DE102007013485A1

DE102007013485A1 - Verfahren zur Regelung einer CO2-Kälteanlage mit zweistufiger Verdichtung

Info

Publication number: DE102007013485A1
Application number: DE102007013485A
Authority: DE
Inventors: Dieter Dr. Mosemann
Original assignee: Grasso GmbH Refrigeration Technology
Current assignee: GEA Refrigeration Germany GmbH
Priority date: 2007-03-21
Filing date: 2007-03-21
Publication date: 2008-09-25
Anticipated expiration: 2027-03-22
Also published as: ITRM20080044A1; JP2008232613A; GB2449519A; DE102007013485B4; GB0804497D0; GB2449519B

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regelung einer zweistufigen CO<SUB>2</SUB>-Kälteanlage mit direkt in Strömungsrichtung hintereinander angeordneten ölüberfluteten Schraubenverdichtern mit Economiseranschluss für die zweistufige Verdichtung. Die Kälteleistung wird gemäß der Erfindung durch die Einzelanwendung oder Kombination mehrerer Funktionen geregelt: a) durch das Maß der Unterkühlung ds nacheinander angeordneten Flüssigkeitsunterkühlern, b) durch Änderung der Überhitzung an den Zwischenkühleraustritten, c) durch Veränderung des Zwischendruckes, d) durch Änderung des Verdichtungsenddruckes der oberen Druckstufe.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regelung einer zweistufigen CO₂ Kälteanlage mit direkt in Strömungsrichtung hintereinander angeordneten ölüberfluteten Schraubenverdichtern für die zweistufige Verdichtung. Die Schaubenverdichter beider Druckstufen haben vorteilhaft je eine Zwischendrucköffnung, den so genannten Economiseranschluss, der strömungsmäßig an die Zahnlücken der Rotoren im Gehäuse derart angrenzt, dass weder eine Strömungsverbindung zur Saugseite noch zur Druckseite besteht, solange der Economiseranschluss mit den Zahnlücken in Verbindung steht. Der Verdichter der oberen Druckstufe ist vorteilhaft wie in der deutschen Offenlegungsschrift mit der Nr. OS 10334947.2 beschrieben, ausgeführt.
Die Anordnung eines Zwischendruckanschlusses in der Verbindungsleitung zwischen den Verdichtern beider Druckstufen und die Existenz von Economiseranschlüssen an den Verdichtern ermöglicht eine vierstufige Entspannung des Kältemittels zwischen Gaskühler und Verdampfer, so wie in der Patentanmeldung AZ: 10 2005 018 602.5 beschrieben.
Nach dem Stand der Technik sind zwecks Leistungsregelung beide Schraubenverdichter mit Mitteln zur Änderung des Fördervolumens, z. B. mit je einem Regelschieber, ausgestattet, die teilweise in dem die Rotoren umfassenden Gehäuse angeordnet sind und weitere Hydraulikkomponenten und Steuerelemente zur Aktivierung benötigen oder sie werden durch Änderung der Antriebsdrehzahl geregelt.
Nachteilig ist der Kostenaufwand dieser Lösung. Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, diese Nachteile zu beseitigen und eine effiziente kostengünstige Regelung zu schaffen.
Der Flashdampf der angezeigten Patentanmeldung mit AZ: 10 2007 003 983.3 wird dem Zwischendruckanschluss und den Economiser-Anschlussöffnungen an den Verdichtern vorteilhaft über eine steuerbare Ventileinrichtung zugeführt, während die Flüssigkeit über eine „untere" Drosselstelle in den unteren Hilfsflüssigkeitsabscheider entspannt wird, in dem Flashdampf und Flüssigkeit voneinander getrennt werden.
Von dort gelangt die Flüssigkeit über die „unterste" Drosselstelle in das Verdampfer-Flüssigkeitsabscheidersystem, aus dem der Flashdampf der Saugseite des Verdichters der unteren Druckstufe gemeinsam mit dem durch Wärmezufuhr in den Verdampfern entstehenden Kältemitteldampf zugeführt werden.
In einer zweiten Lösung der angezeigten Patentanmeldung mit AZ: 10 2007 003 989.3 wird der dem Verdampfersystem zugeführte Kältemittelstrom einstufig entspannt nachdem er mehrere Unerkühlungsabschnitte durchlaufen hat. Zur Abkühlung des Kältemittelstromes in einem „oberen" Hilfsflüssigkeitsunterkühler, einem „mittleren" Flüssigeitsunterkühler und einem „unteren" Hilfsflüssigkeitsunterkühler, die in einem Strömungspfad für den Kältemittelhauptstrom angeordnet sind, wird durch Flüssigkeitsabzweige vor dem jeweiligen Flüssigkeitsunterkühlerabschnitt ein Teilstrom der Kältemittelflüssigkeit abgezweigt und im jeweiligen Flüssigkeitsunterkühler verdampft.
Dieser Kältemitteldampf wird dem jeweiligen Ecoanschluss der Verdichter der oberen Stufe, dem Zwischendruckanschluss zwischen den Verdichtern der unteren und oberen Druckstufe und dem Economiseranschluss des Verdichters der unteren Druckstufe zugeführt.
Der Verdichter der unteren Druckstufe der zweistufigen Verdichteranlage besitzt zunächst bekannte Mittel, wie zum Beispiel einen Regelschieber, der je nach seiner relativen Lage zu den Rotoren den effektiven Förderhub verkürzt oder eine Einrichtung zur Regelung der Drehzahl, um einen Betriebsparameter auf der Verbraucherseite, z. B. den Druck am Verdampferaustritt oder auf der Saugseite der unteren Stufe in der Nähe eines vorgegeben Wertes zu halten, um z. B. die Verdampfungstemperatur konstant zu halten und damit die Temperatur auf der „Verbraucherseite" zu regeln. Das ist die Aufgabe einer Leistungsregelung der unteren Druckstufe.
Durch die Förderstromänderung der unteren Druckstufe ändert sich der Druck hinter der unteren Druckstufe.
Deshalb wird die Kälteleistung der beiden Ausführungen gemäß der Erfindung durch die Kombination mehrerer Funktionen geregelt:

a) durch das Maß der Unterkühlung des Hautstromes in den längs seines Strömungspfades nacheinander angeordneten Flüssigkeitsunterkühlern. Dazu werden Flüssigkeitsunterkühler nacheinander außer Betrieb genommen. Stoppventile in den Kältemittelzuführungen werden geschlossen um die Leistung zu reduzieren oder geöffnet, um die Leistung zu vergrößern.
b) durch Änderung der Überhitzung an den Zwischenkühleraustritten Die Überhitzung wird an den Zwischenkühleraustritten in Abhängigkeit des zu regelnden Parameters vergrößert oder verkleinert Dazu werden Ventile an den Ausgängen der Zwischenkühler modulierend geöffnet oder geschlossen, um das Maß der Unterkühlung zu ändern.
c) durch Veränderung des Zwischendruckes Vor den Economiseranschlüssen beider Druckstufen sind vorteilhaft Regelventile angeordnet, um den Volumenstrom zum Economiseranschluss – und damit die Kälteleistung der Kälteanlage – zu regeln. Bei dieser Regelungsart gemäß der Erfindung werden die Ventile, die zwischen Zwischenkühleraustritt und der jeweiligen Zwischendruckeinspeisung in die Economiseranschlüsse oder in den Zwischendruckanschluss angeordnet sind, modulierend geöffnet oder geschlossen.
d) durch Änderung des Verdichtungsenddruckes der oberen Druckstufe Diese Anordnung zur Regelung der Kälteleistung nutzt den Umstand aus, dass sich die Kälteleistung der oberen Druckstufe bei Kühlung des Kältemitteldampfes in einem Gaskühler oberhalb des kritischen Punktes mit der CO₂ Austrittstemperatur aus dem Gaskühler und mit dem Verdichtungsenddruck der oberen Stufe ändert.

Die Kälteleistung wird durch Änderung des Verdichtungsenddruckes der oberen Stufe an einem stromabwärts hinter dem Gaskühler angeordneten Drosselventil verändert.
Zur Reduzierung der Kälteleistung wird dieser Druck durch Öffnen dieses Ventils abgesenkt und zur Erhöhung der Kälteleistung bis zum Optimum zwischen Kälteleistung und Antriebsleistung weiter geschlossen und damit der Verdichtungsenddruck angehoben.
Das Optimum wird durch einen eigenen Regelalgorithmus unabhängig von der Teillastregelung ermittelt.
Die Regelung der Kälteleistung der Kälteanlage ist in weiten Grenzen durch Kombination der dargestellten Regelmethoden a) bis d) oder jede einzeln für sich mit einem Verdichter in der oberen Druckstufe ohne eigene Bypass-Ventileinrichtungen oder Drehzahlregelung möglich.
Der Verdichter der unteren Druckstufe ist zwecks Änderung des Förderstromes zur Anpassung an den Dampfvolumenstrom aus dem Verdampfer mit bekannten Mitteln zur Leistungsregelung, z. B. mit einem Regelschieber oder einem Antrieb mit variabler Drehzahl ausgestattet, wobei der Regelschieber einen Umfangswandteil des die Rotoren umschließenden Gehäuses bildet und zwecks Änderung der Fördermenge des Verdichters eine Bypassöffnung im Gehäuse freigibt, durch die ein Teil der angesaugten Fördervolumens zurück zur Saugseite des Verdichters geführt wird.
Dadurch ändert sich der durch den Verdichter geförderte Massenstrom, der mit der Enthalpiedifferenz multipliziert, die Kälteleistung ergibt.
Die einzelnen Regelmethoden der zweistufigen CO₂ Kälteanlage mit einem zweistufigen Schraubenverdichteraggregat sind nachfolgend beschrieben. Die verwendeten Zahlen beziehen sich beispielhaft auf die Figur.
Der Schaubenverdichter 1 der unteren und der Schraubenverdichter 2 der oberen Druckstufe sind stromabwärts in Reihe angeordnet. Sie haben je einen Economizeranschluss 25, 26. In der Verbindungsleitung 13 zwischen den Schraubenverdichtern 1, 2 ist ein Zwischendruckanschluss 40 vorgesehen. Zwischen dem CO₂ seitigen Austritt des Gaskühlers 4 und dem Eingang in das Verdampfersystem mit dem Flüssigkeitsabscheider 8 ist das kältemittelführende Verbindungsrohr 30 angeordnet, das den Strömungspfad für den Kältemittelhauptstrom zwischen dem Austritt des Gaskühlers 4 und dem Verdampfersystem mit der Drosseleinrichtung 41 bildet und Teilflächen der Wärmeübertrager 31, 32,33 aufweist. Die drei Wärmetauscher 31, 32, 33 sind in Bezug auf diesen Strömungspfad seriell angeordnet, wobei der Wärmetauscher 31 als „oberer" Hilfsunterkühler, der Wärmetauscher 32 als „mittlerer" Unterkühler und der Wärmetauscher 33 „unterer" Hilfsunterkühler ausgebildet sind. Auf der einen Seite der wärmetauschenden Flächen der Wärmetauscher 31, 32, 33 sind wie schon erwähnt Teile des Strömungspfades vorhanden, und Flüssigkeitsabzweige vom Strömungspfad über Drosselventile 34, 35, 36 zu den anderen Seiten der jeweiligen Wärmetauscherflächen vorhanden. Die Ausgänge dieser Seite der Wärmetauscher 31, 32, 33 sind mit den Economiseranschlüssen 2, 26 ders Schaubenverdichter 1, 2 und dem Zwischendruckanschluss 40 zwischen den Schraubenverdichtern 1, 2 der unteren und oberen Stufe verbunden.
Die vier beschriebenen Funktionen a) bis d) in ihrer Kombination oder jede einzeln werden nachfolgend erläutert.

a) Das Maß der Unterkühlung des Hautstromes in den Unterkühlern wird verändert, wozu der Kältemittelteilstrom durch die Flüssigkeitsunterkühler 31, 32, 33 durch modulierendes öffnen oder schließen der Drosselventile 34, 35, 36 vergrößert oder verkleinert wird. Dadurch ändert sich das Maß der Abkühlung des Fluids vor Eintritt in den Flüssigkeitsabscheider, und damit ändert sich die volumetrische Kälteleistung.
b) Die Drosselstellen 31, 32 und 33 sind beispielhaft als elektrisch betätigte Drosselventile, deren Oberhitzung am Kältemittelaustritt variabel ist. Das Maß der einzustellenden überhitzung an den Fühlern dieser Ventile an den Austritten der Wärmetauscher 31, 32, 33 in Abhängigkeit des zu regelnden Parameters, z. B. des Druckes im Flüssigkeitsabscheider vergrößert oder verkleinert die Kälteleistung.
c) Zur Veränderung des Zwischendruckes an den Anschlusspunkten 25, 26, 40 sind Druckregelventile 42, 43, 44 angeordnet, um den Volumenstrom zu den Economiseranschlüssen 25, 26 und zum Anschlusspunkt 40 zwischen den beiden Verdichtern 1, 2 zu ändern und damit die Kälteleistung der Kälteanlage zu regeln, wozu die Ventile 42, 43, 44, die zwischen Austritten der Zwischenkühler 31, 32, 33 und der jeweiligen Zwischendruckeinspeisung in die Economiseranschlüsse oder in den Zwischendruckanschluss angeordnet sind, modulierend geöffnet oder geschlossen werden.
d) Die Änderung des Verdichtungsenddruckes der oberen Stufe des Schraubenverdichters 2 mittels des stromabwärts hinter dem Gaskühler 4 angeordneten Drosselventils 45 beeinflusst die Kälteleistung. Der Druck wird zur Reduktion der Kälteleistung abgesenkt und zur Erhöhung der Kälteleistung bis zum Optimum zwischen Kälteleistung und Antriebsleistung angehoben. Der maximale Druck wird über einen Regelalgorithmus als Funktion der CO2- Gaskühleraustrittstemperatur nach oben hin begrenzt. Der Druck ist der für den optimalen Energieeinsatz optimale Druck

1: Schraubenverdichter
2: Schraubenverdichter
4: Gaskühler
13: Verbindungsleitung
25: Economiseranschluss
26: Economiseranschluss
31: Wärmetauscher
32: Wärmetauscher
33: Wärmetauscher
34: Drosselventil
35: Drosselventil
36: Drosselventil
40: Zwischendruckanschluss
41: Drosseleinrichtung
42: Druckregelventil
43: Druckregelventil
44: Druckregelventil
45: Drosselventil

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- DE 10334947 A [0001]
- AZ 102005018602 [0002]
- AZ 102007003983 [0005]
- AZ 102007003989 [0007]

Claims

Regelung einer zweistufigen CO₂ Kälteanlage mit einem zweistufigen Schraubenverdichteraggregat mit ölüberfluteten Schraubenverdichtern in zweistufiger Anordnung, die in Strömungsrichtung hintereinander angeordnet sind, und beide Schaubenverdichter der unteren und der oberen Druckstufe je eine Zwischendrucköffnung, den so genannten Economiseranschluss, aufweisen, der strömungsmäßig an die Zahnlücken der Rotoren im Gehäuse derart angrenzt, dass weder eine Strömungsverbindung zur Saugseite noch zur Druckseite besteht, solange der Economiseranschluss mit den Zahnlücken in Verbindung steht, und in der Verbindungsleitung zwischen den Schraubenverdichtern der beiden Druckstufen ein Zwischendruckanschluss vorgesehen ist, und dass zwischen CO₂ Gaskühleraustritt und CO₂ Eingang in das Verdampfersystem ein primärerer Strömungspfad für den Kältemittelhauptstrom zwischen dem Gaskühleraustritt und dem Verdampfersystem mit einer Drosseleinrichtung vorhanden ist, in dem mindestens drei Wärmetauscher in Bezug auf diesen primären Strömungspfad seriell angeordnet sind, wobei die Wärmetauscher als „oberer" Hilfsunterkühler, „mittlerer" Unterkühler und „unterer" Hilfsunterkühler ausgebildet sind, und auf der einen Seite der Wärmetauscherflächen der Unterkühler Teile dieses primären Strömungspfades angrenzen, und auf der anderen Seiten der Wärmetauscherflächen Teile sekundärer Strömungspfade angrenzen, die Teil einer Strömungsverbindung vom primären Strömungspfad über Drosselventile, Unterkühler und Rohrleitungen zu den Economiseranschlüssen des Schaubenverdichters der oberen Stufe, dem Zwischendruckanschluss zwischen den Schraubenverdichtern der unteren und oberen Stufe und dem Economiseranschluss des Schraubenverdichters der unteren Stufe sind, und Rohrleitungen und regelbare Ventile beinhaltet, dadurch gekennzeichnet, dass die vier Funktionen a) bis d) in Kombination oder jede einzeln für sich anzutreffen sind a) durch das Maß der Unterkühlung des Hautstromes in den Unterkühlern, wozu der Kältemittelteilstrom durch die Unterkühler durch modulierendes öffnen oder schließen der Drosselventile vergrößert oder verkleinert wird oder „oberer" Hilfsunterkühler, „mittlerer" Unterkühler und/oder „unterer" Hilfsunterkühler nacheinander außer Betrieb gesetzt werden, b) durch das Maß der einzustellenden Überhitzungen an den Fühlern regelbarer Ventile an den Unterkühleraustritten, c) durch Veränderung des Zwischendruckes in den sekundären Strömungspfaden durch modulierendes Öffnen oder Schließen von Regelventilen, die hinter dem jeweiligen Unterkühler angeordnet sind c) durch Änderung des Verdichtungsenddruckes der oberen Stufe, wozu an einem stromabwärts hinter dem Gaskühler angeordneten Drosselventil zur Reduzierung der Kälteleistung dieser Druck abgesenkt und zur Erhöhung der Kälteleistung bis zum Optimum zwischen Kälteleistung und Antriebsleistung angehoben wird. und für den optimalen Druck ein Regelalgorithmus unabhängig von der Teillastregelung vorhanden ist.
Regelung einer zweistufigen CO2-Kälteanlage nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass ein Drucksensor nach dem Verdichter der oberen Druckstufe am Druckstutzen angeordnet ist und dass ein Temperatursensor stromabwärts am CO2-Austritt des Gaskühlers angeordnet ist.
Regelung einer zweistufigen CO2-Kälteanlage nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass für den optimalen Druck ein Regelalgorithmus als Funktion der Gaskühleraustrittstemperatur unabhängig von der Teillastregelung vorhanden ist.