DE19522884A1 - Compression refrigeration circuit operating system - Google Patents

Compression refrigeration circuit operating system

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Abstract

The operating system with 2-stage throttling and separation of the circulated carbon dioxide refrigerant, has the refrigerant flow fed to a medium pressure separator (1), after the first throttle stage. The part of the refrigerant medium within the bottom part of the separator is fed to the evaporator (5) and the part of the refrigerant medium in the upper part of the separator is expanded via a further throttle stage and fed to a heat exchanger (6) for overheating. The expanded and overheated part of the refrigerant flow is mixed with the output of the evaporator via a collector pipe integrated in the evaporator.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer Kompressionskälteanlage mit dem Arbeitsmittel Kohlendioxid (CO₂) mit einer zweistufigen Drosselung und Teilung der des umlaufenden Arbeitsmittelmassestromes.The invention relates to a method for operating a compression refrigeration system with the Work equipment carbon dioxide (CO₂) with a two-stage throttling and division of the circulating working mass flow.

Nach Bekanntwerden der Ozonproblematik ist ein deutlicher Trend zu natürlichen Kältemit­ teln erkennbar. Im Gegensatz zu den alternativen FKW-Kältemitteln weisen diese wieder eine direkte Umweltbelastung bezüglich der Treibhausproblematik auf, noch verursachen sie eine unbekannte Restgefährdung, die jede neue Chemikalie, insbesondere bei einem möglichen Zerfall in der oberen Atmosphäre, aufweist.After the ozone problem became known, there is a clear trend towards natural refrigeration identifiable. In contrast to the alternative HFC refrigerants, these again show cause a direct environmental impact related to the greenhouse problem an unknown residual hazard that every new chemical, especially one possible decay in the upper atmosphere.

Das Bestreben, ein natürliches, völlig ungiftiges und unbrennbares Kältemittel überall da einzusetzen, wo unmittelbar Menschen anwesend sind, führte in den letzten Jahren zu ei­ ner Wiederentdeckung des CO₂, insbesondere in der Fahrzeugklimatisierung.The quest for a natural, completely non-toxic and non-flammable refrigerant everywhere Using where people are present has led to egg in recent years ner rediscovery of CO₂, especially in vehicle air conditioning.

Vor Einführung der FCKW′s war CO₂ ein gebräuchliches Kältemittel. Die Wärmeabgabe, z. B. an die Umgebungsluft, erfolgt bei CO₂ aufgrund seiner niedrigen Kritischen Temperatur von 31,1°C überwiegend oberhalb dieser durch isobare Druckgaskühlung.Before the introduction of CFCs, CO₂ was a common refrigerant. The heat emission, e.g. B. to the ambient air, takes place with CO₂ due to its low critical temperature of 31.1 ° C mainly above this due to isobaric gas cooling.

Da bei überkritischer Druckseite und einer bestimmten Kühlmitteltemperatur der Hochdruck zwar verschieden hoch gewählt werden kann, da seine Höhe aber sowohl die spezifische Kälte- und Verdichterleistung bestimmt, kann die optimale Leistungszahl nur bei einem be­ stimmten Hochdruck erzielt werden (Linge, K.; "Berechnungsgrundlagen von Kolbenkom­ pressoren", Handbuch der Kältetechnik, Band V, 1966, herausg. von Plank, R., Springer Ver­ lag).Because at supercritical pressure side and a certain coolant temperature the high pressure Although different heights can be chosen, since its height is both specific Refrigeration and compressor capacity determined, the optimal coefficient of performance can only be with one agreed high pressure can be achieved (Linge, K .; "Basis of calculation by Kolbenkom pressoren ", Handbuch der Kältetechnik, Volume V, 1966, edited by Plank, R., Springer Ver lay).

In der früheren Anwendungsphase wurden zahlreiche Verfahren praktiziert, die eine Anhe­ bung der Effizienz zum 1stufigen Prozeß bewirkten. Ein Hauptmerkmal dieser Verbesse­ rungen ist die Mehrstufigkeit der Prozesse, die bei der damalig gebräuchlichen langsam­ drehenden Verdichterbauart (mit Kreuzkopf und Kurbelstange, sowie mit mehrfach gestuf­ tem Zylinder in einer Maschine Stand der Technik darstellte. Diese Mehrstufigkeit ist im mo­ dernen hochdrehenden Kompressorenbau nur mit erhöhtem Aufwand realisierbar.In the earlier application phase, numerous procedures were practiced which efficiency of the first-stage process. A key feature of these improvements is the multi-stage process, which was slow at that time rotating compressor design (with crosshead and crank rod, as well as with multiple stages cylinder in a machine was state of the art. This multi-stage is in mo high-speed compressor construction can only be realized with increased effort.

Ein bekanntes Verfahren zur Erhöhung der Energieeffizienz ist die 2stufige Kompression mit Zwischenkühlung nach R. Plank (Deutsches Patent 278095, 1912).A well-known method for increasing energy efficiency is 2-stage compression with intercooling according to R. Plank (German Patent 278095, 1912).

Ein weiteres bekanntes verbessertes Verfahren ist die 2stufige Kompression mit Unterküh­ lung der Druckgase unter die Kühlmitteltemperatur durch den Kaltdampf (Ostertag, P.; "Kälteprozesse" Springer Verlag, 1933). Diese Anordnung bewirkt eine Vergrößerung der Kälteleistung bzw. deren Sicherung bei hohen Temperaturen der Wärmeabgabe. Allerdings wächst der erforderliche spezifische Arbeitsaufwand, da infolge der höheren Überhitzung der Saugdämpfe die Kompression in den Bereich ungünstiger Isotropenverläufe rückt.Another known improved method is the two-stage compression with hypothermia the compressed gases below the coolant temperature due to the cold steam (Ostertag, P .; "Cold Processes" Springer Verlag, 1933). This arrangement causes an enlargement of the Cooling capacity or securing it at high temperatures of heat emission. Indeed the required specific workload increases because of the higher overheating the suction vapors the compression in the range of unfavorable isotropic curves.

Ein mögliches Verfahren zur Verbesserung der Effektivität ist ein auf der Hochdruckseite überkritisch arbeitender Kaltdampfprozeß mit CO₂ als Kältemittel zur Kälteerzeugung und für Wärmepumpen nach Lorentzen, G.; Pettersen, J.; Bong, R. (WO 90/07683; WO 93/06423).One possible method to improve effectiveness is on the high pressure side supercritical cold steam process with CO₂ as refrigerant for refrigeration and for heat pumps according to Lorentzen, G .; Pettersen, J .; Bong, R. (WO 90/07683; WO 93/06423).

Der Kaltdampfprozeß besteht aus Kompressor, Gaskühler, Gegenstromwärmeübertrager druckgasseitig, Drosselventil, Verdampfer, Niederdruckkältemittelsammler und Gegen­ stromwärmeübertrager saugseitig, verbunden in einem Kreislauf.The cold steam process consists of a compressor, gas cooler and countercurrent heat exchanger pressure gas side, throttle valve, evaporator, low-pressure refrigerant collector and counter Current heat exchanger on the suction side, connected in a circuit.

Das Verfahren beinhaltet eine Möglichkeit der Hochdruckregelung, die geführt wird von ei­ ner relevanten Temperatur zur Wärmeabgabe durch die Bereitstellung einer Steuerstrategie für das Drosselventil zur Sicherung des minimalen Energieverbrauches oder zur Leistungs­ anpassung an die Last.The process includes a possibility of high pressure control, which is managed by ei a relevant temperature for heat emission by providing a control strategy  for the throttle valve to ensure minimal energy consumption or performance adaptation to the load.

In dem bevorzugten Verfahren mit saugseitig angeordnetem Niederdruckkältemittelsammler dient dieser der Bevorratung des Kältemittels, der Aufnahme oder Abgabe des Kältemittels zur Gewährleistung der Regelbarkeit der erforderlichen Kältemittelgasfüllung im Gaskühler zur Aufrechterhaltung des optimalen Hochdruckes.In the preferred method with a low-pressure refrigerant collector arranged on the suction side it serves to store the refrigerant, to absorb or dispense the refrigerant to ensure the controllability of the required refrigerant gas charge in the gas cooler to maintain the optimal high pressure.

Dieser, nach der relevanten Temperatur der Wärmeabgabe vorausberechnete Hochdruck bestimmt als Eintrittsdruck in das Drosselventil dessen Öffnungsgrad. Dies kann Nachteile für die gleichzeitig auszuführende Funktion des Drosselventils zur Regelung der Beauf­ schlagung des Verdampfers mit flüssigem Kältemittel entsprechend der jeweiligen Lastan­ forderung bewirken. Nachteilig an dem vorgestellten Verfahren ist, daß in instationären Zeit­ räumen, z. B. bei gewünschtem Anstieg des Hochdruckes oder einer Erhöhung der Lei­ stungsanforderung dies die Verminderung des Öffnungsgrades des Drosselventils und somit eine Verminderung der Kältemittelfüllung im Verdampfer und ein Absinken des Ver­ dampfungsdruckes bewirkt. Daraus resultiert eine Erhöhung der spezifischen Verdichterlei­ stung sowie eine gewisse Verdampferaustrocknung und zeitweilige Minderleistung trotz erhöhter Leistungsanforderung.This high pressure, calculated in advance according to the relevant temperature of the heat emission determines the degree of opening of the throttle valve as the inlet pressure. This can have disadvantages for the simultaneous function of the throttle valve to regulate the Beauf Blow the evaporator with liquid refrigerant according to the respective load to cause a demand. A disadvantage of the method presented is that in unsteady time clear, e.g. B. with a desired increase in high pressure or an increase in Lei This requirement is the reduction in the degree of opening of the throttle valve and thus a reduction in the refrigerant charge in the evaporator and a decrease in the Ver vaporization pressure causes. This results in an increase in the specific compression ratio and a certain amount of evaporator drying out and temporary underperformance despite increased performance requirement.

Weitere energetische Nachteile des o.g. Verfahrens bewirkt der saugseitige Druckverlust im Gegenstromwärmeübertrager infolge einer Absenkung des Saugdruckes bzw. der Erhö­ hung des Druckverhältnisses der Kompressoren sowie durch die Sauggasüberhitzung der Verschiebung des Kompressionsbeginnes zu höheren Ansaugtemperaturen und ungünsti­ gen Isentropenverläufen.Other energetic disadvantages of the above Process causes the suction-side pressure loss in the Counterflow heat exchanger due to a lowering of the suction pressure or the increase The pressure ratio of the compressors and the suction gas overheating of the Shifting the start of compression to higher intake temperatures and unfavorable against isentropic courses.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen verbesserten Kompressionskältekreislauf mit vorwie­ gend überkritischer Hochdruckseite zu schaffen, der vorstehend genannte Nachteile be­ kannter Prozeßführungen vermeidet. Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist eine Effizienz­ verbesserung der Kompression durch die Erzielung eines optimalen Ansaugzustandes.The object of the invention is to provide an improved compression refrigeration cycle with create supercritical high-pressure side, be the disadvantages mentioned above known process control avoids. Another object of the invention is efficiency Improvement of the compression through the achievement of an optimal suction condition.

Die Aufgaben der Erfindung werden durch die Merkmale der Patentansprüche gelöst.The objects of the invention are achieved by the features of the claims.

An nachstehend genanntem Ausführungsbeispiel wird die Erfindung näher erläutert. Die Abbildung zeigt eine Schaltungsanordnung zur Realisierung des erfindungsgemäßen Ver­ fahrens.The invention is explained in more detail using the exemplary embodiment mentioned below. The Figure shows a circuit arrangement for realizing the Ver driving.

Die Abbildung zeigt die Schaltungsanordnung einer bevorzugten Ausführung der Erfindung bestehend aus dem Kompressor 2, der das Sauggas auf den überkritischen Zustand ver­ dichtet, dem Gaskühler 3, in dem das Druckgas isobar abgekühlt wird, dem druckgasseiti­ gem Teil des inneren Wärmetauschers 6, in dem das Druckgas weiter isobar unterkühlt wird. Die Drosseleinrichtung 9 dient zur Einregelung eines geeigneten Hochdruckes bei gleichzeitiger Entspannung des Kältemittels in einen Mitteldruckabscheidesammler 1, wo eine Phasentrennung in einen Flüssigkeitsanteil und einen Dampfanteil erfolgt. Eine Dros­ seleinrichtung 8 dient der Einpegelung eines geeigneten Mitteldruckes im Mitteldrucksamm­ ler 1 bei gleichzeitiger Entspannung des dampfförmigen Kältemittelteilstromes. Im Nieder­ druckteil des inneren Wärmeübertragers 6 verdampft der entstandene Flüssigkeitsanteil des dampfförmigen Teilstromes und der Dampf wird überhitzt. Der flüssige Kältemittelanteil aus dem Mitteldruckabscheidesammler 1 entspannt über die Drosseleinrichtung 7 und ver­ dampft nahezu vollständig bis auf einen geringen Flüssigkeitsanteil. Die Drosseleinrichtung 7 zur Regelung der Überhitzung des Sauggases beaufschlagt den Verdampfer 5 entspre­ chend der aktuellen Leistungsanforderung so, daß die Mischung der Kältemittelanteile im Mischrohr 4 des Verdampferaustrittes den gewünschten optimalen Ansaugzustand für die Verdichtung ergibt.The figure shows the circuit arrangement of a preferred embodiment of the invention consisting of the compressor 2 , which seals the suction gas to the supercritical state, the gas cooler 3 , in which the compressed gas is cooled isobarically, the Druckgasseiti according to part of the inner heat exchanger 6 , in which Compressed gas is isobarically cooled. The throttle device 9 is used to regulate a suitable high pressure with simultaneous expansion of the refrigerant into a medium-pressure separator collector 1 , where phase separation into a liquid component and a vapor component takes place. A throttle sel device 8 is used to level a suitable medium pressure in the medium pressure collector 1 while at the same time relieving the vaporous partial refrigerant flow. In the low pressure part of the inner heat exchanger 6 , the resulting liquid portion of the vaporous partial stream evaporates and the steam is overheated. The liquid refrigerant portion from the medium pressure separator collector 1 relaxes via the throttle device 7 and evaporates almost completely except for a small amount of liquid. The throttle device 7 for controlling the overheating of the suction gas acts on the evaporator 5 accordingly, according to the current power requirement so that the mixture of the refrigerant components in the mixing tube 4 of the evaporator outlet gives the desired optimal suction state for the compression.

BezugszeichenlisteReference list

1 Mitteldruckabscheidesammler
2 Kompressor
3 Gaskühler
4 Mischrohr
5 Verdampfer
6 innerer Wärmeübertrager
7 Drosseleinrichtung
8 Drosseleinrichtung
9 Drosseleinrichtung 1 medium pressure separator
2 compressor
3 gas coolers
4 mixing tube
5 evaporators
6 internal heat exchangers
7 throttle device
8 throttle device
9 throttle device

Claims (3)

1. Verfahren zum Betrieb einer Kompressionskälteanlage mit den Arbeitsmittel Kohlendi­ oxid (CO₂) mit einer zweistufigen Drosselung und Teilung des umlaufenden Arbeitsmit­ telmassestromes, dadurch gekennzeichnet, daß
  • - der Arbeitsmittelmassestrom nach der ersten Drosselstufe in einen unterkritisch arbei­ tenden Mitteldruckabscheidesammler geleitet wird,
  • - das sich der im unteren Teil des Mitteldruckabscheidesammlers separierende größere flüssige Arbeitsmittelmassestromanteil dem Verdampfer zugeführt wird,
  • - der im oberen Teil des Mitteldruckabscheidesammlers separierende kleinere dampfförmige Arbeitsmittelmassestromanteil über eine zweite Drosselstufe bis nahe über den Verdampfungsdruck entspannt wird und in einen inneren Wärmeübertrager durch Verdampfung und Überhitzung zur Unterkühlung des überkritischen Hoch­ druckgases dient,
  • - nach der Verdampfung und Überhitzung der kleinere Arbeitsmittelmassestromanteil in einen im Verdampfer integrierten Sammelrohr mit den Ausgängen der Verdampfer­ stränge gemischt wird.
1. A method of operating a compression refrigeration system with the working medium Kohlendi oxide (CO₂) with a two-stage throttling and division of the circulating Arbeitsmit telmassestroms, characterized in that
  • - After the first throttle stage, the working fluid mass flow is directed into a subcritically operating medium-pressure separator collector,
  • - The larger liquid working fluid mass flow part separating in the lower part of the medium pressure separator collector is fed to the evaporator,
  • - The smaller, vaporous working fluid mass flow part separating in the upper part of the medium pressure separator is expanded via a second throttle stage to almost above the evaporation pressure and is used in an internal heat exchanger by evaporation and overheating to supercool the supercritical high pressure gas,
  • - After evaporation and overheating, the smaller proportion of working fluid mass flow is mixed with the outputs of the evaporator strands in a collecting pipe integrated in the evaporator.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
  • - zur Erzielung einer energetisch günstigen kleinen Temperaturdifferenz zwischen Ver­ dampfungs- und Zulufttemperatur der Verdampfer mit einem gewissen Überschuß an flüssigem Arbeitsmittelmassestrom beaufschlagt wird,
  • - durch die thermisch gesteuerte Verdampferregelung aus den Ausgängen der Ver­ dampferstränge in das Sammelrohr der Überschuß an flüssigem Arbeitsmittelmasse­ strom so bemessen ist, daß die Mischung mit dem überhitzten kleineren Arbeitsmit­ telmassestrom aus dem inneren Wärmeübertrager den energetisch günstigen nahezu gesättigten oder einen anderen gewünschten Ansaugzustand für die Verdichtung er­ gibt.
2. The method according to claim 1, characterized in that
  • - To achieve an energetically favorable small temperature difference between the evaporation and supply air temperature of the evaporator, a certain excess of liquid working fluid mass flow is applied,
  • - By the thermally controlled evaporator control from the outputs of the Ver evaporator strands in the manifold, the excess liquid working fluid mass is dimensioned so that the mixture with the overheated smaller Arbeitsmit telmassestrom from the inner heat exchanger the energetically favorable almost saturated or another desired suction state for the Compression he gives.
3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß
  • - das Drosselventil für den kleinen dampfförmigen Arbeitsmittelmassestrom aus dem Mitteldruckabscheidesammler der Regelung des Mitteldruckes dient,
  • - der Mitteldruck nach einer Steuerstrategie so geregelt wird, daß sich der von Hoch­ druck auf Mitteldruck entspannende Arbeitsmittelmassestrom im Mitteldruckabschei­ desammler in einem bevorzugten Verhältnis dampfförmig : flüssig von 0,1 : 0,9 oder in einem anderen gewünschten Verhältnis aufteilt,
  • - die Führungsgrößen für die Steuerung des Verhältnisses der Phasenanteile dampfförmig : flüssig des Arbeitsmittelmassestromes ist der Druck und die Temperatur des unterkühlten überkritischen Arbeitsmittelmassestromes nach dem inneren Wär­ metauscher.
3. The method according to claim 1 and 2, characterized in that
  • - The throttle valve for the small vaporous working fluid mass flow from the medium pressure separator collector serves to regulate the medium pressure,
  • - The medium pressure is regulated according to a control strategy so that the working fluid mass flow relaxing from high pressure to medium pressure in the medium pressure separator is divided in a preferred vaporous: liquid ratio of 0.1: 0.9 or in another desired ratio,
  • - The command variables for the control of the ratio of the phase components in vapor form: liquid of the working fluid mass flow is the pressure and the temperature of the supercooled supercritical working fluid mass flow after the internal heat exchanger.
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