DE3415000A1

DE3415000A1 - Verfahren und vorrichtung zum betreiben eines kreislaufsystems

Info

Publication number: DE3415000A1
Application number: DE19843415000
Authority: DE
Inventors: Hans-Peter 5000 Köln Corneille
Original assignee: Linde GmbH
Current assignee: Linde GmbH
Priority date: 1984-04-19
Filing date: 1984-04-19
Publication date: 1985-10-31
Also published as: DE3415000C2

Description

Verfahren und Vorrichtung zum Betreiben eines Kreislaufsystems

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Betreiben eines Kreislaufsystems, in dem ein Kreislaufmittel entspannt, verdampft, komprimiert und im Wärmetausch mit einem Medium von Umgebungstemperatur verflüssigt wird.

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In einem Kreislaufsystem dieser Art, beispielsweise in einer Kompressionskälteanlage wird verdampftes Kreislaufmittel in einem Kompressor auf ein hohes Druckniveau verdichtet. Im nachfolgenden Kondensator wird das komprimierte Kreislaufmittel durch Wärmetausch mit einem Kühlmedium zur Kondensation gebracht und nachfolgend in einer Expansionseinrichtung entspannt. Bei konstanter Kühlmediummenge ist die kondensierte Dampfmenge im wesentlichen eine Funktion des Temperaturabstandes zwischen der Sättigungstemperatur des Dampfes und der Temperatur des Kühlmediums vor dem Wärmetausch. Wird als Kühlmedium ein Medium mit von der Umgebung abhängigen Temperatur, beispielsweise Luft oder Wasser verwendet, so ist die Temperatur des Kühlmediums naturgemäß Schwankungen unterworfen. Bei tiefen Temperaturen des Mediums stellt sich dann ein niedrigerer Druck im Kon-

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densator ein. Dies ist von Nachteil, da die Expansionseinrichtung - abgestimmt auf die im jeweiligen Kreislaufsystem gewünschte Druckdifferenz bei einem gegebenen Durchfluß - auf einen bestimmten Vordruck ausgelegt ist. Um eine einwandfreie Funktion der Expansionseinrichtung sicherzustellen, ist es erforderlich, den Druck im Kondensator künstlich auf einem konstanten Niveau zu halten.

Dies kann beispielsweise bei einem luftgekühlten, mit Ventilatoren betriebenen Kondensator durch Verringerung der Kühlluftmenge, d.h. durch eine Reduzierung der Ventilatorleistung bewirkt werden. Selbst bei großen Temperaturunterschieden des Kühlmediums kann der Kondensatordruck durch Regelung der Mediummenge, gegebenenfalls auch durch Zu- und Abschalten von Befeuchtungseinrichtungen für das Kühlmedium konstant gehalten werden. Alternativ bzw. ergänzend zu den aufgezählten Möglichkeiten kann der Kondensatordruck auch durch Begasung des üblicherweise zwischen Kondensator und Expansionseinrichtung angeordneten Sammelbehälters konstant gehalten werden. Dazu wird ein Teil des verdichteten Kreislaufmittels unter Umgehung des Kondensators in den Sammelbehälter geleitet.

Die geschilderten Maßnahmen, im Kondensator einen relativ hohen Druck aufrechtzuerhalten, obwohl die Temperaturen des Kühlmediums einen tieferen Druck zuließen, haben erhebliche energetische Nachteile. So ist beispielsweise bei einem hohen Druck im Kondensator eine höhere Verdichterleistung erforderlich, als bei einem niedrigen Kondensatordruck.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs erwähnten Art anzugeben, das einen möglichst wirtschaftlichen Betrieb eines Kreislaufsystems ermöglicht.

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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Druck des verflüssigten Kreislaufmittels bei Unterschreiten des für die Entspannungseinrichtung erforderlichen Vordruckes mittels einer Pumpe auf wenigstens dieses Druckniveau angehoben wird.

Erfindungsgemäß werden keine Maßnahmen getroffen, durch die der Druck des Kreislaufmediums im Kondensator bei tiefen Temperaturen des Kühlmediums künstlich auf hohem Niveau gehalten wird. Vielmehr wird erfindungsgemäß ein möglichst niedriger Druck im Kondensator angestrebt. Dadurch wird die erforderliche Verdichterleistung erheblich reduziert. Zusätzlich wird eine erhöhte Kälteleistung erzielt. Das im Kondensator verflüssigte Kreislaufmittel wird mit dem von der Temperatur des Kühlmediums bestimmten Druck beispielsweise in einen Sammelbehälter geleitet. Entspricht der Druck dem erforderlichen Vordruck, so wird das Kreislaufmittel der Expansionseinrichtung direkt zugeführt. Sinkt der Kondensatordruck aber unter den erforderlichen Vordruck ab, so wird die Druckdifferenz zwischen dem Kondensatordruck und dem erforderlichen Vordruck durch eine Pumpe ausgeglichen. Auf diese Weise kann die installierte Kondensatorfläche unabhängig von der Temperatur des Kühlmediums stets voll wirksam bleiben. Dient beispielsweise Luft von Umgebungstemperatur als Kühlmedium, so kann ein Kondensator ganzjährig ohne Reduzierung der Luftmenge betrieben werden. Das bedeutet, daß eventuell vorhandene Ventilatoren, vollständig in Betrieb gehalten werden und auch eine zusätzliche Kühlung der Luft durch Besprühen mit Wasser beibehalten werden kann. Da die Antriebsenergie für die Ventilatoren des Kondensators und für die Flüssigkeitspumpe deutlich geringer ist als die Energie, die bei niedrigen Kühlmediumtemperaturen und dadurch niedrigen Verflüssigungstemperaturen durch die geringere Verdichterleistung eingespart werden kann, ist das erfindungsgemäße Verfahren energiespa-

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render als herkömmliche Verfahren.

Die Pumpe wird erfindungsgemäß eingeschaltet, sobald ein Mindestdruck vor der Expansionseinrichtung unterschritten wird. Dazu wird der Druck des Kreislaufmittels vor der Expansionseinrichtung gemessen und, sobald ein Unterschreiten des Mindestdruckes festgestellt wird, die Pumpe in Gang gesetzt. Dies kann durch eine automatische Regelung erfolgen.

In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung, bei der verflüssigtes Kreislaufmedium in einem Sammelbehälter gespeichert wird, wird das Kreislaufmittel aus dem Sammelbehälter mittels einer ungeregelten Pumpe der Entspannungseinrichtung zugeleitet, wobei bei überschreiten des erforderlichen Vordruckes überschüssiges Kreislaufmittel im Kreislauf zum Sammelbehälter zurückgeführt wird.

In einer bevorzugten weiteren Ausgestaltung der Erfindung, bei der ebenfalls verflüssigtes Kreislaufmittel in einem Sammelbehälter gespeichert wird, erübrigt sich eine Kreislaufführung des von der Pumpe geförderten Kreislaufmittels. Dabei wird das Kreislaufmittel aus dem Sammelbehälter der Entspannungseinrichtung mittels einer geregelten Pumpe zugeführt, wobei durch die Regelung der Förderstrom der Pumpe im Sinn einer Angleichung des aktuellen Vordruckes an den erforderlichen Vordruck eingestellt wird.

Eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht im wesentlichen aus einem Verdichter, einem Verflüssiger, einem Sammelbehälter, einer Expansionseinrichtung und einem Verdampfer, die zu einem Kreislaufsystem zusammengeschaltet sind. Erfindungsgemäß ist eine derartige Vorrichtung dadurch gekennzeichnet, daß in die den Sammelbehälter mit der Expansionseinrichtung

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verbindende Leitung eine weitere Leitung mit einer Pumpe mündet, wobei die Saugseite der Pumpe an den Sammelbehälter angeschlossen und in der den Sammelbehälter mit der Expansionseinrichtung verbindenden Leitung zwischen der Einmündung der weiteren Leitung und dem Sammelbehälter ein Rückschlagventil angeordnet ist.

Solange der Druck im Kondensator nicht unter den für die Expansionseinrichtung erforderlichen Vordruck absinkt, strömt Kreislaufmittel vom Kondensator über den Sammelbehälter und die Leitung mit dem Rückschlagventil direkt zur Expansionseinrichtung. Die Pumpe ist nicht im Betrieb. Sinkt der Druck vor der Expansionseinrichtung unter den erforderlichen Wert ab, wird die Pumpe in Betrieb genommen und Kreislaufmittel in die Leitung, die das Rückschlagventil mit der Expansionseinrichtung verbindet, gefördert. Das Rück-, schlagventil verhindert, daß mit der Pumpe gefördertes Kreislaufmittel über die Leitung mit dem Rückschlagventil in den Sammelbehälter zurückströmt, ohne daß vor der Expansionseinrichtung der erforderliche Druck aufgebaut wird.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann eine ungeregelte Pumpe verwendet werden. Ist der Förderstrom bei einer gewünschten Differenz zwischen dem Vordruck und dem Entspannungsdruck größer als der Durchfluß durch die Expansionseinrichtung, so ist es erforderlich, das überschüssige Kreislaufmittel aus dem zwischen der Pumpe und der Expansionseinrichtung liegenden Teil des Kreislaufsystems abzuführen.

Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung ist zu diesem Zweck die Druckseite der Pumpe an eine Überströmeinrichtung angeschlossen, deren Ausgang über eine Leitung in den Sammelbehälter mündet. 35

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Sobald der Druck auf der Druckseite der Pumpe einen über dem erforderlichen Vordruck liegenden Grenzwert überschreitet, öffnet die überströmeinrichtung, beispielsweise ein federbelastetes Ventil, bis der Druck wieder unter dem Grenzwert liegt. Der Grenzwert kann in der Überströmeinrichtung eingestellt werden. Das überschüssige Kreislaufmittel kann nach dem Verlassen der überströmeinrichtung in den Sammelbehälter zurückgeführt werden.

Eine Überströmeinrichtung erspart man sich in einer weiteren Variante der erfindungsgemäßen Vorrichtung. Dabei ist die Pumpe eine automatisch geregelte Pumpe.

Obwohl das erfindungsgemäße Verfahren bzw. die erfindungsgemäße Vorrichtung auf Wärmepumpen anwendbar ist, wird es bevorzugt auf luft- und/oder wassergekühlte Kälteanlagen bzw. auf Kälteanlagen mit Wärmerückgewinnung angewendet. Bei Anlagen zur Wärmerückgewinnung ist ein zusätzlicher Kondensator zwischen Verdichter und Normalkondensator geschaltet. Die Ventilatoren des Normalkondensators werden betrieben, um eine Unterkühlung des Kreislaufmittels im Normalkondensator zu erzielen. Dazu ist ein Anstau des Kreislaufmittels im Normalkondensator erforderlich.

Im folgenden soll anhand schematischer Skizzen ein Ausführungsbeispiel der Erfindung erläutert werden.

Es zeigen:

Figur 1 eine erfindungsgemäße Vorrichtung

Figur 2 ein Druck-Enthalpiediagramm

In Figur 1 ist eine luftgekühlte Kälteanlage schematisch

dargestellt. Das Kreislaufsystem besteht im wesentlichen

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aus einem Verdichter 1, einem Kondensator 2 mit nachgeschaltetem Sammelbehälter 3, einer Expansionseinrichtung 4 und einem Verdampfer 5. Erfindungsgemäß ist in der den Sammelbehälter 3 mit der Expansionseinrichtung, im Ausführungsbeispiel ein Ventil, verbindenden Leitung 9 ein Rückschlagventil 6 angeordnet. Parallel zur Leitung 9 verläuft eine an den Sammelbehälter angeschlossene Leitung 10 mit einer Pumpe 7. Leitung 10 mündet zwischen Rückschlagventil

6 und Ventil 4 in die Leitung 9. Die ungeregelte Pumpe 7 fördert annähernd konstanten Strom. Daher zweigt von Leitung 10 eine Leitung 11 mit einer überströmeinrichtung 8, im Ausführungsbeispiel ein federbelastetes Ventil, ab. Leitung 11 mündet in den Sammelbehälter 3. Nicht dargestellt sind z.B. Ventilatoren für den Kondensator.

Solange die zur Kühlung des Kondensators 2 dienende Luft eine ausreichend hohe Temperatur besitzt, herrscht im Kondensator 2 und damit im Sammelbehälter 3 und vor dem Ventil 4 der erforderliche Vordruck. Bei tieferen Außentemperaturen stellt sich im Kondensator 2 bei unveränderter Ventilatorleistung ein niedrigerer Druck ein. Ein Absinken dieses Druckes unter den erforderlichen Vordruck wird (z.B. automatisch) erfaßt und Pumpe 7 in Gang gesetzt. Durch Pumpe

7 wird Kreislaufmittel aus dem Sammelbehälter mit dem niedrigen Kondensatordruck gefördert und auf den erforderlichen Vordruck gebracht. Rückschlagventil 6 schließt. Sobald in Leitung 9 bzw. in Leitung 10 ein über dem erforderlichen Vordruck liegender Grenzwert überschritten wird, öffnet Überströmventil 8 und überschüssiges Kreislaufmittel strömt über Leitung 11 in den Sammelbehälter 3 zurück.

In Figur 2 ist ein Druck-Enthalpiediagramm für eine Außenlufttemperatur dargestellt, die zu einem Kondensatordruck ρ führt, der unterhalb des erforderlichen Vordruckes ρ liegt. Der Druck ist auf der vertikalen Achse, die EntForm. 5729 7.78

halpie auf der horizontale Achse aufgetragen.

Kreislaufmittel, das den Verdampfer 5 verlassen hat, befindet sich in einem Zustand, der im p-h-Diagramm mit bezeichnet ist. Im Verdichter 1 wird das Kreislaufmittel auf das Druckniveau ρ gehoben. Der Zustand des dampfformigen Kreislaufmittels nach Durchlaufen des Verdichters ist im p-h-Diagramm durch den Punkt 13 angedeutet. Im Kondensator wird das Kreislaufmittel bei der Verflüssigungstemperatur t_c, die etwa zwischen 5 bis 15 K oberhalb der Außentemperatur liegt, kondensiert (Punkt 14 im p-h-Diagramm). Da der Druck p_ unterhalb des erforderlichen Mindestdruckes ρ liegt, wird das Kreislaufmittel durch Pumpe 7 auf das Druckniveau ρ gehoben (Punkt 15 im ph-Diagramm). Im Ventil 4 wird das Kreislaufmittel vom Vordruck ρ auf den Entspannungsdruck ρ entspannt und dem Verdampfer 5 zugeleitet. Der Zustand des Kreislaufmittels ändert sich im Ventil 4 von Punkt 15 nach Punkt Nach Durchlaufen des Verdampfers hat das Kreislaufmittel wieder den Zustand, der im p-h-Diagramm mit 12 bezeichnet ist, eingenommen. Die Differenz ρ -ό ist die Druckdif-

m c

ferenz, die durch die Pumpe 7 ausgeglichen werden muß.

Wie das folgende Ausführungsbeispiel zeigt, wird beim erfindungsgemäßen Verfahren eine deutliche Energieeinsparung erzielt, wenn man als Vergleichsverfahren ein Verfahren zugrundelegt, bei dem die Ventilatorleistung bei niedrigen Außentemperaturen zurückgenommen wird, um den Kondensatordruck nicht unter den erforderlichen Vordruck absinken zu lassen:

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5 Verdichterantriebsenergie / a

Ventilatorantriebsenergie / a

Pumpenantriebsenergie / a

Gesamtantriebsenergie / a

Herkömmliches Verfahren	erfindungs- gem. Verfah ren
80.900	71 .900
13.500	14.600
-	610
94.400	87.110

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Claims

(S 453) S 84/52

Hm/fl 17.4.84

Patentansprüche

Verfahren zum Betreiben eines Kreislaufsystems, in dem ein Kreislaufmittel entspannt, verdampft, komprimiert und im Wärmetausch mit einem Medium von Umgebungstemperatur verflüssigt wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Druck des verflüssigten Kreislaufmittels bei Unterschreiten des für die Entspannungseinrichtung erforderlichen Vordruckes mittels einer Pumpe auf wenigstens dieses Druckniveau angehoben wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem verflüssigtes Kreislaufmittel in einem Sammelbehälter gespeichert wird,

dadurch gekennzeichnet, daß Kreislaufmittel aus dem Sammelbehälter mittels einer ungeregelten Pumpe der Entspannungseinrichtung zugeleitet wird, wobei bei überschreiten des erforderlichen Vordruckes überschüssiges 3Q Kreislaufmittel im Kreislauf zum Sammelbehälter zurückgeführt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, wobei verflüssigtes Kreislaufmittel in einem Sammelbehälter gespeichert wird, dadurch gekennzeichnet, daß Kreislaufmittel aus dem

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Sammelbehälter der Entspannungseinrichtung mittels einer geregelten Pumpe zugeführt wird, wobei durch die Regelung der Förderstrom der Pumpe im Sinn einer Angleichung des aktuellen Vordruckes an den erforderlichen Vordruck eingestellt wird.
4. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 3 mit einem aus einem Verdichter, einem Verflüssiger, einem Sammelbehälter, einer Expansionseinrichtung und einem Verdampfer bestehenden Kreislaufsystem, dadurch gekennzeichnet, daß in die den Sammelbehälter (3) mit der Expansionseinrichtung (4) verbindende Leitung (9) eine weitere Leitung (10) mit einer Pumpe (7) mündet, wobei die Saugseite der Pumpe

(7) an den Sammelbehäler (3) angeschlossen und in der den Sammelbehälter (3) mit der Expansionseinrichtung (4) verbindenden Leitung (9) zwischen der Einmündung der weiteren Leitung (10) und dem Sammelbehälter (3) ein Rückschlagventil (6) angeordnet ist.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckseite der Pumpe (7) an eine Überströmeinrichtung (8) angeschlossen ist, deren Ausgang über eine Leitung (11) in den Sammelbehälter mündet.
6. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet,

daß die Pumpe (7) eine automatisch geregelte Pumpe ist.
7. Anwendung des Verfahrens und der Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6 auf luft- und/oder wassergekühlte Kälteanlagen.
8. Anwendung des Verfahrens und der Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6 auf Kälteanlagen mit Wärmerückgewinnung.

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