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Die
Erfindung betrifft eine Kälteanlage,
bestehend aus mindestens einem Schraubenverdichter, der einen Economiseranschluss
besitzt, der auf seiner Druckseite über andere Bauteile mit einem Verflüssiger strömungsmäßig verbunden
ist, einer ersten Drosselstelle, einem inneren Wärmeübertrager mit zwei Strömungspfaden
und daran angrenzenden Wärmeübertragungsflächen, wobei
ein Strömungspfad
stromabwärts
nach der ersten Drosselstelle angeordnet ist und sich an dessen
Ausgang eine Strömungsverbindung
zum Economiser-Anschluss anschließt und der andere Strömungsverbindung
vom Verflüssiger
zu einer zweiten Drosselstelle, die stromabwärts zu einem Flüssigkeitsabscheider
oder direkt zu einem Verdampfer führt. Am Verdichter auf der
Saugseite sind Ansaugdruck, auf der Druckseite Hochdruck und am
Economiseranschluss Zwischendruck beim Betrieb der Kälteanlage
vorhanden. Der Economiseranschluss ist so am Verdichter angeordnet,
dass bei Volllastbetrieb des Verdichters die Zahnlückenräume des
Schraubenverdichters, die Arbeitskammern für den Ansaugvorgang, den Verdichtungvorgang
bilden und den Ausschub des Kältemittels
infolge der Drehung der Rotoren bewerkstelligen. Der Economiseranschluss
ist am Verdichtergehäuse
so angeordnet, dass bei Volllastbetrieb des Verdichters keine Verbindung
der Arbeitskammern zur Saugseite besteht.
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Bei
solchen Kälteanlagen
ist der Schraubenverdichter zwecks Änderung des Ansaugvolumens mit
einem Regelschieber ausgerüstet,
der einen Umfangswandteil des die Rotoren umschließenden Gehäuses bildet,
der durch Verschieben eine Rückströmöffnung,
eine Bypassöffnung,
zur Saugseite freigibt, durch die das angesaugte Arbeitsmedium ohne
Verrichtung von Verdichtungsarbeit zur Saugseite zurückströmt.
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Wenn
der Verdichter bei Volllast betrieben wird, ist diese Rückströmfläche geschlossen.
Nach Abschluss des Ansaugvorganges wird Zwischendruck-Kältemitteldampf, der im inneren
Wärmeübertrager
infolge Wärmeaustausch
mit dem flüssigem Kältemittelstrom,
dem Kondensat, aus dem Verflüssiger
entsteht, in die geschlossenen Arbeitskammern geführt. Es
wird gemeinsam mit dem angesaugten Arbeitsmedium auf Enddruck verdichtet.
Der Zwischendruck-Kältemitteldampf
entsteht durch Entspannung eines Teilstromes von Kältemittelflüssigkeit
aus dem Verflüssiger über die
erste Drosselstelle und durch Verdampfung infolge Wärmeabgabe
des Kondensates aus dem Verflüssiger
(Abkühlung
des Kondensates). Der Dampf, der Zwischendruck-Kältemitteldampf, wird am Economiseranschluss
in den Verdichter eingespeist. In diesem Pfad des inneren Wärmeübertagers,
der stromabwärts
der ersten Drossestelle nachgeordnet ist, verdampft dieser Teilstrom
des Kältemittels
vollständig.
Dazu ist ein Regelventil, z. B. ein thermostatisch arbeitendes Expansionsventil
vor dem inneren Wärmeübertrager
angeordnet, das die Zufuhr der Kältemittels
in den inneren Wärmeübertrager
regelt. Der Druck am Economiseranschluss, der Zwischendruck, ist
größer als
der Saugdruck des Verdichters. Er verdichtet das in der betrachteten
geschlossenen Zahnlücke
vorhandene Gas auf Zwischendruckniveau. Die Kälteleistung vergrößert sich
durch diese Anlagenschaltung, und der COP-Wert verbessert sich deutlich.
Die Aufnahmefähigkeit
von Arbeitsmedium am Economiseranschluss hängt neben der konstruktiven
Gestaltung des Verdichters und der Lage dieser Öffnung in Bezug auf die Größe der Arbeitskammern
vom Ansaugdruck und vom Zwischendruck ab. Je niedriger der Ansaugdruck
und je höher
der Zwischendruck, desto mehr Arbeitsmedium kann am Economiseranschluss
aufgenommen werden. Umgekehrt ändert
sich bei der Zwischendruck-Kältemitteldampf
aus dem inneren Wärmeübertrager.
Er nimmt ab, wenn der Zwischendruck ansteigt. Deshalb gibt es ein
Gleichgewicht zwischen „Schluckfähigkeit
des Economiseranschlusses" und
Zwischendruck-Kältemitteldampf – Aufkommen
aus dem inneren Wärmeübertager,
das den Punkt beschreibt, bei dem die Kälteanlage den größten Kälteleistungszuwachs
durch Economiserbetrieb verbuchen kann. Die Vergrößerung der
Kälteleistung
im Economiserbetrieb kann durchaus 50% betragen, die Verbesserung
der Wirtschaftlichkeit bis zu 30%. Beim Betrieb einer solchen Kälteanlage
wird der Druck in dem Pfad des inneren Wärmeübertagers, der stromabwärts der
ersten Drossestelle nachgeordnet ist, durch ein Konstantdruck-Regelventil
auf gleichbleibendem Druck gehalten.
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Nachteilig
ist, dass im Bereich zwischen der Kälteleistung bei Volllast ohne
Economiserbetrieb und Volllast des Verdichters mit Economiserbetrieb eine
Lücke klafft,
in der keine stufenlose Leistungsregelung möglich ist. Wenn die volle Leistung
nicht benötigt
wird, wird der Verdichter in Teillast betrieben, das heißt, der
Regelschieber wird aus seiner Volllaststellung herausgeschoben,
die Bypassöffnung öffnet sich,
und der Zwischendruck-Kältemitteldampf
gelangt zur Saugseite so wie beim Betrieb einer Kälteanlage
ohne Economiser.
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Der
Effekt der Verbesserung der Wirtschaftlichkeit geht dabei vollständig verloren,
da der Zwischendruck-Kältemitteldampf
vom untersten Druckniveau, dem Saugdruck des Verdichters wieder
auf Kondensationsdruck verdichtet werden muss. Die Kälteanlage
arbeitet in diesem Bereich instabil, da der große Zwischendruck-Kältemitteldampf – Anteil unkontrolliert
durch die Bypassöffung
zur Saugseite zurückströmt.
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Das
Ziel der Erfindung besteht darin, einen Übergangsbereich mit einer stufenlosen
Leistungsanpassung zwischen dem Betrieb mit Economiser und ohne
Economiser zu schaffen.
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Gemäß der Erfindung
wird eine steuerbare Drosselstelle zwischen dem Pfad des inneren
Wärmeübertragers,
der stromabwärts
der ersten Drosselstelle nachgeordnet ist und dem Economiseranschluss
angeordnet, deren Durchflussmenge durch einen Betriebsparameter,
z. B. den Saugdruck des Kältemittels
vor dem Verdichter der Kälteanlage
geregelt wird.
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Beispielhaft
steuert ein Dreipunktregler bei Abweichungen vom eingestellten Saugdruck-Sollwert
ein Stellglied, z. B. ein Ventil, das die steuerbare Drosselstelle öffnet, wenn
der Saugdruck zu groß ist (Dampfvolumenstrom
vom Verdampfer steigt an), d. h. wenn mehr Kälteleistung erforderlich ist.
Ist die steuerbare Drosselstelle vollständig geöffnet, sinkt der Druck in dem
Pfad des inneren Wärmeübertagers,
der stromabwärts
der ersten Drossestelle nachgeordnet ist, so weit dass Gleichgewicht
zwischen „Schluckfähigkeit
des Economiseranschlusses" und Zwischendruckdampf-Aufkommen nach der
ersten Entspannungsstufe erreicht ist.
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Andererseits
steuert der Dreipunktregler bei Abweichungen vom eingestellten Saugdruck-Sollwert
das Ventil derart, das die steuerbare Drosselstelle sich mehr und
mehr verkleinert, wenn der Saugdruck zu klein ist (Dampfvolumenstrom
vom Verdampfer sinkt ab), d. h., wenn weniger Kälteleistung erforderlich ist,
wodurch die Drosselwirkung an der steuerbaren Drosselstelle zunimmt
und der Druck in dem Pfad des inneren Wärmeübertagers, der stromabwärts der
ersten Drosselstelle nachgeordnet ist, ansteigt. Es entsteht weniger
Zwischendruck-Kältemitteldampf,
und es strömt
weniger Zwischendruck-Kältemitteldampf
in den Verdichter am Economiseranschluss , die Kälteleistung sinkt. Ist die steuerbare
Drosselstelle vollständig
geschlossen, steigt der Druck in dem Pfad des inneren Wärmeübertagers,
der stromabwärts
der ersten Drossestelle nachgeordnet ist so weit, bis das Zwischendruck-Kältemitteldampf-Aufkommen
nach der ersten Entspannungsstufe gleich Null ist.
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In
dem beschriebenen Arbeitsbereich lässt sich die Kälteleistung
kontinuierlich verändern,
indem der Druck in dem Pfad des inneren Wärmeübertagers, der stromabwärts der
ersten Drossestelle nachgeordnet ist, verändert wird. Die Wirtschaftlichkeit der
Kälteanlage
ist in diesem Bereich zwischen vollem Zwischendruck-Kältemitteldampf-Anteil,
also Volllast der Kälteanlage
mit Economiser, und reduziertem Zwischendruck-Kältemitteldampf-Anteil, also Teillastbetrieb
des Economisers, höher
als bei Kälteanlagen
ohne Anwendung der erfindungsgemäßen Lösung. Der
Regelschieber des Verdichters bleibt in diesem Betriebsbereich ,
dem Teillastbetrieb der Kälteanlage,
in der Volllastposition, also Bypassöffnung geschlossen.
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Die
Kälteleistung
der Kälteanlage
läßt sich stufenlos
regeln, indem der Druck in dem Pfad des inneren Wärmeübertagers,
der stromabwärts
der ersten Drosselstelle nachgeordnet ist, geändert wird, also angehoben
wird, um die Kälteleistung
zu verkleinern oder abgesenkt wird, um die Kälteleistung zu vergrößern.
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Die
Zeichnung zeigt ein vereinfachtes Blockschaltbild einer Kälteanlage
gemäß der Erfindung
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Die
Kälteanlage
hat einen ölüberfluteten Schraubenverdichter 1 mit
einem Ölabscheider 13 mit
nicht weiter dargestelltem Ölkühler, Ölfilter,
Rohrleitungen, Regel- und Absperrarmaturen, Druck- und Temperatur-Messeinrichtungen,
einen Verflüssiger 2, eine
erste Drosselstelle 3, die als Expansionsventil ausgeführt ist,
und einen Teilstrom der Flüssigkeit aus
dem Verflüssiger 2 auf
Zwischendruck entspannt, einen inneren Wärmeübertrager 4 mit zwei Strömungspfaden,
an denen Wärmeübertragerflächen angeordnet
sind, und in dem Pfad 12 des inneren Wärmeübertagers 4, der stromabwärts der
ersten Drossestelle 3 nachgeordnet ist, Kältemittel
verdampft, während
in dem anderen Pfad 11, der sich strömungsmäßig an den Verflüssiger 2 anschließt und durch
den inneren Wärmeübertager 4 führt, die Flüssigkeit
aus dem Verflüssiger
abgekühlt
(unterkühlt)
wird. Der Schraubenverdichter 1 besitzt einen Economiseranschluss 9.
Zwischen innerem Wärmeübertrager 4 und
Economiseranschluss 9 am Verdichter 1 ist die
steuerbare Drosselstelle 8 angeordnet. Der innere Wärmeübertager 4 hat
zwei Ausgänge,
eine Strömungsverbindung
zum Economiseranschluss 9 und eine andere Strömungsverbindung über eine
zweite Drosselstelle 5, stromabwärts zu einem Flüssigkeitsabscheider 6,
wobei der Flüssigkeitsabscheider 6 mindesten
zwei Kältemittelrezirkulationsanschlüsse besitzt,
die strömungsmäßig mit Verdampfern 7 verbunden
sind, und eine Strömungsverbindung
zur Saugseite des Verdichters 1 aufweist, wobei die Durchflussmenge
der steuerbaren Drosselstelle 8 in Abhängigkeit eines Betriebsparameters der
Kälteanlage
geregelt wird.
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Gemäß der Erfindung
wird die steuerbare Drosselstelle 8 durch einen Betriebsparameter,
z. B. den Saugdruck des Kältemittels
vor dem Verdichter der Kälteanlage
geregelt.
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Beispielhaft
steuert ein Dreipunktregler 10 bei Abweichungen vom eingestellten
Saugdruck-Sollwert das Stellglied der steuerbaren Drosselstelle 8 derart,
dass diese weiter öffnet,
wenn der Saugdruck zu groß ist
(Dampfvolumenstrom vom Verdampfer steigt an), d. h. wenn mehr Kälteleistung erforderlich
ist. Ist die steuerbare Drosselstelle 8 vollständig geöffnet, sinkt
der Druck im inneren Wärmeübertrager 4 im
Strömungspfad 12 so
weit, dass Gleichgewicht zwischen „Schluckfähigkeit des Economiseranschlusses" und Zwischendruck-Kältemitteldampf-Anteil erreicht ist.
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Andererseits
steuert der Dreipunktregler 10 bei Abweichungen vom eingestellten
Saugdruck-Sollwert das Stellglied der steuerbaren Drosselstelle 8 derart,
dass die steuerbare Drosselstelle 8 sich mehr und mehr
schließt,
wenn der Saugdruck zu klein ist (Dampfvolumenstrom vom Verdampfer
sinkt ab), d. h., wenn weniger Kälteleistung
erforderlich ist, wodurch die Drosselwirkung an der steuerbaren Drosselstelle 8 zunimmt
und der Druck im inneren Wärmeübertrager 4 ansteigt.
Es entsteht weniger Zwischendruck-Kältemittel-Anteil, und es strömt weniger
in den Verdichter am Economiseranschluss 9, die Kälteleistung
sinkt. Ist die steuerbare Drosselstelle 8 vollständig geschlossen,
wird im inneren Wärmeübertrager 4 keine
Unterkühlung
des Kondensats, dass den Strömungspfad 11 passiert,
realisiert. Die erste Drosselstelle 3 regelt unabhängig vom
Zwischendruck im inneren Wärmeübertrager 4 die
Kältemittelzufuhr,
so dass am Economiseranschluss 9 überhitztes Kältemittel
in den Verdichter geführt
wird. In dem beschriebenen Arbeitsbereich lässt sich die Kälteleistung
kontinuierlich verändern,
indem der Druck in dem Pfad des inneren Wärmeübertagers 4, der stromabwärts der
ersten Drossestelle nachgeordnet ist, verändert wird. Die Wirtschaftlichkeit
der Kälteanlage
ist in diesem Bereich zwischen vollem Zwischendruck-Kältemitteldampf-Anteil,
also Volllast der Kälteanlage
mit Economiser, und reduziertem Zwischendruck-Kältemitteldampf-Anteil,
also Teillastbetrieb des Economisers, höher als bei Kälteanlagen ohne
Anwendung der erfindungsgemäßen Lösung. Der
Regelschieber des Verdichters bleibt in diesem Betriebsbereich mit,
Teillastbetrieb der Kälteanlage, in
der Volllastposition, also Bypassöffnung geschlossen.
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Die
Kälteleistung
der Kälteanlage
läßt sich stufenlos
regeln, indem der Druck im Zwischendruckabscheider 4 wie
beschrieben geändert
wird, also angehoben wird, um die Kälteleistung zu verkleinern
oder abgesenkt wird, um die Kälteleistung
zu vergrößern.
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- 1
- Schraubenverdichter
- 2
- Verflüssiger
- 3
- erste
Drosselstelle
- 4
- innerer
Wärmeübertrager
- 5
- zweite
Drosselstelle
- 6
- Flüssigkeitsabscheider
- 7
- Verdampfer
- 8
- steuerbare
Drosselstelle
- 9
- Economoseranschluß
- 10
- Dreipunktregler
- 11
- Strömungspfad
- 12
- Strömungspfad
- 13
- Ölabscheider