EP3329191B1 - Vorrichtung und verfahren zum durchführen eines kaltdampfprozesses - Google Patents

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EP3329191B1
EP3329191B1 EP16748095.3A EP16748095A EP3329191B1 EP 3329191 B1 EP3329191 B1 EP 3329191B1 EP 16748095 A EP16748095 A EP 16748095A EP 3329191 B1 EP3329191 B1 EP 3329191B1
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EP
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high pressure
expander
fluid
mass flow
pressure level
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Bitzer Kuehlmaschinenbau GmbH and Co KG
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Definitions

  • the present invention relates to a device and a method for
  • DE 10010864 shows a device according to the preamble of claim 1.
  • the present invention is therefore based on the object of proposing a device and a method for carrying out a cold steam process, with which a simplified control and regulation of the cold steam process is possible.
  • a device for carrying out a cold steam process has a motor-driven main compressor which is designed to suck in a mass flow of a fluid serving as a coolant which is at the evaporator pressure level and to compress this mass flow to a high pressure level.
  • a high pressure heat exchanger is provided in order to cool the mass flow of the fluid which is at the high pressure level, to increase its density and to reduce a temperature of the fluid by cooling.
  • the mass flow of the fluid coming from the high pressure heat exchanger is expanded to the evaporator pressure level in an expander and is fed to an evaporator.
  • the evaporator is designed to absorb heat so that the density of the fluid decreases as it passes through the evaporator and the temperature of the mass flow coming from the expander, which is at the evaporator pressure level and passes through the evaporator, increases.
  • a subcooler is provided downstream of the high pressure heat exchanger and upstream of the expander. After the subcooler and before the expander, a part of the mass flow of the fluid that is at high pressure level can be branched off and expanded to medium pressure level by means of a high pressure control valve, so that the fluid then absorbs heat at medium pressure level in countercurrent in the subcooler and thereby subcools the mass flow that is at high pressure level in the subcooler.
  • a high pressure compressor that is mechanically directly connected to the expander is designed to exclusively supply the fluid that is branched off between the subcooler and before the expander and in countercurrent to the To compress the mass flow of fluid passing through the subcooler, which is at high pressure level, from medium pressure level to high pressure level and to mix it with the mass flow of fluid coming from the motor-driven main compressor upstream of the high pressure heat exchanger.
  • the device described enables efficient control of the high pressure that is typically present at the high pressure heat exchanger, the high pressure compressor and partly at the subcooler. Because the high pressure compressor, which is also directly driven by the expander, only compresses a separate mass flow of the fluid, the medium pressure mass flow, the mass flow that is guided through the expander and comes from the high pressure heat exchanger can be additionally subcooled. The exergy of the expansion is thus ultimately used for additional subcooling at high pressure, or the output of the expander is used to compress the medium pressure mass flow in the high pressure compressor.
  • a collector can be arranged after the expander (and thus before the evaporator). This is designed to separate a liquid phase of the fluid and a vapor phase of the fluid.
  • the liquid phase of the fluid can be stored in the collector and expanded to evaporator pressure via an injection valve arranged between the collector and the evaporator.
  • the vapor phase of the fluid can be expanded via a pressure-maintaining valve.
  • the expanded liquid phase can be fed to the evaporator in the mass flow, while the expanded vapor phase after the evaporator can be mixed into the mass flow of the fluid coming from the evaporator.
  • the expander and the high-pressure compressor are arranged in a common housing and form a unit, which is also referred to as an "expander-compressor unit".
  • the arrangement in a single housing enables a space-saving design in which the expander and the high-pressure compressor can be mechanically connected directly to one another, in particular in a pressure-tight manner.
  • the displacement ratio between the expander and the high-pressure compressor should preferably be between 0.5 and 0.75 to ensure optimum cold steam processing.
  • the displacement ratio is particularly preferably 0.6. In principle, lower values are sensible for high recooling temperatures at the outlet of the high-pressure heat exchanger.
  • the working spaces of the expander can be controlled via a main slide and an auxiliary slide.
  • the main slide and the auxiliary slide are arranged centrally between the working spaces of the expander, which are usually located on the inside and therefore face each other.
  • the main slide valve and/or the auxiliary slide valve are designed as flat slide valves in order to ensure simple and particularly tight operation with only a small space requirement.
  • auxiliary slide of the working piston is movable by two pins.
  • a piston rod that keeps the working pistons at a distance is detachably connected to the working pistons, i.e. not permanently connected to them.
  • This is simple in terms of manufacturing and yet functional, as the internal piston rod only experiences compressive forces and therefore does not have to be permanently connected to the piston or pistons. This means that small misalignments of housing parts can be accepted and production is made easier.
  • a main slide unit consisting of the main slide, a slide rod and a slide piston can be constructed in the same way.
  • An auxiliary slide unit consisting of the auxiliary slide and the pins can also be constructed in the same way.
  • a high pressure level between 50 bar and 100 bar
  • a medium pressure level between 40 bar and 65 bar
  • a collector pressure level between 30 bar and 35 bar
  • an evaporator pressure level between 25 bar and 30 bar.
  • a method for carrying out a cold vapor process has a method step in which a mass flow of a fluid serving as a refrigerant, which is at evaporator pressure level, is compressed to high pressure level by a motor-driven main compressor. This mass flow of the fluid, which is at high pressure level, is cooled in a high pressure heat exchanger, whereby a density is increased and a temperature of the fluid is reduced. The fluid coming from the high pressure heat exchanger is expanded to evaporator pressure level in an expander, whereby the expander is mechanically connected directly to a high pressure compressor.
  • the fluid coming from the expander is led into an evaporator and absorbs heat there, so that the density of the fluid decreases and the temperature of the mass flow of the fluid coming from the expander, which is at evaporator pressure level, increases.
  • the fluid is led through a subcooler, whereby between the subcooler and before the expander, part of the fluid is branched off from the mass flow at high pressure level and expanded to medium pressure level by means of a high-pressure control valve.
  • the fluid is then led through the subcooler at medium pressure level in countercurrent to the mass flow led through the subcooler, which is at high pressure level, where it absorbs heat and the mass flow, which is at high pressure level, is subcooled.
  • the fluid in the branched medium-pressure mass flow reaches the high-pressure compressor, which exclusively compresses the countercurrent fluid from medium-pressure level to high-pressure level and mixes it with the mass flow coming from the motor-driven main compressor before the high-pressure heat exchanger.
  • the fluid is led into a collector after the expander, in which a liquid phase of the fluid is separated from a vapor phase of the fluid.
  • the liquid phase is expanded to evaporator pressure via an injection valve.
  • the vapor phase of the fluid is expanded via a pressure-maintaining valve and, after the evaporator, is mixed into the mass flow of the fluid coming from the evaporator.
  • Carbon dioxide, C0 2 can be used as a fluid, which is also referred to as a coolant in this context, because carbon dioxide is non-explosive and non-flammable, but thermally stable.
  • a coolant As a coolant, its advantages include a low specific volume and a high heat transfer coefficient as well as low pressure losses when flowing through heat exchangers.
  • the described method can be carried out with the described device or the described device is configured to carry out the described method.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a cold steam process.
  • a low-pressure circuit in which a fluid, in the illustrated embodiment carbon dioxide, comes from a collector S through an injection valve TV and passes through an evaporator V to a motor-driven main compressor CI.
  • the fluid compressed by the main compressor CI mixes with a medium-pressure mass flow of the fluid compressed by a high-pressure compressor C2 in front of the high-pressure heat exchanger H, in which a higher pressure is maintained than in the collector S. From the high-pressure heat exchanger H, the fluid passes through a subcooler U and the expander E back into the collector S.
  • a separate medium-pressure mass flow is compressed by the high-pressure compressor C2, which is directly driven by the expander E, before it reaches the high-pressure heat exchanger H.
  • the high-pressure compressor C2 only compresses this medium-pressure mass flow, i.e. no fluid that is guided outside the medium-pressure mass flow.
  • the high-pressure heat exchanger H which is also referred to as a gas cooler or condenser
  • the fluid just coming from the high-pressure heat exchanger H is transferred to a high-pressure heat exchanger H between the high-pressure heat exchanger H and the high-pressure heat exchanger H. and the expander E is divided after passing through the subcooler U.
  • the branched fluid then absorbs heat in the subcooler U in countercurrent and reaches the high-pressure compressor C2. This additionally subcools the high-pressure mass flow of the fluid. The exergy of the expansion is thus used for additional subcooling at high pressure.
  • the medium-pressure mass flow compressed to high pressure by the high-pressure compressor C2 is mixed with the fluid coming from the main compressor CI upstream of the high-pressure heat exchanger H.
  • a pressure difference and a suction volume flow can be freely adjusted on the high-pressure compressor C2 according to what is available on the expander side. If the high-pressure control valve or throttle TH is closed, the pressure difference increases until the expander-compressor unit shown stops and there is no more expander mass flow. The result is an increasing high pressure. If the high-pressure control valve TH is now slowly opened, the medium pressure increases again until the expander E is running and the desired expander mass flow, high pressure and expander inlet temperature are set. However, the high pressure should only be increased to such an extent that a minimal temperature difference remains on the "hot side" of the subcooler U, i.e. on the high-pressure compressor side. This is another control principle. The expander mass flow is thus regulated without throttling it, which would be equivalent to a loss of exergy.
  • the collector pressure in the collector S is only selected to be high enough to ensure sufficient controllability of the injection valve TV and a pressure holding valve TS, which is arranged in a line connected between a vapor space of the collector S and after the evaporator V and before the main compressor CI. With a constant evaporator pressure, this allows a constantly low collector pressure, regardless of the high pressure.
  • a coefficient of performance at an evaporation temperature of -10 °C and an ambient temperature of 20 °C can be increased by around 15 percent compared to a simple cold steam process in which only a compressor, a high-pressure gas cooler or condenser, a throttle valve, a collector and an evaporator are used in a known manner.
  • the high pressure remains at comparable values.
  • further exergy losses can be reduced by a two-stage compression with intermediate cooling, whereby the rest of the process control or the rest of the structure remains the same.
  • expander E in several stages, ie to allow the expansion of the fluid to take place in several stages.
  • several individual expanders E can be arranged one behind the other.
  • FIG 2 shows in a Figure 1
  • the corresponding view shows the described process without the collector S.
  • Recurring features are provided with identical reference numerals in this figure as well as in the following figures.
  • the expander E thus leads the fluid directly to the evaporator V without the fluid first passing through the collector S. Accordingly, the injection valve TV and the pressure holding valve TS are also obsolete.
  • Figure 3 shows a side view of a cross-section through an expander-compressor unit consisting of the expander E and the high-pressure compressor C2, which are arranged in a common housing 10 and thus form the expander-compressor unit.
  • Two pistons 1 and 2 are kept at a distance by a piston rod 3 and spatially separated from one another by a central part 4 of the unit.
  • the working space 5.1 and the working space 5.2 are each one of two expander working spaces, while the working spaces 6.1 and 6.2 are each one of two compressor working spaces.
  • a value between 0.5 and 0.75 has proven to be the optimal displacement ratio for the unit shown.
  • the internal expander working spaces 5.1 and 5.2 are controlled by an auxiliary slide 9 or a main slide 8 arranged in the middle part 4.
  • the auxiliary slide 9 is moved directly by the working pistons 1 and 2 by pins 7.
  • the auxiliary slide 9 then applies pressure to the main slide 8, which then moves and controls an inflow opening and an outflow opening for the working spaces 5.1 and 5.2 of the expander E by opening and closing.
  • the main slide 8 and the auxiliary slide 9 are advantageously designed as flat slides.
  • Simple ball valves are arranged in the compressor working chambers 6.1 and 6.2. Since the piston rod 3 in the illustrated embodiment only experiences pressure forces, the piston rod 3 is not firmly connected to the pistons 1 and 2, but is detachably connected, in that the pistons 1 and 2 only touch the piston rod 3 at the front or across its surface.
  • Figure 4 shown in a side view, in which the working pistons 1 and 2 are separated from the piston rod 3. In other embodiments, however, a fixed connection can of course also be present. The construction shown thus also allows the use of O-rings in places that would otherwise be difficult to seal.
  • Figure 5 represents a sectional view along the line BB of Figure 3 by an end piece of the expander-compressor unit.
  • a compressor valve designed as a ball valve is connected to an upper connection on the high-pressure side and to its lower connection to the medium-pressure level of the subcooler U.
  • FIG 6 is a sectional view of the middle part 4 of the Figure 3 shown expander-compressor unit along the line AA.
  • An upper connection leads the fluid from the high pressure level of the subcooler U, while the lower connection leads to the collector S.
  • the main slide 8 is connected to a slide piston 12 via a slide rod 11, this connection being detachable. This is shown in a side view in Figure 7 also shown, in which the main slide 8, the slide rod 11 and the slide piston 12 are shown as separate and distinct components.
  • auxiliary slide 9 together with the pins 7 used for its actuation by the working pistons 1 and 2 is in Figure 8 along a line DD from Figure 3 shown.
  • Figure 9 shows in a Figure 4 corresponding view the auxiliary slide 9 and the two pins 7 in a separate manner, by means of which the auxiliary slide 9 can be moved.
  • Figure 10 shows a top view of a sealing frame 13 with two O-rings 14 and 15 for the auxiliary slide 9, which are arranged in openings in the sealing frame 13 during installation.
  • the main slide 8 including slide rod 11 and slide piston 12 in plan view along the line CC from Figure 3
  • Figure 12 a further sealing frame 16 with O-ring 17 for the main slide 8.
  • the described construction allows the use of O-rings on surfaces that are difficult to seal (namely around the main slide 8 and the auxiliary slide 9), so that pocket milling is avoided by appropriate support frames.

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Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum
  • Durchführen eines Kaltdampfprozesses. DE 10010864 zeigt eine Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
  • Kaltdampfprozesse mit Kohlendioxid als Kältemittel sind bekannt und werden aufgrund der günstigen Eigenschaften von Kohlendioxid im Hinblick auf den Treibhauseffekt zunehmend verstärkt eingesetzt. Die Leistungszahl eines derartigen C02-Kaltdampfprozesses durch Nutzung einer arbeitsleistenden Expansion zu erhöhen ist beispielsweise aus der Druckschrift EP 1 812 759 B1 bekannt. Nachteilig an dieser bekannten Lösung ist jedoch, dass eine komplizierte Frequenzsteuerung zur Beeinflussung des Hochdrucks verwendet wird. Darüber hinaus ist ein sogenannter hydraulischer Druckübersetzer aus Quack, H.; Kraus, W.E.: Carbon Dioxide as a Refrigerant for Railway Refrigeration and Air Conditioning, Proceedings of the IIR-Conference New Application of Natural Working Fluids in Refrigeration and Air Conditioning, Hannover, Deutschland 1994, S. 489-494 bekannt.
  • Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Durchführen eines Kaltdampfprozesses vorzuschlagen, mit denen eine vereinfachte Steuerung und Regelung des Kaltdampfprozesses möglich ist.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Vorrichtung nach Anspruch 1 und ein Verfahren nach Anspruch 9. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
  • Eine Vorrichtung zum Durchführen eines Kaltdampfprozesses weist einen motorbetriebenen Hauptkompressor auf, der eingerichtet ist, einen Massestrom eines als Kältemittel dienenden Fluids, der sich auf Verdampferdruckniveau befindet, anzusaugen und diesen Massestrom auf Hochdruckniveau zu komprimieren. Außerdem ist ein Hochdruckwärmeübertrager vorgesehen, um den Massestrom des Fluids, der sich auf Hochdruckniveau befindet, zu kühlen, eine Dichte desselben zu erhöhen und eine Temperatur des Fluids durch das Kühlen zu verringern. Der vom Hochdruckwärmeübertrager kommende Massestrom des Fluids wird in einem Expander arbeitsleistend auf Verdampferdruckniveau entspannt und einem Verdampfer zugeführt. Der Verdampfer ist eingerichtet, Wärme aufzunehmen, so dass die Dichte des Fluids beim Durchlaufen des Verdampfers abnimmt und die Temperatur des von dem Expander kommenden Massestroms, der sich auf Verdampferdruckniveau befindet und den Verdampfer durchläuft, steigt. Schließlich ist ein dem Hochdruckwärmeübertrager nachgeschalteter und dem Expander vorgeschalteter Unterkühler vorgesehen. Nach dem Unterkühler und vor dem Expander ist ein Teil des Massestroms des Fluids, der sich auf Hochdruckniveau befindet, abzweigbar und mittels eines Hochdruckregelventils auf Mitteldruckniveau entspannbar, so dass das Fluid anschließend auf Mitteldruckniveau im Gegenstrom im Unterkühler Wärme aufnimmt und hierbei den Massestrom, der sich auf Hochdruckniveau befindet, im Unterkühler unterkühlt. Ein Hochdruckkompressor, der mit dem Expander mechanisch direkt verbunden ist, ist dazu eingerichtet, ausschließlich den zwischen dem Unterkühler und vor dem Expander abgezweigten und im Gegenstrom zu dem den Unterkühler durchlaufenden Massestrom des Fluids, der sich auf Hochdruckniveau befindet, geführten Massestrom von Mitteldruckniveau auf Hochdruckniveau zu verdichten und vor dem Hochdruckwärmeübertrager dem von dem motorbetriebenen Hauptkompressor kommenden Massestrom des Fluids beizumischen.
  • Durch die beschriebene Vorrichtung ist eine effiziente Regelung des Hochdrucks, der typischerweise an dem Hochdruckwärmeübertrager, dem Hochdruckkompressor und teilweise an dem Unterkühler anliegt, möglich. Dadurch, dass der zusätzlich von dem Expander direkt angetriebene Hochdrucckompressor nur einen separaten Massestrom des Fluids, den Mitteldruckmassestrom, verdichtet, kann der durch den Expander geführte Massestrom, der von dem Hochdruckwärmeübertrager kommt, zusätzlich unterkühlt werden. Die Exergie der Expansion wird somit letztlich zur zusätzlichen Unterkühlung bei Hochdruck genutzt bzw. eine Leistung des Expanders dient dazu, den Mitteldruckmassestrom im Hochdruckkompressor zu verdichten.
  • Nach dem Expander (und somit vor dem Verdampfer) kann ein Sammler angeordnet sein. Dieser ist dazu eingerichtet, eine Flüssigphase des Fluids und eine Dampfphase des Fluids zu trennen. Die Flüssigphase des Fluids ist speicherbar in dem Sammler sowie über ein zwischen dem Sammler und dem Verdampfer angeordnetes Einspritzventil auf Verdampferdruck entspannbar. Die Dampfphase des Fluids ist über ein Druckhalteventil entspannbar. Die entspannte Flüssigphase ist im Massestrom dem Verdampfer zuführbar, während die entspannte Dampfphase nach dem Verdampfer in den von dem Verdampfer kommenden Massestrom des Fluids beimischbar ist.
  • Es kann vorgesehen sein, dass der Expander und der Hochdruckkompressor in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet sind und eine Einheit bilden, die auch als "Expander-Kompressor-Einheit" bezeichnet wird. Durch die Anordnung in einem einzigen Gehäuse wird eine platzsparende Bauart ermöglicht, bei der der Expander und der Hochdruckkompressor mechanisch direkt, insbesondere druckdicht miteinander verbindbar sind.
  • Ein Hubraumverhältnis zwischen dem Expander und dem Hochdrucckompressor soll vorzugsweise zwischen 0,5 und 0,75 liegen, um einen optimalen Verlauf des Kaltdampfprozesses zu gewährleisten. Besonders vorzugsweise beträgt das Hubraumverhältnis 0,6. Grundsätzlich sind niedrigere Werte für hohe Rückkühltemperaturen am Austritt des Hochdruckwärmeübertragers sinnvoll anzuwenden.
  • Alternativ oder zusätzlich können Arbeitsräume des Expanders über einen Hauptschieber und einen Hilfsschieber steuerbar sein. Der Hauptschieber und der Hilfsschieber sind hierbei mittig zwischen den üblicherweise innenliegenden, also einander zugewandten Arbeitsräumen des Expanders angeordnet.
  • Vorzugsweise sind der Hauptschieber und bzw. oder der Hilfsschieber als Flachschieber ausgeführt, um eine einfache und besonders dichte Funktionsweise bei nur geringem Platzbedarf zu gewährleisten.
  • Es kann auch vorgesehen sein, dass der Hilfsschieber von Arbeitskolben durch zwei Stifte bewegbar ist.
  • Typischerweise ist eine Kolbenstange, die die Arbeitskolben auf Abstand hält, lösbar mit den Arbeitskolben verbunden, also nicht fest mit diesen verbunden. Dies ist fertigungstechnisch einfach und dennoch funktional, da die innenliegende Kolbenstange nur Druckkräfte erfährt und somit nicht fest mit dem oder den Kolben verbunden sein muss. Hierdurch können geringe Fluchtungsfehler von Gehäuseteilen akzeptiert werden und die Fertigung wird erleichtert. In gleicher Weise kann auch eine aus dem Hauptschieber, einer Schieberstange und einem Schieberkolben bestehende Hauptschiebereinheit aufgebaut sein. Ebenso kann in gleicher Weise auch eine aus dem Hilfsschieber und den Stiften bestehende Hilfsschiebereinheit aufgebaut sein.
  • Es kann vorgesehen sein, den Expander mehrstufig auszuführen, worunter insbesondere auch mehrere hintereinander geschaltete Expander verstanden werden sollen, die in mehreren Stufen eine Expansion durchführen, wobei sich eine ältere Bauart nach DE 102 42 271 B3 ohne Frequenzsteuerung anbietet.
  • Es können bei der beschriebenen Vorrichtung vier Druckniveaus auftreten, die typischerweise die nachfolgend beschriebenen Wertebereiche einnehmen: ein Hochdruckniveau zwischen 50 bar und 100 bar, ein Mitteldruckniveau zwischen 40 bar und 65 bar, ein Sammlerdruckniveau zwischen 30 bar und 35 bar sowie ein Verdampferdruckniveau zwischen 25 bar und 30 bar.
  • Ein Verfahren zum Durchführen eines Kaltdampfprozesses weist einen Verfahrensschritt auf, in dem ein Massestrom eines als Kältemittel dienenden Fluids, der sich auf Verdampferdruckniveau befindet, durch einen motorbetriebenen Hauptkompressor auf Hochdruckniveau komprimiert wird. Dieser Massestrom des Fluids, der sich auf Hochdruckniveau befindet, wird in einem Hochdruckwärmeübertrager gekühlt, wobei eine Dichte erhöht wird und eine Temperatur des Fluids verringert wird. Das von dem Hochdruckwärmeübertrager kommende Fluid wird in einem Expander arbeitsleistend auf Verdampferdruckniveau entspannt, wobei der Expander mechanisch direkt mit einem Hochdruckkompressor verbunden ist. Das von dem Expander kommende Fluid wird in einen Verdampfer geführt und nimmt dort Wärme auf, so dass die Dichte des Fluids abnimmt und die Temperatur des von dem Expander kommenden Massestroms des Fluids, der sich auf Verdampferdruckniveau befindet, zunimmt. Nach dem Hochdruckwärmeübertrager und vor dem Expander wird das Fluid durch einen Unterkühler geführt, wobei zwischen dem Unterkühler und vor dem Expander ein Teil des Fluids aus dem auf Hochdruckniveau befindlichen Massestrom abgezweigt sowie mittels eines Hochdruckregelventils auf Mitteldruckniveau entspannt wird. Nachfolgend wird das Fluid im Gegenstrom zu dem durch den Unterkühler geführten Massestrom, der sich auf Hochdruckniveau befindet, auf Mitteldruckniveau durch den Unterkühler geführt, wobei es Wärme aufnimmt und der Massestrom, der sich auf Hochdruckniveau befindet, unterkühlt wird. Nach dem Durchlaufen des Unterkühlers gelangt das Fluid im abgezweigten Mitteldruckmassestrom zu dem Hochdruckkompressor, der ausschließlich das im Gegenstrom geführte Fluid von Mitteldruckniveau auf Hochdruckniveau verdichtet und vor dem Hochdruckwärmeübertrager dem von dem motorbetriebenen Hauptkompressor kommenden Massestrom beimischt.
  • Es kann vorgesehen sein, dass das Fluid nach dem Expander in einen Sammler geführt wird, in dem eine Flüssigphase des Fluids von einer Dampfphase des Fluids getrennt wird. Die Flüssigphase wird über ein Einspritzventil auf Verdampferdruck entspannt. Die Dampfphase des Fluids wird über ein Druckhalteventil entspannt und nach dem Verdampfer in den von dem Verdampfer kommenden Massestrom des Fluids beigemischt.
  • Als Fluid, das in diesem Zusammenhang auch als Kältemittel bezeichnet wird, kann Kohlendioxid, C02, verwendet werden, da Kohlendioxid nicht explosiv und nicht brennbar, aber thermisch stabil ist. Als Kälteträger zählen zu seinen Vorteilen ein geringes spezifisches Volumen und ein hoher Wärmeübergangskoeffizient sowie niedrige Druckverluste bei einer Strömung durch Wärmeübertrager.
  • Das beschriebene Verfahren kann mit der beschriebenen Vorrichtung durchgeführt werden bzw. die beschriebene Vorrichtung ist zum Durchführen des beschriebenen Verfahrens eingerichtet.
  • Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden nachfolgend anhand der Figuren 1 bis 12 erläutert.
  • Es zeigen:
    • Fig. 1
    eine schematische Darstellung einer Prozessführung eines Kaltdampfprozesses und
    Fig. 2
    eine Figur 1 entsprechende schematische Ansicht der Prozessführung ohne einen Sammler;
    Fig. 3
    eine Querschnittsansicht einer Expander-Kompressor-Einheit;
    Fig. 4
    eine seitliche Ansicht einer Kolbenstange samt Arbeitskolben;
    Fig. 5
    eine Schnittansicht durch ein Ende der Expander-Kompressoreinheit;
    Fig. 6
    eine Schnittansicht eines Mittelteils der in Figur 3 gezeigten Expander-Kompressor-Einheit;
    Fig. 7
    eine Figur 4 entsprechende seitliche Ansicht des Hauptschiebers samt Schieberstange und Kolben;
    Fig. 8
    eine vergrößerte Ansicht des Hilfsschiebers samt Stiften;
    Fig. 9
    eine Figur 4 entsprechende Ansicht eines Hilfsschiebers samt Stiften;
    Fig. 10
    eine Draufsicht auf einen Dichtungsrahmen samt O-Ringen;
    Fig. 11
    eine vergrößerte Ansicht des Hauptschiebers in Draufsicht und
    Fig. 12
    eine Draufsicht auf einen weiteren Dichtungsrahmen samt O-Ring.
  • Figur 1 zeigt in einer schematischen Darstellung eine Prozessführung eines Kaltdampfprozesses. Im unteren Teil von Figur 1 ist ein Niederdruckkreis dargestellt, bei dem von einem Sammler S kommend durch ein Einspritzventil TV ein Fluid, im dargestellten Ausführungsbeispiel Kohlendioxid, durch einen Verdampfer V zu einem motorbetriebenen Hauptkompressor CI gelangt. Das von dem Hauptkompressor CI verdichtete Fluid mischt sich mit einem von einem Hochdruckkompressor C2 verdichteten Mitteldruckmassestrom des Fluids vor dem Hochdruckwärmeübertrager H, in dem ein höherer Druck als in dem Sammler S eingehalten ist. Von dem Hochdruckwärmeübertrager H gelangt das Fluid über einen Unterkühler U und den Expander E wieder in den Sammler S.
  • Bei der dargestellten Prozessführung wird jedoch ein separater Mitteldruckmassestrom durch den von dem Expander E direkt angetriebenen Hochdrucckompressor C2 verdichtet, bevor er in den Hochdruckwärmeübertrager H gelangt. Der Hochdruckkompressor C2 verdichtet nur diesen Mitteldruckmassestrom, also kein Fluid, das außerhalb des Mitteldruckmassestroms geführt ist. Nach dem Hochdruckwärmeübertrager H, der auch als Gaskühler bzw. Kondensator bezeichnet wird, wird das gerade aus dem Hochdruckwärmeübertrager H und in einen zwischen dem Hochdruckwärmeübertrager H und dem Expander E liegenden Unterkühler U strömende Fluid nach Durchlaufen des Unterkühlers U aufgeteilt. Ein kleinerer Teil, typischerweise zwischen 15 Prozent und 30 Prozent wird in einer Drossel TH, die auch als Hochdruckregelventil bezeichnet wird, drosselentspannt. Anschließend nimmt das abgezweigte Fluid im Unterkühler U im Gegenstrom Wärme auf und gelangt zu dem Hochdruckkompressor C2. Dadurch wird der Hochdruckmassestrom des Fluids zusätzlich unterkühlt. Die Exergie der Expansion wird somit zur zusätzlichen Unterkühlung bei Hochdruck genutzt. Schließlich wird der durch den Hochdruckkompressor C2 wieder auf Hochdruck verdichtete Mitteldruckmassestrom vor dem Hochdruckwärmeübertrager H dem vom Hauptkompressor CI kommenden Fluid zugemischt. Durch die Abzweigung des Hochdruckregelventils TH direkt vor dem Expander E reduziert es außerdem ungewollte Pulsationen im "Flüssigkeitsteil" auf Hochdruckniveau und hat im Vergleich zur bekannten Abzweigung zwischen dem Hochdruckwärmeübertrager H und dem Unterkühler U weiterhin energetische Vorteile in manchen Betriebspunkten.
  • Eine Druckdifferenz und ein Saugvolumenstrom können sich hierbei nach der Erfindung am Hochdruckkompressor C2 entsprechend einem Angebot auf der Expanderseite frei einstellen. Wird das Hochdruckregelventil bzw. die Drossel TH geschlossen, steigt dessen Druckdifferenz solange, bis die skizzierte Expander-Kompressor-Einheit stehenbleibt und kein Expandermassestrom mehr vorhanden ist. Die Folge ist ein steigender Hochdruck. Wird das Hochdruckregelventil TH nun langsam geöffnet, steigt der Mitteldruck wieder, bis der Expander E läuft und der gewünschte Expandermassestrom, Hochdruck und Expandereintrittstemperatur sich einstellen. Dabei sollte allerdings der Hochdruck nur soweit gesteigert werden, dass eine minimale Temperaturdifferenz an der "heißen Seite" des Unterkühlers U, d. h. hochdruckkompressorseitig, bleibt. Das ist ein weiterer Regelungsgrundsatz. Der Expandermassestrom wird somit geregelt, ohne ihn einzudrosseln, was einem Exergieverlust gleichkäme.
  • Der Sammlerdruck in dem Sammler S wird nur so hoch gewählt, dass eine ausreichende Regelbarkeit des Einspritzventils TV und eines Druckhalteventils TS gewährleistet ist, das in einer zwischen einem Dampfraum des Sammlers S und nach dem Verdampfer V sowie vor dem Hauptkompressor CI angeschlossenen Leitung angeordnet ist. Bei einem konstanten Verdampferdruck erlaubt dies einen konstant niedrigen Sammlerdruck, unabhängig vom Hochdruck.
  • Mit der in dem in Figur 1 in einem Ausführungsbeispiel dargestellten Vorrichtung bzw. einem entsprechenden Verfahren kann eine Leistungszahl bei -10 °C Verdampfungstemperatur und 20 °C Umgebungstemperatur um ca. 15 Prozent gegenüber einem einfachen Kaltdampfprozess, bei dem lediglich ein Kompressor, ein Hochdruckgaskühler bzw. Kondensator, ein Drosselventil, ein Sammler und ein Verdampfer in bekannter Weise Verwendung finden, gesteigert werden. Der Hochdruck bleibt hierbei bei vergleichbaren Werten. Um eine noch größere Steigerung zu erhalten, können noch weitere Exergieverluste durch eine zweistufige Verdichtung mit Zwischenkühlung verringert werden, wobei eine restliche Prozessführung bzw. der restliche Aufbau gleich bleibt.
  • Außerdem ist es möglich, den Expander E mehrstufig auszuführen, d. h. die Expansion des Fluids in mehreren Stufen ablaufen zu lassen. Hierfür können beispielsweise mehrere einzelne Expander E hintereinander angeordnet werden. Dafür bietet sich die bekannte Konstruktion aus DE 102 42 271 B3 ohne Frequenzsteuerung an.
  • Figur 2 zeigt in einer Figur 1 entsprechenden Ansicht die beschriebene Prozessführung ohne den Sammler S. Wiederkehrende Merkmale sind in dieser Figur wie auch in den folgenden Figuren mit identischen Bezugszeichen versehen. Der Expander E führt das Fluid somit direkt zu dem Verdampfer V, ohne dass das Fluid zuvor den Sammler S passiert. Dementsprechend sind auch das Einspritzventil TV und das Druckhalteventil TS obsolet.
  • Figur 3 zeigt in einer seitlichen Ansicht einen Querschnitt durch eine Expander-Kompressor-Einheit aus dem Expander E und dem Hochdruckkompressor C2, die in einem gemeinsamen Gehäuse 10 angeordnet sind und somit die Expander-Kompressor-Einheit bilden. Zwei Kolben 1 und 2 werden über eine Kolbenstange 3 auf Abstand gehalten und durch einen Mittelteil 4 der Einheit räumlich voneinander getrennt. Hierdurch bilden sich mehrere Arbeitsräume, von denen im dargestellten Beispiel allerdings nur die Arbeitsräume 5.1 und 6.2 bei maximalem Arbeitsraum zu sehen sind. Der Arbeitsraum 5.1 sowie der Arbeitsraum 5.2 ist jeweils einer von zwei Expanderarbeitsräumen, während der Arbeitsraum 6.1 und 6.2 jeweils einer von zwei Kompressorarbeitsräumen ist. Als optimales Hubvolumenverhältnis der dargestellten Einheit hat sich ein Wert zwischen 0,5 und 0,75 herausgestellt.
  • Im dargestellten Ausführungsbeispiel werden die innenliegenden Expanderarbeitsräume 5.1 und 5.2 über einen im Mittelteil 4 angeordnete Hilfsschieber 9 bzw. einen Hauptschieber 8 gesteuert. Dabei wird der Hilfsschieber 9 direkt von den Arbeitskolben 1 und 2 durch Stifte 7 bewegt. Der Hilfsschieber 9 wechselt anschließend eine Druckbeaufschlagung auf den Hauptschieber 8, der sich dadurch bewegt und eine Zuströmöffnung und eine Abströmöffnung für die Arbeitsräume 5.1 und 5.2 des Expanders E durch Öffnen und Schließen steuert. Der Hauptschieber 8 und der Hilfsschieber 9 sind dabei in vorteilhafter Weise als Flachschieber ausgestaltet.
  • In den Kompressorarbeitsräumen 6.1 und 6.2 sind einfache Kugelventile angeordnet. Da die Kolbenstange 3 im dargestellten Ausführungsbeispiel nur Druckkräfte erfährt, ist die Kolbenstange 3 nicht fest, sondern lösbar mit den Kolben 1 und 2 verbunden, indem die Kolben 1 und 2 auf die Kolbenstange 3 nur stirnseitig oder flächig berühren. Dies ist in Figur 4 in einer seitlichen Darstellung gezeigt, bei der die Arbeitskolben 1 und 2 von der Kolbenstange 3 getrennt sind. In weiteren Ausführungsbeispielen kann aber natürlich auch eine feste Verbindung vorliegen. Die dargestellte Konstruktion erlaubt somit auch eine Verwendung von O-Ringen an sonst schwierig abzudichtenden Stellen.
  • Figur 5 stellt eine Schnittansicht entlang der Linie B-B von Figur 3 durch ein Endstück der Expander-Kompressor-Einheit dar. Ein als Kugelventil ausgestaltetes Kompressorventil ist mit einem oberen Anschluss hochdruckseitig und mit seinem unteren Anschluss mit dem Mitteldruckniveau des Unterkühlers U verbunden.
  • In Figur 6 ist eine Schnittansicht des Mittelteils 4 der in Figur 3 gezeigten Expander-Kompressor-Einheit entlang der Linie A-A dargestellt. Ein oberer Anschluss führt das Fluid vom Hochdruckniveau des Unterkühlers U, während der untere Anschluss zum Sammler S führt. Der Hauptschieber 8 ist über eine Schieberstange 11 mit einem Schieberkolben 12 verbunden, wobei diese Verbindung lösbar ist. Dies ist in einer seitlichen Ansicht in Figur 7 auch dargestellt, bei der der Hauptschieber 8, die Schieberstange 11 und der Schieberkolben 12 als separate und voneinander getrennte Bauteile dargestellt sind.
  • Der Hilfsschieber 9 samt den zu seiner Betätigung durch die Arbeitskolben 1 und 2 eingesetzten Stiften 7 ist in Figur 8 entlang einer Linie D-D aus Figur 3 gezeigt. Figur 9 zeigt in einer Figur 4 entsprechenden Ansicht den Hilfsschieber 9 und die beiden Stifte 7 in getrennter Weise, durch die der Hilfsschieber 9 bewegt werden kann.
  • Figur 10 zeigt in Draufsicht einen Dichtungsrahmen 13 mit zwei O-Ringen 14 und 15 für den Hilfsschieber 9, die bei einem Einbau in Durchbrüchen des Dichtungsrahmens 13 angeordnet werden. In Figur 11 ist der Hauptschieber 8 samt Schieberstange 11 und Schieberkolben 12 in Draufsicht entlang der Linie C-C aus Figur 3 dargestellt. In gleicher Weise wie Figur 10 zeigt Figur 12 einen weiteren Dichtungsrahmen 16 mit O-Ring 17 für den Hauptschieber 8. Die beschriebene Konstruktion erlaubt gerade die Verwendung von O-Ringen an schwierig abzudichtenden Flächen (nämlich um den Hauptschieber 8 und den Hilfsschieber 9), so dass ein Taschenfräsen durch entsprechende Stützrahmen vermieden wird.

Claims (11)

  1. Vorrichtung zum Durchführen eines Kaltdampfprozesses mit
    einem motorbetriebenen Hauptkompressor (CI), der eingerichtet ist, einen Massestrom eines als Kältemittel dienenden Fluids, der sich auf Verdampferdruckniveau befindet, anzusaugen und diesen Massestrom auf Hochdruckniveau zu komprimieren,
    einem Hochdruckwärmeübertrager (H), der eingerichtet ist, den Massestrom des Fluids, der sich auf Hochdruckniveau befindet, zu kühlen, eine Dichte zu erhöhen und eine Temperatur des Fluids zu verringern,
    einem Expander (E), der eingerichtet ist, den von dem Hochdruckwärmeübertrager (H) kommenden Massestrom des Fluids arbeitsleistend auf Verdampferdruckniveau zu entspannen,
    einem Verdampfer (V), der eingerichtet ist, Wärme aufzunehmen, so dass die Dichte des Fluids beim Durchlaufen des Verdampfers (V) abnimmt und die Temperatur des von dem Expander (E) kommenden Massestroms, der sich auf Verdampferdruckniveau befindet, und des durch den Verdampfer (V) geführten Fluids steigen,
    einem dem Hochdruckwärmeübertrager (H) nachgeschalteten und dem Expander (E) vorgeschalteten Unterkühler (U),
    wobei Fluid auf Mitteldruckniveau im Gegenstrom im Unterkühler (U) Wärme aufnimmt und hierbei den den Unterkühler durchströmenden Massestrom, der sich auf Hochdruckniveau befindet, unterkühlt, einem Hochdruckkompressor (C2), der eingerichtet ist, den im Gegenstrom zu dem den Unterkühler (U) durchlaufenden und auf Hochdruck befindlichen Massestrom des Fluids geführten Massestrom, der sich auf Mitteldruckniveau befindet, zu verdichten und vor dem Hochdruckwärmeübertrager (H) dem von dem motorbetriebenen Hauptkompressor (CI) kommenden Massestrom beizumischen,
    dadurch gekennzeichnet , dass nach dem Unterkühler (U) und vor dem Expander (E) der im Gegenstrom durch den Unterkühler (U) geführte Teil des Massestroms des Fluids, der sich auf Hochdruckniveau befindet, abzweigbar und mittels eines Hochdruckregelventils (TH) auf Mitteldruckniveau entspannbar ist, dass der Hochdruckkompressor (C2) mit dem Expander (E) mechanisch direkt verbunden ist, um ausschließlich den vor dem Expander (E) abgezweigten Massestrom zu verdichten, und dass mittels des Hochdruckregelventils (TH) ein Expandermassestrom regelbar ist, wobei sich am Hochdruckkompressor (C2) eine Druckdifferenz und ein Saugvolumen entsprechend einem Angebot auf der Expanderseite dadurch frei einstellen können, dass bei einem Schließen des Hochdruckregelventils (TH) dessen Druckdifferenz so lange steigt, bis die Einheit aus dem Expander (E) und dem mechanisch direkt verbundenen Kompressor (C2) stehenbleibt, so dass kein Expandermassestrom mehr vorhanden ist und in Folge davon der Hochdruck steigt, und dass bei einem Öffnen des Hochdruckregelventils (TH) der Mitteldruck ansteigt bis der Expander € läuft und der gewünschte Expandermassestrom, Hochdruck und Expandereintrittstemperatur sich einstellen.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Expander (E) ein Sammler (S) angeordnet und eingerichtet ist, eine Flüssigphase des Fluids und eine Dampfphase des Fluids zu trennen, wobei die Flüssigphase speicherbar, über ein Einspritzventil (TV) auf Verdampferdruck entspannbar und die Dampfphase des Fluids über ein Druckhalteventil (TS) entspannbar ist, wobei die entspannte Flüssigphase dem Verdampfer (V) zuführbar und die entspannte Dampfphase nach dem Verdampfer (V) in den von dem Verdampfer kommenden Massestrom des Fluids beimischbar ist.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Expander (E) und der Hochdruckkompressor (C2) in einem gemeinsamen Gehäuse (10) angeordnet sind.
  4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Hubvolumenverhältnis zwischen dem Expander (E) und dem Hochdruckkompressor (C2) zwischen 0,5 und 0,75 eingehalten ist.
  5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Arbeitsräume (5.1, 5.2) des Expanders (E) über einen Hauptschieber (8) und einen Hilfsschieber (9) steuerbar sind, die mittig zwischen den Arbeitsräumen (5.1, 5.2) angeordnet sind.
  6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Hauptschieber (8) und/oder der Hilfsschieber (9) als Flachschieber ausgeführt ist/sind.
  7. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Hilfsschieber (9) von Arbeitskolben (1, 2) durch mindestens zwei Stifte (7) bewegbar ist.
  8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine Kolbenstange (3) lösbar mit den Arbeitskolben (1, 2) verbunden ist.
  9. Verfahren zum Durchführen eines Kaltdampfprozesses, bei dem
    ein Massestrom eines als Kältemittel dienenden Fluids, der sich auf Verdampferdruckniveau befindet, durch einen motorbetriebenen Hauptkompressor (CI) angesaugt und auf Hochdruckniveau komprimiert wird,
    der Massestrom des Fluids, der sich auf Hochdruckniveau befindet, in einem Hochdruckwärmeübertrager (H) gekühlt wird, wobei eine Dichte erhöht und eine Temperatur des Fluids verringert werden,
    das Fluid von dem Hochdruckwärmeübertrager (H) kommend in einem Expander (E) arbeitsleistend auf Verdampferdruckniveau entspannt wird,
    das von dem Expander (E) kommende Fluid in einem Verdampfer (V) geführt wird und Wärme aufnimmt, so dass die Dichte abnimmt und die Temperatur des von dem Expander (E) kommenden Massestroms, der sich auf Verdampferdruckniveau befindet, zunimmt,
    wobei das Fluid nach dem Hochdruckwärmeübertrager (H) durch einen Unterkühler (U) geführt wird
    und ein Teil des Fluids abgezweigt und auf Mitteldruck entspannt wird und im Unterkühler (U) im Gegenstrom zu dem auf Hochdruckniveau strömenden Massestrom geführt wird, Wärme aufnimmt und hierbei der Massestrom im Unterkühler, der sich auf Hochdruckniveau befindet, unterkühlt wird,
    und das Fluid auf Mitteldruck nach dem Durchlaufen des Unterkühlers (U) einen Hochdruckkompressor (C2) durchläuft, wobei ausschließlich das im Gegenstrom geführte Fluid durch den Hochdruckkompressor (C2) auf Hochdruckniveau verdichtet wird und vor dem Hochdruckwärmeübertrager (H) dem von dem motorbetriebenen Hauptkompressor (CI) kommenden Massestrom beigemischt wird, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Unterkühler (U) und vor dem Expander (E) der im Gegenstrom durch den Unterkühler (U) geführte Teil des Fluids aus dem durch den Unterkühler (U) geführten Massestrom, der sich auf Hochdruckniveau befindet, abgezweigt sowie mittels eines Hochdruckregelventils (TH) auf Mitteldruckniveau entspannt wird, wobei der Expander (E) mechanisch direkt mit dem Hochdruckkompressor (C2) verbunden ist, um ausschließlich den vor dem Expander (E) abgezweigten Massestrom zu verdichten, so dass mittels des Hochdruckregelventils (TH) ein Expandermassestrom geregelt wird, wobei sich am Hochdruckkompressor (C2) eine Druckdifferenz und ein Saugvolumen entsprechend einem Angebot auf der Expanderseite dadurch frei einstellen können, dass bei einem Schließen des Hochdruckregelventils (TH) dessen Druckdifferenz so lange steigt, bis die Einheit aus dem Expander (E) und dem mechanisch direkt verbundenen Kompressor (C2) stehenbleibt, so dass kein Expandermassestrom mehr vorhanden ist und in Folge davon der Hochdruck steigt und dass bei einem Öffnen des Hochdruckregelventils (TH) der Mitteldruck ansteigt bis der Expander (E) läuft und der gewünschte Expandermassestrom, Hochdruck und Expandereintrittstemperatur sich einstellen.
  10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Fluid nach dem Expander (E) in einen Sammler (S) geführt wird, in dem eine Flüssigphase des Fluids von einer Dampfphase des Fluids getrennt wird und die Flüssigphase über ein Einspritzventil (TV) auf Verdampferdruck sowie die Dampfphase des Fluids über ein Druckhalteventil (TS) entspannt wird und nach dem Verdampfer (V) in den von dem Verdampfer (V) kommenden Massestrom des Fluids beigemischt wird.
  11. Verfahren nach Anspruch 9 oder Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass als Fluid Kohlendioxid verwendet wird.
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