatur vor dem Verdichter (B) stabile Verhältnisse im Regel- und Kältekreislauf (und damit hocheffiziente Verdampfung) erreicht werden.
  3. Verfahren zum Betreiben einer Kälteanlage gemäss einem der Ansprüche 1-2, dadurch gekennzeichnet, dass durch eine Niveausteuerung (7) am Verdampfer (1), IWT (Interner WärmeTauscher) (2) oder dem Zweistufenverdampfer (ZSV) (erste und/oder zweite Stufe) (1 + 2) oder einem geeigneten Referenzwert wie zum Beispiel vom Sammler, der Kältemittelstand im Wärmetauscher (1/2), wo das flüssige Kältemittel vollständig verdampft ist, definiert und geregelt wird. Dadurch wird der Füllgrad des Verdampfers mit flüssigem Kältemittel und dadurch die Saugdampftemperatur (B) definiert (und damit hocheffiziente Verdampfung erzielt).
  4. Verfahren zum Betreiben einer Kälteanlage gemäss einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, dass durch eine Druckdifferenzerfassung (7) am Verdampfer, IWT (Interner WärmeTauscher) oder dem Zweistufenverdampfer (ZSV) (erste und/oder zweite Stufe) der Kältemittelstand definiert und geregelt wird, wo das flüssige Kältemittel vollständig verdampft ist. Dadurch wird der Füllgrad des Verdampfers mit flüssigem Kältemittel und dadurch die Saugdampftemperatur definiert.
  5. Verfahren zum Betreiben einer Kälteanlage gemäss einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Begrenzung der Kältemittelflüssigkeitstemperatur (F) in den IWT (2) oder die zweite Stufe des ZSV (2) durch einen externen Unterkühler (3) bei hohen Kältemittelkondensationsaustrittstemperaturen die Saugdampftemperaturen (B) limitiert und konstant gehalten werden.
  6. Verfahren zum Betreiben einer Kälteanlage gemäss einem der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, dass durch das Umgehen mit einem Teilmassenstrom des flüssigen Kältemittels (9) (E) vom IWT (2) oder der zweiten Stufe des ZSV (2), geregelt nach der Saugdampftemperatur (B), diese konstant gehalten wird.
  7. Verfahren zum Betreiben einer Kälteanlage gemäss einem der Ansprüche 1-6, dadurch gekennzeichnet, dass durch das Umgehen mit einem Teilmassenstrom des Saugdampfes (12) (G) vom IWT (2) oder der zweiten Stufe des ZSV (2), geregelt nach der Saugdampftemperatur (B), diese konstant gehalten wird.
  8. Verfahren zum Betreiben einer Kälteanlage gemäss einem der Ansprüche 1-7, dadurch gekennzeichnet, dass durch weitere Massnahmen wie zusätzliche Wärmetauscher in der Saugleitung die Saugdampftemperatur (B) geregelt und diese konstant gehalten wird.
  9. Verfahren zum Betreiben einer Kälteanlage gemäss einem der Ansprüche 1-8, dadurch gekennzeichnet, dass durch weitere Massnahmen wie zusätzliche Speichermasse und dadurch erzielte Trägheit in der Saugleitung die Saugdampftemperatur (B) geregelt und diese konstant gehalten wird.
  10. Verfahren zum Betreiben einer Kälteanlage gemäss einem der Ansprüche 1-9, dadurch gekennzeichnet, dass durch Massnahmen wie zusätzliche Speichermasse und dadurch erzielte Trägheit in der Flüssigkeitsleitung (13) die Kältemittelflüssigkeitstemperatur vor dem Einspritzventil (A) geregelt und diese konstant gehalten wird.
  11. Verfahren zum Betreiben einer Kälteanlage gemäss einem der Ansprüche 1-10, dadurch gekennzeichnet, dass durch Massnahmen wie der Einsatz eines Wärmeaustauschers (4) zwischen der Kältemittelflüssigkeitsleitung und zum Beispiel dem sekundären Mediumvorlauf (oder anderer Medien mit geeignetem Temperaturniveau) eine Temperaturkonstanthaltung der Kältemittelflüssigkeitstemperatur vor dem Einspritzventil (A) erreicht wird.
  12. Verfahren zum Betreiben einer Kälteanlage gemäss einem der Ansprüche 1-11, dadurch gekennzeichnet, dass durch Massnahmen wie den Einsatz eines Wärmeaustauschers (4) zwischen der Kältemittelflüssigkeitsleitung und zum Beispiel dem sekundären Mediumvorlauf (oder anderer Medien mit geeignetem Temperaturniveau) die Temperatur der Kältemittelflüssigkeit vor dem Einspritzventil (A) auf einem so tiefen Niveau geregelt und konstantgehalten wird, dass der Beginn des Verdampfungsprozesses im Verdampfer genau definiert und eingestellt werden kann und dieser mit reiner Kältemittelflüssigkeit oder mit einem Kältemittelflüssigkeitsdampfgemisch gestartet wird.
  13. Verfahren zum Betreiben einer Kälteanlage gemäss einem der Ansprüche 1-12, dadurch gekennzeichnet, dass durch Massnahmen wie der Einsatz eines Ventils (9) zwischen der Kältemittelflüssigkeitsleitung und dem IWT (2) oder der zweiten Stufe des ZSV (2) eine Temperaturkonstanthaltung der Kältemittelflüssigkeitstemperatur vor dem Einspritzventil (A) erreicht wird.
  14. Verfahren zum Betreiben einer Kälteanlage gemäss einem der Ansprüche 1-13, dadurch gekennzeichnet, dass durch den Einsatz einer der Massnahmen 1-13 alleine oder in Kombination mit einer oder mehreren oder allen Massnahmen (1-13) zu einem äusserst stabilen Betrieb der Kälteanlage (und damit hocheffizienter Verdampfung) führt.
  15. Verfahren zum Betreiben einer Kälteanlage gemäss einem der Ansprüche 1-14, dadurch gekennzeichnet, dass durch den Einsatz einer der Massnahmen 1-14 alleine oder in Kombination mit einer oder mehreren oder allen Massnahmen (1-14) speziell mit dem Einsatz eines ZSV (1 + 2) kleinste Temperaturdifferenzen zwischen den Mediumsein- und Austrittstemperaturen (C/D) und zwischen Medium-Ein- und Austritttemperaturen zu den jeweiligen Verdampfungstemperaturen (C/D zu to) erzielt werden können.
  16. Verfahren zum Betreiben einer Kälteanlage gemäss einem der Ansprüche 1-15, dadurch gekennzeichnet, dass durch den Einsatz einer der Massnahmen 1-15 alleine oder in Kombination mit einer oder mehreren oder allen Massnahmen (1-15) durch stabilere Regelung stabilere Kältesysteme mit wenigen oder keinen Rückkoppelungs- und Aufschwingungseffekten hergestellt und betrieben werden können (und daraus hocheffiziente Verdampfung erfolgt).
  17. Verfahren zum Betreiben einer Kälteanlage gemäss einem der Ansprüche 1-16, dadurch gekennzeichnet, dass durch den Einsatz einer der Massnahmen 1-16 alleine oder in Kombination mit einer oder mehreren oder allen Massnahmen (1-16) durch das Regeln und Stabilisieren der Hoch- und Saugdrücke die stabile Regelung und die stabilisierten Kältesysteme weiter stabilisiert werden können und so mit noch weniger oder keinen Rückkoppelungs- und Aufschwingungseffekten die Kältesysteme betrieben werden können.
  18. Verfahren zum Betreiben einer Kälteanlage gemäss einem der Ansprüche 1-17, dadurch gekennzeichnet, dass durch den Einsatz einer der Massnahmen 1-17 alleine oder in Kombination mit einer oder mehreren oder allen Massnahmen (1-17) beträchtliche Wirkungsgradverbesserungen und somit Energie- und Kostenersparnisse erzielt werden.
  19. Verfahren zum Betreiben einer Kälteanlage gemäss einem der Ansprüche 1-18, dadurch gekennzeichnet, dass durch den Einsatz einer der Massnahmen 1-18 alleine oder in Kombination mit einer oder mehreren oder allen Massnahmen (1-18) die Lebensdauer der eingesetzten Komponenten durch bedeutend weniger Schaltzyklen und weniger Temperatur- und Druckschwankungen beträchtlich verlängert wird.
  20. Verfahren zum Betreiben einer Kälteanlage gemäss einem der Ansprüche 1-19, dadurch gekennzeichnet, dass durch den Einsatz einer der Massnahmen 1-19 alleine oder in Kombination mit einer oder mehreren oder allen Massnahmen (1-19) die Massenströme kälteseitig zur Übertragung einer bestimmten Kälteleistung Qo auf ein Minimum reduziert werden können, was den Einsatz von kleineren Verdichtern, Verdampfern, Apparaturen, Ventilen, Leitungen, etc. zur Folge hat.
  21. Verfahren zum Betreiben einer Kälteanlage gemäss einem der Ansprüche 1-20, dadurch gekennzeichnet, dass es durch den Einsatz einer der Massnahmen 1-20 alleine oder in Kombination mit einer oder mehreren oder allen Massnahmen (1-20) keine Rolle spielt, ob ein oder mehrere Verdampfer, Verdichter, Ventile, Wärmetauscher, etc., in welcher Form und Kombination auch immer, zum Einsatz kommen.
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