用于执行蒸汽制冷过程的设备和方法与流程

本发明涉及用于执行蒸汽制冷过程的设备和方法。

背景技术：

利用二氧化碳作为制冷剂的蒸汽制冷过程是公知的并且基于二氧化碳在温室效应方面的有利的特性越来越多地使用。这种co2蒸汽制冷过程的通过使用做功(arbeitsleistend)膨胀提高的功率系数例如由文献ep1812759b1公知。然而在该公知的解决方案中不利的是，使用复杂的频率控制来影响高压。此外，所谓的液压增压器由quack,h.和kraus,w.e.所著的：用于铁路制冷和空气调节的作为制冷剂的二氧化碳(carbondioxideasarefrigerantforrailwayrefrigerationandairconditioning)，iir会议天然工作流体在制冷和空气调节中的新应用论文集(proceedingsoftheiir-conferencenewapplicationofnaturalworkingfluidsinrefrigerationandairconditioning)，汉诺威，德国，1994，第489-494页，所公知。

技术实现要素：

本发明的任务因此是提出用于执行蒸汽制冷过程的设备和方法，利用其可以实现简单地控制和调节蒸汽制冷过程。

该任务根据本发明通过根据权利要求1的设备和根据权利要求9的方法解决。有利的设计方案和改进方案在从属权利要求中描述。

用于执行蒸汽制冷过程的设备具有马达运行的主压缩机，其被设定成用于抽吸用作制冷剂的流体的蒸发器压力水平上的质量流，并且将该质量流压缩至高压水平。此外，设置有高压热传递器，以便对流体的高压水平上的质量流进行冷却，提高其密度并且通过冷却降低流体温度。流体的来自高压热传递器的质量流在膨胀器中以做功方式减压至蒸发器压力水平，并且输送至蒸发器。蒸发器被设定成用于吸收热量，从而流体密度在穿过蒸发器时减小，并且来自膨胀器的蒸发器压力水平上并且穿过蒸发器的质量流的温度提升。最后，设置有后置于高压热传递器的并且前置于膨胀器的过冷器。在过冷器之后和在膨胀器之前，流体的高压水平的质量流的一部分可以分叉并且可以借助高压调节阀减压至中间压力水平，从而使得流体随后在中间压力水平上在反向流中在过冷器中吸收热量并且在此使得高压水平上的质量流在过冷器中过冷。与膨胀器在机械上直接连接的高压压缩机被设定成用于仅将在过冷器之间且在膨胀器之前分叉的且在与流体的高压水平上的穿过过冷器的质量流反向的反向流中引导的中间压力水平的质量流加压至高压水平，并且在高压热传递器前与流体的来自马达运行的主压缩机的质量流混合。

通过描述的设备可以高效地调节通常在高压热传递器、高压压缩机和部分在过冷器上存在的高压。由于附加地由膨胀器直接驱动的高压压缩机仅对流体的单独的质量流，即中间压力质量流加压，所以来自高压热传递器的引导穿过膨胀器的质量流可以附加地被过冷。膨胀的有效能因此最后用于在高压时的附加的过冷，或者膨胀器的功率用于对高压压缩机中的中间压力质量流加压。

在膨胀器之后(并且进而在蒸发器之前)可以布置有收集器。该收集器被设定成用于分离流体的液相和流体的汽相。流体的液相可存储在收集器中以及可以通过布置在收集器与蒸发器之间的喷射阀减压至蒸发器压力。流体的汽相可以通过压力保持阀减压。经减压的液相可以在质量流中输送至蒸发器，而经减压的汽相可以在蒸发器后混合到流体的来自蒸发器的质量流中。

可以设置的是，膨胀器和高压压缩机布置在共同的壳体中并且形成也被称为“膨胀器压缩机单元”的单元。通过布置在唯一的壳体中能够实现节约空间的结构类型，其中，膨胀器和高压压缩机可以在机械上直接地尤其是气密地相互连接。

膨胀器和高压压缩机之间的工作体积比优选应该在0.5至0.75之间，以便确保蒸汽制冷过程的最佳的走向。特别优选地，工作体积比是0.6。原则上，针对高的再冷却温度的更低的值可以在高压热传递器的出口上有意义地应用。

替选地或附加地，膨胀器的工作腔可以通过主滑块和辅助滑块控制。主滑块和辅助滑块在此在膨胀器的通常内置的、即相互面对的工作腔之间居中布置。

主滑块和/或辅助滑块优选实施为扁平滑块，以便在仅较小的空间需求的情况下确保简单的和特别紧密的工作原理。

也可以设置的是，工作活塞可以通过两个销使辅助滑块运动。

通常，与工作活塞保持间隔的活塞杆以能松开的方式与工作活塞连接，即不固定地与其连接。这在制造技术上是简单的且因此是实用的，这是因为内置的活塞杆仅承受压力，并且因此不必固定地与一个或多个活塞连接。由此可以接受壳体部分的小的不同心度，并且制造变得容易。由主滑块、滑杆和滑阀活塞构成的主滑块单元也可以以相同的方式构建。同样也可以以相同方式构建由辅助滑块和销构成的辅助滑块单元。

可以设置的是，膨胀器多级地实施，这尤其是也应该理解为多个依次相连的膨胀器，其在多个阶段中执行膨胀，其中，提供根据de10242271b3的没有频率控制的较旧的结构类型。

在所描述的设备中可以出现四个压力水平，其通常占据随后将描述的值范围：在50bar至100bar之间的高压水平、在40bar至65bar之间的中间压力水平、在30bar至35bar之间的收集器压力水平以及在25bar和30bar之间的蒸发器压力水平。

用于执行蒸汽制冷过程的方法具有如下方法步骤，在该方法步骤中，用作制冷剂的流体的蒸发器压力水平上的质量流被马达运行的主压缩机压缩至高压水平。流体的高压水平上的该质量流在高压热传递器中冷却，其中，密度提高并且流体的温度降低。来自高压热传递器的流体在膨胀器中以做功方式减压至蒸发器压力水平，其中，膨胀器与高压压缩机在机械上直接连接。来自膨胀器的流体被引导到蒸发器中并且在那里吸收热量，从而流体密度减小并且流体的来自膨胀器的蒸发器压力水平上的质量流的温度增大。在高压热传递器之后并且在膨胀器之前，流体引导穿过过冷器，其中，在过冷器之间且在膨胀器之前，流体的来自高压水平上的质量流的一部分进行分叉，并且借助高压调节阀减压至中间压力水平。随后，流体沿相对引导穿过过冷器的高压水平上的质量流反向的反向流以中间压力水平引导穿过过冷器，其中，该流体吸收热量并且高压水平上的质量流被过冷。在穿过过冷器后，流体以分叉的中间压力质量流到达高压压缩机，其仅将沿反向流引导的中间压力水平的流体加压至高压水平，并且在高压热传递器之前与来自马达运行的主压缩机的质量流混合。

可以设置的是，在膨胀器之后将流体引导到收集器中，在收集器中，流体的液相与流体的汽相分离。液相通过喷射阀减压至蒸发器压力。流体的汽相通过压力保持阀减压，并且在蒸发器之后混合到流体的来自蒸发器的质量流中。

作为在上下文中也被称为制冷剂的流体可以使用二氧化碳co2，这是因为二氧化碳是非爆炸性的并且是不可燃烧的，然而是热稳定的。作为制冷载体，小的比容和高的热传递系数以及在流动穿过热传递器时的低的压力损失视为其优点。

所描述的方法可以利用所描述的设备执行，或者说所描述的设备被设定成用于执行所描述的方法。

附图说明

本发明的实施例在附图中示出并且随后借助图1至12阐述。其中：

图1示出蒸汽制冷过程的过程操控的示意图；

图2示出没有收集器的过程操控的相应于图1的示意图；

图3示出膨胀器压缩机单元的横截面图；

图4示出活塞杆和工作活塞的侧视图；

图5示出穿过膨胀器压缩机单元的端部的截面图；

图6示出图3所示的膨胀器压缩机单元的中间部分的截面图；

图7示出主滑块连同滑杆和活塞的相应于图4的侧视图；

图8示出辅助滑块和销的放大图；

图9示出辅助滑块和销的相应于图4的视图；

图10示出密封框架和o形环的俯视图；

图11以俯视图示出主滑块的放大图；以及

图12示出另外的密封框架和o形环的俯视图。

具体实施方式

图1以示意图示出蒸汽制冷过程的过程操控。在图1的下方的部分中示出低压回路，其中，以来自收集器s的方式通过喷射阀tv使流体(在所示的实施例中是二氧化碳)通过蒸发器v到达马达运行的主压缩机c1。被主压缩机c1加压的流体与流体的由高压压缩机c2加压的中间压力质量流在高压热传递器h之前混合，与在收集器s中相比，在高压热传递器中维持有更高的压力。流体从高压热传递器h通过过冷器u和膨胀器e又到达收集器s。

然而在所示的过程操控中，在单独的中间压力质量流到达高压热传递器h中之前，单独的中间压力质量流通过由膨胀器e直接驱动的高压压缩机c2加压。高压压缩机c2仅对中间压力质量流加压，即，并不对在中间压力质量流外部引导的流体进行压缩。在高压热传递器h之后(其也被称为气体冷却器或冷凝器)，刚好从高压热传递器h离开并且流动到位于高压热传递器h与膨胀器e之间的过冷器u中的流体在穿过过冷器u后被划分。通常在15％与30％之间的较小的部分在也被称为高压调节阀的节流阀th中节流减压(drosselentspannt)。随后，分叉的流体在过冷器u中沿反向流吸收热量并且到达高压压缩机c2。由此，流体的高压质量流附加地被过冷。膨胀的有效能因此用于在高压时的附加的过冷。最后，通过高压压缩机c2又被加压至高压的中间压力质量流在高压热传递器h之前与来自主压缩机c1的流体混合。此外，通过高压调节阀th直接在膨胀器e之前分叉，处于高压水平上的“液体部分”中的不期望的脉动变小，并且相比于高压热传递器h与过冷器u之间的公知的分叉还在一些运行点中具有能量优点。

压力差和抽吸体积流在此可以在高压压缩机c2上根据膨胀器侧的供应自由形成。如果高压调节阀或节流阀th关闭，那么高压调节阀或节流阀的压力差提升，一直到所描述的膨胀器压缩机单元停机并且不再存在膨胀器质量流。结果是高压提升。如果高压调节阀th现在缓慢打开，那么中间压力又提升，直到膨胀器e运行并且形成所期望的膨胀器质量流、高压和膨胀器入口温度。然而在此，高压仅应该如下地提升，即，直到在过冷器u的“热侧”(也就是高压压缩机侧)保留最小的温度差。这是另外的调节原理。膨胀器质量流因此被调节，而不用对膨胀器质量流进行节流，这相当于有效能损失。

收集器s中的收集器压力仅如下这么高地选择，即，确保了喷射阀tv和压力保持阀ts的足够的可调节性，压力保持阀布置在收集器s的蒸汽室之间并且在蒸发器v(收集器)之后以及在主压缩机c1之前联接的线路中。在恒定的蒸发压力的情况下，这与高压无关地使恒定地低的收集器压力成为可能。

利用在图1中在实施例中示出的设备或相应的方法，功率系数可以相对于简单的蒸汽制冷过程在-10℃的蒸发温度和20℃的环境温度下提升大约15％，在简单的蒸汽制冷过程中仅以公知的方式使用压缩机、高压气体冷却器或冷凝器、节流阀、收集器和蒸发器。在此高压保持在类似的值中。为了得到更大的提升，另外的有效能损失还可以通过带有中间冷却的两级的加压被降低，其中，剩余的过程操控或剩余的结构保持相同。

此外可能的是：膨胀器e多级地实施，即流体的膨胀可以在多个阶段中进行。为此，多个单独的膨胀器e例如可以依次布置。为此提供de10242271b3的没有频率控制的公知的设计。

图2以相应于图1的视图示出所描述的没有收集器s的过程操控。重复的特征在该图中和在随后的图中设有相同的附图标记。因此膨胀器e将流体直接引导至蒸发器v，而不用使流体事先经过收集器s。喷射阀tv和压力保持阀ts相应地也是不需要的。

图3以侧视图示出穿过由膨胀器e和高压压缩机c2构成的膨胀器压缩机单元的横截面，膨胀器和高压压缩机布置在共同的壳体10中并且因此形成膨胀器压缩机单元。两个活塞1和2通过活塞杆3保持间隔开，并且通过单元的中间部分4在空间上彼此分离。由此形成多个工作腔，然而其中，在所示的示例中在最大的工作腔的情况下仅可看到工作腔5.1和6.2。工作腔5.1以及工作腔5.2分别是两个膨胀器工作腔中的一个膨胀器工作腔，而工作腔6.1和6.2分别是两个压缩机工作腔中的一个压缩机工作腔。0.5至0.75之间的值证实为所示的单元的最佳的工作容积比

在所示的实施例中，内置的膨胀器工作腔5.1和5.2通过布置在中间部分4中的辅助滑块9或主滑块8控制。在此，工作活塞1和2直接通过销7使得辅助滑块9运动。辅助滑块9随后将压力加载更换到主滑块8上，主滑块由此运动并且通过打开和关闭来控制膨胀器e的工作腔5.1和5.2的流入开口和流出开口。主滑块8和辅助滑块9在此以有利的方式设计为扁平滑块。

在压缩机工作腔6.1和6.2中布置有简单的球阀。因为活塞杆3在所示的实施例中仅承受压力，所以活塞杆3不是固定的而是以能松开的方式与活塞1和2连接，其方式是，活塞1和2仅在端侧或面式地触碰到活塞杆3上。这在图4中以侧面图示出，其中，工作活塞1和2与活塞杆3分离。当然在另外的实施例中也可以存在固定的连接。因此所示的设计也允许在否则是难以密封的部位上使用o形环。

图5示出沿图3的线b-b穿过膨胀器压缩机单元的端部件的截面图。设计为球阀的压缩机阀利用上部接头在高压侧并且利用其下部接头与过冷器u的中间压力水平连接。

图6示出图3所示的膨胀器压缩机单元的中间部分4沿线a-a的截面图。上部接头引导来自过冷器u的高压水平的流体，而下部接头引导至收集器s。主滑块8通过滑杆11与滑阀活塞12连接，其中，该连接是能松开的。这也以侧视图在图7中示出，其中，主滑块8、滑杆11和滑阀活塞12作为单独的和彼此独立的构件示出。

辅助滑块9和为了通过工作活塞1和2来操纵辅助滑块而置入的销7在图8中沿图3的线d-d示出。图9以相应于图4的视图以分离的方式示出辅助滑块9和两个销7，通过销可以使辅助滑块9运动。

图10以俯视图示出用于辅助滑块9的带有两个o形环14和15的密封框架13，o形环在装入时布置在密封框架13的裂口中。图11以沿图3的线c-c的俯视图示出主滑块8和滑杆11和滑阀活塞12。以和图10相同的方式，图12示出用于主滑块8的带有o形环17的另外的密封框架16。所描述的设计刚好允许将o形环使用在难以密封的面上(即围绕主滑块8和辅助滑块9)，从而通过相应的支撑框架避免凹槽铣削。