Verfahren zum Betrieb einer Kompressionskühlanlage mit mindestens zweistufiger Kompression und Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens Das vorliegende Patent betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer Kompressionskühlanlage mit minde stens zweistufiger Kompression eines in der Anlage umlaufenden Kühlmittels, wobei dem als mehrstufiger Eingehäuse-Turbokompressor ausgebildeten Kom pressor in zumindest einer höheren Druckstufe von einem zugehörigen Mitteldruckgefäss aus dampfförmi- ges Kühlmittel zugeleitet wird,
welches nach der Kompression in einem Kondensator verflüssigt, da nach in einem dem Mitteldruckgefäss zugeordneten Drosselventil entspannt und wieder dem Mitteldruck gefäss zugeführt wird, während die in dem in Strö mungsrichtung des Kühlmittels letzten Mitteldruck gefäss angesammelte Kältemittelflüssigkeit in einem Verdampfer verdampft und anschliessend als Dampf von der Niederdruckseite des Kompressors angesaugt wird und anschliessend sämtliche Druckstufen bzw. Laufräder desselben durchströmt.
Es ist bekannt, dass durch die Verwendung von mehrstufigen gegenüber der Verwendung von ein stufigen Kompressoren eine Erhöhung der Kältelei stung erzielt werden kann. Bei den bekannten Kühl- anlagen mit mehrstufigen, zum Beispiel zweistufigen Kompressoren, saugt die Niederdruckseite des Kom- pressors das Arbeitsmedium aus dem Verdampfer ab und führt es in ein Mitteldruckgefäss, wobei dieses Mitteldruckgefäss als ein Zwischenkühler oder nur als Dampfabscheider dient.
Von hier aus wird der ge sättigte Dampf von der zweiten Stufe des Kompres- sors abgesaugt und nach dessen Komprimierung in den Kondensator geführt, aus welchem die Kälte flüssigkeit zu einem ersten Regulierventil strömt. Beim Strömen der Flüssigkeit durch dieses Regulier ventil sinkt der Druck des Gemisches aus Dampf und Flüssigkeit auf den Druckwert, welcher im Mittel druckgefäss herrscht. Das Gemisch wird nun in das Mitteldruckgefäss geleitet, wo sich die Flüssigkeit von gesättigtem Dampf abscheidet.
Die Flüssigkeit wird sodann zu einem zweiten Regulierventil gebracht; hier wird der Druckwert so weit herabgesetzt, dass er iden tisch mit dem gewünschten Druck im Verdampfer ist, in welchen nunmehr das Kühlmedium geleitet wird. Wie bereits angeführt, wird bei diesen Kühlanlagen ein Kompressor mit zwei Stufen verwendet.
Der Nachteil einer solchen Anlage besteht in dem erhöhten Aufwand; weiterhin ist der zweistufige Kom pressor relativ kompliziert, da die beiden Stufen gut gegeneinander abgedichtet sein müssen. Ausserdem sind bei dieser Anlage ziemlich grosse Energieverluste zu verzeichnen, die durch erhöhten Widerstand in den Übergangsrohrleitungen entstehen, da zuerst die ganze Menge des Kühlmittels aus der ersten Stufe des Kom- pressors in das Mitteldruckgefäss befördert und in die zweite Stufe neuerdings eingesaugt wird.
Der dadurch entstehende Verlust trägt zur Verschlechterung des Wirkungsgrades der Kühlanlage bei.
Die Anwendung dieses zwei- oder mehrstufigen Kühlungsprinzipes bei einem Eingehäuse-Turbokom- pressor ist mit Rücksicht auf die grosse Anzahl von Ansaug- und Austrittstutzen bzw. auf die an dem Kompressorgehäuse angeordneten Kammern sehr schwierig. Mit steigender Anzahl der Kompressor laufräder wird diese Schwierigkeit noch erhöht.
Dem erfindungsgemässen Verfahren liegt die Auf gabe zugrunde, die vorgenannten Nachteile zu besei tigen und zugleich den Wirkungsgrad der Kühlanlage durch eine möglichst wirksame und doch einfache Kompressorkühlung weiter zu verbessern.
Das erfindungsgemässe Verfahren vermeidet diese Nachteile weitgehend. Es ist dadurch gekennzeichnet, dass ein Teil der Kältemittelflüssigkeit unter Um gehung des Mitteldruckgefässes über eine Abzweig- Leitung einem Reduzierventil zugeführt wird, in wel chem sie entspannt und verdampft wird.
Das Patent betrifft auch eine Einrichtung an einer Kompressionskühlanlage zur Durchführung des Ver fahrens, welche Einrichtung dadurch gekennzeichnet ist, dass das Gehäuse des mehrstufigen Eingehäuse- Turbokompressors mindestens eine Kammer aufweist, die mit einem Mitteldruckgefäss verbunden ist und über eine Durchlassöffnung mit einem Kanal verbunden ist, durch welchen das von einer Stufe des Kompressors kommende Medium der nächst höheren Druckstufe zuströmt.
Das erfindungsgemässe Verfahren und die eben falls erfindungsgemässe Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens sollen anschliessend anhand der bei liegenden Zeichnung beispielsweise näher erläutert werden; dabei zeigen: Fig. 1 das Schema einer Kühleinrichtung mit einem zweistufigen Kompressor, Fig.2 das Schema einer Kühleinrichtung mit einem fünfstufigen Kompressor und Fig. 3 einen Längsschnitt durch einen Teil eines mehrstufigen Eingehäuse-Turbokompressors, der bei den Einrichtungen nach Fig. 1 und 2 verwendet wer den kann.
Bei der Kälteanlage nach der Fig. 1 ist mit 1 der Verdampfer des Kühlmediums bezeichnet. Als Kühl medium bzw. Arbeitsmedium kann zum Beispiel Ammoniak oder ein aliphatischer Fluorchlorkohlen wasserstoff verwendet werden. In dem Verdampfer 1 befindet sich eine Kühlleitung l a, durch welche das zu kühlende Medium fliesst. Das Arbeitsmedium wird aus dem Verdampfer 1 durch die erste Stufe des zwei stufigen eingehäusigen Turbokompressors 2 ab gesaugt, welcher durch einen Elektromotor 2a an getrieben wird. Die ganze angesaugte Menge des Kühl mittels strömt durchlaufend durch die beiden Lauf räder des Kompressors 2, wo es verdichtet und in den Kondensator 3 und anschliessend in den Nachkühler 4 befördert wird.
In dem Kondensator 3 wird die Wärme durch eine Kühlschlange 3a und in dem Nachkühler 4 durch die Kühlschlange 4a abgeführt. Das verflüssigte und abgekühlte Kühlmittel wird zum Regulierventil 5 geleitet, wo es entspannt und in ein Gemisch von Dampf und Flüssigkeit umgewandelt wird, welches einen mittleren Druck, den Mitteldruck, besitzt.
Das Kühimittelgemisch gelangt in das Mittel druckgefäss 6. Hier scheidet sich der Dampf von der Flüssigkeit ab; die Flüssigkeit wird zum zweiten Re gulierventil 7 befördert, wo sie nochmals entspannt wird, so dass erneut ein Flüssigkeits- und Dampf gemisch entsteht, das jedoch unter einem Druck steht, der niedriger als der Druck in dem Mittel druckgefäss 6 ist. Das Gemisch wird nun in den Ver dampfer 1 (Fig. 1) zurückgeführt.
Der Dampf aus dem Mitteldruckgefäss 6 wird von der zweiten Stufe des Kompressors 2 angesaugt, wobei der Druckwert dieser Stufe dem Druckwert des Mitteldruckgefässes 6 entspricht. Wie aus Fig. 1 weiterhin hervorgeht, führt eine Abzweigleitung für einen Teil des verflüssigten Kühlmittels von einer vor dem Regulierventil 5 be findlichen Stelle der Kältemittelleitung über ein wei teres Regulierventil 14 zu der vom Mitteldruck- gefäss 6 zum Kompressor 2 führenden Leitung 18.
Diese Abzweigleitung dient zur zusätzlichen Einsprit zung von Nassdampf von im Regulierventil 14 ent spannten und dabei verdampften Kühlmedium in die vom Mitteldruckgefäss 6 zum Kompressor 2 führende Leitung 18 unter Umgehung des Mitteldruckgefä- sses 6, wodurch der vom Mitteldruckgefäss 6 kom mende Dampf des Kühlmediums eine wirksame Ab- kühlung erfährt.
Die in Fig. 2 schematisch dargestellte Anlage ar beitet ähnlich wie die Anlage gemäss Fig. 1. Das den Nachkühler 4 verlassende kondensierte Arbeits medium wird in einem ersten Regulierventil 5 ent spannt und das daraus entstehende Gemisch einem ersten Mitteldruckgefäss 6 zugeführt. Die dampfför- mige Komponente des Gemisches gelangt aus dem ersten Mitteldruckgefäss 6 in die letzte Stufe des fünf stufigen eingehäusigen Turbokompressors 2.
Das das erste Mitteldruckgefäss 6 in flüssiger Form verlassende Kühl- bzw. Arbeitsmedium wird in einem zweiten Regulierventil 7 entspannt und einem zweiten Mittel druckgefäss 8 zugeführt, von welchem die gasförmige Komponente einer einen tieferen Druck als derjenige der vorgenannten Stufe aufweisenden Stufe des Kom- pressors 2 zugeführt wird. In gleicher Weise gelangt die flüssige Komponente anschliessend zu dem Re gulierventil 9, dem Mitteldruckgefäss 10, dem Regu lierventil 11, dem Mitteldruckgefäss 12, dem Regulier ventil 13 und schliesslich dem Verdampfer 1.
Alle Mitteldruckgefässe 6, 8, 10 und 12 sind je mit einer dem betreffenden Druckniveau angepassten Stufe des Kompressors 2 verbunden. Die einzelnen Mitteldruck gefässe 6, 8, 10 und 12 können entweder nur als Dampfabscheider ausgebildet sein oder bereits als Wärmeaustauscher, die beispielsweise einem Wärme austauschmedium Wärme entziehen.
Wie aus Fig. 2 hervorgeht, wird der Kühlmittel kreislauf durch je eine Zusatzeinspritzung von Nass- dampf in die zum Kompressor 2 führenden Ansaub Leitungen 18, 19, 19a und 19b für die Mitteldruck gefässe 6, 8, 10 und 12 ergänzt. So wird zum Beispiel aus dem Mitteldruckgefäss 6 die Flüssigkeit über das Regulierventil 15 der Ansaugleitung 19 zugeführt, wo die fein zerstäubte und verdampfte Flüssigkeit sich mit gesättigtem Dampf des Kühlmediums ver mischt, welcher aus dem Mitteldruckgefäss 8 ab gesaugt wird.
Gleiche Einspritzungen erfolgen auch in die weiteren Ansaugleitungen, die von den übrigen Mitteldruckgefässen 6, 10 und 12 zum Kompressor 2 führen, und zwar jeweils über eines der Regulier ventile 14, 16 und 17.
Fig. 3 zeigt einen Schnitt durch einen mehrstufi gen Eingehäuse-Turbokompressor, welcher in den in den Fig. 1 und 2 dargestellten Anlagen verwendet werden kann. Mit der Kompressorwelle 30 sind die aufeinanderfolgenden Laufräder 31 und 32 verbun den, die in den Statoranordnungen 31a, 31b bzw. 32a und 32b laufen. Am äussern Umfang des Kom- pressors sind Kammern 23 angeordnet, die mit den Mitteldruckgefässen verbunden sind.
Für den Fall, dass, wie in Fig. 1 dargestellt, nur ein Mitteldruck gefäss 6 vorhanden ist, muss nur eine Kammer 23 vor gesehen sein, die dann mit diesem Mitteldruckgefäss 6 verbunden ist. Das beispielsweise in dem Laufrad 31 radial beschleunigte und somit komprimierte dampf- förmige Kühlmedium gelangt über die in dem Lauf rad 31 befindlichen Schaufelkanäle 20 in die Stator- kanäle 21, wird in dem Kanalstück 22 umgelenkt und gelangt durch den Kanal 25 zu den in dem Laufrad 32 befindlichen Kanälen 26.
Am Ende des Umlenk- kanals 22 ist eine Durchlassöffnung 24 vorgesehen, die die Verbindung mit der Kammer 23 darstellt und das von dem Mitteldruckgefäss 6 kommende gasför mige Kühlmedium in den Kanal 25 eintreten lässt, wo es sich mit dem aus dem Kanal 22 austretenden gasförmigen Medium vermischt.
Durch die beschriebene Anlage wird insbesondere erreicht, dass bei den Stufen des Kompressors, die bei niedrigem Druck arbeiten, nur relativ kleine Mengen des Mediums komprimiert werden müssen, während die bei höherem Druck arbeitenden Stufen eine grö ssere Menge des Mediums komprimieren, was der Charakteristik von derartigen Turbokompressoren entspricht.
Method for operating a compression cooling system with at least two-stage compression and a device for carrying out the method The present patent relates to a method for operating a compression cooling system with at least two-stage compression of a coolant circulating in the system, with the compressor designed as a multi-stage single-housing turbo compressor in at least one a higher pressure stage is supplied with vaporous coolant from an associated medium pressure vessel,
which liquefies after compression in a condenser, since it is expanded in a throttle valve assigned to the medium-pressure vessel and fed back to the medium-pressure vessel, while the refrigerant liquid that has accumulated in the last medium-pressure vessel in the flow direction of the coolant evaporates in an evaporator and then evaporates as vapor from the Low pressure side of the compressor is sucked in and then flows through all pressure levels or impellers of the same.
It is known that the use of multi-stage compared to the use of single-stage compressors can increase the refrigeration performance. In the known cooling systems with multi-stage, for example two-stage compressors, the low-pressure side of the compressor sucks the working medium out of the evaporator and guides it into a medium-pressure vessel, this medium-pressure vessel serving as an intermediate cooler or only as a vapor separator.
From here, the saturated steam is sucked off by the second stage of the compressor and, after it has been compressed, fed into the condenser, from which the cold liquid flows to a first regulating valve. When the liquid flows through this regulating valve, the pressure of the mixture of vapor and liquid drops to the pressure value that prevails in the mean pressure vessel. The mixture is now fed into the medium-pressure vessel, where the liquid is separated from saturated vapor.
The liquid is then brought to a second control valve; here the pressure value is reduced so far that it is identical to the desired pressure in the evaporator into which the cooling medium is now directed. As already mentioned, a compressor with two stages is used in these cooling systems.
The disadvantage of such a system is the increased effort; Furthermore, the two-stage compressor is relatively complicated because the two stages must be well sealed against each other. In addition, quite large energy losses are recorded in this system, which are caused by increased resistance in the transition pipelines, as the entire amount of coolant is first transported from the first stage of the compressor into the medium pressure vessel and recently sucked into the second stage.
The resulting loss contributes to the deterioration in the efficiency of the cooling system.
The application of this two-stage or multi-stage cooling principle in a single-housing turbo compressor is very difficult in view of the large number of intake and outlet connections or the chambers arranged on the compressor housing. As the number of compressor impellers increases, this difficulty increases.
The inventive method is based on the task of eliminating the aforementioned disadvantages and at the same time further improving the efficiency of the cooling system through the most effective and yet simple compressor cooling possible.
The method according to the invention largely avoids these disadvantages. It is characterized in that part of the refrigerant liquid, bypassing the medium pressure vessel, is fed via a branch line to a reducing valve in which it is expanded and evaporated.
The patent also relates to a device on a compression cooling system for carrying out the process, which device is characterized in that the housing of the multi-stage single-housing turbo compressor has at least one chamber which is connected to a medium-pressure vessel and is connected to a duct via a passage opening, through which the medium coming from one stage of the compressor flows to the next higher pressure stage.
The method according to the invention and the device according to the invention for performing the method will then be explained in more detail, for example, with reference to the accompanying drawing; 1 shows the diagram of a cooling device with a two-stage compressor, FIG. 2 shows the diagram of a cooling device with a five-stage compressor, and FIG. 3 shows a longitudinal section through part of a multi-stage single-housing turbo compressor which is used in the devices according to FIGS 2 can be used.
In the refrigeration system according to FIG. 1, 1 denotes the evaporator of the cooling medium. Ammonia or an aliphatic chlorofluorocarbon, for example, can be used as the cooling medium or working medium. In the evaporator 1 there is a cooling line 1 a through which the medium to be cooled flows. The working medium is sucked from the evaporator 1 through the first stage of the two-stage single-casing turbo compressor 2, which is driven by an electric motor 2a. The entire amount of cooling means that is sucked in flows continuously through the two running wheels of the compressor 2, where it is compressed and conveyed into the condenser 3 and then into the aftercooler 4.
In the condenser 3, the heat is dissipated by a cooling coil 3a and in the aftercooler 4 by the cooling coil 4a. The liquefied and cooled coolant is passed to the regulating valve 5, where it is expanded and converted into a mixture of vapor and liquid, which has a medium pressure, the medium pressure.
The coolant mixture reaches the medium pressure vessel 6. Here the vapor separates from the liquid; the liquid is conveyed to the second regulating valve 7, where it is expanded again, so that a liquid and vapor mixture is created again, which, however, is under a pressure which is lower than the pressure in the pressure vessel 6. The mixture is now returned to the United steamer 1 (Fig. 1).
The steam from the medium-pressure vessel 6 is sucked in by the second stage of the compressor 2, the pressure value of this stage corresponding to the pressure value of the medium-pressure vessel 6. As can also be seen from FIG. 1, a branch line for part of the liquefied coolant leads from a point in the refrigerant line upstream of the regulating valve 5 via a further regulating valve 14 to the line 18 leading from the medium pressure vessel 6 to the compressor 2.
This branch line serves for the additional injection of wet steam from the cooling medium released and evaporated in the regulating valve 14 into the line 18 leading from the medium pressure vessel 6 to the compressor 2, bypassing the medium pressure vessel 6, whereby the vapor of the cooling medium coming from the medium pressure vessel 6 is effective Experiences cooling.
The system shown schematically in FIG. 2 ar processed similarly to the system according to FIG. 1. The condensed working medium leaving the aftercooler 4 is expanded in a first regulating valve 5 and the resulting mixture is fed to a first medium-pressure vessel 6. The vaporous component of the mixture passes from the first medium-pressure vessel 6 into the last stage of the five-stage, single-casing turbo compressor 2.
The cooling or working medium leaving the first medium-pressure vessel 6 in liquid form is expanded in a second regulating valve 7 and fed to a second medium-pressure vessel 8, from which the gaseous component of a stage of the compressor 2 having a lower pressure than that of the aforementioned stage is fed. In the same way, the liquid component then reaches the regulating valve 9, the medium-pressure vessel 10, the regulating valve 11, the medium-pressure vessel 12, the regulating valve 13 and finally the evaporator 1.
All medium-pressure vessels 6, 8, 10 and 12 are each connected to a stage of the compressor 2 that is adapted to the relevant pressure level. The individual medium-pressure vessels 6, 8, 10 and 12 can either only be designed as vapor separators or already as heat exchangers, which for example extract heat from a heat exchange medium.
As can be seen from FIG. 2, the coolant circuit is supplemented by an additional injection of wet steam each into the suction lines 18, 19, 19a and 19b for the medium-pressure vessels 6, 8, 10 and 12 leading to the compressor 2. For example, the liquid is fed from the medium pressure vessel 6 via the regulating valve 15 to the suction line 19, where the finely atomized and vaporized liquid mixes with saturated vapor of the cooling medium, which is sucked out of the medium pressure vessel 8.
The same injections also take place in the other intake lines that lead from the other medium-pressure vessels 6, 10 and 12 to the compressor 2, in each case via one of the regulating valves 14, 16 and 17.
Fig. 3 shows a section through a multi-stage single-housing turbo compressor, which can be used in the systems shown in FIGS. The successive impellers 31 and 32 are connected to the compressor shaft 30 and run in the stator assemblies 31a, 31b or 32a and 32b. Chambers 23, which are connected to the medium-pressure vessels, are arranged on the outer circumference of the compressor.
In the event that, as shown in FIG. 1, only one medium-pressure vessel 6 is present, only one chamber 23 has to be seen, which is then connected to this medium-pressure vessel 6. The steam-shaped cooling medium, for example radially accelerated and thus compressed in the impeller 31, reaches the stator channels 21 via the blade channels 20 in the impeller 31, is deflected in the channel piece 22 and passes through the channel 25 to the in the impeller 32 located channels 26.
At the end of the deflecting channel 22 a passage opening 24 is provided, which represents the connection with the chamber 23 and allows the gaseous cooling medium coming from the medium pressure vessel 6 to enter the channel 25, where it is mixed with the gaseous medium emerging from the channel 22 mixed.
The system described ensures that only relatively small amounts of the medium have to be compressed in the stages of the compressor that work at low pressure, while the stages that work at higher pressure compress a larger amount of the medium, which is the characteristic of corresponds to such turbo compressors.