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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Kühlsystem gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1, sowie ein Verfahren zum Betreiben eines derartigen Kühlsystems.
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Kühlsysteme, wie beispielsweise eine Kältemaschine oder ein Klimaanlagensystem, umfassen im Allgemeinen eine Kompressoreinheit, eine Kondensiereinheit, eine Entspannungseinheit und eine Verdampfereinheit, die in einem sogenannten Kühlkreislauf oder Kältemittelkreislauf verbunden sind. In dem Kühlkreislauf wird zyklisch Kältemittel von zumindest der Kompressoreinheit zum Komprimieren eines gasförmigen Kältemittels zu einer Kondensiereinheit zum Kondensieren des gasförmigen Kältemittels in ein flüssiges Kältemittel, von der Kondensiereinheit zu der Expansionseinheit zum Expandieren des flüssigen Kältemittels, von der Expansionseinheit zu der Verdampfereinheit, zum Verdampfen des flüssigen Kältemittels in gasförmiges Kältemittel und von der Verdampfereinheit zurück zu der Kompressoreinheit geführt. Üblicherweise entfernt ein derartiges Kühlsystem Wärme aus einer Flüssigkeit über den Verdampfungs-Kompressions-Kältemittelkreislauf. Die gekühlte Flüssigkeit kann dann verwendet werden, um Luft (beispielsweise Klimaanlage) oder in einem industriellen Prozess zu kühlen.
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Die Kompressoreinheit selbst kann ein Zentrifugalkompressor sein, der einen oder mehrere Impeller aufweist, die das Kältemittel komprimieren. Die Impeller sind an einer rotierenden Welle angebracht, die von mehreren Lagern getragen wird. Die Lageranordnung erfordert eine ständige Versorgung mit Schmiermittel, was oftmals Öl ist. In einigen neueren Anwendungen wird auch Kältemittel statt Öl verwendet, um die Lager zu schmieren. Dafür ist der sogenannte Schmierkreislauf mit zumindest einer Versorgungsleitung für schmierendes Kältemittel ausgestattet, um Kältemittel als Schmiermittel an der Lageranordnung bereitzustellen.
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Eine Pumpe kann verwendet werden, um den Kältemittelfluss zu den Lagern anzutreiben. In der Pumpe können jedoch Kavitäten auftreten, die es schwieriger machen, das Kältemittel an den Lagern bereitzustellen. Es kann auch Betriebsbedingungen geben, unter denen die Versorgung mit Kältemittel, das von der Pumpe bereitgestellt ist, ungenügend ist oder dass der Zustand des Kältemittels eine Mischung aus Flüssigkeit und Gas ist, sodass die Lager nicht ausreichend geschmiert werden können. Zusätzlich gibt es ein allgemeines Zuverlässigkeitsproblem, da der Zufluss von Lagerschmiermittel stoppt, wenn die Pumpe, aus welchen Gründen auch immer, aufhört zu arbeiten. Ein allgemeiner Grund, warum die Pumpe aufhört zu arbeiten, ist der Verlust von elektrischer Energie. Darüber hinaus verschleißt die Pumpe, die konstant betrieben wird, und verbraucht Energie.
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Es ist deshalb Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Kühlsystem mit kältemittelgeschmierten Lagern bereitzustellen, das zuverlässig und kosteneffizient arbeitet.
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Diese Aufgabe wird durch ein Kühlsystem gemäß Anspruch 1, sowie ein Verfahren zum Betreiben des Kühlsystems gemäß Anspruch 9 gelöst.
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Im Folgenden wird ein Kühlsystem vorgeschlagen, das einen Kältemittelkreislauf umfasst, um Kältemittel zyklisch von zumindestens einer Kompressoreinheit zum Komprimieren eines gasförmigen Kältemittels zu einer Kondensiereinheit zum Kondensieren des gasförmigen Kältemittels in flüssiges Kältemittel, von der Kondensiereinheit zu einer Verdampfereinheit zum Verdampfen des flüssigen Kältemittels in gasförmiges Kältemittel und von der Verdampfereinheit zurück zu der Kompressoreinheit zu führen. Das Kühlsystem umfasst weiterhin einen Schmierkreislauf, mit zumindest einer Versorgungsleitung für schmierendes Kältemittel zum Bereitstellen von Kältemittel als Schmiermittel an einer Lageranordnung, die Teil der Kompressoreinheit sein kann.
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Um eine stabile Versorgung mit schmierendem Kältemittel an der Lageranordnung bereitzustellen, zweigt zumindest eine Versorgungsleitung für schmierendes Kältemittel von dem Kältemittelkreislauf an der Kondensiereinheit ab, um Kältemittel an der Lageranordnung bereitzustellen, und wird mit dem Kältemittelkreislauf an der Verdampfereinheit wieder vereint, um Kältemittel aus der Lageranordnung in den Kältemittelkreislauf zurückzuführen. Dabei kann ein Druckunterschied zwischen der Kondensiereinheit und der Verdampfereinheit verwendet werden, um das schmierende Kältemittel in dem Schmierkreislauf zu transportieren. Der Druckunterschied resultiert aus dem Unterschied zwischen dem Hochdruckniveau der Kompressoreinheit und dem Niederdruckniveau der Verdampfereinheit. Dieses transportiert das Kältemittel nicht nur durch den Kältekreislauf, sondern auch durch den Schmierkreislauf.
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Gemäß einem weiteren Aspekt und/oder einem bevorzugten Ausführungsbeispiel kann der Kältemittelkreislauf auch eine Economisiereinheit aufweisen.
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Eine Economisiereinheit wird üblicherweise in einem Kühlsystem mit einem zweistufigen (oder im Allgemeinen mehrstufigen) Kompressor verwendet. Dabei wird der Expansionsprozess in zwei (oder mehr) Schritte mit einem Zwischeneconomisierer aufgeteilt. Somit tritt flüssiges Kältemittel aus der Kondensiereinheit in eine erste Expansionsvorrichtung ein, die den Druck des Kältemittels reduziert. Diese Druckverringerung verursacht, dass ein Teil des flüssigen Kältemittels verdampft und dass die resultierende Mischung aus flüssigem und gasförmigem Kältemittel in die Economisiereinheit eintritt. Folglich liegt der Druck in der Economisiereinheit zwischen dem der Kondensiereinheit und dem der Verdampfereinheit. Die Economisiereinheit selbst ist mit einer zweiten Expansionsvorrichtung und mit einem Einlass zu der zweiten Stufe des zweistufigen Kompressors verbunden. In der Economisiereinheit wird das gasförmige Kältemittel von dem flüssigen Kältemittel separiert, und nur das restliche flüssige Kältemittel wird zu der zweiten Expansionsvorrichtung und weiter zu der Verdampfereinheit geführt. Der gasförmige Teil des Kältemittels wiederum wird durch die zweite Stufe des Kompressors wieder komprimiert, und aus dem Auslass des zweistufigen Kompressors an die Kondensiereinheit zurückgeführt. Da ein Teil des Kältemittels bereits stromauf des Verdampfers verdampft wird, ist der benötigte Energiebedarf des Kompressors reduziert, da der gasförmige Teil des Kältemittels, das in dem Economisierer erzeugt wird, nur noch durch den Impeller der zweiten Stufe komprimiert werden muss. In einem System ohne Economisierer würde mehr gasförmiges Kältemittel entlassen und mehr gasförmiges Kältemittel würde wieder komprimiert werden, statt in seiner flüssigen Form zu sein und zu verdampfen, bevor es zurück in die erste Stufe des Kompressors geht. Somit wird durch die Verwendung einer Economisiereinheit die Systemeffizienz vergrößert (um 4% bis 6%), da die Rekomprimierung von gasförmigem Kältemittel Energieverschwendung ist.
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In Ausführungsbeispielen, in denen eine Economisiereinheit vorhanden ist, gibt es die zusätzliche oder alternative Möglichkeit, die Versorgungsleitung für schmierendes Kältemittel von der Kompressoreinheit und/oder von der Economisiereinheit abzuzweigen. Indem der Economisierer als Abzweigstelle für die Versorgungsleitung für schmierendes Kältemittel verwendet wird, wird eine langsame Bewegung des Kältemittels in dem Schmierkreislauf ermöglicht und dadurch eine kontrolliertere Verteilung des Kältemittels in der Lageranordnung. Dieses reduziert auch die Geschwindigkeit, mit der das Kältemittel in die Lageranordnung eingeführt oder eingespritzt wird.
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Es ist weiterhin bevorzugt, dass die Versorgungsleitung für schmierendes Kältemittel in einer Düse oder einer Einspritzvorrichtung endet, um Kältemittel in die Lageranordnung zu führen und einzulassen. Die Düse oder Einspritzvorrichtung ermöglicht eine optimierte und geführte Bereitstellung von schmierendem Kältemittel in der Lageranordnung und dadurch eine verbesserte Schmierung. Des Weiteren ist bevorzugt, dass die Versorgungsleitung selbst derart ausgebildet ist, dass der Druck über die Düse hinweg fällt, anstatt innerhalb der Versorgungsleitung.
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Gemäß einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel hat der Schmierkreislauf eine erste Versorgungszweigleitung für schmierendes Kältemittel, die von der Kondensiereinheit und/oder von der Economisiereinheit abzweigt, und eine zweite Versorgungszweigleitung für schmierendes Kältemittel, die von der Verdampfereinheit abzweigt, wobei beide Zweigleitungen dazu ausgelegt sind, Kältemittel an der Lageranordnung bereitzustellen. Die Verwendung des Kältemittels aus der Verdampfereinheit ist bei einer Inbetriebnahme des Kühlsystems bevorzugt. In der Inbetriebnahmephase ist das Kältemittel in dem Verdampfer flüssig und kann zum Schmieren der Lager verwendet werden, bevor der Kompressor gestartet wird, während es kein flüssiges Kältemittel in der Kondensiereinheit gibt, das für das Schmieren der Lageranordnung verwendet werden könnte. Das Verwenden des Kältemittels aus der Verdampfereinheit ermöglicht einen sogenannten Vorschmierzyklus, während dem Kältemittel an der Lageranordnung bereitgestellt wird, bevor die Kompressoreinheit zu arbeiten beginnt. Dieses wiederum ermöglicht jederzeit eine ausreichende Schmierung der Lageranordnung. Dabei kann die Lebensdauer der Komprimiereinheit verlängert werden. Selbstverständlich können mehr als zwei Zweigleitungen vorhanden sein.
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Es ist deshalb besonders bevorzugt, dass in der zweiten Zweigleitung von dem Verdampfer eine Pumpe angeordnet ist, die bei Inbetriebnahme betrieben wird und flüssiges Kältemittel an der Lageranordnung der Kompressoreinheit bereitstellt, bevor die Kompressoreinheit arbeitet. Die Verwendung einer Pumpe stellt sicher, dass ausreichend Kältemittel an der Lageranordnung bei Inbetriebnahme bereitgestellt ist und auch im Fall, dass sich der Druckunterschied noch nicht aufgebaut hat oder während des normalen Betriebs fällt. Vorzugsweise wird die Pumpe derart gesteuert, dass sie zu arbeiten beginnt, wenn der Druckunterschied zwischen dem Kondensierer und/oder Economisierer weniger als ein vorgegebener Wert wird. Um die Gefahr einer Kavitation in der Pumpenansaugleitung zu verhindern oder zu minimieren, kann die Pumpengeschwindigkeit für einen langsamen Start und/oder unterschiedliche Geschwindigkeit steuerbar sein.
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Selbstverständlich ist es auch möglich, die Pumpe in der Hauptschmierversorgungsleitung anzuordnen, die dadurch bereitgestellt ist, dass stromauf der Lageranordnung die erste und zweite Zweigversorgungsleitung zusammengeführt werden. Die Pumpe wird vorzugsweise nur bei Inbetriebnahme betrieben, oder um das schmierende Kältemittel im Fall eines unerwarteten Abfalls im Druckunterschied anzutreiben. Dennoch kann das Anordnen der Pumpe in der Hauptversorgungsleitung den Strömungswiderstand in der Schmierversorgungsleitung erhöhen, da das Kältemittel auch die Pumpe passieren muss.
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Gemäß einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel umfasst das Kühlsystem weiterhin eine Filtereinheit, die in der Versorgungsleitung für schmierendes Kältemittel stromauf der Lageranordnung angeordnet ist. Dabei kann die Filtereinheit in der Hauptversorgungsleitung und/oder in einer oder mehreren der Zweigleitungen in Abhängigkeit der Notwendigkeit angeordnet sein. Diese Filtereinheit stellt sicher, dass schädigende Substanzen, beispielsweise Wasser und/oder andere Substanzen, die bei einem Zersetzen von Molekülen des Kältemittels aufgrund von Hitze, Druck und/oder mechanischer Reibung entstehen, aus dem Kältemittel herausgefiltert werden, sodass das Kältemittel, das für die Schmierung der Lageranordnung verwendet wird, nicht verunreinigt ist. Vorzugsweise umfasst der Filter zumindest eine Einheit zum Filtern von Flüssigkeiten, wie beispielsweise Wasser und Säuren, und eine zweite Einheit zum Herausfiltern von verunreinigenden Partikeln.
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Gemäß einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel ist stromauf der Lageranordnung ein Akkumulator in dem Schmiermittelkreislauf angeordnet. Der Akkumulator ist vorzugsweise bei Inbetriebnahme mit Kältemittel aufgefüllt und stellt sicher, dass eine kontinuierliche Schmierung an der Lageranordnung bereitgestellt wird, auch wenn der Druckunterschied zwischen dem Druckniveau der Komprimiereinheit/Economisiereinheit und der Verdampfereinheit variiert. Der Akkumulator kann auch statt einer Pumpe bei Inbetriebnahme als druckbeaufschlagtes schmierendes Kältemittelreservoir fungieren, oder im Fall, dass die Pumpe nicht funktioniert. Folglich ist der Akkumulator vorzugsweise dazu ausgelegt, in einem Vorschmierzyklus zu arbeiten, bevor der Kompressor gestartet wird.
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Vorzugsweise hat der Akkumulator zwei Arbeitsräume, einen oben, der mit einem Gas gefüllt ist oder eine Feder aufweist, und einen zweiten, der verwendet wird, um druckbeaufschlagtes Kältemittel zu speichern. Die zwei Arbeitsräume sind voneinander durch einen Kolben oder eine Gummiblase getrennt.
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Ein derartiger Akkumulator funktioniert wie folgt: Beim Start des Schmierzyklus ist der zweite Arbeitsraum des Akkumulators leer. Während der Druck aufgebaut wird, beginnt sich auch der zweite Arbeitsraum mit flüssigem Kältemittel aufzufüllen. Der Druck wird durch den Druck des komprimierten Gases im ersten Arbeitsraum oder durch die Kompression der Feder, falls eine solche verwendet wird, ausbalanciert. Im Dauerbetrieb haben die beiden Arbeitsräume ungefähr das gleiche Volumen. Dies wird durch Wahl des Gasdrucks oder der Federkraft in dem ersten Arbeitsraum gesteuert.
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Wie oben erwähnt, dient das Volumen des druckbeaufschlagten flüssigen Kältemittels in dem zweiten Arbeitsraum als Reserveschmiermittel im Fall einer Fehlfunktion des Systems aus irgendeinem Grund.
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Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Kühlsystems gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Kältemittel als Schmiermittel verwendet wird, das durch die Schmiermittelkreislaufleitung mittels eines Druckunterschieds zwischen dem Kondensierer oder Economisierer und dem Verdampfer angetrieben wird.
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Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel arbeitet das Kühlsystem wie folgt: Beim Starten des Kühlsystems ist flüssiges Kältemittel für das Schmieren in dem Verdampfer vorhanden. Wenn sich der Systemdruck aufbaut, wird flüssiges Kältemittel in dem Kondensierer verfügbar. Die Schmiermittelpumpe pumpt erst Kältemittel aus dem Verdampfer, dann, nachdem ein gewisses Druckunterschiedsniveau erreicht worden ist, wird die Quelle des flüssigen Kältemittels auf den Kondensierer umgeschaltet. Stromab der Pumpe wird Kältemittel an den Kompressorlagern für eine Schmierung durch eine Düse bereitgestellt und dann aus der Lageranordnung zu dem Verdampfer abgelassen. Bei Hochgeschwindigkeitskompressoren produziert die Düse einen Strahl, der Kältemittel in das Lager spritzt. Der Druck fällt über die Düse ab und die Düse steuert den Fluss. In Kompressoren mit niedriger Geschwindigkeit ist eine Strahleinspritzung nicht nötig. Das Kältemittel kann in das Lagergehäuse ohne Druckabfall und dann durch die Lager strömen. In diesem Fall ist es auch möglich, dass die Pumpe als Zumessvorrichtung fungiert.
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Die optionale Pumpe kann dauerhaft betrieben sein, es ist aber bevorzugt, die Pumpe nur zu betreiben, um Kältemittel bei Inbetriebnahme aus dem Verdampfer zu pumpen, sie dann abzuschalten und nur den Druckunterschied zwischen dem Kondensierer (oder dem Economisierer) und dem Verdampfer zu verwenden, um den schmierenden Kältemittelstrom anzutreiben.
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Um im Fall einer Pumpenfehlfunktion eine Versorgung mit druckbeaufschlagtem Kältemittel in Reserve zu halten, wird ein hydraulischer Akkumulator mit einem Kältemittel gefüllt, wenn die Pumpe gestartet wird, was in einem Vorschmierzyklus sein sollte, bevor der Kompressor gestartet wird.
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Weitere bevorzugte Ausführungsbeispiele sind in der Beschreibung und den Figuren definiert. Dabei können Elemente, die in Kombination mit anderen Elementen beschrieben oder gezeigt sind, alleine oder in Kombination mit anderen Elementen vorhanden sein, ohne von dem Schutzbereich der Erfindung abzuweichen.
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Im Folgenden werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung mit Bezug auf die Zeichnungen beschrieben, wobei die Zeichnungen rein exemplarisch sind und nicht dazu gedacht sind, den Schutzbereich zu begrenzen. Der Schutzbereich wird nur durch die angehängten Ansprüche definiert.
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Die Figuren zeigen:
- 1: eine schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels eines Kühlsystems mit einer kältemittelgeschmierten Lageranordnung, und
- 2: eine schematische Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels eines Kühlsystems mit einer kältemittelgeschmierten Lageranordnung, und
- 3: eine schematische Darstellung eines dritten Ausführungsbeispiels eines Kühlsystems mit einer kältemittelgeschmierten Lageranordnung.
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Im Folgenden werden gleiche oder ähnlich funktionierende Elemente mit denselben Bezugszeichen gekennzeichnet.
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Die 1 und 2 zeigen jeweils eine schematische Darstellung eines Kühlsystems 100, das einen Kühlkreislauf 10 (angezeigt durch dicke Pfeile) und einen Schmierkreislauf 20 (angezeigt durch hohle Pfeile) aufweist, wobei der Schmierkreislauf 20 ebenfalls Kältemittel als Schmiermittel aufweist.
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Ein Kühlsystem 100, wie beispielsweise eine Kältemaschine oder ein Klimaanlagensystem, umfasst im Allgemeinen in dem Kühlkreislauf 10, eine Kompressoreinheit 12, eine Kondensiereinheit 14 und eine Verdampfereinheit 16. Optional gibt es stromauf der Verdampfereinheit 16 auch eine Expansionseinheit (nicht dargestellt), beispielsweise ein Expansionsventil, das verwendet werden kann, um den Druck des Kältemittels in dem Kühlkreislauf 10 zu reduzieren.
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Wie in dem Kühlkreislauf 10 der 1 und 2 zu sehen ist, komprimiert die Kompressoreinheit 12 gasförmiges Kältemittel, das zu der Kondensiereinheit 14 geführt wird, um das gasförmige Kältemittel in flüssiges Kältemittel zu kondensieren. Das flüssige Kältemittel wird dann zu der Verdampfereinheit 16 geführt, um das flüssige Kältemittel in gasförmiges Kältemittel zu verdampfen, das dann wiederum zurück zu der Kompressoreinheit 12 transportiert wird, um wieder komprimiertes gasförmiges Kältemittel bereitzustellen.
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Die Kompressoreinheit 12 selbst umfasst eine Lageranordnung 2 mit zumindest einem, aber üblicherweise mehreren Wälzlagern. Die Lageranordnung 2 ist in den Figuren nur schematisch dargestellt. Die Lageranordnung 2 erfordert üblicherweise im Betrieb eine Schmierung. Um das Design des Kühlsystems zu vereinfachen, ist vor Kurzem vorgeschlagen worden, Kältemittel nicht nur in dem Kühlkreislauf 10, sondern auch in dem Schmierkreislauf 20 zum Schmieren der Lageranordnung 2 zu verwenden, indem das Kältemittel als Schmiermittel für die Lageranordnung 2 verwendet wird.
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Wie in 1 dargestellt, wird, um schmierendes Kältemittel an der Lageranordnung 2 bereitzustellen, ein Teil des Kältemittels von der Kondensiereinheit 14 durch eine Versorgungsleitung für schmierendes Kältemittel 22 abgezweigt und zu der Lageranordnung 2 in der Kompressoreinheit 12 transportiert. Das schmierende Kältemittel wird dann in die Lageranordnung 2 eingebracht, üblicherweise unter Hochdruck und durch eine Düse oder Einspritzvorrichtung (nicht dargestellt) und verlässt die Kompressoreinheit 12 über eine Rückführleitung für schmierendes Kältemittel 24, um schmierendes Kältemittel zu der Verdampfereinheit 16 rückzuführen.
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Da das Druckniveau der Kondensiereinheit 14 viel höher ist als das Druckniveau der Verdampfereinheit 16 wird keine zusätzliche Antriebseinheit für das schmierende Kältemittel, wie beispielsweise eine Pumpe, benötigt, um das schmierende Kältemittel durch den Schmierkreislauf 20 zu transportieren. Um jeglichen Rückfluss des schmierenden Kältemittels in die Kondensiereinheit 14 zu verhindern, wird weiterhin vorgeschlagen, ein Rückschlagventil 26 in der Versorgungsleitung für schmierendes Kältemittel 22 stromauf der Kompressoreinheit 12 anzuordnen, wie in 1 dargestellt ist.
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Ungünstigerweise wird, da das Kältemittel auch als Kältemittel in dem Kühlkreislauf 10 verwendet wird, das Kältemittel einigen mechanischen Komponenten, wie beispielsweise dem Kompressor, Kondensierer, Verdampfer, Verbindungsleitungen, ausgesetzt und damit Hitze und Druck, genauso wie flüssigen und/oder gasförmigen Verunreinigungen, wie beispielsweise Luft oder Feuchtigkeit, was veranlassen kann, dass sich die Moleküle in dem Kältemittel zersetzen und Zwischenproduktstoffe produzieren, die für die Lageranordnung 2, die in der Kompressoreinheit 12 verwendet wird, schädlich sind. Zusätzlich kann das Zersetzen der Moleküle auch durch eine inhärente chemische Instabilität des Kältemittels selbst verursacht sein. Darüber hinaus können Partikel, die von Verschleiß oder Abrieb der mechanischen Komponenten stammen, in dem Kältemittel vorhanden sein, die für die Lageranordnung 2, in dem Fall, dass das Kältemittel als Schmiermittel verwendet wird, schädlich sind.
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Diese Zwischenprodukte und/oder Teilchen sind jedoch sehr schädlich für die kältemittelgeschmierten Lageranordnungen 2, da sie zur Korrosion, vergrößertem Verschleiß, ungenügende Schmierbedingungen führen können oder anderweitig einen Schaden in der Lageranordnung 2 verursachen können.
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Folglich gibt es eine Anordnung von Filtereinheiten 34, 36 und 38 (1) oder eine Anordnung von individuellen und kombinierten Filtereinheiten (35, 38), die stromauf der Lageranordnung 2 in der Versorgungsleitung für schmierendes Kältemittel 22 vorhanden sind. Die Filtereinheit(en) 34, 35, 36, 38 umfassen Materialien, die Zwischenprodukte, Verunreinigungen und/oder Partikel absorbieren oder mit ihnen reagieren können, wodurch die Partikel, Säuren oder Wasser aus dem Kältemittel entfernt werden.
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Die Filtereinheiten selbst sind vorzugsweise dazu ausgelegt, bestimmte Moleküle aus dem Kältemittel durch mechanische, chemische und/oder physikalische Absorption zu absorbieren, einzufangen oder abzuscheiden, wobei die Art der Absorption/Abscheidung abhängig ist von der Materialart, der umgebenden Umgebungszusammensetzung und der erwarteten Art der Verunreinigung.
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Wie oben erwähnt, ist es auch möglich, neben der Anordnung der Filtereinheiten wie in 1 dargestellt, einige oder alle Filtereinheiten zu kombinieren, um den insgesamt erforderlichen Bauraum zu reduzieren oder um synergistische Effekte auszunutzen. Ein derartiges Ausführungsbeispiel ist in 2 illustriert, in dem die Filtereinheit 35 eine Kombination aus einem Säurefilter und einem Trocknungsmittelfilter ist. Dies ist insbesondere bevorzugt, da einige der Adoptionsreaktionen von Säuren kompetitiv sind zu der Absorption von Wasser/Feuchtigkeit, oder, wie oben erwähnt, das Reaktionsprodukt der chemischen Reaktion Wasser sein kann, das ebenfalls aus dem Kältemittel entfernt werden muss.
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Wie weiterhin in 1 und 2 dargestellt, ist ein Akkumulator 40 in der Versorgungsleitung für schmierendes Kältemittel 22 angeordnet. Der Akkumulator 40 stellt sicher, dass eine konstante schmierende Kältemittelversorgung an der Kompressoreinheit 12 bereitgestellt ist, auch in dem Fall, dass der Druck in der Versorgungsleitung 22 fluktuiert. Folglich dient der Akkumulator 40 als zusätzliches Hilfsreservoir für druckbeaufschlagtes Kältemittel, das an die Lageranordnung 2 abgegeben werden kann, falls eine ungenügende schmierende Kältemittelversorgung in der Versorgungsleitung für schmierendes Kältemittel 22 detektiert ist.
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Der Akkumulator 40 hat üblicherweise zwei Arbeitsräume 42, 44, wobei der obere Arbeitsraum 42 mit einem Gas gefüllt ist oder eine Feder aufweisen kann, die dazu ausgelegt sind, eine Vorspannung/Last 46 auf einen Kolben oder Blase 48 auszuüben, die die Bauräume 42, 44 separiert. Der zweite Arbeitsraum 44 wird verwendet, um druckbeaufschlagtes Kältemittel zu speichern. Ein derartiger Akkumulator 40 arbeitet wie folgt: Beim Start des Schmierkreislaufs ist der zweite Arbeitsraum 44 des Akkumulators 40 leer. Wenn sich der Druck aufbaut, beginnt sich der zweite Arbeitsraum 44 mit flüssigem Kältemittel zu füllen. Der Druck wird durch den Druck 46 des komprimierten Gases in dem ersten Arbeitsraum 42 oder durch die Kompression der Feder, falls sie verwendet wird, ausbalanciert. Im Dauerbetrieb haben die beiden Arbeitsräume 42, 44 ungefähr das gleiche Volumen. Dieses wird durch die Wahl des Gasdrucks oder der Federkraft 46 in dem ersten Arbeitsraum 42 gesteuert.
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Das Volumen des druckbeaufschlagten flüssigen Kältemittels in dem zweiten Arbeitsraum 44 dient als Reserveschmiermittel im Fall einer Fehlfunktion des Systems aus irgendeinem Grund, beispielsweise eines unerwarteten Druckabfalls.
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Die Versorgungszweigleitung für schmierendes Kältemittel 22 kann von der Kondensiereinheit, wie oben erklärt, oder alternativ oder zusätzlich von einer optionalen Economisiereinheit abzweigen. Im Fall, dass eine Economisiereinheit in dem Kühlkreislauf vorhanden ist, kann es bevorzugt sein, das Kältemittel aus dem Economisierer zu verwenden mit einem geringeren Druckunterschied zu dem Druckniveau des Verdampfers, um die Lageranordnung 2 zu schmieren. Dabei sind die Wahl der Schmiermittelart, niedriger oder mittlerer Druck, die Anzahl der Kompressorstufen und die Verwendung oder Nichtverwendung eines Economisierers ökonomische Abwägungen. Die Verwendung einer Economisiereinheit ist insbesondere vorteilhaft in dem Fall, in dem die Kompressoreinheit 10 ein Hochgeschwindigkeitskompressor ist, der einen sehr hohen Druck in dem Kältemittel bereitstellt, der sogar zu hoch sein könnte, um die Lageranordnung 2 zu schmieren. In diesem Fall ist der Druckunterschied zwischen dem Economisierer und der Verdampfereinheit immer noch hoch genug, um Kältemittel durch den Schmierkreislauf zu transportieren und um ausreichend Kältemittel an der Lageranordnung 2 zum Schmieren bereitzustellen.
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2 illustriert ein zweites Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Zusätzlich zu dem Kühlsystem, das in 1 gezeigt ist, hat das schematisch dargestellte Kühlsystem 100 aus 2 eine erste Versorgungszweigleitung für schmierendes Kältemittel 22-1, die von der Kondensiereinheit 14 oder Economisiereinheit abzweigt, und eine zweite Versorgungszweigleitung für schmierendes Kältemittel 22-2, die von der Verdampfereinheit 16 abzweigt. Die erste und die zweite Zweigleitung für schmierendes Kältemittel 22-1, 22-2 werden in einer Hauptversorgungsleitung für schmierendes Kältemittel 23 zusammengeführt. Die zweite Versorgungzweigleitung für schmierendes Kältemittel 22-2 wird üblicherweise nur bei Inbetriebnahme verwendet, um flüssiges Kältemittel an der Kompressoreinheit 12 auch schon bevor die Kompressoreinheit 12 zu arbeiten beginnt bereitzustellen. Dafür ist eine Pumpeneinheit 50 in der zweiten Versorgungsleitung für Kältemittel 22-2 angeordnet, die flüssiges Kältemittel aus dem Verdampfer zu der Kompressoreinheit 12 transportiert. Da die Pumpe 50 nur während der Inbetriebnahme arbeitet, ist der Energieverbrauch des Kühlsystems 100 nicht unnötig erhöht und verglichen mit bekannten Systemen mit einer dauerhaft betriebenen Pumpe sogar reduziert. Zusätzlich kann die Pumpengröße reduziert werden, da nur ein kleiner Anteil von Kältemittel in dem Vorschmierzyklus zu dem Kompressor transportiert werden muss. Um jeglichen Rückfluss des Kältemittels zu der Verdampfereinheit 16, insbesondere während des normalen Betriebs des Kühlsystems, zu verhindern, ist ein weiteres Rückschlagventil 28 in der zweiten Versorgungsleitung für schmierendes Kältemittel 22-2 angeordnet.
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Die Pumpeneinheit 50 kann eine Druckpumpe sein und kann auch verwendet werden, um die Strömung während des normalen Betriebs zu steuern, beispielsweise im Fall, dass der Druckunterschied fluktuiert oder der Druckunterschied zu niedrig oder zu hoch ist. Druckpumpen haben eine enge Korrelation zwischen Rotationsgeschwindigkeit und Strömungsrate und sind weniger beeinflusst durch Druckunterschiede als übliche dynamische Pumpen. Es ist weiterhin möglich, dass die Pumpeneinheit eine sogenannte Rotationspumpe ist, was den Vorteil gegenüber üblichen Pumpen hat, dass sie auch verwendet werden kann, um eine Mischung aus gasförmigen und flüssigen Fluiden, die in dem Verdampfer vorhanden sein können zu pumpen.
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Das Kühlsystem 100, das in 2 illustriert ist, arbeitet wie folgt: Bei Inbetriebnahme des Kühlsystems ist flüssiges Kältemittel für die Schmierung in der Verdampfereinheit 16 vorhanden. Während der Systemdruck aufgebaut wird, wird das flüssige Kältemittel in der Kondensiereinheit 14 verfügbar. Die Pumpe 50 für schmierendes Kältemittel pumpt zuerst Kältemittel aus der Verdampfereinheit 16, dann nachdem die Kondensiereinheit 14 und die Verdampfereinheit 16 ein bestimmtes Druckdifferenzniveau erreicht haben, wird die Quelle des flüssigen Kältemittels auf die Kondensiereinheit 14 umgeschaltet. Stromabwärts der Pumpe 50 wird Kältemittel an der Lageranordnung 2 zum Schmieren mittels einer Düse bereitgestellt, dann aus der Lageranordnung 2 in die Verdampfereinheit 16 über eine Rückführleitung 24 ausgelassen. Bei Hochgeschwindigkeitskompressoren 12 produziert die Düse einen Strahl, der Kältemittel in die Lageranordnung 2 sprüht. Der Druck fällt über die Düse hinweg ab und die Düse steuert die Strömung. Bei Niedriggeschwindigkeitskompressoren 12 ist eine Sprüheinspritzung nicht notwendig, sodass das Kältemittel in und durch die Lageranordnung 2 ohne Druckabfall strömen kann. In diesem Fall kann die Pumpe 50 auch als Zumessvorrichtung dienen.
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3 illustriert ein drittes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Zusätzlich zu dem Kühlsystem, das in 2 dargestellt ist, ist die Pumpe 50 für schmierendes Kältemittel mit einer Dreiwegeventilsteuerung 52 verbunden. Die Pumpe kann flüssiges Kältemittel aus entweder der Kondensiereinheit 14 und/oder der Economisiereinheit, oder aus der Verdampfereinheit 16 beziehen. Ein Dreiwegeventil 52 steuert von wo das Kältemittel kommt.
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Das Kühlsystem kann in drei Betriebszuständen betrieben werden. Die Pumpe 50 für schmierendes Kältemittel saugt bei Inbetriebnahme aus der Verdampfereinheit 16 über die zweite Versorgungsleitung für schmierendes Kältemittel 22-2 Kältemittel. In einem zweiten Betriebszustand im Dauerbetrieb saugt die Pumpe 50 für schmierendes Kältemittel aus der Kondensiereinheit 14, wenn der Druck zu niedrig wird und die Pumpe 50 für schmierendes Kältemittel anfangen muss schmierendes Kältemittel mit einem ausreichenden Druckniveau bereitzustellen. In einem dritten Betriebszustand im Dauerbetrieb mit ausreichendem Druckniveau von der Kondensiereinheit 14 und/oder von der Economisiereinheit läuft die Pumpe nicht und ist nicht in die Versorgungsleitung für schmierendes Kältemittel integriert. Eine druckangetriebene Strömung mit Kältemittel aus der Kondensiereinheit 14 und/oder der Economisiereinheit fließt über die erste Versorgungsleitung für schmierendes Kältemittel 22-1 zu der Kompressoreinheit 12. Ein Druckregulator, beispielsweise ein druckregulierendes Ventil 54, an dem Auslass der Kondensiereinheit 14 und/oder der Economisiereinheit kontrolliert und/oder begrenzt den Druck des Kältemittels.
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Zusammenfassend hat das vorgeschlagene Kühlsystem die folgenden Vorteile:
- Der schmierende Kältemittelstrom wird durch einen Druckunterschied zwischen der Kondensiereinheit/Economisiereinheit statt einer Pumpe angetrieben. Dies reduziert die Gesamtkosten des Kühlsystems und vergrößert die Gesamtzuverlässigkeit des Systems.
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Der schmierende Kältemittelstrom hat minimale Variationen aufgrund der Verwendung eines Akkumulators, der sicherstellt, dass die Schmierung der Lageranordnung kontinuierlich bereitgestellt ist.
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Zusätzlich werden Unterbrechungen des schmierenden Kältemittelstroms minimiert.
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Da die Pumpe nur bei Inbetriebnahme verwendet wird und/oder wenn aus irgendeinem Grund der Druckunterschied zu niedrig wird, ist der Pumpenverschleiß minimiert und der zusätzliche Energieverbrauch ist reduziert.
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Durch die Verwendung einer Rotationspumpe wird interne Leckage minimiert und ein Druck erzeugt, der unabhängig von der Geschwindigkeit ist.
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Durch die Verwendung einer variablen Antriebsgeschwindigkeit für die Pumpe ist es weiterhin möglich, die Pumpe mit einer niedrigen Geschwindigkeit beginnen zu lassen, um Probleme mit Kavitation zu vermeiden, die üblicherweise auftreten, wenn eine Mischung aus flüssigen und gasförmigen Fluiden gepumpt werden muss.
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Durch das Nichtverwenden der Pumpe im Dauerbetrieb ist der Gesamtenergieverbrauch des Kühlsystems reduziert.
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Durch die Verwendung eines Trocknungsmittel, Säure- und/oder Partikelfilter in dem schmierenden Kältemittelstrom ist die Exposition der Lageranordnung zu schädlichen Substanzen, die die Lagerkomponenten korrodieren können, ebenfalls minimiert.
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Bezugszeichenliste
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- 100
- Kühlsystem
- 10
- Kühlkreislauf
- 12
- Kompressoreinheit
- 14
- Kondensiereinheit
- 16
- Verdampfereinheit
- 20
- Schmierkreislauf
- 22
- Versorgungsleitung für schmierendes Kältemittel
- 22-1
- erste Versorgungsleitung für schmierendes Kältemittel
- 22-2
- zweite Versorgungsleitung für schmierendes Kältemittel
- 23
- Hauptversorgungleitung für schmierendes Kältemittel
- 24
- Rückführleitung für schmierendes Kältemittel
- 26
- Rückschlagventil
- 28
- Rückschlagventil
- 34
- erste Filtereinheit
- 36
- zweite Filtereinheit
- 35
- kombinierte Filtereinheit
- 38
- dritte Filtereinheit
- 40
- Akkumulator
- 42
- erster Arbeitsraum
- 44
- zweiter Arbeitsraum
- 46
- Federkraft/Gasdruck
- 48
- Kolben/Blase
- 50
- Pumpe
- 52
- Dreiwegeventil
- 54
- Druckregulierungsventil
