NO180603B - Fremgangsmåte ved höytrykksregulering i et transkritisk kompresjonskuldesystem og et kompresjonskjölesystem for utförelse av samme - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse vedrører kompresjonskjølesystemer så som kuldeanlegg, klimakjøle- og varmepumpesystemer, som opererer under transkritiske betingelser, og fremgangsmåte for regulering av trykket i høytrykksiden av systemet for å opprettholde optimal drift med hensyn til energiforbruk.

PCT-søknad, publikasjon nr. WO 90/07683, viser et transkritisk kompresjons-kjølesystem og en fremgangsmåte for å regulere dets kapasitet basert på variasjon av det overkritiske trykket i trykksiden av anlegget. Dette systemet består av en kompressor, en gasskjøler (kondensator), en intern varmeveksler, en fordamper og en beholder. Kapasitetskontroll oppnås ved å variere væskeinnholdet i lavtrykks-beholderen som er plassert mellom fordamper og kompressor, hvor en strupeventil mellom høytrykksutløpet fra den interne varmeveksleren og fordamperinnløpet er anvendt som reguleringsanordning.

Omfattende forsøk som nylig er utført på en prototyp av det transkritiske kompresjonskjølesystemet viser at for noen bruksområder for oppfinnelsen, f.eks. i klimakjølesystemer som opererer ved varierende belastning og betingelser, burde trykket i trykksiden av anlegget ved deilast vært justert i samsvar med de faktiske driftsforhold (belastning) for enheten, for å oppnå minimum energiforbruk ved et gitt kapasitetskrav. De faktiske driftsforhold kan defineres ved kjølemediumtemperaturer eller -trykk, ved eksterne temperaturer eller ved kapasitetskrav. Ethvert tilgjengelig konvensjonelt system for kapasitetsregulering, f.eks. av/på, kompressor med variabelt slagvolum eller variabel hastighet, kan da brukes separat og uavhengig av strupeventilstyringen i den viste kretsen for å regulere kjøle- og varmekapasiteten. Av disse grunner var det nødvendig å utvikle en ny kontrollstrategi for strupeventilen, for å oppnå optimal drift med hensyn til energiforbruk hos den viste kompresjonskjøleanordningen.

Det er derfor hensikten med oppfinnelsen å frembringe en ny, enkel fremgangsmåte og et kompresjonskjølesystem for å regulere trykket i høytrykksiden i en transkritisk kompresjonskjølekrets, slik at minimum energiforbruk og optimal drift av systemet oppnås.

De ovenfor nevnte og andre hensikter med foreliggende oppfinnelse er oppnådd ved fremskaffelse av en styrestrategi for strupeventilen og et transkritisk kompresjons-kjølesystem, basert på bruk av forutbestemte verdier for optimalt trykk i trykksiden av anlegget, avhengig de målte faktiske driftsforhold for systemet som det fremgår av patentkrav 1 og 3. I en foretrukket utførelse av oppfinnelsen er deteksjon av driftsforholdene utført ved å måle temperaturen i eller nær utløpet av gasskjøleren (kondensatoren), og ventilåpningen er justert etter det forutbestemte innstillingspunkt for trykket med et passende kontrollsystem.

Oppfinnelsen er beskrevet mer detaljert ved hjelp av foretrukne utførelser, og med henvisning til vedlagte tegninger, Fig. 1-3, hvor

Fig. 1 illustrerer det teoretiske forholdet mellom kjølekapasitet (Q0),

kompressor-akseleffekt (P) og deres forhold (COP) i den transkritiske kompresjonskjølekretsen, ved varierende trykk i trykksiden av anlegget, ved konstant fordampertemperatur og kuldemedium-utløpstemperatur fra gasskjøler (kondensator), Fig. 2 viser det teoretiske forholdet mellom optimalt trykk i trykksiden av anlegget, som gir maksimalt forhold mellom kjølekapasitet og akseleffekt, og utgående kuldemediumtemperatur fra gasskjøleren (kondensatoren) ved 3 forskjellige fordampertemperaturer, og Fig. 3 viser skjematisk en transkritisk kompresjonskjøleanordning som er kon-struert i samsvar med en foretrukket utførelse av oppfinnelsen.

En velkjent særegenhet ved transkritiske prosesser (som opererer med kuldemediet komprimert til et overkritisk trykk i høytrykksiden) er at effektfaktoren (COP), definert som forholdet mellom kjølekapasitet og tilført kompressor-akseleffekt, kan heves ved å øke trykket i trykksiden, forutsatt at utgående kuldemediumtemperatur fra gasskjøleren (kondensatoren) holdes mer eller mindre konstant. Dette kan vises ved hjelp av et konvensjonelt trykk/entalpi-diagram. Effektfaktoren øker imidlertid ved økende trykk i trykksiden bare opp til et visst nivå, og begynner så å avta ettersom den ekstra kjøleeffekten ikke lenger fullt ut kompenserer for det ekstra kompresjonsarbeidet.

For hvert sett med aktuelle driftsforhold definert f.eks. ved fordampningstemperatur og utgående kuldemediumtemperatur fra gasskjøleren (kondensatoren), kan et diagram som viser kjølekapasitet (Q0), kompressor-akseleffekt (P) og effektfaktor (COP) som funksjon av trykket i trykksiden fremskaffes. Fig. 1 viser et slikt diagram generert for kuldemediet C02 ved konstant fordampningstemperatur og konstant utgående kuldemediumtemperatur fra gasskjøleren (kondensatoren), basert på teoretiske prosessberegninger. Ved et visst trykk i trykksiden, svarende til p" i Fig. 1, passerer effektfaktoren sitt maksimum som antydet.

Ved å kombinere slike resultater, dvs. korresponderende data for utgående kuldemediumtemperatur fra gasskjøleren (kondensatoren), fordampningstemperatur og trykk i trykksiden som fremskaffer maksimum effektfaktor (p<1>), for varierende driftsforhold, kan et nytt sett data fremskaffes, som vist i Fig. 2. Disse data kan benyttes i strupeventilens styrestrategi. Ved å regulere trykket i trykksiden i samsvar med dette diagrammet, vil et maksimalt forhold mellom kuldekapasitet og kompressor-akseleffekt alltid opprettholdes.

Ved maksimal belastning kan det likevel være hensiktsmessig å operere systemet ved et utløpstrykk godt over nivået som svarer til maksimum effektfaktor for en kortere periode, for å begrense nødvendig kompressorvolum, og derved redusere kapitalkostnader og samlet energiforbruk. Ved svært lav belastning vil en kombinasjon av redusert trykk i trykksiden til et forutbestemt optimalt nivå, og kapasitetsregulering ved hjelp av et separat kontrollsystem, resultere i minimum energiforbruk.

Siden varierende fordampningstemperatur har merkbar effekt bare ved høy utgående kuldemediumtemperatur fra gasskjøleren (kondensatoren), kan innflytelsen fra denne neglisjeres i praksis. Således vil den målte utgående kuldemediumtemperatur fra gasskjøleren (kondensatoren), eller en eller annen tilsvarende temperatur eller parameter (f.eks. inngående kjølevannstemperatur, lufttemperatur, eller belastning), være den eneste signifikante parameter som er påkrevet som inngangsverdi for styring av strupeventilen.

Bruk av en jevntrykksventil som strupeventil kan gi visse fordeler ved at intern kompensasjon for varierende massestrøm og tetthet av kuldemediet oppnås. En strupeventil med slik regulering av innløpstrykket vil holde dette konstant ved innstillingspunktet, uansett massestrøm og inngående kuldemediumtemperatur. Jevntrykksventilens innstillingspunkt kan så reguleres ved hjelp av en aktuator som opereres i samsvar med det forhåndsbestemte kontrollskjema som er antydet ovenfor.

Eksempel 1

Fig. 3 viser en foretrukket utførelse av det transkritiske kuldemediumsystemet som en krets bestående av en kompressor 10 koplet i serie med en gasskjøler (kondensator) 11, en intern, motstrøms varmeveksler 12 og en strupeventil 13. En fordamper 14 og en lavtrykks beholder 16 er plassert mellom strupeventilen og kompressoren. En temperaturføler ved kuldemediumutløpet fra gasskjøleren (kondensatoren) 5 gir informasjon om driftsforhold i kretsen til kontrollsystemet 7, som kan være basert på en mikroprosessor. Strupeventilen 13 er forsynt med en aktuator 9 og ventilposisjonen moduleres automatisk av kontrollsystemet i samsvar med den forutbestemte innstillingskarakteristikk for trykket.

Eksempel 2

I Fig. 3 er kretsen utstyrt med en strupeventil 13 basert på en enkel, mekanisk jevntrykksventil som eliminerer bruk av mikroprosessor og elektronisk kontroll av ventilen som vist i Eks. 1. Regulatoren er utstyrt med et temperaturfølerelement 5 plassert i eller ved utløpet av kuldemedium fra gasskjøleren.

Gjennom et membranarrangement vil trykket som etableres i følerelementet mekanisk innstille jevntrykksventilens innstillingspunkt i samsvar med kuldemedium-utløpstemperaturen fra gasskjøleren. Ved å justere fjærkrefter og gassfylling i føleren 5, kan det ønskede forhold mellom temperatur og trykk oppnås i det aktuelle reguleringsområdet.

Eksempel 3

Systemet er basert på et av kontroll konseptene beskrevet i Eksempel 1 eller 2, men i stedet for å plassere temperaturføleren eller følerelementet ved kuldemedieutløpet fra gasskjøleren (kondensatoren), måler føleren eller følerelementet inngående temperatur på mediet som varme avgis til. Ved motstrøms varmeveksling vil det være en viss relasjon mellom temperaturen på utgående kuldemedium fra gasskjøleren (kondensatoren) og innløpstemperaturen hos det medium som varme avgis til, ettersom kuldemediets utløpstemperatur nøye følger det inngående mediets temperatur. Det mediet som varme avgis til er vanligvis omgivelsesluft eller kjølevann.

Selv om oppfinnelsen har blitt skissert og beskrevet ved tegninger og beskrivelse i samsvar med de foretrukne utførelser, er det åpenbart at forandringer og modifikasjoner kan bli gjort uten å avvike fra tankegang eller konsept for oppfinnelsen slik som beskrevet i vedlagte krav. Således kan signalet fra temperaturføleren eller -elementet beskrevet i Eksempel 1 og 2 erstattes med et signal som tilsvarer ønsket kjøle- eller varmekapasitet for systemet. På grunn av sammenhengen mellom omgivelsestemperatur og belastning kan dette signalet tjene som basis for regulering av strupeventilens trykk-innstillingspunkt.

Claims (7)

1. Fremgangsmåte ved regulering av trykket i høytrykksiden i et transkritisk kompresjonskjølesystem som opererer med overkritisk trykk i høytrykk-siden og som omfatter en kompressor, en gasskjøler, en intern varmeveksler, en strupeventil, en fordamper og en lavtrykks kuldemediumbeholder koblet sammen i en lukket krets, karakterisert ved at fremgangsmåten omfatter deteksjon av minst ett av de faktiske driftsforhold for kretsen og regulering av strupeventilen i høytrykksiden i samsvar med et forutbestemt sett av verdier for trykk i høytrykksiden for å oppnå minimum energiforbruk hos systemet ved gitte ytelseskrav.

2. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at deteksjon av driftsforholdene foretas ved måling av kuldemediets temperatur ved utløpet av gasskjøleren.

3. Kompresjonskjølesystem som opererer med overkritisk trykk i høytrykksiden omfattende en kompressor (10), en gasskjøler (11), en intern varmeveksler (12), en strupeventil (13), en fordamper (14) og en lavtrykks kuldemediumbeholder (16) koblet sammen i serie til en krets, for utførelse av fremgangsmåten ifølge krav 1, karakterisert ved at systemet videre omfatter anordning (5) for detektering av minst ett driftsforhold hos kretsen og reguleringsanordning (9), funksjonsmessig koblet til deteksjonsanordningen (5) og til strupeventilen 13), for modulering av det overkritiske trykket i høytrykksiden ved regulering av strupeventilens åpning som en funksjon av de detekterte driftsforhold i samsvar med et forutbestemt sett av verdier for trykket i høytrykksiden.

4. System ifølge krav 3, karakterisert ved at deteksjonsanordningen (5) omfatter anordning for måling av en parameter som representerer kuldemediumtemperaturen ved utløpet av gasskjøleren.

5. System ifølge krav 3 eller 4, karakterisert ved at strupeventilen (13) er en innløpstrykk-kontrollerende jevntrykksventil med variabelt innstillingspunkt som reguleres elektronisk av en mikroprosessor (7).

6. System ifølge krav 3, karakterisert ved at strupeventilen (13) er en innløpstrykk-kontrollerende jevntrykksventil med variabelt innstillingspunkt som omfatter en temperaturføler lokalisert ved eller nær kuldemediumutløpet fra gasskjøleren, eller i en annen posisjon med temperatur som karakteriserer kretsens driftsforhold, og et membranarrangement som regulerer innstillingspunktet hos jevntrykks-ventilen i et ønsket forhold til følertemperaturen.

7. System ifølge ett eller flere krav 3-6, karakterisert ved at som kuldemedium i kompresjonskjølesystemet anvendes karbondioksid.