-
Die
Erfindung betrifft einen Kältekreislauf, aufweisend
einen wenigstens eine Gasdichtung aufweisenden Verdichter, wobei
die Gasdichtung(en) mit dem in dem Kältekreislauf zirkulierenden
Medium beaufschlagt wird bzw. werden.
-
Ferner
betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben eines Kältekreislaufes.
-
Unter
dem Begriff "Kältekreislauf" sei nachfolgend
jede Art von Kältekreislauf
zu verstehen, in dem ein ein- oder mehrkomponentiges Medium bzw. Kältemittel,
das mittels eines oder mehrerer, ein- oder mehrstufiger Verdichter
komprimiert wird, zirkuliert. Bestimmte Verdichtertypen, wie beispielsweise
Einwellen- oder Getriebeturboverdichter, weisen sog. Gasdichtungen
auf. Diese Gasdichtungen müssen
in Abhängigkeit
von der gewählten
Bauart mit einem oder mehreren Gasen beaufschlagt werden. Hierzu kann
entweder von der Druckseite des Verdichters ein Teilstrom des zu
verdichtenden Mediums herangezogen werden oder es wird eine Bereitstellung
eines "Fremdgases", wie beispielsweise
Stickstoff, aus einer zusätzlichen
Gasquelle realisiert.
-
Aufgrund
der Bauart und Eigenschaften der üblicherweise verwendeten Verdichter-Gasdichtungen werden
an die für
die Beaufschlagung verwendeten Gase besondere Anforderungen gestellt;
diese sind:
- – keine Verunreinigungen
- – keine
Kondensation
- – positive
Druckdifferenz gegenüber
dem zu verdichtenden Medium, da Druckabfall über die inneren Labyrinthe
- – hohe
Verfügbarkeit,
insbesondere auch bei Stillstand des zu beaufschlagenden Verdichters
-
Insbesondere
bei geschlossenen Kältekreisläufen ist
eine Verunreinigung des Kältemittels
durch das für
die Beaufschlagung der Verdichter-Gasdichtungen verwendete Gas zu
vermeiden. Dies kann am einfachsten dadurch realisiert werden, dass
für die Beaufschlagung
dem Verdichter druckseitig entnommenes Prozessgas herangezogen wird.
Allerdings steht dieses Gas lediglich während des Verdichterbetriebes
mit der notwendigen Druckdifferenz zur Verfügung, nicht jedoch bei Verdichterstillstand
und während
der Verdichter-Anfahrprozedur. Daher ist es bisher erforderlich,
für die
Anfahrprozedur sowie die Stillstandszeiten wenigstens eine Ersatzquelle
für das
für die
Beaufschlagung der Verdichter-Gasdichtungen erforderliche Gas bereitzustellen.
Selbstverständlich
müssen
auch für
aus derartigen Ersatzquellen stammende Gase die oben aufgeführten Kriterien erfüllt sein.
-
Des
Weiteren kann es erforderlich sein, Erhitzer und/oder wenigstens
einen zusätzlichen
Verdichter für
das extern bereitzustellende Gas vorzusehen. Nichtsdestotrotz bleibt
auch bei dieser Verfahrensführung
das Problem der Verunreinigung des in dem Kältekreislauf zirkulierenden
Mediums durch das mittels der Ersatzquelle bereitgestellten Gases ungelöst, es sei
denn, der ggf. zusätzlich
erforderliche Verdichter würde
ebenfalls das gleiche Medium, wie es im Kältekreislauf zirkuliert, verdichten.
-
Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, einen gattungsgemäßen Kältekreislauf
sowie ein gattungsgemäßes Verfahren
zum Betreiben eines Kältekreislaufes
anzugeben, der bzw. das die vorgenannten Probleme vermeidet. Insbesondere
soll eine sichere Beaufschlagung der Gasdichtungen des Verdichters
des Kältekreislaufes
auch während
dessen Anfahrprozedur sowie während
der Stillstandszeiten gewährleistet
werden.
-
Der
erfindungsgemäße Kältekreislauf
zeichnet sich dadurch aus, dass dem Kältekreislauf wenigstens ein
absperrbarer Speicherbehälter
für das
in dem Kältekreislauf
zirkulierende Medium zugeordnet ist, der Speicherbehälter mit
der oder den Gasdichtungen derart in Wirkverbindung steht, dass
eine Beaufschlagung der Gasdichtung(en) mit dem in dem Speicherbehälter befindlichen
Medium realisierbar ist und der Speicherbehälter Mittel zum Zuführen von Wärme und/oder
mechanischer Energie aufweist.
-
Hierbei
dienen die Mittel zum Zuführen
von Wärme
und/oder mechanischer Energie dazu, die Temperatur und/oder den
Druck des in dem Speicherbehälter
befindlichen Mediums derart einzustellen, dass die Temperatur und/oder
der Druck der Temperatur bzw. dem Druck des Mediums im übrigen Kältekreislaufsystem
derart vorauseilt, dass die geforderte Druckdifferenz und die Anforderungen
an das Kondensationsverhalten erfüllt werden können.
-
Das
erfindungsgemäße Verfahren
zum Betreiben eines Kältekreislaufes
ist dadurch gekennzeichnet, dass eine Beaufschlagung der Gasdichtung(en)
mit dem in dem Speicherbehälter
befindlichen Medium lediglich während
eines Stillstandes des Kältekreislaufes
oder eines Anfahrens des Kältekreislaufes
erfolgt.
-
Weitere
vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Kältekreislaufes sowie des erfindungsgemäßen Verfahrens
zum Betreiben eines Kältekreislaufes,
die Gegenstände
der abhängigen
Patentansprüche
darstellen, sind dadurch gekennzeichnet, dass
- – die Wirkverbindung
absperrbar ausgebildet ist,
- – der
Speicherbehälter
am kältesten
Punkt des Kältekreislaufes
vorgesehen ist,
- – die
Mittel zum Zuführen
von Wärme
als zusätzliche
Wärmetauscherfläche und/oder
elektrische Heizung ausgebildet sind und
- – die
Mittel zum Zuführen
von mechanischer Energie als wenigstens eine Pumpe ausgebildet sind.
-
Der
erfindungsgemäße Kältekreislauf,
das erfindungsgemäße Verfahren
zum Betreiben eines Kältekreislaufes
sowie weitere Ausgestaltungen desselben seien nachfolgend anhand
des in der Figur dargestellten Ausführungsbeispieles näher erläutert.
-
In
der Figur dargestellt ist ein abzukühlendes und ggf. zu verflüssigendes
Medium, das über
eine Leitung A einem Wärmetauscher
E zugeführt
wird. In diesem wird das Medium gegen das Medium bzw. Kältemittel
eines Kältekreislaufes
abgekühlt
und ggf. verflüssigt.
Anschließend
wird das abgekühlte
und ggf. verflüssigte
Medium über
Leitung B seiner weiteren Verwendung zugeführt.
-
Bei
dem abzukühlenden
Medium kann es sich im Prinzip um jeden beliebigen ein- oder mehrkomponentigen
Prozessstrom handeln, wie er beispielsweise in Verflüssigungsanlagen,
chemischen Prozessen, etc. vorliegt.
-
Das
in dem Kältekreislauf
zirkulierende Medium bzw. Kältemittel
wird mittels eines ein- oder mehrstufigen
Verdichters C auf den gewünschten Maximaldruck
des Kältekreislaufes
verdichtet. Der Einfachheit halber ist in der Figur lediglich ein
Verdichter C dargestellt; es ist jedoch selbstverständlich, dass
auch mehrere, parallel und/oder seriell geschaltete Verdichter Anwendung
finden können.
-
Das
verdichtete Kältemittel
wird über
Leitung 1 dem Wärmetauscher
E zugeführt
und in diesem gegen sich selbst ab- und ggf. unterkühlt. Anschließend wird
das Kältemittel über Leitung 2,
in der eine Entspannungsvorrichtung, vorzugsweise ein Entspannungsventil
a, vorgesehen ist, einem Abscheider D1 zugeführt. Ein derartiger Abscheider
D1 ist im Regelfall nur dann vorgesehen, wenn es sich um ein wenigstens
zweikomponentiges Kältemittelgemisch handelt.
In diesem Fall wird am Kopf des Abscheiders D1 über Leitung 3 die
leichter siedende Komponente des Kältemittelgemisches in gasförmiger Form abgezogen
und dem Wärmetauscher
E zugeführt, während aus
dem Sumpf des Abscheiders D1 über Leitung 4 die
schwerer siedende Komponente des Kältemittelgemisches abgezogen
und im Bereich des Eintritts des Wärmetauschers E der vorbeschriebenen
gasförmigen
Fraktion in der Leitung 3 zugemischt wird. Mittels dieser
Verfahrensweise kann eine bessere Verteilung und damit ein besserer
Wärmeübergang
im Wärmetauscher
E realisiert werden.
-
Sofern
innerhalb des Kältekreislaufes
ein lediglich einkomponentiges Kältemittel
zirkuliert, wird im Regelfall der Abscheider D1 nicht vorgesehen.
-
Das
im Wärmetauscher
E gegen den abzukühlenden
Prozessstrom verdampfte und ggf. überhitzte Kältemittel wird anschließend über Leitung 5 wiederum
dem Verdichter C zugeführt.
-
Es
ist für
den Fachmann selbstverständlich, dass
neben der in der Figur beschriebenen Ausführungsform eines Kältekreislaufes
eine Vielzahl weiterer Varianten von Kältekreisläufen denkbar ist. In allen
ist jedoch gemein, dass ein Kältemittel
oder Kältemittelgemisch
verdichtet, entspannt und in einen Wärmetausch mit dem abzukühlenden
Medium bzw. Prozessstrom gebracht wird.
-
Erfindungsgemäß ist dem
Kältekreislauf nunmehr
wenigstens ein Speicherbehälter
D2 zugeordnet, der über
Leitung 6 mit dem kondensierten Kältemittel des Kältekreislaufes
befüllt
werden kann. Dieser Speicherbehälter
D2 ist absperrbar ausgebildet, weswegen die Absperrvorrichtung b
vorgesehen ist.
-
Der
Speicherbehälter
D2 steht mit der oder den Gasdichtungen des Verdichters C derart
in Wirkverbindung – dargestellt
durch die gestrichelt gezeichnete Leitung 7 –, dass
eine Beaufschlagung der Gasdichtungen mit dem in dem Speicherbehälter D2 befindlichen
Medium realisierbar ist. Darüber
hinaus ist es erforderlich, dass der Speicherbehälter D2 Mittel zum Zuführen von
Wärme und/oder
mechanischer Energie aufweist, damit zumindest ein Teil der in ihm gespeicherten
Flüssigkeit
verdampft und für
die Beaufschlagung der Verdichter-Gasdichtungen herangezogen werden
kann.
-
Die
vorerwähnten
Mittel zum Zuführen
von Wärme
in den Speicherbehälter
D2 sind beispielsweise dergestalt ausgebildet, dass der Speicherbehälter D2
die für
die Wärmeübertragung
wirksamen Flächen
in einer Größenordnung
aufweist, dass ein ausreichender Wärmeeinfall gewährleistet
werden kann. Darüber
hinaus können
zusätzlich
oder alternativ elektrische Heizungenvorgesehen werden. Alternativ
oder ergänzend
kann durch die Art der Isolierung des Speicherbehälters D2
ein gegenüber
dem übrigen
Kältekreislaufsystem
erhöhter
Wärmeeinfall in
den Speicherbehälter
D2 realisiert werden. Des Weiteren kann – alternativ oder ergänzend – flüssiges Medium
mittels einer in der Figur nicht dargestellten Pumpe vom Abscheider
D1 zu dem Speicherbehälter
D2 gefördert
und auf einen höheren
Druck gebracht werden.
-
Während des
normalen Betriebes des Kältekreislaufes
wird die Absperrvorrichtung c geschlossen sein und der Speicherbehälter D2
bei geöffnetem Ventil
b über
die Leitung 6 befüllt.
Nach erfolgter Befüllung
des Speicherbehälters
D2 kann das Ventil b geschlossen werden. Im Falle eines Stillstandes
des Kältekreislaufes
bzw. Verdichters C muss nunmehr Ventil c geöffnet werden, so dass über die
Leitung 7 eine Beaufschlagung der Gasdichtungen des Verdichters
C aus dem Speicherbehälter
D2 möglich
ist. Das Volumen des Speicherbehälters
D2 ist daher so zu wählen,
dass auch im Falle längerer
Stillstandszeiten eine durchgehende Beaufschlagung der Verdichter-Gasdichtungen gewährleistet
werden kann.
-
Neben
der bereits beschriebenen Einbindung des Speicherbehälters D2
in den Kältekreislauf kann
dieser auch eine in den Kältekreislauf
zurückführende Leitung 6', in der ebenfalls
ein Absperrventil b' angeordnet
ist, aufweisen. In diesem Fall kann bei geöffneten Ventilen b und b' während des
Betriebes des Kältekreislaufes
ein permanentes Durchströmen des
Speicherbehälters
D2 realisiert werden.
-
Dieses
permanente Durchströmen
des Speicherbehälters
D2 hat den Vorteil, dass eine Entmischung des im Speicherbehälter D2
befindlichen bzw. bereit gestellten Mediums während des regulären Betriebes
des Kältekreislaufes
verhindert wird bzw. die Entmischung, die während der Stillstandszeiten
und Anfahrszenarien unter Nutzung des Speicherbehälters D2
als Dichtungsgasquelle eintritt, zurückgeführt werden kann.
-
Darüber hinaus
kann der Speicherbehälter D2
während
des Betriebes des Kältekreislaufes
als Kapazitätserweiterung
eines im Kreislauf eingesetzten Abscheiders – in der Figur ist dies der
Abscheider D1 – genutzt
werden.
-
Mittels
des erfindungsgemäßen Kältekreislaufes
sowie des erfindungsgemäßen Verfahrens zum
Betreiben eines Kältekreislaufes
kann nunmehr auch während
der Anfahrprozedur und der Stillstandszeiten des Kältekreislaufes
eine sichere Beaufschlagung der Gasdichtungen des Verdichters C realisiert
werden. Auf die Bereitstellung eines für die Beaufschlag erforderlichen
Gases aus einer externen Quelle kann somit verzichtet werden.
-
Mittels
der Zuführung
von Wärme
in den Speicherbehälter
D2, der damit verbundenen Temperaturerhöhung des in ihm gespeicherten
Mediums und der damit verbundenen Erhöhung von dessen Siededruck
kann jederzeit eine positive Druckdifferenz gegenüber dem
von dem Verdichter zu verdichtenden Medium bzw. Kältemittel
gewährleistet
werden. Die vorbeschriebene Wärmezufuhr
verhindert darüber
hinaus die unerwünschte
Kondensation des für
die Beaufschlagung der Verdichter-Gasdichtungen verwendeten Gases.
-
Sind,
wie in der Figur dargestellt, zwei Speicherbehälter D1 und D2 vorgesehen,
so kann – falls
dies bei einer unerwartet längeren
Stillstandszeit erforderlich sein sollte – über die Verbindungsleitung 4/6 ein
Fördern
von Flüssigkeit
aus dem Speicherbehälter
D1 in den Speicherbehälter
D2 erfolgen. Dazu ist – sofern
der Speicherbehälter
D2 nicht unterhalb des Speicherbehälters D1 angeordnet ist – in der
Verbindungsleitung 4/6 eine Pumpe vorzusehen.