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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.
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Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben eines Kältekreislaufes.
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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.
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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
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Sofern innerhalb des Kältekreislaufes ein lediglich einkomponentiges Kältemittel zirkuliert, wird im Regelfall der Abscheider D1 nicht vorgesehen.
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Das im Wärmetauscher E gegen den abzukühlenden Prozessstrom verdampfte und ggf. überhitzte Kältemittel wird anschließend über Leitung 5 wiederum dem Verdichter C zugeführt.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.