DE60017824T2

DE60017824T2 - Kühl- und Klimatisierungssystem

Info

Publication number: DE60017824T2
Application number: DE2000617824
Authority: DE
Inventors: Conrad William Henry Norris
Original assignee: Sanden Corp
Current assignee: Sanden Corp
Priority date: 1999-04-20
Filing date: 2000-04-19
Publication date: 2006-01-12
Anticipated expiration: 2020-04-20
Also published as: DE60017824D1

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Zweiphasen-Kühlmaschinensystem und dessen Verwendung in Kühlungs- und/oder Klimatisierungsanwendungen.
Hintergrund der Erfindung
Herkömmliche Zweiphasen-Kühlkreisprozesse beinhalten die Komprimierung eines Gases auf eine hohe Temperatur und einen hohen Druck, gewöhnlich begleitet von einer Zustandsänderung in eine Flüssigkeit, die konstante Drosselung der Flüssigkeit und dann die Verdampfung der Flüssigkeit zu einem Gas bei niedriger Temperatur und niedrigem Druck. Gewöhnlich werden die Energieänderungen ausgenutzt, die bei der Komprimierung und/oder der Verdampfung auftreten, um Heiz- und/oder Kühleffekte zu erzielen. Ein System, das mit einem solchen Kreisprozess arbeitet, wird gewöhnlich als mit dem Wärmepumpen-Kreisprozess arbeitend bezeichnet.
Die genaue Gestaltung eines Wärmepumpen-Kreisprozesses hängt von den thermodynamischen Eigenschaften des in dem System zu verwendenden Materials ab. Fluorkohlenwasserstoffe (HFC) werden in großem Umfang als Kühlmittel in der Kühlung im Haushalt und in der Technik und bei der Klimatisierung von Bauwerken, Schiffen und Automobilen verwendet.
US-A-2494120 beschreibt ein Kühlsystem, das ein relativ reines Kohlenwasserstoff-Kühlmittel wie Methan einsetzt. Das Kühlsystem umfasst einen primären Kompressor, einen Kühler, eine Entspannungsvorrichtung, einen Verdampfer, einen sekundären Kompressor, der zwischen dem Verdampfer und dem primären Kompressor verbunden ist, und einen Flüssigkeitssammler, der zwischen der Entspannungsvorrichtung und dem Verdampfer angeordnet ist, wobei der sekundäre Kompressor durch die Energie angetrieben wird, die durch die Entspannungsvorrichtung produziert wird.
Natürliche Kühlmittel, wie Ammoniak, werden ebenfalls in recht großem Umfang bei der industriellen Kühlung verwendet. Ein anderes natürliches Kühlmittel ist Kohlendioxid. Dieses wurde Anfang dieses Jahrhunderts umfangreich auf Schiffen verwendet, fiel aber bei Einführung von "Freon-Verbindungen" oder Chlorfluorkohlenstoffen (CFC) wegen der extrem hohen Drücke, die im Wärmepumpen- Kreisprozess erzeugt wurden, in Ungnade. Anders als CFC-Verbindungen ist Kohlendioxid aber ungiftig, nicht entflammbar und umweltverträglich und weist ein Ozonabbaupotential von Null auf. Kohlendioxid ist auch ohne weiteres erhältlich und daher billig. Dementsprechend steigt dessen Popularität als Kühlmittel wieder.
Die Eigenschaften und Charakteristika von Kohlendioxid sind ziemlich verschieden von denen der üblichen Kühlmittel für Wärmepumpen-Kreisprozesse. Bei einer kritischen Temperatur von etwa 31°C arbeiten die meisten Wärmepumpen-Kreisprozesse, die mit Kohlendioxid betrieben werden, in der Nähe des kritischen Punkts von Kohlendioxid. Bei einem einfachen Kreisprozess ist der theoretische Wirkungsgrad von Kohlendioxid im allgemeinen geringer als der von anderen handelsüblichen Kühlmitteln. Jüngere Entwicklungen haben aber gezeigt, dass der Wirkungsgrad eines Zweiphasen-Kühlmaschinen-Kreisprozesses unter Verwendung von Kohlendioxid, der oberhalb des kritischen Punkts betrieben wird, in der Praxis mit den derzeitigen Kühlsystemen konkurrenzfähig sein kann. Dieser Kreisprozess wird gewöhnlich als transkritischer Kreisprozess bezeichnet.
In der derzeitigen Form des transkritischen Kreisprozesses mit Kohlendioxid wird gasförmiges Kohlendioxid zuerst auf einen Druck und eine Temperatur oberhalb des kritischen Punkts komprimiert. Das Hochdruckgas wird dann gekühlt und durch eine Drosselungsvorrichtung geleitet, die es ermöglicht, dass das Kühlmittel eine Gas/Flüssigkeits-Mischung bei konstanter Enthalpie bildet. Die Mischung wird dann schließlich zurück zu einem Gas verdampft. Ein erhöhter Wirkungsgrad wird erreicht, weil die internen Verluste des Kreisprozesses typischerweise kleiner sind als die eines üblichen Wärmepumpen-Kreisprozesses.
Trotz dieser Verbesserung bleibt es wünschenswert, den Wirkungsgrad des transkritischen Kreisprozesses mit Kohlendioxid weiter zu erhöhen. Nach der Erfindung wird dieses Ziel durch ein Kühlsystem wie in Anspruch 1 definiert und durch ein Verfahren nach Anspruch 13 erreicht. Obwohl die vorliegende Erfindung speziell unter Beachtung des transkritischen Kreisprozesses entwickelt wurde, wird angenommen, dass sie ein breiteres Anwendungsfeld aufweist, allgemein für Wärmepumpen-Kreisprozesse, die mit einer Reihe von Kühlmaterialien arbeiten.
Zusammenfassung der Erfindung
Nach einem Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst ein Zweiphasen-Kühlmaschinensystem

(i) einen primären Kompressor zum Komprimieren eines gasförmigen Kühlmittels auf einen ersten erhöhten Druck und eine erste erhöhte Temperatur,
(ii) einen mit dem primären Kompressor verbundenen Kühler zum Kühlen des gasförmigen Kühlmittels von Schritt (i) bei im wesentlichen konstantem Druck unter Bildung eines gekühlten Gases oder einer Gas/Flüssigkeits-Mischung bei einer zweiten Temperatur,
(iii) eine mit dem Kühler verbundene Entspannungsvorrichtung zum Ausdehnen im wesentlichen des ganzen Gases oder der ganzen Gas/Flüssigkeits-Mischung von Schritt (ii) unter Bildung einer Gas/Flüssigkeits-Mischung bei einem zweiten Druck, der niedriger ist als der erste Druck, und einer dritten Temperatur, die niedriger ist als die zweite Temperatur,
(iv) einen Gasabscheider zum Trennen von Gas von der Gas/Flüssigkeits-Mischung, die durch die Entspannungsvorrichtung gebildet wird, unter Bildung eines flüssigen Teils davon,
(v) einen Verdampfer zum Verdampfen des flüssigen Teils bei im wesentlichen konstantem Druck unter Bildung eines Gases,
(vi) einen zwischen dem Verdampfer und dem primären Kompressor verbundenen sekundären Kompressor zum Komprimieren des aus dem Verdampfer in Schritt (v) austretenden Gases auf einen vierten Druck zwischen dem ersten Druck und dem dritten Druck, wobei der sekundäre Kompressor durch die Energie betrieben wird, die produziert wird durch die Entspannungsvorrichtung beim Ausdehnen des gasförmigen Kühlmittels in Schritt (iii), um die Gas/Flüssigkeits-Mischung zu bilden, und
(vii) einen Flüssigkeitssammler, der entweder zwischen der Entspannungsvorrichtung und dem Verdampfer oder zwischen dem Verdampfer und dem sekundären Kompressor angeordnet ist, zum Sammeln des flüssigen Kühlmittels, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlungssystem ferner ein Entspannungsventil zum Expandieren des flüssigen Teils bei im wesentlichen konstanter Temperatur auf einen dritten Druck, der niedriger ist als der zweite Druck, umfasst, wobei der Gasabscheider zwischen der Entspannungsvorrichtung und dem Entspannungsventil angeordnet ist, der Verdampfer mit dem Entspannungsventil verbunden ist und der Flüssigkeitssammler zwischen dem Verdampfer und dem primären Kompressor angeordnet ist und worin das Kühlungssystem Kohlendioxid als Kühlmittel enthält und entsprechend einem transkritischen Wärmepumpen-Kreisprozess arbeitet.

Der hauptsächliche Unterschied zwischen der vorliegenden Erfindung und einem üblichen Zweiphasen-Kühlmaschinensystem ist die Aufnahme eines sekundären oder dazwischenliegenden Kompressors, um das in den primären Kompressor zurückkehrende Gas vorzukomprimieren. Dies bewirkt die Reduzierung des Druckunterschieds über den primären Kompressor, wodurch dieser Kompressor effizienter wird und die Arbeit verringert wird, die er zur Komprimierung des gasförmigen Kühlmittels benötigt.
Der sekundäre Kompressor selbst wird durch die Arbeit betrieben, die in der Entspannungsvorrichtung durch Entspannung des Kühlmaterials erzeugt wird. In der Vergangenheit hat es Erwägungen gegeben, ob die bei der Entspannung gebildete Arbeit genutzt werden kann. Bislang war es aber vor der vorliegenden Erfindung allgemein akzeptiert, dass die Menge an zugeführter Nutzarbeit so gering ist, dass sie keinen praktischen Nutzen aufweist. Eine Anwendung, bei der die Ausdehnungsarbeit für eine positive Wirkung verwendet worden ist, ist das sogenannte "Boot Strap"-Klimatisierungssystem, das in Flugzeugen verwendet wird. Dieses System ist aber ein Einphasen-Gasverdichtungssystem, welches die Ausdehnungsarbeit ausnützt, um einen dazwischenliegenden Kompressor zu betreiben, statt das Gas für den primären Kompressor vorzukomprimieren.
Zusätzlich zur Erhöhung des Wirkungsgrades des primären Kompressors wird in der vorliegenden Erfindung der Kreisprozess-Gesamtwirkungsgrad, beurteilt mit dem Wirkungsgrad für Kühlmaschinen (coefficient of performance (COP)), im Vergleich zu herkömmlichen Zweiphasen-Kühlmaschinen-Kreisprozessen erhöht.
Nach einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird das vorstehend beschriebene Zweiphasen-Kühlmaschinensystem in eine Kühl- oder Klimatisierungsvorrichtung oder ein Kühl- oder Klimatisierungssystem oder eine Wärmepumpe eingebaut. Eine bevorzugte Anwendung der vorliegenden Erfindung ist die Kraftfahr zeugklimatisierung, z.B. in Automobilen, Flugzeugen und Schiffen, am meisten bevorzugt in Automobilen. Das Kühlsystem der vorliegenden Erfindung kann auch in Bauwerken oder an ortsfesten Standorten, wie Industrieanlagen, für jede der obigen Anwendungen Anwendung finden. Sie stellen weitere Aspekte der vorliegenden Erfindung dar.
Nach noch einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst ein Verfahren zur Bereitstellung von Kühlung oder Klimatisierung die folgenden Schritte:

(i) Komprimieren eines gasförmigen Kühlmittels auf einen ersten erhöhten Druck und eine erste erhöhte Temperatur,
(ii) Kühlen des gasförmigen Kühlmittels von Schritt (i) bei im wesentlichen konstantem Druck unter Bildung eines gekühlten Gases oder einer Gas/Flüssigkeits-Mischung bei einer zweiten Temperatur,
(iii) Expandieren im wesentlichen des ganzen Gases oder der ganzen Gas/Flüssigkeits-Mischung von Schritt (ii) unter Bildung einer Gas/Flüssigkeits-Mischung bei einem zweiten Druck, der niedriger ist als der erste Druck, und einer dritten Temperatur, die niedriger ist als die zweite Temperatur,
(iv) Expandieren oder Drosseln der Gas/Flüssigkeits-Mischung oder des flüssigen Teils davon bei im wesentlichen konstanter Temperatur, um den Druck auf einen dritten Druck zu verringern, der niedriger ist als der zweite Druck,
(v) Verdampfen der Gas/Flüssigkeits-Mischung oder des flüssigen Teils davon von Schritt (iv) bei im wesentlichen konstantem Druck unter Bildung eines Gases,
(vi) Gebrauch der Energie, die bei der Expansion in Schritt (iii) produziert wird, wobei das aus dem Verdampfer in Schritt (iv) austretende Gas auf einen vierten Druck zwischen dem ersten Druck und dem dritten Druck und bevorzugt im wesentlich gleich mit dem zweiten Druck komprimiert wird,
(vii) Sammeln des flüssigen Kühlmittels in einem Flüssigkeitssammler zwischen den Schritten (v) und (vi) und
(viii) Rückführen des Gases von Schritt (vi) zu Schritt (i), worin die Änderung des Zustands, die in Schritt (ii) und/oder Schritt (v) stattfindet, zur Bereitstellung von Heiz- und/oder Kühlwirkung verwendet wird, wobei das Kühlmittel Kohlendioxid ist und das Verfahren entsprechend einem transkritischen Wärmepumpen-Kreisprozess arbeitet.

Ausführliche Beschreibung der Erfindung
Im Kontext der vorliegenden Erfindung soll, wenn nur der Ausdruck "Kühlung" verwendet wird, er Kühlung in der Technik und im Haushalt, Klimatisierungs- und Wärmepumpenanwendungen umfassen. Ferner soll der Ausdruck "Gas" leicht gesättigten Dampf beinhalten.
1 ist eine schematische Darstellung eines herkömmlichen Zweiphasen-Kühlmaschinensystems, das mit einem transkritischen Kohlendioxid-Kreisprozess läuft.
2 ist eine schematische Darstellung eines Zweiphasen-Kühlmaschinensystems, das mit einem transkritischen Kohlendioxid-Kreisprozess läuft.
3 ist eine Modifizierung der in 2 gezeigten schematischen Darstellung, die einen Wärmeaustauscher beinhaltet.
4 zeigt eine zusätzliche oder alternative Position für den in 3 gezeigten Wärmeaustauscher.
5 ist das Druck/Enthalpie-Diagramm für das System von 1, wenn es als Klimatisierungssystem unter Verwendung von Kohlendioxid oberhalb von seinem kritischen Punkt betrieben wird.
6 ist das Druck/Enthalpie-Diagramm für das System von 2, wenn es als Klimatisierungssystem unter Verwendung von Kohlendioxid oberhalb von seinem kritischen Punkt betrieben wird.
Unter Bezugnahme auf 1 tritt gasförmiges Kohlendioxid in einen Kompressor (11) ein, in dem es auf einen Druck und eine Temperatur oberhalb des kritischen Punkts komprimiert wird. Das Gas wird dann durch den Kühler (12) gekühlt, durch das Entspannungsventil (13) gedrosselt, um den Druck zu verringern, und dann in dem Verdampfer (14) einer Verdampfung unterworfen. Die Gas/Flüssigkeits-Mischung, die den Verdampfer verlässt, tritt in den Flüssigkeitssammler (15) ein und das abgetrennte Gas wird über den Wärmeaustauscher (18) zum primären Kompressor zurückgeführt, welcher zum Kühlen des Gases auf dem Weg vom Kühler (12) zum Entspannungsventil (13) dient.
Unter Bezugnahme auf 2 wird gasförmiges Kohlendioxid beim Eintreten in den primären Kompressor oder Hauptkompressor (21) auf einen Druck und eine Temperatur oberhalb des kritischen Punkts komprimiert. Das Pressgas tritt dann in den Gaskühler (22) ein, in dem dessen Temperatur verringert wird, während der Druck im wesentlichen konstant beibehalten wird. Dies kann in Abhängigkeit von den Bedingungen und dem Kühlmittel, das eingesetzt wird, zur Bildung einer Gas/Flüssigkeits-Mischung führen. Im Fall von Kohlendioxid wird aber im allgemeinen ein gekühltes Hochdruckgas gebildet. Bis zu diesem Punkt sind die grundlegenden Funktionen des Zweiphasen-Kühlmaschinensystems der Erfindung im wesentlichen gleich wie das herkömmliche transkritische System, das in Verbindung mit 1 beschrieben wurde.
Im wesentlichen das ganze Hochdruckgas oder die ganze Gas/Flüssigkeits-Mischung, wenn zweckmäßig, die aus dem Gaskühler austritt, tritt dann in eine Entspannungsvorrichtung (23) ein, in der das Gas auf einen niedrigeren, dazwischenliegenden Druck und eine niedrigere, dazwischenliegende Temperatur entspannt wird, was zur Bildung einer Gas/Flüssigkeits-Mischung bei I_e' führt. Mit im wesentlichen dem ganzen Gas oder der ganzen Gas/Flüssigkeits-Mischung ist das ganze Gas oder die ganze Gas/Flüssigkeits-Mischung gemeint, abgesehen von kleinen Mengen, z.B. bis zu 5 Gew.-%, von Kühlmittelmaterial, das vielleicht verloren geht, z.B. durch interne Lecks. Insbesondere beinhaltet das System der Erfindung keine Vorrichtung zum Abtrennen von einem Teil des Kühlmittelmaterials vor der Entspannung durch die Entspannungsvorrichtung. Diese Mischung tritt dann in einen kombinierten Gasabscheider/Flüssigkeitssammler (24) ein, der den gasförmigen Teil der Mischung zur Rückführung zum Punkt X vor dem primären Kompressor abtrennt und den flüssigen Teil der Mischung durch ein Entspannungs- oder Drosselventil (25) und zu einem Verdampfer (26) leitet.
In der vorliegenden Erfindung ist ein Flüssigkeitssammler wie im in 1 gezeigten üblichen transkritischen Kreisprozess nach dem Verdampfer angeordnet. In diesem Fall kann ein einfaches Entspannungs- oder Drosselventil ohne Regelungsmechanismus verwendet werden, obwohl die Positionierung des Flüssigkeitssammlers nach dem Verdampfer kritisch ist, um zu verhindern, dass Flüssigkeit eintritt und dadurch die im Kreisprozess verwendeten Kompressoren schädigt. Eine Einrichtung wird bereitgestellt, um das gasförmige Kühlmittel von der Gas/Flüssigkeits-Mischung vor dem Eintritt in das Entspannungsventil zu trennen. Das auf diese Weise abgetrennte Gas wird dann zum primären Kompressor zurückgeführt.
Im allgemeinen ist es jedoch bevorzugt, einen kombinierten Gasabscheider/Flüssigkeitssammler nach dem Gaskühler, aber vor dem Entspannungsventil anzuordnen, um zu gewährleisten, dass immer ausreichend Kühlmittel im System vorhanden ist und dass nur Flüssigkeit in das Entspannungs- oder Drosselventil eintritt.
Die Verdampfung und Kühlung findet wie in einem herkömmlichen Kühlungssystem in dem Verdampfer (26) statt, was zu einem Gas bei relativ niedriger Temperatur und relativ niedrigem Druck führt. Das den Verdampfer verlassende Gas tritt dann in einen sekundären oder dazwischenliegenden Kompressor (27) ein, der mit der Entspannungsvorrichtung (23) verbunden ist, und die Energie, die durch die Entspannungsvorrichtung erzeugt wird, treibt diesen Kompressor an. Im allgemeinen besteht kein Bedarf für eine sekundäre Energiequelle, z.B. einen Motor, um den sekundären Kompressor zu betreiben. Typischerweise ist der sekundäre Kompressor durch eine mechanische Einrichtung, z.B. eine Welle, direkt mit der Entspannungsvorrichtung verbunden. Der sekundäre Kompressor bewirkt die Komprimierung des Gases auf einen Druck zwischen dem Druck des Gases, das den Verdampfer verlässt, und dem Druck, der durch den primären Kompressor erreicht wird.
In einem idealen System wäre dieser dazwischenliegende Druck gleich dem Druck der Gas/Flüssigkeits-Mischung, die nach Entspannung in der Entspannungsvorrichtung (23) erhalten wird. In einem realen System ist es jedoch unvermeidlich, dass Druckverluste auftreten. Wenn wir uns im Kontext der vorliegenden Erfindung darauf beziehen, dass dieser dazwischenliegende Druck im wesentlichen gleich mit dem nach der Entspannung erhaltenen Druck ist, werden dementsprechend Druckverluste berücksichtigt, die typischerweise beim Betrieb eines Kühlmaschinen-Kreisprozesses auftreten. In der Praxis kann der Betrag des Druckverlustes ziemlich beträchtlich variieren, von so wenig wie einige Prozent auf der Hochdruckseite des Kreisprozesses bis zu 20% oder mehr auf der Niederdruckseite des Kreisprozesses.
Die Einheit Entspannungsvorrichtung/sekundärer Kompressor ist selbstregulierend, weil ein Druckgleichgewicht erreicht wird, sobald die abgegebene Leistung der Entspannungsvorrichtung der zugeführten Arbeit beim Betreiben des sekundären Kompressors und zur Überwindung der damit verbundenen Reibung entspricht. Dies ist daher ein stabiles System mit negativer Rückkopplung, was externe Steuerung oder Regulierung unnötig macht.
Das Gas, das aus dem sekundären Kompressor unter den Bedingungen I_c' austritt, mischt sich dann mit dem Gas aus dem Flüssig-Gas-Abscheider/Flüssigkeitssammler bei Punkt X. Die Gasmischung tritt dann in den primären Kompressor ein und der Wärmepumpen-Kreisprozess ist vollendet.
Obwohl am Punkt X die getrennten Gasströme schließlich den gleichen Druck erreichen, können sie unterschiedliche Temperatur- und Enthalpiezustände aufweisen. In diesem Fall wird ein Teil der potentiellen Kühlwirkung am Punkt X im Kreisprozess verloren gehen. Dieser Verlust kann auf zwei Wegen wiedergewonnen werden. Das Gas aus dem Gasabscheider/Flüssigkeitssammler kann verwendet werden, um das Gas aus dem Gaskühler mit Hilfe eines Gas-Gas-Wärmeaustauschers zu kühlen. Alternativ oder zusätzlich kann das Gas aus dem Gasabscheider/Flüssigkeitssammler selbst verwendet werden, um einen Körper zu kühlen oder in eine Hilfseinrichtung eintretende Außenluft vorzukühlen, z.B. durch einen Luft-Gas-Wärmeaustauscher.
Es wird auf 3 Bezug genommen, in der die in 2 verwendeten Bezugsnummern verwendet werden, um die entsprechenden Komponenten des Kühlmaschinensystems zu bezeichnen. Der Gas-Gas-Wärmeaustauscher (28) ermöglicht eine zusätzliche Kühlung des aus dem Gaskühler austretenden Gases durch das Gas, das aus dem Gasabscheider/Sammler getrennt wurde, wodurch die Gesamtleistung und der Gesamtwirkungsgrad des Systems erhöht werden.
4 zeigt eine zusätzliche oder alternative Position für einen Wärmeaustauscher, der in das in 3 gezeigte System über den Punkten Y und Z einzubauen ist. Der Flüssigkeits-Gas-Wärmeaustauscher (29) ist nach dem Gasabscheider/Sammler und vor dem Entspannungsventil angeordnet. Er funktioniert, indem er das aus dem Verdampfer (26) austretende kalte Gas die Flüssigkeit vorkühlen lässt, die von dem Gasabscheider zum Entspannungs- oder Drosselventil (25) strömt. Wiederum hat dies den Effekt, dass die Gesamtleistung und der Gesamtwirkungsgrad des Systems erhöht werden.
Bei den Typen der Komponenten zur Verwendung in dem System der vorliegenden Erfindung, d.h. den Kompressoren, dem Gaskühler (oder Kondensator), den Entspannungsvorrichtungen und den Verdampfern, kann es sich um alle Komponenten handeln, die üblicherweise in Wärmepumpensystemen verwendet werden. Auf den Gaskühler wird als solcher Bezug genommen, weil er einfach die Kühlung des Gases bewirkt, statt einen Teil dieses Gases zu einer Flüssigkeit zu kondensieren. Jeder herkömmliche Kondensator kann für diesen Zweck verwendet werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfassen die Entspannungsvorrichtung und/oder die Kompressoren Axial- oder Radialturbinen, z.B. von dem Typ, der in Turbolader-Maschinen verwendet wird. Entspannungsvorrichtungen und Kompressoren mit Radialturbine sind besonders bevorzugt. Eine weitere Folge der Verwendung der Entspannungsvorrichtung/sekundären Kompressor-Einheit besteht darin, dass das zum primären Kompressor zurückgeführte Gas bei Vervollständigung des Kühlzyklus höher und dichter ist als beim herkömmlichen transkritischen Kreisprozess. Somit kann der primäre Kompressor in der Größe umgekehrt proportional zur festgestellten Erhöhung der Gasdichte verringert werden, was eine Ersparnis von Kosten ermöglicht. Außerdem können die Entspannungsvorrichtung und/oder die Kompressoren aus leichten Materialien sein, wie z.B. Aluminium und Kunststoffen, die verstärkt sind, z.B. mit Glas oder anderen Mineralfasern. Der kombinierte Nutzen von verringerten Abmessungen und verringerten Material- und Herstellungskosten macht den Gebrauch derartiger Turbinen besonders interessant auf dem Gebiet der Automobilklimatisierung.
Für eine optimale Leistung sollte eine Dichtung zwischen der Entspannungsvorrichtung und dem sekundären Kompressor vorgesehen sein, um Verluste an Kohlendioxid zu verringern. Jede geeignete Dichtung kann für diesen Zweck eingesetzt werden, z.B. eine dynamische Lippendichtung.
Das System kann eine Regelvorrichtung oder einen Regelungsmechanismus für das Entspannungs- oder Drosselventil beinhalten. Es gibt einen zweifachen Vorteil für den Gebrauch einer Regelvorrichtung. Zuerst wird die gesamte Flüssigkeit im Verdampfer in Gas umgewandelt, wodurch die verfügbare Kühlwirkung maximiert wird. Zweitens kann keine Flüssigkeit in den Kompressor zurückkehren und so werden übliche Risiken beim Pumpen von Flüssigkeit vermieden.
Ein Beispiel für ein Entspannungsventil, das eine Regelvorrichtung dieses Typs beinhaltet und auf diese Weise gesteuert wird, ist das sogenannte thermostatische Entspannungsventil (TXV). Das Ventil spricht auf einen Sensor an, der nach dem Verdampfer angeordnet ist und die thermodynamischen Eigenschaften des den Verdampfer verlassenden Materials misst. Wie vorstehend ausgeführt, ist eine der bevorzugten Anwendungen der vorliegenden Erfindung die Kraftfahrzeugklimatisierung und insbesondere die Automobilklimatisierung.
Das System nach der Erfindung kann als Klimatisierungssystem in üblicher Weise eingebaut werden. Typischerweise wird das System der Erfindung z.B. gebraucht, um eine Kühlwirkung bereitzustellen, und es wird parallel mit einem Heizsystem hinter dem Amaturenbrett eines Automobils angeordnet. Mittel werden bereitgestellt, gewöhnlich in Form von Luftklappen, um die Luftmenge zu variieren, die von außerhalb in das Automobil eintritt, die durch das System der vorliegenden Erfindung und durch das Heizsystem, das damit parallel angeordnet ist, geleitet wird, um die gewünschte Umgebung im Automobil zu erreichen.
Wirksamkeit des Systems
5 zeigt das Druck/Enthalpie-Diagramm für einen transkritischen Kohlendioxid-Kreisprozess, der markiert wurde, um mit den Punkten des in 1 gezeigten Schemas zu entsprechen. Die Bedingungen bezüglich Druck, Temperatur und Enthalpie an jedem der Punkte im Kreisprozess sind in nachstehender Tabelle 1 wie für ein Klimatisierungssystem aufgeführt. Aus Gründen der Einfachheit ist der Beitrag von dem Wärmeaustauscher (18) nicht eingeschlossen.
TABELLE 1
6 zeigt das Druck/Enthalpie-Diagramm für einen transkritischen Kohlendioxid-Kreisprozess, der markiert wurde, um mit den Punkten des Schemas in 2 zu entsprechen. Die Bedingungen bezüglich Druck, Temperatur und Enthalpie an jedem der Punkte im Kreisprozess sind in nachstehender Tabelle 2 wie für ein Klimatisierungssystem aufgeführt.
I_Dampf stellt das Gas dar, das den Gasabscheider (24) verlässt, I_c' das Gas, das den dazwischenliegenden Kompressor verlässt, und I_Flüssigkeit die Flüssigkeit, die den Gasabscheider/Flüssigkeitssammler verlässt.
TABELLE 2
In jedem Druck/Enthalpie-Diagramm stellen die gestrichelten Linien isentrope Kompression oder Entspannung dar.
Der isentrope Wirkungsgrad des primären Kompressors in den Systemen der 1 und 2 wird mit 0,75 angenommen, der für einen Hubkolbenkompressor typisch ist. Der isentrope Wirkungsgrad des sekundären Kompressors im in 2 gezeigten Kreisprozess wird mit 0,80 angenommen, der für einen Radialturbinenkompressor typisch ist.
Auf Basis des Einsatzes von 1 kg Kohlendioxid-Kühlmittel in jedem System und der Trennung von 0,51 kg Gas, das zum primären Kompressor zurückzuführen ist, und 0,49 kg Flüssigkeit, die zum Entspannungsventil in 2 geleitet wird, kann der Wirkungsgrad für Kühlmaschinen (COP) für das System der 2 mit 2,35 berechnet werden. Im Gegensatz dazu kann der COP, der für das herkömmliche System, das in 1 gezeigt wird, mit 1,38 berechnet werden. Das System der vorliegenden Erfindung ist daher beträchtlich effizienter als das herkömmliche System.
Ferner kann gezeigt werden, dass die durch die Entspannungsvorrichtung erzeugte Leistung gleich der Leistung ist, die durch den Kompressor absorbiert wird, und die normalen mechanischen Verluste beim Betrieb einer derartigen Anlage überwinden kann.
Wie für den Fachmann verständlich, kann die Leistungsfähigkeit des Systems durch Verwendung von einem oder einer Reihe von zweckmäßig positionierten Wärmeaustauschern weiter verbessert werden.

Claims

Zweiphasen-Kühlmaschinensystem umfassend (i) einen primären Kompressor (21) zum Komprimieren eines gasförmigen Kühlmittels auf einen ersten erhöhten Druck und eine erste erhöhte Temperatur, (ii) einen mit dem primären Kompressor verbundenen Kühler (22) zum Kühlen des gasförmigen Kühlmittels von Schritt (i) bei im wesentlichen konstantem Druck unter Bildung eines gekühlten Gases oder einer Gas/Flüssigkeits-Mischung bei einer zweiten Temperatur, (iii) eine mit dem Kühler verbundene Entspannungsvorrichtung (23) zum Ausdehnen im wesentlichen des ganzen Gases oder der ganzen Gas/Flüssigkeits-Mischung von Schritt (ii) unter Bildung einer Gas/Flüssigkeits-Mischung bei einem zweiten Druck, der niedriger ist als der erste Druck, und einer dritten Temperatur, die niedriger ist als die zweite Temperatur, (iv) einen Gasabscheider (24) zum Trennen von Gas von der Gas/Flüssigkeits-Mischung, die durch die Entspannungsvorrichtung gebildet wird, unter Bildung eines flüssigen Teils davon, (v) einen Verdampfer (26) zum Verdampfen des flüssigen Teils bei im wesentlichen konstantem Druck unter Bildung eines Gases, (vi) einen zwischen dem Verdampfer und dem primären Kompressor verbundenen sekundären Kompressor (27) zum Komprimieren des aus dem Verdampfer in Schritt (v) austretenden Gases auf einen vierten Druck zwischen dem ersten Druck und dem dritten Druck, wobei der sekundäre Kompressor durch die Energie betrieben wird, die produziert wird durch die Entspannungsvorrichtung beim Ausdehnen des gasförmigen Kühlmittels in Schritt (iii), um die Gas/Flüssigkeits-Mischung zu bilden, und (vii) einen Flüssigkeitssammler (24), der entweder zwischen der Entspannungsvorrichtung und dem Verdampfer oder zwischen dem Verdampfer und dem sekundären Kompressor angeordnet ist, zum Sammeln des flüssigen Kühlmittels, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlungssystem ferner ein Entspannungsventil (25) zum Expandieren des flüssigen Teils bei im wesentlichen konstanter Temperatur auf einen dritten Druck, der niedriger ist als der zweite Druck, umfasst, wobei der Gasabscheider zwischen der Entspannungsvorrichtung und dem Entspannungsventil angeordnet ist, der Verdampfer mit dem Entspannungsventil verbunden ist und der Flüssigkeitssammler zwischen dem Verdampfer und dem primären Kompressor angeordnet ist und worin das Kühlungssystem Kohlendioxid als Kühlmittel enthält und entsprechend einem transkritischen Wärmepumpen-Kreisprozess arbeitet.
System nach Anspruch 1, worin in Schritt (vi) der vierte Druck im wesentlichen gleich dem zweiten Druck in Schritt (iii) ist.
System nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, welches ferner ein Mittel zum Rückführen des durch den Abscheider getrennten Gases zum primären Kompressor umfasst.
System nach Anspruch 3, welches einen kombinierten Gasabscheider und Flüssigkeitssammler umfasst, der zwischen der Entspannungsvorrichtung und dem Entspannungsventil angeordnet ist.
System nach Anspruch 4, welches ein Mittel zum Rückführen des durch den Abscheider getrennten Gases zum primären Kompressor umfasst und welches ferner einen Gas-Gas-Wärmeaustauscher (28), der zwischen dem kombinierten Gasabscheider und Flüssigkeitssammler und dem primären Kompressor angeordnet ist, zum Kühlen von Gas, das durch den Gaskühler zur Entspannungsvorrichtung zugeführt wird, umfasst.
System nach Anspruch 4 oder Anspruch 5, welches ein Mittel zum Rückführen des durch den Abscheider abgetrennten Gases zum primären Kompressor umfasst und welches ferner einen Flüssigkeits-Gas-Wärmeaustauscher (29) umfasst, der zwischen dem kombinierten Gasabscheider und Flüssigkeitssammler und dem Entspannungsventil angeordnet ist.
System nach irgendeinem vorhergehenden Anspruch, worin mindestens einer von dem primären und sekundären Kompressor und/oder die Entspannungsvorrichtung eine Turbine umfasst.
System nach Anspruch 7, worin die Turbine eine Radialturbine ist.
System nach Anspruch 8, worin die Radialturbine aus Aluminium oder verstärktem Kunststoffmaterial ist.
Vorrichtung ausgewählt aus einer Kühlungsvorrichtung, einem Klimatisierungsgerät und Wärmepumpen, umfassend ein System wie in irgendeinem vorhergehenden Anspruch definiert.
Fahrzeug, vorzugsweise Automobil, umfassend als Klimatisierungssystem ein System wie in irgendeinem der Ansprüche 1 bis 9 definiert.
Verwendung eines Systems wie in irgendeinem der Ansprüche 1 bis 9 definiert als Klimatisierungssystem in einem Bauwerk oder an einem anderen ortsfesten Standort.
Verfahren zur Bereitstellung einer Kühl- und/oder Heizwirkung, umfassend die folgenden Schritte: (i) Komprimieren eines gasförmigen Kühlmittels auf einen ersten erhöhten Druck und eine erste erhöhte Temperatur, (ii) Kühlen des gasförmigen Kühlmittels von Schritt (i) bei im wesentlichen konstantem Druck unter Bildung eines gekühlten Gases oder einer Gas/Flüssigkeits-Mischung bei einer zweiten Temperatur, (iii) Expandieren im wesentlichen des ganzen Gases oder der ganzen Gas/Flüssigkeits-Mischung von Schritt (ii) unter Bildung einer Gas/Flüssigkeits-Mischung bei einem zweiten Druck, der niedriger ist als der erste Druck, und einer dritten Temperatur, die niedriger ist als die zweite Temperatur, (iv) Expandieren der Gas/Flüssigkeits-Mischung oder des flüssigen Teils davon bei im wesentlichen konstanter Temperatur, um den Druck auf einen dritten Druck zu verringern, der niedriger ist als der zweite Druck, (v) Verdampfen der Gas/Flüssigkeits-Mischung oder des flüssigen Teils davon von Schritt (iv) bei im wesentlichen konstantem Druck unter Bildung eines Gases, (vi) Gebrauch der Energie, die bei der Expansion in Schritt (iii) produziert wird, wobei das aus dem Verdampfer in Schritt (v) austretende Gas auf einen vierten Druck zwischen dem ersten Druck und dem dritten Druck komprimiert wird, (vii) Sammeln des flüssigen Kühlmittels in einem Flüssigkeitssammler zwischen den Schritten (v) und (vi) und (viii) Rückführen des Gases von Schritt (vi) zu Schritt (i), worin die Änderung des Zustands, die in Schritt (ii) oder Schritt (v) stattfindet, die Heiz- und/oder Kühlwirkung liefert, wobei das Kühlmittel Kohlendioxid ist und das Verfahren entsprechend einem transkritischen Wärmepumpen-Kreisprozess arbeitet.
Verfahren nach Anspruch 13, worin in Schritt (vi) der vierte Druck im wesentlichen gleich dem zweiten Druck in Schritt (iii) ist.
Verfahren nach Anspruch 13 oder Anspruch 14, welches ferner das Trennen von Gas von der in Schritt (iii) gebildeten Gas/Flüssigkeits-Mischung und das Rückführen des Gases zu Schritt (i) umfasst.