DE602004008450T2

DE602004008450T2 - Dampfkompressionssystem mit bypass/economiser-kreisläufen

Info

Publication number: DE602004008450T2
Application number: DE602004008450T
Authority: DE
Inventors: Alexander Manlius Lifson; Michael F. Fayetteville TARAS
Original assignee: Carrier Corp
Current assignee: Carrier Corp
Priority date: 2003-04-21
Filing date: 2004-04-08
Publication date: 2008-05-29
Anticipated expiration: 2024-04-09
Also published as: CN100458308C; CN1795353A; DE602004008450D1; EP1618343B1; ATE371152T1; EP1618343A1; JP2006524313A; WO2004094926A1; ES2288689T3; US20040206110A1; US6938438B2

Description

Die Erfindung bezieht sich auf Dampfkompressionssysteme und insbesondere auf Dampfkompressionssysteme, die einen verbesserten Aufbau eines Bypass-Kältemittelkreises und Steuermerkmale benutzen, um im Teillastbetrieb eine verbesserte Systemleistung bereitzustellen und dadurch die Kosten während der Lebensdauer der Einheit zu verbessern.
Dampfkompressionssysteme benutzen häufig Kompressoren, wie z.B. Scrollkompressoren, Schraubenkompressoren, zweistufige Kolbenkompressoren und dergleichen. Solche Kompressoren können eine Öffnung für Mitteldruck haben, um in einem unbelasteten Modus, z.B. wenn eine Verringerung der Kapazität gewünscht ist, um sich einer externen Belastung anzupassen oder in einem Ekonomizermodus (Energiesparmodus) zu arbeiten, wenn eine Erhöhung der Leistung wünschenswert ist.
EP 107 24 53 A offenbart einen Kühlkreis, der einen Ekonomizerkreis und eine Hauptflussleitung hat, die durch einen Wärmetauscher verläuft. Ansprüche 1 und 6 sind gegenüber dieser Offenbarung gekennzeichnet.
Bedauerlicherweise ist die Effizienz nicht so gut, wie es wünschenswert ist, wenn typische Kompressionssysteme in unbelasteten Modi betrieben werden.
Daher verbleibt der Bedarf nach Dampfkompressionssystemen, die mit verbesserter Effizienz in unbelasteten Modi betrieben werden können, ohne den Volllastbetrieb zu beeinträchtigen.
Es ist daher die primäre Aufgabe der vorliegenden Erfindung, solch ein System zur Verfügung zu stellen.
Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, solch ein System zur Verfügung zu stellen, in dem die Kosten der Anlage nicht erhöht sind.
Andere Aufgaben und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden hier im Folgenden offenbar werden.
In Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung wird ein Dampfkompressionssystem bereitgestellt, wie es in Anspruch 1 beansprucht ist. Wenigstens in seinen bevorzugten Ausführungsformen weist das Dampfkompressionssystem einen Hauptkompressionskreis, der einen Kompressor, einen Kondensator, eine Expansionsvorrichtung und einen Verdampfer aufweist, die durch Hauptkältemittelleitungen bzw. Hauptkältemittelleitungen in Reihe miteinander verbunden sind, wobei der Kompressor eine Saugöffnung, eine Auslassöffnung und eine Öffnung für Mitteldruck hat; einen Ekonomizerkreis (Energiesparkreis), der eine Hilfsexpansionsvorrichtung und Ekonomizer-(Energiespar-)Kältemittelleitungen aufweist, die zwischen dem Kondensator und wenigstens einer von der Öffnung für Mitteldruck und der Saugöffnung des Kompressors angeschlossen sind; einen Bypasskreis, der Bypass-Kältemittelleitungen bzw. Bypass-Kältemittelleitungen aufweist, die zwischen der Öffnung für Mitteldruck und der Saugöffnung angeschlossen sind; und einen Wärmetauscher auf, der eingerichtet ist, einen ersten Fluss aus den Hauptkältemittelleitungen bzw. Hauptkältemittelleitungen und einen Fluss von wenigstens einem von dem Ekonomizerkreis und dem Bypasskreis aufzunehmen, wobei der erste Fluss und der zweite Fluss für eine Wärmeübertragungsbeziehung in dem Wärmetauscher angeordnet sind, wobei das System wahlweise in einem ersten Modus, in dem der Ekonomizerkreis aktiv ist und der Bypasskreis nicht aktiv ist, und in einem zweiten Modus, in dem der Bypasskreis aktiv ist und der Ekonomizerkreis nicht aktiv ist, betreibbar ist und wobei der Wärmetauscher sowohl in dem ersten Betriebsmodus als auch in dem zweiten Betriebsmodus aktiv ist, um den ersten Fluss zu kühlen.
Darüber hinaus kann ein Steuerelement bereitgestellt und vorteilhafterweise betriebsmäßig mit einem Bypass-Abschaltventil und einem Ekonomizer-Abschaltventil (Energiespar-Abschaltventil) verbunden werden und benutzt werden, um diese Ventile wahlweise zu steuern, um einen Betrieb auf der Stufe oder in dem Modus zur Verfügung zu stellen, der gewünscht ist. Diese Ventile und zusätzliche Leitungen und Ventile können benutzt werden, um eine Mehrzahl von verschiedenen Betriebszuständen wie gewünscht zur Verfügung zu stellen.
Weiterhin wird in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zum Betreiben eines Dampfkompressionssystems bereitgestellt, wie es in Anspruch 6 beansprucht wird.
Eine ausführliche Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung folgt unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen, in denen:
1 schematisch ein System in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung zeigt; und
2 schematisch ein anderes Ausführungsbeispiel eines Systems in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung zeigt.
Ausführliche Beschreibung
Die Erfindung bezieht sich auf Dampfkompressionssysteme und insbesondere auf Dampfkompressionssysteme mit einer effizienten Verbindung eines Bypass- und eines Ekonomizerkreises (Energiesparkreises), das vorteilhafterweise einen verbesserten Betrieb in unbelasteten Modi sowie mehrere Stufen des Entlastens ermöglicht.
Die folgende Offenbarung wird bezüglich eines Dampfkompressionssystems gegeben, das eine bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung darstellt. Es gibt Bauformen des Systems, wie sie im Folgenden beschrieben werden, die betreibbar sein können, einen zweiphasigen Fluss an den Kompressor zu liefern. Solch ein Fluss ist für bestimmte Typen von Kompressoren akzeptabel und solche Systeme werden als Dampfkompressionssysteme, wie sie hier benutzt werden, und als vollständig innerhalb des Schutzbereichs der vorliegenden Erfindung liegend angesehen.
1 zeigt ein Dampfkompressionssystem 10 in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung. Das Dampfkompressionssystem 10 beinhaltet einen Hauptdampfkompressionskreis, der einen Kompressor 12, einen Kondensator 14, eine Expansionsvorrichtung 16 und einen Verdampfer 18 beinhaltet. Diese Komponenten sind durch Hauptkältemittelleitungen bzw. Hauptkältemittelleitungen in Reihe miteinander verbunden, um einen Kältemittelfluss bzw. Kältemittelfluss von der Auslassöffnung 13 des Kompressors 12 durch eine Leitung 20 zum Kondensator 14, vom Kondensator 14 durch eine Leitung 22 zu der Expansionsvorrichtung 16, von der Expansionsvorrichtung 16 durch eine Leitung 24 zu dem Verdampfer 18 und von dem Verdampfer 18 durch eine Leitung 26 zurück zu einer Saugöffnung 15 des Kompressors 12 bereit zu stellen.
Ebenso wird ein Ekonomizerkreis bereitgestellt und zwischen dem Kondensator 14 und wenigstens einer von der Öffnung für Mitteldruck 28 und der Saugöffnung 15 des Kompressors 12 angeschlossen. Dieser Kreis wird vorzugsweise in Form einer Ekonomizer-(Energiespar-)Kältemittelleitung bzw. Ekonomizer-(Energiespar-)Kältemittelleitung 40 bereitgestellt, die von dem Kondensator 14 zu einer Hilfsexpansionsvorrichtung 42 und von der Expansionsvorrichtung 42 durch eine Ekonomizer-Kältemittelleitung bzw. Ekonomizer-Kältemittelleitung 44 zum Wärmetauscher 32 führt. In einem typischen Betriebsmodus des Ekonomizerkreises erstreckt sich der Ekonomizerkreis von dem Wärmetauscher 32 durch eine Leitung 38 zu einer Öffnung für Mitteldruck 28 des Kompressors 12.
Ein Ekonomizer-Abschaltventil 46 kann vorteilhafterweise entlang der Ekonomizer-Kältemittelleitungen angeordnet sein, z. B. entlang der Leitung 40, um wahlweise auch Fluss durch den Ekonomizerkreis zu erlauben und zu blockieren. Alternativ wird das Ventil 46 nicht benötigt, wenn die Expansionsvorrichtung 42 eine elektronische Expansionsvorrichtung ist.
In weiterer Übereinstimmung mit der Erfindung beinhaltet das System 10 auch einen Bypasskreis, der zwischen einer Öffnung für Mitteldruck 28 des Kompressors 12 und einer Saugöffnung 15 des Kompressors 12 angeschlossen ist. Der Bypasskreis erlaubt einen unbelasteten Betrieb des Kompressors 12. Gemäß der Erfindung und vorteilhafterweise ist der Bypasskreis eingerichtet, durch den Ekonomizer-Wärmetauscher 32 zu strömen, um so den Hauptkältemittelfluss mit Fluss aus dem Bypasskreis zu unterkühlen und somit den Ekonomizer-Wärmetauscher 32 zu benutzen und die Effizienz während unbelasteten Betriebs zu verbessern. Somit führt gemäß der Erfindung die Bypass-Kältemittelleitung 38 vorteilhafterweise zu dem Ekonomizer-Wärmetauscher 32 und von dem Wärmetauscher 32 durch eine Leitung 36 und zurück zur Saugöffnung 15 des Kompressors 12. Ein Bypassabsperrventil 34 ist vorteilhafterweise entlang der Bypassleitung 36 angeordnet, die von dem Wärmetauscher 32 zur Saugöffnung 15 führt, um wahlweise Fluss durch den Bypasskreis zuzulassen und zu blockieren.
Es ist anzumerken, dass innerhalb dieses Textes auf das Blockieren von Fluss durch bestimmte Kreise oder Komponenten Bezug genommen wird. So wie er hier benutzt wird, bedeutet dieser Ausdruck, den Fluss im Wesentlichen zu blockieren, so dass der fragliche Kreis im Wesentlichen nicht aktiv ist oder so, dass der wesentliche Teil des Flusses durch diesen Kreis blockiert ist.
In weiterer Übereinstimmung mit der Erfindung verläuft die Hauptkältemittelleitung 22 durch den Ekonomizer-Wärmetauscher 32, um so in dem Wärmetauscher 32 einer Wärmeübertragungsbeziehung mit dem Fluss in Leitung 38 ausgesetzt zu sein. Somit ist der Wärmetauscher 32 eingerichtet, einen ersten Fluss aus der Hauptkältemittelleitung 22 und einen zweiten Fluss von wenigstens einem von dem Ekonomizerkreis und dem Bypasskreis aufzunehmen, und Wärmeübertragung tritt sowohl im Volllast-Ekonomizerbetrieb (Volllast-Energiesparbetrieb) als auch vorteilhafterweise im Teillastbetrieb auf.
In dieser Bauform und vorteilhafterweise ist das Ventil 34 offen, wenn der Kompressor 12 in einem unbelasteten Zustand betrieben werden soll, um einen Teil des Kühlmittels bzw. Kältemittels durch die Öffnung für Mitteldruck 28 zu führen, was einen Teil des Kältemittels repräsentiert, das durch den Kompressor 12 strömt und auf Mitteldruck komprimiert wird und dadurch den Kompressor 12 entlastet.
In dem unbelasteten Betriebsmodus wird der Hauptkältemittelfluss im Ekonomizer-Wärmetauscher 32 unterkühlt, um in diesem Betriebsmodus eine Leistungsverbesserung des Systems bereitzustellen. In dieser Hinsicht ist der Mitteldruck des Flusses, der aus dieser Öffnung austritt, in Abhängigkeit von der Lage der Öffnung für Mitteldruck 28, relativ nahe am Ansaugdruck, wodurch die für die Wärmeübertragungswechselwirkung im Ekonomizer-Wärmetauscher 32 zur Verfügung stehende Temperaturdifferenz erhöht wird.
In weiterer Übereinstimmung mit der Erfindung kann vorteilhafterweise ein Steuerelement 48 bereitgestellt und betriebsmäßig mit den Absperrventilen 34, 46 oder der Expansionsvorrichtung 42, wenn sie elektronisch gesteuert wird, verbunden werden, um wahlweise eines dieser Ventile in eine geschlossene oder eine offenen Position zu bringen, um so den Betrieb des Systems 10 wie gewünscht im Volllast-Ekonomizermodus (Volllast-Energiesparmodus) oder im unbelasteten Modus zu ermöglichen, wobei der Wärmetauscher 32 noch aktiv und in Funktion ist, um die Leistung des Systems zu verbessern. Natürlich kann das System 10 auch im Volllast-Nicht-Ekonomizermodus (Volllast-Nicht-Energiesparmodus) betrieben werden, wobei beide Ventile 34, 46 geschlossen sind.
Nunmehr Bezug nehmend auf 2 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung dargestellt, in dem zusätzliche Leitungen und Ventile vorgesehen sind, um zusätzlich verschiedene Betriebsmodi des Systems zu ermöglichen. Dies ist insbesondere vorteilhaft, indem es erlaubt, das System so zu betreiben, dass es besser an die externe Last angepasst ist und weiterhin genutzt werden kann, um den Betriebsumfang des Systems zu erweitern. Ein Vorteil, der sich aus dieser Funktionalität ergibt, ist, dass das Umschalten zwischen dem eingeschalteten und dem ausgeschaltete Modus des Systems verringert wird, wodurch auch die langfristige Zuverlässigkeit des Systems verbessert wird.
Es sollte verstanden werden, dass der Ekonomizerkreis und der Bypasskreis, die hier beschrieben werden, tatsächlich als Kreisbereiche betrachtet werden können, da sie Strömungsleitungen und/oder Komponenten enthalten, die selbst möglicherweise keinen geschlossenen Kreis zur Verfügung stellen. Der Ausdruck Kreis, wie er hier benutzt wird, beinhaltet jedoch insbesondere Kreiselemente, -bereiche oder Segmente davon. Zusätzlich können der Ekonomizerkreis und der Bypasskreis Komponenten teilen, die in diesen Betriebsmodi unterschiedlich funktionieren.
2 zeigt ein System 10a, in dem ähnliche Komponenten, d.h. ein Kompressor 12, ein Kondensator 14, eine Expansionsvorrichtung 16 und ein Verdampfer 18 vorhanden sind. Wie in dem Ausführungsbeispiel aus 1 sind diese Komponenten durch Hauptkältemittelleitungen bzw. Hauptkältemittelleitungen 20, 22, 24 und 26 verbunden, um den Hauptkältemittelkreis bzw. Hauptkältemittelkreis festzulegen.
Das System 10a hat einen Ekonomizerkreis, einen Bypasskreis, einen Ekonomizer-Wärmetauscher 32 und eine Hilfsexpansionsvorrichtung 42, die durch eine Reihe von Leitungen und Ventilen verbunden sind, um eine Vielzahl von verschiedenen Betriebsmodi zur Verfügung zu stellen, wie sie im Folgenden weiter beschrieben werden.
Auch in diesem Ausführungsbeispiel hat der Kompressor 12 eine Auslassöffnung 13, eine Öffnung für Mitteldruck 28 und eine Saugöffnung 15, und ein Bypasskreis ist zwischen der Öffnung für Mitteldruck 28 und der Saugöffnung 15 auch durch eine Reihe von Leitungen und Ventilen angeschlossen, um eine Vielzahl von verschiedenen Betriebsmodi zur Verfügung zu stellen, wie sie im Folgenden weiter beschrieben werden.
In diesem Ausführungsbeispiel werden zusätzliche Flussleitungen und Ventile bereitgestellt, um eine Vielzahl von Betriebsmodi zu ermöglichen, von denen keine wichtig sind und hierin beschrieben werden. Drei dieser Betriebsmodi sind so, wie zuvor in 1 beschrieben, d.h., ein normaler Betriebsmodus, in dem sowohl der Ekonomizer- als auch der Bypasskreis nicht aktiv sind, ein Nur-Bypass-Betriebsmodus, in dem der Bypasskreis aktiv ist und der Ekonomizerkreis nicht aktiv ist, und ein Nur-Ekonomizermodus, in dem der Ekonomizerkreis aktiv ist und der Bypasskreis nicht aktiv ist. Wie aus der folgenden Diskussion besser verständlich wird, werden durch zusätzliche Flussleitungen und eine geeignete Steuerung der Ventile, die in diesen Leitungen angeordnet sind, sechs weitere bedeutsame Betriebsmodi zur Verfügung gestellt. Diese beinhalten vier Betriebsmodi, in denen sowohl der Ekonomizerkreis als auch der Bypasskreis aktiv sind, wobei unterschiedliche Flussanteile oder kein Fluss durch den Wärmetauscher 32 strömt, sowie einen Bypass- oder unbelasteten Betriebsmodus, in dem kein Fluss durch den Wärmetauscher 32 strömt, und auch einen Bypass- oder unbelasteten Betriebsmodus, mit Bypassfluss durch den Wärmetauscher 32 in Gegenströmung zu der Hauptkältemittelleitung 22, im Gegensatz zu der parallelen Flussanordnung, wie sie in 1 vorgesehen ist.
Vorzugsweise wird das System der vorliegenden Erfindung angepasst, um einen Betrieb in wenigstens drei der neun verschiedenen Betriebsmodi, wie sie hier aufgezeigt werden, zu ermöglichen.
Wie im Folgenden gezeigt wird, ermöglichen drei dieser Betriebsmodi das Erzeugen einer kontrollierten Flutbedingung (flooding condition) an der Saugöffnung oder dem Einlass des Kompressors. Unter kontrollierten Bedingungen kann dies wünschenswert sein, als eine Möglichkeit, um Überhitzen in der Zuleitung zu dem Kompressor zu vermeiden und dadurch die Kompressorauslasstemperatur zu verringern. Somit werden das System und das Verfahren der vorliegenden Erfindung vorzugsweise angepasst, um den Betrieb in wenigstens einem dieser drei Modi zu ermöglichen.
Diese Leitungen und Ventile und ihre Benutzung, um zusätzliche Betriebsmodi zur Verfügung zu stellen, sind wie folgt:
2 zeigt einen Ekonomizerkreis, der sich von der Hauptkältemittelleitung 22 durch Leitung 50 zu der Hilfsexpansionsvorrichtung 42, von der Hilfsexpansionsvorrichtung 42 entlang einer Leitung 52 zum Ekonomizer-Wärmetauscher 32 und vom Ekonomizer-Wärmetauscher 32 entlang einer Leitung 54 zu einer Verzweigung erstreckt, wo eine Leitung 56 zu einer Leitung 58 und zu der Öffnung für Mitteldruck 28 des Kompressors 12 führt, während eine Leitung 60, wie gezeigt, zu der Hauptkältemittelleitung 26 und zu der Saugöffnung 15 des Kompressors 12 führt.
Zusätzlich gibt es Leitungen, um den Bypasskreis zu definieren, der von der Öffnung für Mitteldruck 28 durch die Leitung 58 zu der Verzweigung mit der Leitung 56 und zu der Leitung 62, welche in der Nähe des Ekonomizer-Wärmetauschers 32 mit der Leitung 52 verbunden ist, und durch eine Leitung 75, welche die Leitungen 62 und 26 verbindet, strömt. Zusätzlich zu diesen Leitungen sind die Ventile 64, 66, 68, 70 und 72 entlang bestimmter Leitungen angeordnet, wie weiter unten beschrieben, und das Öffnen und Schließen dieser Ventile ermöglicht den Betrieb des Systems 10a in den sechs zusätzlichen unterschiedlichen Modi, wie sie zuvor aufgezeigt worden sind.
Das Ventil 64 ist, wie gezeigt, entlang der Leitung 50 angeordnet, während das Ventil 66 entlang der Leitung 56 angeordnet ist, das Ventil 68 entlang der Leitung 60 angeordnet ist, das Ventil 70 entlang der Leitung 62 angeordnet ist und das Ventil 72 entlang der Leitung 75 angeordnet ist, auch im Wesentlichen wie gezeigt.
In einem normalen Betriebsmodus, wie er auch im Zusammenhang mit 1 beschrieben worden ist, sind alle Ventile im Wesentlichen geschlossen und der Hauptfluss in dem System 10a strömt durch die Hauptkältemittelleitungen 20, 22, 24 und 26, wie zuvor beschrieben. In diesem Modus wird der Kompressor 12 in einem vollständig belasteten Zustand betrieben und der Ekonomizer-Wärmetauscher 32 ist im Wesentlichen nicht aktiv.
In einem Nur-Bypassmodus, sind die Ventile 64, 66 und 72 im Wesentlichen geschlossen und die Ventile 68 und 70 sind offen. Dies deaktiviert im Wesentlichen den Ekonomizerkreis, stellt aber Fluss durch den Bypasskreis bereit, welcher durch die Leitung 58 aus der Öffnung für Mitteldruck 28 austritt und durch die Leitung 62, das Ventil 70 und die Leitung 52 zu dem Ekonomizer-Wärmetauscher 32 strömt, der benutzt wird, um den Hauptkältemittelfluss in der Leitung 22 weiter zu unterkühlen. Dieser Bypassfluss tritt dann durch die Leitung 54 und die Leitung 60 aus dem Ekonomizer-Wärmetauscher 32 aus und strömt durch das Ventil 68 zur Leitung 26 und zur Saugöffnung 15 des Kompressors 12. In diesem Modus und vorteilhafterweise wird der Kompressor 12 entlastet, während die Leistung des Systems durch das Wirken des Ekonomizer-Wärmetauschers 32 weiter verbessert wird. Weiterhin wird der Wärmetauscher 32 in diesem Modus in einer Konfiguration mit gegenläufigem Fluss betrieben, im Vergleich zu der Konfiguration mit gleichlaufendem Fluss, wie sie in dem Ausführungsbeispiel aus 1 bereitgestellt wird.
In einem Nur-Ekonomizerbetriebsmodus sind die Ventile 64 und 66 offen, während die Ventile 68, 70 und 72 im Wesentlichen geschlossen sind. In diesem Betriebsmodus ist der Ekonomizerkreis wirksam und Kältemittel strömt von der Hauptkältemittelleitung 22 durch die Leitung 50 und das Ventil 64 zur Hilfsexpansionsvorrichtung 42. Der Fluss strömt dann von der Hilfsexpansionsvorrichtung 42 durch die Leitung 52 zum Ekonomizer-Wärmetauscher 32 und dann durch die Leitung 54 und das Ventil 66 zur Leitung 58 und in die Öffnung für Mitteldruck 28 des Kompressors 12. Aus dieser Beschreibung und unter Berücksichtigung des Nur-Bypassmodus, wie er zuvor beschrieben worden ist, sollte es ziemlich klar sein, dass die Öffnung für Mitteldruck 28 in diesem Ausführungsbeispiel entweder als Einlass in den oder als Auslass aus dem Kompressor 12 funktionieren kann. In dieser Hinsicht kann der Kompressor 12 so ausgestattet sein, dass die Öffnung für Mitteldruck eine einzige Öffnung ist, die beide Funktionen zur Verfügung stellt, oder er kann mit zwei verschiedenen Öffnungen versehen sein, von denen eine speziell zum Entlasten und die andere speziell zum Ansaugen bei einem mittleren Druck eingerichtet ist. Jede von diesen Bauformen und Abwandlungen davon werden als voll innerhalb des Schutzbereichs der vorliegenden Erfindung liegend betrachtet.
Wie zuvor beschrieben, stellt das Ausführungsbeispiel der 2 zusätzliche Modi zur Verfügung, in denen beide Kreise aktiv sind. Im ersten Modus, in dem beide Kreise aktiv sind, sind die Ventile 64, 66 und 68 offen und die Ventile 70 und 72 sind geschlossen, so dass der Ekonomizer-Wärmetauscher 32 mit einem Fluss von dem Ekonomizerkreis wirksam ist und der Bypasskreis aktiv ist, um den Kompressor 12 zu entlasten. Insbesondere strömt in dieser Bauform wie in anderen Ausführungsbeispielen ein Fluss in dem Ekonomizerkreis von der Hauptkältemittelleitung 22 durch die Leitung 50, das Ventil 64, die Hilfsexpansionsvorrichtung 42 und die Leitung 52 zum Ekonomizer-Wärmetauscher 32. Von dem Ekonomizer-Wärmetauscher 32 tritt Ekonomizerfluss durch die Leitung 54 aus und strömt durch die Leitung 60, das Ventil 68 und die Hauptkältemittelleitung 26 zur Saugöffnung 15 des Kompressors 12. Der Bypasskreis ist in diesem Betriebsmodus auch wirksam und Bypassfluss tritt durch die Leitung 58 aus der Öffnung für Mitteldruck 28 aus und strömt durch das Ventil 66 zur Leitung 56. Der Bypassfluss in der Leitung 56 vereinigt sich mit dem Ekonomizerfluss in der Leitung 54 und dieser kombinierte Fluss strömt durch die Leitung 60, das Ventil 68 und die Hauptkältemittelleitung 26 zur Saugöffnung 15 des Kompressors 12.
In einem anderen Betriebsmodus, in dem beide Kreise in Betrieb sind, sind die Ventile 64, 68 und 70 offen und die Ventile 66 und 72 sind im Wesentlichen geschlossen. In diesem Betriebsmodus sind sowohl der Bypass- als auch der Ekonomizerkreis wirksam und ein kombinierter Bypass-/Ekonomizerfluss strömt durch den Ekonomizer-Wärmetauscher 32, um das Kältemittel in der Hauptkäl temittelleitung 22 wie gewünscht zu unterkühlen. In diesem Betriebsmodus arbeitet der Ekonomizerkreis mit einem Fluss von der Hauptkältemittelleitung 22 durch die Leitung 50, das Ventil 64, die Hilfsexpansionsvorrichtung 42 und die Leitung 52 zum Ekonomizer-Wärmetauscher 32. Ein Fluss durch den Bypasskreis tritt durch die Leitungen 58 und 62 und durch das Ventil 70 aus der Öffnung für Mitteldruck 28 aus, um sich stromaufwärts des Ekonomizer-Wärmetauschers 32 in der Leitung 52 mit dem Ekonomizerfluss zu vereinigen. Der kombinierte Ekonomizer- und Bypassfluss strömt dann zur Wärmetauschwechselwirkung mit dem Hauptkältemittelfluss in der Leitung 22 durch den Ekonomizer-Wärmetauscher 32 und tritt durch die Leitung 54 aus. Dieser Fluss strömt dann durch die Leitung 60, das Ventil 68 und die Hauptkältemittelleitung 26 zurück zur Saugöffnung 15 des Kompressors 12. Dieser Betriebsmodus kann als eine kontrollierte Flutbedingung (controlled flooding condition) an der Saugöffnung 15 des Kompressors 12 betrachtet werden, die vorteilhaft ist, um die Auslasstemperatur des Kompressors zu verringern und um den Betriebsumfang des Systems zu erweitern.
In einem anderen Betriebsmodus sind die Ventile 64, 66 und 72 offen und die Ventile 68 und 70 sind im Wesentlichen geschlossen. In diesem Fall wird Bypassfluss nur zur Wärmeübertragungswechselwirkung im Ekonomizer-Wärmetauscher 32 eingesetzt, während der Fluss durch den Ekonomizerkreis von der Expansionsvorrichtung 42 durch die Leitung 75 und das Ventil 72 zur Saugöffnung 15 strömt. Wie in einem vorherigen Betriebsmodus kann eine kotrollierte Flutbedingung (controlled flooding condition) eingesetzt werden, um zusätzliche Vorteile zu erlangen. Es ist zu bemerken, dass ein identischer Betriebsmodus durch Öffnen der beiden Ventile 34 und 46 in dem Ausführungsbeispiel aus 1 verwirklicht werden kann.
In einem anderen Bypassbetriebsmodus sind die Ventile 66 und 68 oder 70 und 72 offen und die anderen Ventile sind im Wesentlichen geschlossen. Dies erlaubt es, den Bypasskreis als konventionellen Bypasskreis zu betreiben, wobei der Kompressor ohne Benutzung des Ekonomizer-Wärmetauscher entlastet wird.
In noch einem anderen Betriebsmodus können die Ventile 64, 70 und 72 offen sein, während die Ventile 66 und 68 im Wesentlichen geschlossen sind. Dies stellt Fluss durch den Ekonomizerkreis und den Bypasskreis ohne Fluss durch den Wärmetauscher 32 bereit, was eine zusätzliche Stufe des Entlastens des Kompressors 12 zur Verfügung stellt, wenn gewünscht. Wie zuvor kann auch in diesem Fall eine kontrollierte Flussbedingung verwirklicht werden.
Es sollte leicht einzusehen sein, dass die Ventile 64, 66, 68, 70 und 72 leicht von einem Steuerelement 48, wie dem, das im Zusammenhang mit 1 beschrieben worden ist, gesteuert werden können und dass das Steuerelement 48 angepasst werden kann, um Information, die sich auf verschiedene Betriebsparameter des Kompressors bezieht, wahrzunehmen oder zu erkennen, und diese Information zu benutzen, um einen geeigneten Betriebsmodus auszuwählen und um Steuersignale an die verschiedenen Ventile zu schicken, um diesen spezifisch ausgewählten Betriebsmodus einzustellen. Wie zuvor beschrieben, ist dies besonders vorteilhaft, da die vielen Betriebsmodi eine genauere Übereinstimmung des Betriebsmodus des Systems 10, 10a gemäß der vorliegenden Erfindung mit der externen Last ermöglichen und weiterhin einen breiteren Betriebsumfang des Systems und weniger Starts/Stopps des Systems ermöglichen, wodurch auch die Zuverlässigkeit des Systems weiter verbessert wird.
Es sollte erkannt werden, dass das System in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung vorteilhafterweise eine Vielzahl von Stufen unbelasteten Betriebs zulässt und weiterhin die Betriebseffizienz in jedem dieser Modi verbessert.
Es sollte auch erkannt werden, dass spezielle Vorteile in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung in einigen Fällen (1) erreicht werden, ohne dass zusätzliche Bauteile erforderlich sind und dass dieses System im Zusammenwirken mit jedem Typ von Expansionsvorrichtung für die Expansionsvorrichtungen 16, 42 benutzt werden kann. Weiterhin kann die Hilfsexpansionsvorrichtung 42 als eine elektronische Flusssteuerungsvorrichtung vorgesehen sein, die benutzt werden kann, um den Fluss durch den Bereich der Kreise aus den 1 und 2 zu steuern, ohne dass jeweils die Ventile 46, 64 notwendig sind.
Das System ist insbesondere nützlich in Systemen mit offenem Antrieb, wo zusätzliche Motorwärme nicht von einem Niederdruck-Kältemittel aufgenommen wird, um so die zum weiteren Unterkühlen des Hauptkältemittelflusses im Wärmetauscher 32 zur Verfügung stehende Temperaturdifferenz zu erhöhen.
Es ist zu verstehen, dass die Erfindung nicht auf die hier beschriebenen und gezeigten Veranschaulichungen beschränkt ist, die angesehen werden sollen, nur die besten Ausführungsformen zu beschreiben, um die Erfindung auszuführen, und die einer Änderung der Form, der Größe, der Anordnung von Teilen und von Einzelheiten des Betriebs zugänglich sind.

Claims

Dampfkompressionssystem (10, 10a), aufweisend: einen Hauptkreis aufweisend einen Kompressor (12), einen Kondensator (14), eine Expansionsvorrichtung (16) und einen Verdampfer (18), die in Reihe durch Hauptkältemittelleitungen (20, 22, 24, 26) miteinander verbunden sind, wobei der Kompressor eine Saugöffnung (15), eine Auslassöffnung (13) und eine Öffnung für mittleren Druck (28) hat; einen Ekonomizerkreis, der eine Hilfsexpansionseinrichtung (42) und Ekonomizer-Kältemittelleitungen (40, 44, 50, 52) umfasst, die zwischen dem Kondensator und wenigstens einer von der Öffnung für mittleren Druck und der Saugöffnung des Kompressors verbunden sind; einen Bypasskreis, der Umgehungskältemittelleitungen (36, 38, 54, 62) umfasst, die zwischen der Öffnung für mittleren Druck (28) und der Saugöffnung (15) verbunden sind; und dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher ein Wärmetauscher ist, der eingerichtet ist, einen ersten Fluss aus den Hauptkältemittelleitungen (20, 22, 24, 26) und einen zweiten Fluss wahlweise aus dem Ekonomizerkreis oder dem Bypasskreis aufzunehmen, wobei der erste Fluss und der zweite Fluss für eine Wärmeübertragungsbeziehung innerhalb des Wärmetauschers (32) angeordnet sind, wobei das System wahlweise in einem ersten Modus, in dem der Ekonomizerkreis aktiv ist und durch den Wärmetauscher fließt, und in dem der Bypasskreis inaktiv ist, oder einem zweiten Modus, in dem der Bypasskreis aktiv ist und durch den Wärmetauscher fließt, und in dem der Ekonomizerkreis inaktiv ist, betreibbar ist und wobei der Wärmetauscher im Betrieb aktiv ist, um den ersten Fluss sowohl in dem ersten Modus als auch in dem zweiten Modus zu kühlen.
System (10, 10a) nach Anspruch 1, zusätzlich aufweisend ein Umgehungsabschaltventil (34, 70), das entlang der Umgehungskältemittelleiten (36, 38, 54, 62) angeordnet ist, um wahlweise den Fluss durch den Bypasskreis zu erlauben oder zu blockieren, und ein Ekonomizer-Abschaltventil (46, 64), um wahlweise den Fluss durch den Ekonomizerkreis zu erlauben oder zu blockieren, wodurch das System wahlweise in dem ersten Modus oder in dem zweiten Modus betreibbar ist.
System (10, 10a) nach Anspruch 2, zusätzlich aufweisend ein Steuerelement (48), das betriebsmäßig mit dem Umgehungsabschaltventil (34, 70) und dem Ekonomizer-Abschaltventil (46, 64) verbunden ist, um das Umgehungsabschaltventil und das Ekonomizer-Abschaltventil wahlweise zu öffnen oder zu schließen.
System (10a) nach Anspruch 1, zusätzlich aufweisend Mittel, um den Fluss wahlweise durch den Ekonomizerkreis oder den Bypasskreis zu steuern, wobei das System in dem ersten Modus, in dem zweiten Modus, in dem Flüsse in dem Wärmetauscher (32) im Wesentlichen gleichläufig sind, in einem dritten Modus, in dem der Ekonomizerkreis und der Bypasskreis im Wesentlichen inaktiv sind, und in wenigstens einem zusätzlichen Modus betreibbar ist, der aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus einem vierten Modus, in dem der Ekonomizerkreis und der Bypasskreis beide aktiv sind und der zweite Fluss Fluss von dem Ekonomizerkreis und von dem Bypasskreis umfasst, einem fünften Modus, in dem der Ekonomizerkreis und der Bypasskreis beide aktiv sind und der zweite Fluss nur Fluss von dem Ekonomizerkreis umfasst, einem sechsten Modus, in dem der Ekonomizerkreis und der Bypasskreis beide aktiv sind, und in dem der zweite Fluss nur Fluss von dem Bypasskreis umfasst, einem siebten Modus, in dem der Ekonomizerkreis und der Bypasskreis beide aktiv sind, den Wärmetauscher (32) umgehen und zu der Saugöffnung (15) des Kompressors (12) fließen, einem achten Modus, in dem der Ekonomizerkreis inaktiv und der Bypasskreis aktiv ist, wobei der Bypasskreis den Wärmetauscher (32) umgeht und zu der Saugöffnung (15) des Kompressors (12) fließt, und einem neunten Modus, in dem der Ekonomizerkreis inaktiv und der Umgehungskreis aktiv ist, wobei der zweite Fluss Fluss von dem Bypasskreis umfasst, und in dem der Fluss in dem Wärmetauscher (32) im Wesentlichen gegenläufig ist, besteht.
System (10a) nach Anspruch 4, wobei das Mittel zum wahlweisen Steuern eingerichtet ist, den Betrieb des Systems in jedem von dem ersten Modus, dem zweiten Modus, dem dritten Modus, dem vierten Modus, dem fünften Modus, dem sechsten Modus, dem siebten Modus, dem achten Modus und dem neunten Modus zu erlauben.
Verfahren zum Betreiben eines Dampfkompressionssystems (10, 10a) aufweisend einen Hauptdampfkompressionskreis, der einen Kompressor (12), einen Kondensator (14), eine Expansionseinrichtung (16) und einen Verdampfer (18) hat, die in Reihe durch Hauptkältemittelleitungen (20, 22, 24, 26) miteinander verbunden sind, wobei der Kompressor eine Saugöffnung (15), eine Auslassöffnung (13) und eine Öffnung für mittleren Druck (28) hat; einen Ekonomizerkreis, der eine Hilfsexpansionseinrichtung (42) und Ekonomizer-Kältemittelleitungen (40, 44, 50, 52) hat, die zwischen dem Kondensator und wenigstens einer von der Öffnung für mittleren Druck und der Saugöffnung des Kompressors verbunden sind; einen Bypasskreis, der Umgehungskältemittelleitungen (36, 38, 54, 62) hat, die zwischen der Öffnung für mittleren Druck (28) und der Saugöffnung (15) verbunden sind; und einen Wärmetauscher (32), dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher eingerichtet ist, einen ersten Fluss aus den Hauptkältemittelleitungen (20, 22, 24, 26) und einen zweiten Fluss wahlweise aus dem Ekonomizerkreis oder dem Bypasskreis aufzunehmen, wobei der erste Fluss und der zweite Fluss innerhalb des Wärmetauschers (32) in einer Wärmeübertragungsbeziehung angeordnet sind, aufweisend Betreiben des Systems wahlweise in einem ersten Modus, in dem der Ekonomizerkreis aktiv ist und durch den Wärmetauscher fließt und der Bypasskreis inaktiv ist, oder einem zweiten Modus, in dem der Bypasskreis aktiv ist und durch den Wärmetauscher fließt, und in dem der Ekonomizerkreis inaktiv ist, und wobei der Wärmetauscher (32) im Betrieb aktiv ist, um den Fluss in den Hauptkältemittelleitungen sowohl in dem ersten Modus als auch in dem zweiten Modus zu kühlen.
Verfahren nach Anspruch 6, zusätzlich aufweisend das System (10a) wahlweise in wenigstens drei verschiedenen Modi zu betreiben, die aus der Gruppe ausgewählt sind, die aus einem ersten Modus, in dem der Ekonomizerkreis aktiv ist und der Bypasskreis inaktiv ist, einen zweiten Modus, in dem der Bypasskreis aktiv und der Ekonomizerkreis inaktiv ist und Flüsse in dem Wärmetauscher (32) im Wesentlichen gleichläufig sind, einem dritten Modus, in dem der Ekonomizerkreis und der Bypasskreis im Wesentlichen inaktiv sind, einem vierten Modus, in dem der Ekonomizerkreis und der Bypasskreis beide aktiv sind und der zweite Fluss sowohl Fluss von dem Ekonomizerkreis und dem Bypasskreis umfasst, einen fünften Modus, in dem der Ekonomizerkreis und der Bypasskreis beide aktiv sind und der zweite Fluss nur Fluss von dem Ekonomizerkreis umfasst, einen sechsten Modus, in dem sowohl der Ekonomizerkreis als auch der Bypasskreis aktiv sind und der zweite Fluss nur Fluss von dem Bypasskreis umfasst, einem siebten Modus, in dem sowohl der Ekonomizerkreis als auch der Bypasskreis aktiv sind, den Wärmetauscher (32) umgehen und zu der Saugöffnung (15) des Kompressors (12) fließen, einem achten Modus, in dem der Ekonomizerkreis inaktiv ist und der Bypasskreis aktiv ist, wobei der Bypasskreis den Wärmetauscher (32) umgeht und zu der Saugöffnung (15) des Kompressors (12) fließt, und einen neunten Modus besteht, in dem der zweite Fluss einen Fluss von dem Bypasskreis umfasst und wobei der Fluss in dem Wärmetauscher (32) im Wesentlichen gegenläufig ist.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei die wenigstens drei verschiedenen Modi wenigstens einen von dem vierten Modus, dem sechsten Modus und dem siebten Modus enthalten, wodurch eine kontrollierte Flutbedingung (flooding condition) an der Saugöffnung (15) des Kompressors (12) erzeugt werden kann.