DE10112763A1

DE10112763A1 - Einrichtung und Verfahren zum Betreiben einer Kompressionskälteanlage mit Wasser als Kältemittel

Info

Publication number: DE10112763A1
Application number: DE2001112763
Authority: DE
Inventors: Peter Albring; Rainer Apley; Bodo Burandt
Original assignee: Institut fuer Luft und Kaeltetechnik Gemeinnuetzige GmbH
Current assignee: Institut fuer Luft und Kaeltetechnik Gemeinnuetzige GmbH
Priority date: 2001-03-16
Filing date: 2001-03-16
Publication date: 2002-09-19

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung und ein Verfahren zum Betreiben einer Kompressionskälteanlage mit Wasser als Kältemittel, insbesondere in den Phasen des An- und Abfahrens des Turboverdichters bzw. im Teillastbetrieb. DOLLAR A Mit der Erfindung soll ein An- und Abfahren der Turboverdichter in den stabilen Kennfeldgebieten ermöglicht werden. Außerdem soll auch ein Betrieb bei kleinem Volumenstrom, d. h. bei extremer Teillast möglich sein. DOLLAR A Erfindungsgemäß sind zwischen Verdampfer 1 und Kondensator 3 über Regel- und Absperrorgane 11 und 12 betätigte Bypassleitungen 13 und 14 angebracht. Dabei sind die Bypassleitung 13 in den Vorlauf der Kaltwasserpumpe 5 und die Bypassleitung 14 in den Vorlauf der Kühlwasserpumpe 6 eingebunden und münden in die Eintrittsleitungen des Kondensators 3 bzw. des Verdampfers 1.

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung und ein Verfahren zum Betreiben einer Kompressi onskälteanlage mit Wasser als Kältemittel, insbesondere in den Phasen des An- und Abfah rens der Turboverdichter.

Am Beispiel einer zweistufigen Kälteanlage soll die Wirkungsweise einer solchen Anlage mit Wasser als Kältemittel erläutert werden.

In einem Direktverdampfer wird Kaltwasser im Vakuum auf Verdampfungsdruck entspannt. Der verdampfende Anteil des Kaltwasserstromes wird durch diesen Vorgang zu Kältemittel. Die Verdampfungswärme kühlt den übrigen Kaltwasserstrom ab. Mit einer Pumpe wird das Kaltwasser auf Netzdruck gebracht und zum Kälteverbraucher, z. B. einer Klimaanlage, ge fördert, wo Wärme aufgenommen wird. Der Kaltwasserkreislauf wird danach mit Kältemittel aus dem Kühlwasserkreislauf ergänzt, um den durch den Abtransport von Dampf aus dem Verdampfer entstandenen Masseverlust wieder auszugleichen. Das Kältemittel wird im Tur boverdichter der ersten Stufe auf Mitteldruck verdichtet. Danach ist es erforderlich, das Käl temittel durch Zwischenkühlung bis in die Nähe der Sättigungstemperatur zu kühlen. Nach der zweiten Verdichterstufe ist der Verflüssigungsdruck erreicht. Der Dampf wird im direkten Kontakt mit Kühlwasser verflüssigt. Am Ende des Verflüssigungsvorganges haben Kältemit tel und Kühlwasser den gleichen Zustand. Der aus dem Verflüssiger austretende Wasser massenstrom ist um den Kältemittelanteil größer als der eintretende. Nach der Abkühlung in einem Kühlturm, wird ein Wasserteilstrom (Kältemittel) in den Kaltwasserkreislauf zurückge fördert, um auf diese Weise den Kältekreislauf zu schließen.

Die in solchen Anlagen eingesetzten Wasserdampf-Turboverdichter sind dadurch gekenn zeichnet, daß wegen der kleinen Dichte des zu fördernden Wasserdampfes und des für die Kälteerzeugung erforderlichen großen Druckverhältnisses große Laufraddurchmesser und damit sehr große Umfangsgeschwindigkeiten, zum Teil im Überschallbereich, erforderlich sind. Damit sind die Turboverdichter die sensibelsten Baugruppen der Kälteanlagen mit Wasser als Kältemittel. Durch aufeinander abgestimmte Drehzahlregelung der Verdichter stufen wird die Leistung der Anlage geregelt. Außerdem verhindert die Regelung, daß die Verdichter im instabilen Ast der Kennlinie laufen. Wegen der Charakteristik einer jeden Strömungsmaschine steigt die Druckhöhe der Verdichterstufe mit der Reduzierung des Förderstromes an, bis die Strömung abreißt. Damit brechen die Förderung und der Druck kurz zeitig zusammen. Bei niedrigem Verdichterdruckverhältnis setzt die Förderung wieder ein. Dieser Vorgang wiederholt sich ständig, solange Anlagenkennlinie und Verdichterkennlinie keinen Schnittpunkt im stabilen Bereich finden. Dieser Vorgang ist mit großen dynamischen Belastungen für das Laufrad verbunden. Unvermeidlich ist das Arbeiten im instabilen Kennli nienfeld beim Start und Stoppvorgängen einer Anlage, wenn das Anlagendruckverhältnis durch äußere Bedingungen, z. B. große Kalt- und Kühlwassernetze, vorgegeben ist. In den Phasen des An- und Abfahrens wird das instabile Kennfeldgebiet links der Pumpgrenze ei nes Turboverdichters durchfahren. Bei trägen Kalt- und Kühlwassernetzen wird während des Abfahrvorganges das von außen vorgegebene Druckverhältnis größer sein als das vom Ver dichter bei Verringern der Geschwindigkeit erzeugte. Es kommt zum Strömungsabriß, was in Extremfällen zur Zerstörung der Verdichter führen kann.

Aufgabe der Erfindung ist es, die Kälteanlage so zu gestalten, daß ein An- und Abfahren in den stabilen Kennfeldgebieten der beteiligten Turboverdichter ermöglicht wird. Außerdem sollen die Verdichter auch bei kleinen geforderten Volumenstrom, d. h. bei extremer Teillast, betrieben werden können.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die Merkmale des Patentanspruchs gelöst, indem während der An- und Abfahrvorgänge eine Annäherung des Druckes zwischen Verdampfer und Kondensator, unabhängig von dem von außen aufgeprägten Druckverhältnisses, vorge nommen wird. Außerdem besteht die Möglichkeit, unter Nutzung der erfindungsgemäßen Einrichtungen eine Leistungsregelung der Anlage vorzunehmen, d. h. die Anlage kann im Teillastfahrweise, bei höherem Druckverhältnis, gefahren werden.

An folgendem Ausführungsbeispiel wird die Erfindung näher erläutert. Die Abbildung zeigt eine erfindungsgemäß gestaltete, einstufige Kälteanlage in schematischer Darstellung.

Mit 1 ist der Direktverdampfer bezeichnet, aus dem über den Turboverdichter 2 der Wasser dampf abgesaugt, auf Verflüssigungsdruck verdichtet und zum Kondensator 3 geleitet wird. Der Kondensator 3 ist über eine Kühlwasserpumpe 6 mit einem Kühlturm 8 verbunden. Am Verdampfer 1 befindet sich der Kaltwasserkreislauf mit einer Kaltwasserpumpe 5 und dem Verbraucher 7, z. B. dem Kaltwassernetz einer Klimaanlage. Die Kältemittelrückführung aus dem Kondensator 3 in den Verdampfer 1 erfolgt über das Ventil 4. Nach der Erfindung ver bindet eine Bypassleitung 13 den Vorlauf der Kaltwasserpumpe 5 mit der Eintrittsleitung in den Kondensator 3. Eine weitere Bypassleitung 14 ist in den Vorlauf der Kühlwasserpumpe 6 eingebunden und mündet in der Eintrittsleitung des Direktverdampfers 1. Damit wird bei geöffneten Absperr- und Regelorganen 11 und 12 und geschlossenen Absperr- und Regelor ganen 9 und 10 eine Druckdifferenzreduzierung zwischen Direktverdampfer 2 und Konden sator 3 erreicht. Als Absperr- und Regelorgane 11 und 12 können Ventile oder Schieber ein gesetzt werden. Der Turboverdichter 2 kann danach stabil abgebremst werden. Durch das Öffnen der Absperr- und Regelorgane 11 und 12 und das Schließen der Ventile 9 und 10 wird Wasser aus dem Kondensator 3 in den Direktverdampfer 1 und aus dem Direktver dampfer 1 in den Kondensator 3 gepumpt.

Beim Anfahren des Turboverdichters 2 sind die Absperr- und Regelorgane 11 und 12 ge schlossen. Mit der Einschaltung des Turboverdichters 2 werden die Kaltwasserpumpe 5 und die Kühlwasserpumpe 6 gleichzeitig einschaltet. Die Ventile 9 und 10 müssen folglich geöff net sein.

Zur Leistungsregelung wird über die Regel- und Absperrorgane 11 und 12 ein Teilstrom ein gestellt der über die Bypassleitungen 13 und 14 geführt wird. Das kann auch durch hier nicht dargestellte Meß- und Steuereinrichtungen erfolgen, um ein Arbeiten im stabilen Kennfeld gebiet auch bei niedrigen Lastanforderungen zu gewährleisten.

Claims

1. Einrichtung zum Betreiben einer Kompressionskälteanlage mit Wasser als Kältemittel, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Verdampfer (1) und Kondensator (3) über Regel- und Absperrorgane (11, 12) betätigte Bypassleitungen (13, 14) angebracht sind.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Bypassleitung (13) in den Vorlauf der Kaltwasserpumpe (5) und die Bypassleitung (14) in den Vorlauf der Kühlwasserpumpe (6) eingebunden sind und in die Eintrittsleitungen des Kondensators (3) bzw. des Verdampfers (1) münden.

3. Verfahren zum Betreiben der Einrichtung nach Anspruch 1 bis 2, dadurch gekennzeich net, daß

a) im Nennlastbetrieb der Anlage die Regel- und Absperrorgane (11, 12) der Bypass leitungen (13, 14) geschlossen sind
b) beim Anfahren der Verdichter (2) die Kaltwasserpumpe (5) und die Kühlwasserpum pe (6) zugeschaltet werden und die Regel- und Absperrorgane (11, 12) geschlossen sind
c) vor dem Abfahren der Verdichter (2) die Regel- und Absperrorgane (11, 12) geöffnet und die Ventile (9, 10) geschlossen und danach die Verdichter (2) abgeschaltet wer den
d) zur Leistungsregelung über die Regel- und Absperrorgane (11, 12) ein Teilstrom ein gestellt wird, der über die Bypassleitungen (13, 14) geführt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß über eine Meß- und Steuer einrichtung die Regel- und Absperrorgane (11, 12) angesteuert werden, um auch bei Teillastbetrieb ein Arbeiten im stabilen Kennfeldbereich zu gewährleisten.