RZECZPOSPOLITA POLSKA (12) TŁUMACZENIE PATENTU EUROPEJSKIEGO (19) PL (11) PL/EP 3426 Urząd Patentowy Rzeczypospolitej Polskiej (96) Data i numer zgłoszenia patentu europejskiego: 08.09.08 08163873.6 (97) O udzieleniu patentu europejskiego ogłoszono: 06.04.11 Europejski Biuletyn Patentowy 11/14 EP 3426 B1 (13) (1) T3 Int.Cl. F2B 1/ (06.01) F2B 31/00 (06.01) F2B 49/02 (06.01) (4) Tytuł wynalazku: Sposób i urządzenie do wyrównywania oleju między sprężarkami () Pierwszeństwo: 07.09.07 FR 077432 (43) Zgłoszenie ogłoszono: 11.03.09 w Europejskim Biuletynie Patentowym nr 09/11 (4) O złożeniu tłumaczenia patentu ogłoszono:.09.11 Wiadomości Urzędu Patentowego 11/09 (73) Uprawniony z patentu: Electricité de France, Paris, FR (72) Twórca(y) wynalazku: PL/EP 3426 T3 JEAN-BENOÎT RITZ, Moret sur Loing, FR MICHEL COEVOET, Thomery, FR BERNARD HORBER, Champagne sur Seine, FR SAMI BARBOUCHI, Paris, FR (74) Pełnomocnik: rzecz. pat. Teresa Kuczyńska POLSERVICE KANCELARIA RZECZNIKÓW PATENTOWYCH SP. Z O.O. ul. Bluszczańska 73 00-712 Warszawa Uwaga: W ciągu dziewięciu miesięcy od publikacji informacji o udzieleniu patentu europejskiego, każda osoba może wnieść do Europejskiego Urzędu Patentowego sprzeciw dotyczący udzielonego patentu europejskiego. Sprzeciw wnosi się w formie uzasadnionego na piśmie oświadczenia. Uważa się go za wniesiony dopiero z chwilą wniesienia opłaty za sprzeciw (Art. 99 (1) Konwencji o udzielaniu patentów europejskich).
1 2 3P28222PL00 EP 2 034 26 B1 Opis [0001] Wynalazek dotyczy dziedziny obiegów termodynamicznych. Dokładniej, wynalazek dotyczy sposobu wyrównywania oleju między sprężarkami. [0002] W obiegach termodynamicznych, stosowanych do przenoszenia energii cieplnej z punktu gorącego do punktu zimnego za pomocą czynników grzejnych, stosuje się najczęściej co najmniej jedną sprężarkę dla fazy sprężania czynników grzejnych. Sprężarka zawiera ruchome elementy mechaniczne, które wymagają stosowania oleju do smarowania, aby uniknąć uszkodzenia przez tarcie między poruszającymi się elementami mechanicznymi. Zwykle, olej w sprężarce nie jest oddzielony od czynnika grzejnego; określa się więc, w niniejszym dokumencie, jako miskę olejową część sprężarki, w której zatrzymywany jest olej. [0003] Podczas działania sprężarki, część tego oleju wydostaje się ze sprężarki i jest unoszona przez czynnik grzejny. Kiedy obieg termodynamiczny zawiera tylko jedną sprężarkę, olej, który wydostał się ze sprężarki podczas tłoczenia czynnika grzejnego, jest unoszony z czynnikiem grzejnym, wykonuje kompletny cykl, dopływa do wlotu sprężarki i powraca do niej. W ten sposób, jeśli obieg termodynamiczny jest przewidziany prawidłowo dla ułatwienia przenoszenia oleju w czynniku grzejnym, łatwo jest w praktyce doprowadzić do równowagi pomiędzy natężeniem przepływu oleju usuwanego przez tłoczenie ze sprężarki i natężeniem przepływu oleju powracającego z obiegu termodynamicznego.
2 2 [0004] Jednakże, kiedy kilka sprężarek zamontowanych jest szeregowo, zdarza się, że jedna ze sprężarek opróżnia się z oleju, i że ten olej gromadzi się w misce olejowej innej sprężarki, co może doprowadzić do uszkodzenia sprężarki, w której poziom oleju spadł poniżej krytycznego progu działania. [000] Istnieje kilka sposobów umożliwiających wyrównywanie poziomów oleju. W obiegach termodynamicznych stosujących sprężarki zamontowane szeregowo, istniejące systemy wyrównywania oleju oparte są na połączeniach rurowych łączących miski olejowe sprężarek, wyposażonych w zawory z otwieraniem sterowanym lub regulowanym, aby nie stwarzać bezpośredniego połączenia misek olejowych sprężarek, które działają przy różnych ciśnieniach. [0006] Na przykład, patent US 3,00,962 opisuje system zawierający centralny zbiornik, magazynujący rezerwę oleju, który zasila za pomocą pompy miski olejowe różnych sprężarek. Ale ten system zawiera znaczną liczbę zaworów regulacyjnych, jak również występują w nim czujniki poziomu w sprężarkach, co powoduje, że to wykonanie jest zbyt kosztowne dla obiegów termodynamicznych stosowanych do pomp ciepła, odwracalnych lub nie, przeznaczonych, na przykład, do sektora mieszkaniowego lub sektora usług. [0007] W związku z tym, przedstawiono inne, prostsze systemy dla sprężarek połączonych szeregowo. Taki system opisany jest w dokumencie WO 06/041682 A1, gdzie przewiduje się sprężarkę niskiego ciśnienia BP i sprężarkę wysokiego ciśnienia HP, przy czym każda ze sprężarek zawiera miskę olejową, obie miski olejowe połączone są rurą wyposażoną w zawór zwrotny normalnie
3 2 zamknięty. Podczas użytkowania, sprężarka BP wypełnia się stopniowo olejem, podczas gdy sprężarka HP opróżnia się z oleju, z mniejszymi lub większymi prędkościami. W tym przypadku, dokument ten przewiduje zatrzymanie najpierw sprężarki BP, co prowadzi do tego, że ciśnienie panujące w misce olejowej BP staje się nieco większe od ciśnienia w misce olejowej sprężarki HP, przy czym różnica ciśnień związana jest ze stratą ciśnienia obiegu, w którym przepływa czynnik grzejny w tym przypadku działania. Ta różnica ciśnień wypycha nadmiar oleju z miski olejowej sprężarki BP do miski olejowej sprężarki HP od momentu otwarcia zaworu zwrotnego. Jednakże, ta strata ciśnienia pozostaje stosunkowo mała, za mała, aby móc szybko wyrównać poziomy oleju; a w pewnych warunkach działania, zwłaszcza kiedy stosunek ciśnienia skraplania/ciśnienia parowania jest wysoki, nie należy zbyt długo pozostawiać sprężarki HP działającej samej z nominalną prędkością obrotową. [0008] Dokument JP 043666 ujawnia sposób i urządzenie według części przedznamiennej zastrzeżeń 1 i 4. [0009] Celem wynalazku jest zaproponowanie urządzenia i sposobu umożliwiającego udoskonalenie wyrównywania oleju między różnymi sprężarkami. [00] W tym celu, przewiduje się sposób dynamicznego wyrównywania oleju w urządzeniu termodynamicznym według zastrzeżenia 1. Tak więc, podczas sposobu wyrównywania oleju, sprężarka wysokiego ciśnienia nie działa nigdy sama przy 0% swojej prędkości obrotowej. [0011] Korzystnie, ale nieobowiązkowo, urządzenie ma co najmniej jedną z następujących cech:
4 [0012] Sprężarki rozpoczynają etap spowalniania prędkości obrotowej w przybliżeniu w tym samym czasie, ale podczas fazy spowalniania, sprężarka wysokiego ciśnienia zachowuje prędkość obrotową wyższą niż sprężarka niskiego ciśnienia. - Sprężarki rozpoczynają etap przyspieszania prędkości obrotowej w przybliżeniu w tym samym czasie, ale podczas fazy przyspieszania, sprężarka wysokiego ciśnienia zachowuje prędkość obrotową wyższą niż sprężarka niskiego ciśnienia. - Wynalazek dotyczy również urządzenia termodynamicznego według zastrzeżenia 4. 2 [0013] Korzystnie, ale nieobowiązkowo, urządzenie według wynalazku ma co najmniej jedną z następujących cech: - Urządzenie zawiera wariator prędkości przeznaczony do zapewnienia działania sprężarek ze zmiennymi prędkościami obrotowymi. - Urządzenie zawiera drugi zawór przeznaczony do uniemożliwienia przepływu czynnika grzejnego do sprężarki wysokiego ciśnienia. - Drugi zawór usytuowany jest na połączeniu szeregowym. [0014] Inne cechy charakterystyczne, cele i zalety niniejszego wynalazku będą widoczne wyraźniej na podstawie lektury poniższego szczegółowego opisu w odniesieniu do załączonych rysunków, podanych tytułem nieograniczających przykładów, na których: - Figura 1 przedstawia schemat urządzenia termodynamicznego znanego ze stanu techniki
przeznaczonego do zastosowania sposobu według wynalazku, - Figura 2 jest wykresem przedstawiającym profile prędkości obrotowej sprężarek, - Figura 3 jest wykresem przedstawiającym inne profile prędkości obrotowej sprężarek, - Figura 4 przedstawia schemat urządzenia według wynalazku. [00] W dalszym ciągu tego dokumentu, przez czynność otwarcia zaworu rozumie się spowodowanie, aby ten zawór stał się przepływowy w tym sensie, że nie uniemożliwia on przepływu cieczy. Przeciwnie, przez czynność zamknięcia zaworu rozumie się spowodowanie, aby stał się on nieprzepływowy w tym sensie, że uniemożliwia on przepływ cieczy. [0016] Określa się również cztery możliwe stany sprężarki: - Stan działania, oznaczający, że sprężarka znajduje się w stanie statycznym działania. 2 - Stan zatrzymania, oznaczający, że sprężarka znajduje się w stanie statycznym, w którym jest całkowicie zatrzymana. - Stan rozruchu, oznaczający, że sprężarka znajduje się w stanie dynamicznym przejściowym od stanu zatrzymania do stanu działania. - Stan faza zatrzymywania, oznaczający, że sprężarka znajduje się w stanie dynamicznym przejściowym od stanu działania do stanu zatrzymywania.
6 2 [0017] Z odniesieniem do figury 1, urządzenie termodynamiczne znane ze stanu techniki, zawiera sprężarkę 1 zwaną niskiego ciśnienia (którą będziemy nazywać w dalszym ciągu opisu BP ), zawierającą dopływ 11 i odpływ 12, odpowiednio do napełniania i do tłoczenia czynnika grzejnego, i sprężarkę 2 zwaną wysokiego ciśnienia (którą będziemy nazywać w dalszym ciągu opisu HP ), zawierającą dopływ 21 i odpływ 22, odpowiednio do napełniania i do tłoczenia czynnika grzejnego. Obie sprężarki zamontowane są szeregowo za pomocą połączenia szeregowego B (to znaczy, że dopływ do sprężarki HP połączony jest z odpływem ze sprężarki BP poprzez połączenie szeregowe B). Zwykle, na przykład w pompie ciepła, czynnik grzejny, który pochodzi z parownika (nie przedstawionego), jest zasysany przez sprężarkę BP, przechodzi przez pierwszy etap sprężania, następnie jest zasysany przez sprężarkę HP poprzez połączenie szeregowe B aby przejść przez drugi stopień sprężania, aby wreszcie być przetłoczonym do skraplacza (nie przedstawionego). Każda ze sprężarek zawiera miskę olejową, odpowiednio i 6, do zatrzymywania oleju. Urządzenie zawiera rurę 3 łączącą miski olejowe i 6 sprężarek 1 i 2, przy czym rura 3 zawiera zawór sterowany 4. Urządzenie zawiera również połączenie obejściowe A dla sprężarki BP. Połączenie obejściowe jest połączeniem, które łączy dopływ do sprężarki z odpływem ze sprężarki, zwierając w ten sposób sprężarkę na obiegu termodynamicznym. Połączenie obejściowe A zawiera również zawór zwrotny, który uniemożliwia podczas działania sprężarki BP powrót cieczy na odpływie ze sprężarki, poprzez połączenie obejściowe A, do dopływu do sprężarki BP. W ten sposób, jeśli
7 2 ciśnienie na poziomie wlotu 0 zaworu jest większe od ciśnienia na wylocie 2 zaworu, wówczas zawór staje się przepływowy. W przeciwnym razie, zawór jest nieprzepływowy. Zadaniem tego połączenia obejściowego jest umożliwienie sprężarce HP 2 osobnego działania. Rzeczywiście, jeśli sprężarka BP jest wyłączona, sprężarka HP, która ciągle działa, zasysa czynnik grzejny na swoim dopływie 21 wytwarzając w ten sposób podciśnienie w połączeniu szeregowym B i na połączeniu obejściowym A, to podciśnienie powoduje otwarcie zaworu zwrotnego i w konsekwencji przepływ czynnika grzejnego poprzez połączenie A, umożliwiając w ten sposób sprężarce HP oddzielne działanie. Zwykle, sprężarka HP zawiera również połączenie obejściowe i zawór zwrotny (nie przedstawione). [0018] Kiedy sprężarki działają równocześnie (działanie nazywane trybem dwustopniowym), sprężarka BP może napełniać się stopniowo olejem, podczas gdy sprężarka HP opróżnia się z oleju, zgodnie ze zjawiskiem opisanym uprzednio. [0019] Sposób wyrównywania oleju między sprężarkami 1 i 2 znany ze stanu techniki zawiera zatem następujące etapy: - zatrzymanie sprężarki BP, - otwarcie zaworu 4, - po przeprowadzeniu wyrównania oleju, zatrzymanie sprężarki HP. [00] Ponieważ sprężarka BP jest zatrzymana, sprężarka HP działa sama dzięki połączeniu obejściowemu A opisanemu uprzednio. Otóż, ponieważ straty ciśnienia obiegu wykorzystywanego przez ciecz (to znaczy A, B,
8 2 21) są znacznie wyższe od strat ciśnienia rury 3, wewnątrz miski olejowej 6 sprężarki HP wytwarza się podciśnienie. Po otwarciu zaworu 4, to podciśnienie zasysa bezpośrednio olej ze sprężarki BP do sprężarki HP przez rurę 3 (zawór 4 jest otwarty). Nie należy pozostawiać zaworu 4 zbyt długo otwartego, aby nie doprowadzić poziomu oleju w misce olejowej BP poniżej poziomu krytycznego. [0021] Jednakże, w uprzednio opisanym sposobie, tylko sprężarka HP jest poddawana całkowitej różnicy ciśnienia pomiędzy ciśnieniem skraplania (ciśnienie na odpływie ze sprężarki HP) i ciśnieniem parowania (ciśnienie na dopływie do sprężarki BP), działając w ten sposób poza nominalnym zakresem ciśnień roboczych sprężarki i zmniejszając przez to trwałość urządzenia. [0022] Z odniesieniem do figur 2 i 3, opisany zostanie sposób według wynalazku. Urządzenie zawiera zatem wariator prędkości umożliwiający kontrolę prędkości obrotowych sprężarek, a zwłaszcza umożliwiający pracę sprężarek ze zmiennymi prędkościami obrotowymi. Przewidziana jest zatem kontrola prędkości obrotowych sprężarek HP i BP, w taki sposób, że sprężarka HP nie działa nigdy sama ze 0% swojej nominalnej prędkości obrotowej podczas rozruchu lub w fazie zatrzymywania sprężarek. Prędkości obrotowe sprężarek BP i HP są kontrolowane według uprzednio określonych profili zróżnicowanych dla sprężarek HP i BP. W tym celu, należy rozpocząć w obu sprężarkach fazę zatrzymywania w przybliżeniu w tej samej chwili, tak, aby następnie prędkość obrotowa sprężarki HP była stale większa od prędkości obrotowej sprężarki BP. Inaczej mówiąc, zmniejszenie prędkości obrotowych sprężarek jest takie,
9 2 że krzywa prędkości obrotowej sprężarki BP sytuuje się poniżej krzywej prędkości obrotowej sprężarki HP. [0023] W podobny sposób, inny wariant sposobu wyrównywania oleju według wynalazku przewiduje rozruch obu sprężarek w przybliżeniu w tym samym czasie, tak, aby następnie prędkość obrotowa sprężarki HP była stale większa od prędkości obrotowej sprężarki BP. Inaczej mówiąc, zwiększenie prędkości obrotowej sprężarek jest takie, że krzywa prędkości obrotowej sprężarki BP sytuuje się poniżej krzywej prędkości obrotowej sprężarki HP. [0024] Na figurach 2 i 3, przedstawione są krzywe odpowiednio zmniejszania się i wzrostu liniowego: współczynniki kierunkowe krzywych prędkości obrotowej sprężarki HP w fazie zatrzymywania i przy rozruchu (odpowiednio 402 i 412) są zawsze wyższe, w wartości bezwzględnej, od współczynników kierunkowych krzywych prędkości obrotowej sprężarki BP (odpowiednio 401 i 411). Oczywiście, zmniejszania się i/lub wzrosty mogą przebiegać według każdego innego profilu (hiperbolicznego, parabolicznego, wykładniczego, liniowego segmentowego, itp.) bez wychodzenia poza ramy wynalazku. [002] Z uwagi na to, że sprężarka HP działa zawsze z prędkością obrotową większą niż sprężarka BP, rozumowanie na temat wyrównywania oleju pozostaje takie samo. Ponieważ nawet jeśli sprężarka BP nie jest zatrzymana, sprężarka HP działa z wyższą prędkością obrotową, a więc potrzebuje większego ciśnienia czynnika grzejnego, co wytwarza podciśnienie wewnątrz sprężarki HP. To podciśnienie zasysa olej z miski olejowej BP do miski olejowej HP poprzez rurę 3 (zawór
2 4 jest otwarty). Przewiduje się skądinąd, według wynalazku, połączenie rury 3, na poziomie misek olejowych, na poziomie wyższym od nominalnego poziomu oleju, unikając w ten sposób spadku poziomu oleju poniżej tego poziomu nominalnego podczas wyrównywania oleju. [0026] Z odniesieniem do figury 4, jeśli wyrównywanie oleju musi być przyspieszone, przewidziany jest według wynalazku drugi zawór 7 usytuowany na połączeniu szeregowym B pomiędzy dwiema sprężarkami. [0027] W ten sposób, w celu przyspieszenia wyrównywania oleju, przewiduje się podczas sposobu utrzymywanie zaworu 7 zamkniętego podczas co najmniej okresu w czasie trwania którego sprężarka HP nie jest zatrzymana. [0028] Konsekwencją zamknięcia zaworu 7 jest uniemożliwienie przepływu czynnika grzejnego z odpływu 12 sprężarki BP do dopływu 21 sprężarki HP. W ten sposób, sprężarka HP, która ciągle działa, ale nie może już zasysać cieczy, wytwarza podciśnienie w swoim wnętrzu. Zatrzymanie sprężarki BP powoduje, że ciśnienie wewnątrz sprężarki BP jest większe od ciśnienia wewnątrz sprężarki HP. Ta różnica ciśnień popycha nadmiar oleju z miski olejowej sprężarki BP do miski olejowej 6 sprężarki HP poprzez rurę 3 (przy otwartym zaworze 4). [0029] Z kolei, w przypadku gdy sprężarka HP napełnia się stopniowo olejem, podczas gdy sprężarka BP opróżnia się ze swego oleju, przewiduje się według wynalazku otwarcie zaworu 4 podczas działania sprężarek. W wyniku różnicy ciśnienia pomiędzy miskami olejowymi HP i BP (kiedy sprężarki działają równocześnie), olej jest
11 2 popychany z miski olejowej HP do miski olejowej BP. Czas otwarcia zaworu 4 musi być kontrolowany, aby poziom oleju sprężarki HP nie był niższy od krytycznego progu działania. [00] W innym wariancie sposobu według wynalazku, przewiduje się połączenie rury 3, na poziomie misek olejowych, powyżej minimalnego poziomu oleju. Zawór 4 na rurze 3 jest po prostu pozostawiony otwarty podczas działania sprężarek. W ten sposób, od chwili gdy poziom oleju w misce olejowej HP jest poniżej rury 3, zwykłe ciśnienie miski olejowej HP nie może przeciwstawić się przepływowi oleju (spowodowanemu przez zwykłą siłę ciężkości) z miski olejowej BP do miski olejowej HP przez rurę 3 (zawór 4 otwarty). [0031] Jest oczywiste, że opisane uprzednio sposoby wyrównywania oleju są również możliwe do przyjęcia w przypadku działania jednostopniowego kiedy sprężarka HP działa sama (sprężarka BP zatrzymana). Tak więc, poziom oleju miski olejowej HP może być poziomem niskim (na przykład z powodu poprzedniego użycia). W tym przypadku, sprężarka HP potrzebuje przepływu oleju z miski olejowej BP do miski olejowej HP. Tak więc, możliwe jest stosowanie sposobów wyrównywania oleju uprzednio opisanych, ale w których, oczywiście, etapy dotyczące rozruchu (lub zatrzymywania) sprężarki BP nie są uwzględnione. Electricité de France Pełnomocnik:
12 3P28222PL00 EP 2 034 26 B1 Zastrzeżenia patentowe 2 1. Sposób dynamicznego wyrównywania oleju w urządzeniu termodynamicznym, przy czym urządzenie to zawiera sprężarkę niskiego ciśnienia (BP) zamontowaną szeregowo ze sprężarką wysokiego ciśnienia (HP) za pomocą szeregowego połączenia (B), każda sprężarka zawiera miskę olejową (odpowiednio i 6) do utrzymywania oleju, i rurę (3) łączącą miski olejowe sprężarek, a ta rura (3) zawiera zawór sterowany (4), zaś sposób ten obejmuje etap otwarcia sterowanego zaworu, znamienny tym, że obejmuje etap działania sprężarek, podczas którego sprężarka wysokiego ciśnienia (2) ma prędkość obrotową wyższą niż sprężarka niskiego ciśnienia (1) i podczas którego sprężarka niskiego ciśnienia nie jest zatrzymana. 2. Sposób według zastrzeżenia 1, znamienny tym, że sprężarki (1,2) rozpoczynają etap spowalniania prędkości obrotowej w przybliżeniu w tym samym czasie, ale podczas fazy spowalniania sprężarka wysokiego ciśnienia (2) zachowuje prędkość obrotową wyższą niż sprężarka niskiego ciśnienia (1). 3. Sposób według jednego z poprzednich zastrzeżeń, znamienny tym, że sprężarki (1,2) rozpoczynają etap przyspieszania prędkości obrotowej w przybliżeniu w tym samym czasie, ale podczas fazy przyspieszania sprężarka wysokiego ciśnienia (2) zachowuje prędkość obrotową wyższą niż sprężarka niskiego ciśnienia (1). 4. Urządzenie termodynamiczne zawierające sprężarkę niskiego ciśnienia (BP) zamontowaną szeregowo ze
13 sprężarką wysokiego ciśnienia (HP) za pomocą szeregowego połączenia (B); przy czym każda sprężarka zawiera miskę olejową (odpowiednio i 6) do utrzymywania oleju, i rurę (3) łączącą miski olejowe sprężarek (1, 2), zaś ta rura (3) zawiera zawór sterowany (4), znamienne tym, że zawiera środki przeznaczone do zastosowania sposobu według jednego z poprzednich zastrzeżeń i tym, że urządzenie zawiera połączenie obejściowe (A) sprężarki niskiego ciśnienia (1), przy czym połączenie obejściowe (A) zawiera zawór zwrotny ().. Urządzenie termodynamiczne według poprzedniego zastrzeżenia, znamienne tym, że zawiera wariator prędkości () przeznaczony do zapewnienia działania sprężarek (1,2) ze zmiennymi prędkościami obrotowymi. 6. Urządzenie termodynamiczne według zastrzeżenia 4 albo, znamienne tym, że zawiera drugi zawór (7) przeznaczony do uniemożliwienia przepływu czynnika grzejnego do sprężarki wysokiego ciśnienia (2). 2 7. Urządzenie według zastrzeżenia 6, znamienne tym, że drugi zawór (7) usytuowany jest na połączeniu szeregowym (B). 8. Urządzenie według zastrzeżeń od 4 do 7, znamienne tym, że pierwsza rura (3) połączona jest na poziomie wyższym od nominalnego poziomu oleju. Electricité de France Pełnomocnik: