DE60010587T2

DE60010587T2 - Vorrichtung zum Entfernen von parasitären Verlusten in einem Kühlaggregat

Info

Publication number: DE60010587T2
Application number: DE60010587T
Authority: DE
Inventors: Vishnu M. Cicero Sishtla; Michael A. Syracuse Stark
Original assignee: Carrier Corp
Current assignee: Carrier Corp
Priority date: 1999-07-29
Filing date: 2000-07-06
Publication date: 2005-05-19
Anticipated expiration: 2020-07-07
Also published as: EP1072853A1; EP1072853B1; US6237353B1; DE60010587D1; ES2215563T3

Description

Die Erfindung betrifft einen Kühlzyklus und insbesondere ein System zum Reduzieren oder Beseitigen parasitärer Verluste in einem Kühlsystem, wo ein durch das System zirkuliertes Kühlmittel verwendet wird, um verschiedene damit in Beziehung stehende Teile des Systems zu kühlen.
Bisher wurde ein in Kühlsystemen verwendetes Kühlmittel dazu verwendet, dem Systemverdichtermotor oder dem zum Schmieren des Verdichtermotors verwendeten Öl eine Kühlung bereitzustellen. Wie in der ebenfalls anhängigen Anmeldung mit der Anmeldenummer 09/268 573 ( US-A-6 116 040 ) beschrieben ist, wurde kürzlich eine Vorrichtung entworfen, bei welcher Kühlmittel von einem Kühlsystem dazu verwendet wurde, eine Ansteuerung variabler Frequenz (variable frequency drive – VFD) zu kühlen, die dazu verwendet wird, den Verdichtermotor anzusteuern. Die VFD enthält Leistungselektronik in Gestalt von Insulated-Gate-Bipolar-Transistoren, die eine relativ große Wärmemenge erzeugen. Ein Ausbleiben des ordnungsgemäßen Kühlens dieser elektronischen Bauteile kann zu einem Frühausfall des Motorsteuerungsystemsführen.
Bei diesen Kühlanordnungen des Stands der Technik wird ein kondensiertes Kühlmittel von dem Kondensator des Systems abgezogen und in eine Wärmeübertragungsbeziehung mit einem Teil oder Teilen versetzt, das bzw. die eine Kühlung benötigt bzw. benötigen, um parasitäre Wärmeverluste zu beseitigen. Das Kühlmittel wird dann an den Systemverdampfer zurückgeführt und mit dem in dem Prozess befindlichen Kühlmittel gemischt. Das zum Kühlen der systembezogenen Komponenten verwendete Kühlmittel muss folglich durch den Verdampfer prozessiert und durch den Verdichter geleitet werden, bevor es an den Kondensator zurückgeführt wird, wodurch es nachteilig die Leistung des Kühlsystems beeinflusst. In dem Fall, wo mehr als eine systembezogene Komponente gekühlt wird, kann die Maschinenbelastung aufgrund parasitärer Verluste relativ hoch sein. Da die parasitären Verluste unabhängig von den Betriebszuständen der Maschine generell konstant bleiben, wird der nachteilige Effekt der parasitären Verluste ausgeprägter, wenn die Maschine unter Teillast arbeitet.
Ein Kühlsystem mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 1 und 8 ist in US-A-4 669 279 beschrieben.
Es ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, Kühlsysteme und insbesondere Kühlsysteme, die einen Dampfverdichtungszyklus verwenden, zu verbessern.
Dieses Ziel und andere Ziele der vorliegenden Erfindung werden durch ein Kühlsystem, wie es in Anspruch 8 beansprucht ist, und durch ein Verfahren, wie es in Anspruch 1 beansprucht ist, erreicht. Erfindungsgemäß ist daher der Systemverdampfer mit einem Kondensator mittels einer Verdichtungseinrichtung verbunden, und eine Rückleitung, die eine Expansionsvorrichtung enthält, liefert kondensiertes Kühlmittel von dem Kondensator an den Verdampfer zurück, um den Zyklus zu vervollständigen. Ein Teil des in dem Kondensator generierten Kondensats wird durch eine Pumpe geleitet, um den Kondensatdruck zu erhöhen und vorzugsweise das Kondensat zu unterkühlen. Die Pumpe ist derart angeordnet, dass sie das unterkühlte Kondensat durch eine oder mehrere systembezogene Komponente(n) leitet, um parasitäre Wärmeverluste zu absorbieren und so die Komponenten zu kühlen. Während des Kühlvorgangs wird das Kondensat verdampft, und der so erzeugte Dampf wird an den Kondensator zurückgeführt. In dem Kondensator werden die parasitären Wärmeverluste durch das Kondensatorkühlmedium absorbiert und von dem System abgezogen und haben somit, falls überhaupt, einen geringen Einfluss auf die Systemleitung.
Für ein besseres Verständnis dieser und anderer Ziele der vorliegenden Erfindung wird auf die folgende detaillierte Beschreibung der Erfindung Bezug genommen, die in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen zu lesen ist, wobei gilt:
1 ist eine schematische Darstellung, die ein Kühlsystem zeigt, das die Lehren der vorliegenden Erfindung verkörpert;
2 ist ein Diagramm, in dem der Kühlmitteldruck auf die Enthalpie bezogen ist, um den Zustand des Kühlmittels zu zeigen, während es sich durch das System bewegt; und
3 ist eine schematische Ansicht des in dem vorliegenden System verwendeten Kondensators, die den darin verwendeten Schnell-Unterkühler (flash subcooler) zeigt.
Es wird anfangs auf 1 Bezug genommen. Dort ist ein Kühlsystem gezeigt, das generell mit 10 bezeichnet ist, das die Lehren der vorliegenden Erfindung verkörpert. Das System weist einen Kondensator 12 auf, der derart angeordnet ist, dass er ein Kühlmittel hohen Drucks in einem dampfförmigen Zustand mittels einer Abgabeleitung 16 von einem Verdichter 15 erhält. Das Kühlmittel wird in der Kondensatoreinheit zu einer feuchten Mischung kondensiert und wird mittels einer Rückleitung 18 an einen Verdampfer 17 weitergeleitet. Typischerweise wird das Kühlmittel in dem Kondensator unter der Verwendung von Kühlwasser oder dergleichen, das die Kondensationswärme abführt, gekühlt. Das Kühlwasser tritt durch den Kühlmediumeinlass 21 in den Kondensator ein und tritt aus diesem durch den Kühlmediumauslass 22 aus. Eine Expansionsvorrichtung, beispielsweise ein Expansionsventil 20, ist in der Rückleitung des Verdampfers 17 angebracht und dient dazu, das Kondensat auf einen niedrigeren Druck herunter zu drosseln und die Strömung des Kühlmittels durch das System zu regeln. Aufgrund des Expansionsprozesses werden die Temperatur und der Druck des Kühlmittels isenthalpisch reduziert, bevor es in die Verdampfereinheit eintritt.
In dem Verdampfer wird das Kühlmittel in eine Wärmeübertragungsbeziehung mit einer zu kühlenden Substanz, beispielsweise Wasser, gebracht, die in den Verdampfer mittels einer Einlassöffnung 24 eintritt und diesen mittels einer Auslassöffnung 25 verlässt. Das unter einem niedrigeren Druck stehende Kühlmittel absorbiert Wärme von der Substanz, die gekühlt wird, und wird verdampft. Die gesättigten Dämpfe werden von dem Verdampfer mittels der Verdichtereinlassleitung 23 abgezogen und verdichtet, um den Zyklus von vorne wieder zu beginnen.
Wie in schematischer Form in 1 auch gezeigt ist, gibt es drei systembezogene Komponenten, die eine Kühlung erfordern, wenn die Einheit in Betrieb ist. Diese umfassen einen Ölkühler 30 zum Abführen parasitärer Wärmeverluste aus dem Verdichtergetriebeöl, einen Motor 32 zum Antreiben des Verdichters mit einem internen System zum Kühlen der Motorstatorwicklungen und eine Ansteuerung variabler Frequenz (VFD) 34, die die Leistungselektronik 35 enthält, die auf einer Wärmesenke 36 angebracht ist, wie weiter detailliert in der ebenfalls anhängigen Anmeldung mit der Anmeldenummer 09/268 573 ( US-A-6 116 040 ) beschrieben ist.
Eine Pumpe 37 ist mittels der Einlassleitung 30 an die Rückleitung 18 zwischen dem Kondensator und dem Expansionsventil 20 angeschlossen, so dass ein Teil des Kondensats, das den Kondensator verlässt, durch die Pumpe auf einen höheren Druck angehoben wird, was folglich das Kühlmittel unterkühlt. Das unterkühlte Kondensat wird von einer Pumpe mittels einer Versorgungsleitung 40 abgegeben und an den Motor 32, die VFD 34 und den Ölkühler 30 mittels Zuführleitungen 41–43 verteilt. Die Versorgungsleitung ist derart angeordnet, dass sie jede der systembezogenen Abgabeseiten der Pumpe in einer parallelen Strömungsbeziehung verbindet. Es sollte jedoch ersichtlich sein, dass die Versorgungsleitung derart angeordnet sein kann, dass sie die Pumpenabgabe in einer seriellen Strömungsbeziehung durch die Komponenten leitet, ohne von den Lehren der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Das Kühlmittel entfernt die parasitären Wärmeverluste von den Komponenten, während es durch jede Komponente strömt, wodurch das unterkühlte Kühlmittel zu einem Dampf reduziert wird. Der gesättigte Dampf wird mittels einer Dampfleitung 45 an den Kondensator zurückgeführt, wo er mit dem Kühlmittel von dem Verdampfer 15 gemischt wird. Es kann eine Pumpe mit einer variablen Strömung verwendet werden, die geregelt werden kann, um die Kühlcharakteristika des Systems anzupassen.
Das Kühlmittel wird in dem Kondensator in eine Wärmeübertragungsbeziehung mit dem Kondensatorkühlmedium gebracht, wo die parasitären Wärmeverluste absorbiert werden und durch das Kühlmedium aus dem System abgeführt werden. Obwohl als Kühlmedium zuvor Wasser genannt wurde, sollte es offensichtlich sein, dass ein beliebiges geeignetes Kühlmedium, das in der Technik bekannt ist und verwendet wird, auf ähnliche Weise verwendet werden kann, ohne von den Lehren der Erfindung abzuweichen.
Es wird auf 3 Bezug genommen. Dort ist eine vergrößerte Seitenansicht des Kondensators 17 dargestellt, wobei ein unterer Bereich weggeschnitten ist, um einen Schnell-Unterkühler (flash subcooler) 50 zu zeigen, der in dem Kondensator angeordnet ist. Der Unterkühler weist eine Prallplatte 46 auf, die sich über den unteren Teil der Einheit erstreckt. Die Prallplatte weist eine Reihe von Löchern 47 auf, durch die das Kühlmittel in eine darunter liegende Kammer 51 gedrosselt wird. Die Schnell-Unterkühlerkammer 51 wird folglich bei einem niedrigeren Druck gehalten als der Hauptkörper des Kondensators, wodurch ein Teil des Kondensats in dem Kondensatorbehälter schnell verdampft (flash) wird, und so das übrige Kondensat kühlt. Die Flüssigkeit fließt in eine Schwimmerkammer 52 ab, die einen Schwimmer 53 enthält, der eine Flüssigkeitsdichtung bildet, um die Schnell-Unterkühlerkammer 51 von der Leitung 18 isoliert zu halten. Ein Diffusor 54 ist strömungsabwärts von der Schwimmerkammer zum Erzeugen eines gewünschten statischen Vordrucks (head pressure) in der Pumpeneinlassleitung, der erforderlich sein kann, wenn sich das Kühlmittel in der Leitung nahe der Sättigung befindet, angeordnet. Unter diesen Bedingungen kann der Dampf, der in die Pumpe eintritt, ein Kavitieren erzeugen. Wenn ein flüssiges Kühlmittel durch das Expansionsventil 20 strömt, verdampft etwas Kühlmittel an der Verdampferseite des Ventils wieder schnell zu Dampf, und kühlt so die übrige Flüssigkeit.
Der vorliegende Dampfverdichtungszyklus wird nun unter Bezugnahme auf das in 2 dargestellte p-h-Diagramm beschrieben. Beginnend am Zustandspunkt 1 tritt dampfförmiges Kühlmittel von dem Verdampfer in den Verdichter bei einer niedrigen Temperatur und mit einem niedrigen Druck ein. Nach dem Verdichten verlässt das Kühlmittel den Verdichter an einem Zustandspunkt 2 in einem überhitzten Zustand. Die Dämpfe gelangen in den Kondensator, und die latente Verdampfungswärme wird in dem Hauptbereich des Kondensators durch Kühlwasser entzogen, was das Kühlmittel zu einem Zustandspunkt 3 bringt. Wie vorangehend angemerkt, ist der Kondensator mit einem Schnell-Unterkühler ausgestattet, wodurch das Kühlmittel in dem Kondensator zu einem Zustandspunkt 4 schnell verdampft wird. Das Kühlmittel, das den Kondensator verlässt, wird dann isenthalpisch auf einen niedrigeren Druck expandiert und tritt an einem Zustandspunkt 5 in den Verdampfer ein. In dem Verdampfer absorbiert das Kühlmittel Wärme von dem zu kühlenden Medium und tritt an dem Zustandspunkt 1 in den Verdichter ein.
Wie zuvor erwähnt, wird ein Teil des Kondensats, das den Kondensator am Zustandspunkt 4 verlässt, an die Kondensatpumpe abgeleitet und durch die Pumpe auf einen höheren Druck bei einem Zustandspunkt 6 angehoben. Alternativ kann das Kondensat an dem Zustandspunkt 3 an die Kondensatpumpe abgeleitet werden. Da das jetzt unterkühlte Kondensat durch die zu kühlenden Komponenten geleitet wird, absorbiert es die Energie von den parasitären Wärmeverlusten und wird an einen Zustandspunkt 2' zurückgeführt, der sich oberhalb einer Sättigungslinie 60 befindet.
Das Energiediagramm des vorliegenden Zyklus zeigt, dass die durch das Kondensatorkühlwasser abgeführte Energie oder Wärme folgende ist: Q3 = Q1 + Q2 + Wwobei gilt:
Q₁ ist die durch das Kühlmittel in dem Verdampfer absorbierte Wärme;
Q₂ ist der parasitäre Wärmeverlust in dem Motor, dem Ölkühler und der VFD; und
W ist die Arbeit des Verdichters.
Wie man sehen kann, wird das Kondensat durch die Verwendung einer Kondensatpumpe zum Erhöhen des Kondensatdrucks auf ein Niveau, das höher ist als dessen, das aus dem Kondensator austritt, in einen Zustand versetzt, dass es Wärme von verschiedenen systembezogenen Komponenten absorbieren kann, und wird an den Kondensator in einem gesättigten Zustand zurückgeführt, wo die durch das Kühlmittel aufgenommene Wärme durch das Kühlmedium abgeführt werden kann. Die parasitären Wärmeverluste werden folglich auf eine derartige Weise abgeführt, dass sie weder die Systemleistung nachteilig beeinflusst noch erfordert sie, dass der Verdichter zusätzliche Arbeit leistet. Der geschätzte Vorteil des vorliegenden Systems gegenüber einem ähnlichen System, bei welchem die parasitären Verluste in dem Verdampfer absorbiert werden, beträgt etwa 1,5%, wenn die Maschine bei Volllastleistung arbeitet, und etwa 2,0%, wenn die Maschine bei einer Teillastleistung arbeitet, wie sie in dem ARI-Standard 550 niedergelegt ist.

Claims

Verfahren zum Kühlen mindestens einer Komponente eines Kühlsystems (10), bei dem der Auslass eines Verdampfers (17) über einen einen Motor (32) aufweisenden Verdichter (15) mit dem Einlass eines Kondensators (12) verbunden ist und der Auslass des Kondensators (12) über eine Kühlmittelleitung (18), die eine Expansionsvorrichtung (20) enthält, mit dem Einlass des Verdampfers (17) verbunden ist, wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist: Abziehen von kondensiertem Kühlmittel, das in dem Systemkondensator (12) generiert wird, mit einer Pumpeinrichtung (37), so dass der Druck des Kondensats auf ein höheres Niveau gehoben wird; Leiten des von der Pumpe (37) abgegebenen Kondensats mit einem höheren Druck durch mindestens eine systembezogene Komponente (35), die eine Kühlung erfordert, so dass das Kühlmittel parasitäre Wärmeverluste von der Komponente (35) absorbiert und das Kondensat mindestens teilweise verdampft wird; Zurückführen des Kühlmitteldampfes, der in der systembezogenen Komponente generiert wird, zurück in den Kondensator (12); und Übertragen der durch das zurückgeführte Kühlmittel absorbierten parasitären Verluste in ein Kühlmedium, das verwendet wird, um den Kondensator (12) zu kühlen; dadurch gekennzeichnet, dass das von dem Kondensator (12) abgezogene Kühlmittel in Wärmeübertragungsbeziehung mit den elektronischen Bau teilen (35) einer Ansteuerung variabler Frequenz (34) strömt, die den Verdichtermotor (32) des Systems steuert.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das von dem Kondensator (12) abgezogene Kühlmittel zusätzlich in Wärmeübertragungsbeziehung mit einem Systemölkühler (30) geleitet wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem das von dem Kondensator (12) abgezogene Kühlmittel zusätzlich in Wärmeübertragungsbeziehung mit dem Systemverdichtermotor (32) geleitet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das von dem Kondensator (12) abgezogene Kühlmittel in paralleler Strömungsbeziehung mit dem Systemverdichtermotor (32), dem Systemölkühler (30) und den elektronischen Bauteilen (35) einer Ansteuerung variabler Frequenz (34) zum Steuern des Verdichtermotors (32) geleitet wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem die Pumpe (37) den Druck des kondensierten Kühlmittels auf ein Niveau hebt, so dass das Kühlmittel unterkühlt wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, das den weiteren Schritt des Leitens des in dem Kondensator (12) generierten Kondensats durch einen Schnell-Unterkühler (50) vor dem Zuführen des Kondensats an die Pumpe (37) aufweist.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem das Kühlsystem (10) Teil eines Klimaanlagensystems ist.
Kühlsystem (10) mit einem Verdampfer (17), der an einen Kondensator (12) durch einen einen Motor (32) aufweisenden Verdichter (15) angeschlossen ist, bei dem das in dem Kondensator (12) generierte Kondensat mittels einer Rückleitung (18) durch eine Expansionsvorrichtung (20), die in der Rückleitung (18) angebracht ist, an den Verdampfer (17) zurückgeführt wird, wobei das System aufweist: eine Pumpeinrichtung (37) mit einer Einlassleitung, die an den Kondensator (12) angeschlossen ist, zum Anheben eines Teils des in dem Kondensator (12) generierten Kondensats auf einen höheren Druck; eine erste Strömungseinrichtung (40), die an die Pumpeinrichtung (37) angeschlossen ist, zum Leiten des von der Pumpe (37) abgegebenen Kühlmittels durch mindestens eine zu kühlende systembezogene Komponente (35), so dass parasitäre Wärmeverluste in der Komponente (35) durch das Kühlmittel absorbiert werden, wodurch das Kühlmittel zumindest teilweise verdampft wird; eine zweite Strömungseinrichtung (45) zum Zurückführen des verdampften Kühlmittels von der mindestens einen systembezogenen Komponente (35) an den Kondensator (12) nachdem das Kühlmittel die parasitären Wärmeverluste absorbiert hat; und eine Kühleinrichtung, die dem Kondensator (12) zugeordnet ist, zum Absorbieren der parasitären Wärmeverluste in dem Kühlmittel und zum Abführen der parasitären Wärmeverluste aus dem System, dadurch gekennzeichnet, dass die systembezogene Komponente ein elektronisches Bauteil (35) einer Ansteuerung variabler Frequenz (34) ist, die den Verdichtermotor (32) des Systems steuert.
System nach Anspruch 8, bei dem die erste Strömungseinrichtung (40) derart angeordnet ist, dass sie die Pumpeinrichtung (37) mit einer Mehrzahl von systembezogenen Komponenten verbindet und bei dem die zweite Strömungseinrichtung (45) Kühlmittel von jeder der systembezogenen Komponenten an den Kondensator (12) zurückführt.
System nach Anspruch 9, bei dem die Mehrzahl der systembezogenen Komponenten den Verdichtermotor (32), einen Ölkühler (30) für das Verdichtergetriebe und die Ansteuerung variabler Frequenz (34) zum Steuern des Verdichtermotors (32) umfasst.
System nach Anspruch 9 oder 10, bei dem die systembezogenen Komponenten (30, 32, 34) durch die erste Strömungseinrichtung (40) in einer parallelen Strömungsbeziehung angeschlossen sind.
System nach Anspruch 9 oder 10, bei dem die systembezogenen Komponenten (30, 32, 34) durch die erste Strömungseinrichtung (40) in einer seriellen Strömungsbeziehung angeschlossen sind.
System nach einem der Ansprüche 8 bis 12, bei dem der Kondensator (12) einen Schnell-Unterkühler (50) zum Schnellverdampfen eines Teils des Kühlmittels innerhalb des Kondensators (12) aufweist.
System nach einem der Ansprüche 8 bis 13, bei dem die Einlassleitung der Pumpeinrichtung (37) an die Rückleitung strömungsaufwärts der Expansionsvorrichtung (20) angeschlossen ist.
System nach einem der Ansprüche 8 bis 14, das ferner eine Diffusoreinrichtung (5a) aufweist, die in der Rückleitung strömungsaufwärts der Expansionsvorrichtung (20) aufgenommen ist, und wobei die Einlassleitung zu der Pumpeinrichtung (37) an die Diffusoreinrichtung angeschlossen ist, wodurch ein gegebener statischer Vordruck für die Pumpeinrichtung erzeugt wird.
System nach einem der Ansprüche 8 bis 15, bei dem die Pumpeinrichtung (37) eine Pumpe mit einer variablen Strömung ist.
Klimaanlagensystem, aufweisend ein System, wie in einem der vorstehenden Ansprüche beansprucht.