AT398631B - Kühlanlage - Google Patents

Description

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Die Erfindung bezieht sich auf eine Kühlanlage mit mindestens einem Verdampfer, einem Expansionsventil, einem Kompressor, einem Kondensator mit einem nachgeschalteten Druckregelventil sowie einem Sammelbehälter für das Kühlmittel, wobei parallel zum Kondensator und dem ihm nachgeschalteten Druckregelventil ein Differenzdruckventil angeordnet ist und die genannten Baukomponenten über Leitung zum Transport des Kühmittels miteinander verbunden sind. Kühlanlagen dieser Art sind bekannt. Das Differenzdruckventil ist dabei auf ca. 1,4 bar eingestellt und diese Schaltung dient dazu, den ordnungsgemäßen Betrieb der Kühlanlage auch bei tiefer Außentemperatur im Winter aufrecht zu erhalten. Im Winter fällt nämlich die Umgebungstemperatur des Kondensators stark ab und damit auch der Verflüssigungsdruck des luftgekühlten Kondensators. Das Druckregelventil, das dem Kondensator nachgeschaitet ist, regelt in Abhängigkeit vom Eintrittsdruck und beginnt dann zu drosseln, wenn der Druck im Kondensator unter den eingestellten Wert abfällt. Dadurch kann kein verflüssigtes Kühlmittel zum Sammelbehälter gelangen mit der Folge, daß der Kondensator nun mit Flüssigkeit gefüllt wird, wodurch wiederum die für die Kühlung wirksame Kondensatorfläche reduziert wird Dadurch wird der geforderte Kondensationsdruck wieder aufgebaut. Da die eigentliche Regelungsaufgabe im Winterbetrieb darin besteht, den Druck im Sammelbehälter auf einem geeigneten hohen Wert zu halten, wird das Druckregelventil mit einem Differenzdruckventil kombiniert, das in einer Nebenschlußleitung zum Druckregelventil vorgesehen ist. Wenn das Druckregelventil zu drosseln beginnt, wird der gesamte Druckabfall über den Kondensator und das Druckregelventil erhöht. Erreicht dieser Druckabfall 1,4 bar, dann beginnt das Differenzdruckventil zu öffnen, so daß der Druck im Sammelbehälter für das Kühlmittel aufrechterhalten werden kann. Im Sommerbetrieb, bei dem das Druckregelventil ganz geöffnet ist, beträgt der gesamte Druckabfall über den Kondensator und das Druckregelventil weniger als 1,5 bar. Das Differenzdruckventil ist dann immer geschlossen. Die Kühlmittelfüllung wird bei Sommerbetrieb im Sammelbehälter gesammelt. Deshalb muß die Kühlanlage mit einem genügend großen Sammelbehälter versehen sein, um diese Flüssigkeitsmenge aufnehmen zu können, die sich während des Winterbetriebes überwiegend im Kondensator befindet. Sowohl im Winterbetrieb wie ach im Sommerbetrieb wird die vom Kühlmittel im Verdampfer aufgenommene Wärme im wesentlichen über den Kondensator an die freie Atmosphäre abgeführt.

Aus der US-PS 4 903 495 ist ein Transportkühlsystem bekannt, wie es beispielsweise bei LKW-Zügen verwendet wird und auf ein Verfahren zu seinem Betrieb, zu welchem ein mit Hochdruck arbeitendes Expansionsventil und ein Sekundärkondensator verwendet werden, um den mit dem Heißgas betriebenen Heizkreis hinsichtlich seiner Wirkung zu verbessern und um eine vorbestimmte Temperatur zu halten. Auch der Abtaukreislauf wird mit Heißgas betrieben. Der Sekundärkondensator ist in einem Verdunstungsabschnitt des Kühlsystems angeordnet, in dem heißes Entiadungsgas aus einem Kompressor direkt zum Sekundärkondensator geleitet wird, und zwar sowohl während der Heiz- wie auch während der Abtauphase. Eine ausreichende Versorgung mit Kühlmittel für die Heiz- und Abtauphase ist hier sichergestellt dadurch, daß das Kühlmittel aus einem Vorratsbehälter und aus einem Kondensator in einen aktiven Kühlmittelkreislauf mit heißer Arbeitsphase injiziert wird, wenn das aktive Kühlmittel nicht ausreicht, einen ausreichenden Druck auf der Niederdruckseite des Kühlsystems aufzubauen, um das bei maximalem Druck arbeitende Expansionsventil zu schließen und der Ansaugdruck des Kompressors niedriger sein sollte als der Druck im Vorratsbehälter bzw. im Kondensator. Eine Wärmerückgewinnung ist bei Transportkühlsystemen dieser Art nicht anwendbar, da hier keine sinnvolle Möglichkeit besteht, die anfallende Abwärme zu nutzen.

Eine ortsfeste Kühlanlage mit Wärmerückgewinnung ist hingegen aus der US-PS 4 535 603 bekannt. Diese Kühlanlage besitzt einen Kondensator und einen Wärmetauscher, wobei die Schaltungsanordnung so getroffen ist, daß über ein Mehrwegeventil das Kühlmittel entweder direkt zum Kondensator geleitet wird oder aber über den Wärmetauscher und den Kondensator, wobei über ein ausgangsseitig beim Wärmetauscher vorgesehenes weiteres Umschaltventil der Kondensator auch kurzgeschlossen werden kann. Die Einrichtung wird vom Aggregatzustand des Kühlmittels am Ausgang des Wärmetauschers gesteuert. Hier sind eine Fotozelle und ein lichtempfindlicher Empfänger angeordnet, die im Schaltkreis der Steuereinrichtung liegen. Ist der Wärmebedarf im Wärmetauscher hinreichend groß, so daß hier das Kühlmittel zur Gänze wiederum verflüssigt wird, so wird das verflüssigte Kühlmittel im Nebenschluß zum Kondensator zum Sammler zurückgeleitet. Kann infolge zunehmender Erwärmung aber der Wärmetauscher nicht mehr die ganze Abwärme aus dem Kühlmittel übernehmen, so stellen die Sensoren fest, daß sich in der Leitung im Ausgangsbereich des Wärmetauschers ein Gas-Flüssigkeitsgemisch befindet. Ist ein solcher Gasanteil am Ausgang des Wärmetauschers noch vorhanden, so konnte offenbar dem Kühlmittel im Wärmetauscher die notwendige Wärme für seine vollständige Verflüssigung nicht mehr entzogen werden. Daher steigt auch der Druck in der Leitung an und damit die Temperatur des Kühlmittels. Beim Erreichen eines kritschen, von den erwähnten Sensoren überwachten Arbeitspunktes schaltet das Mehrwegeventil am Ausgang des Wärmetauschers um und schaltet diesen über eine Leitung in Reihe mit dem Kondensator. 2

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Diese Schaltung ist nicht zweckmäßig, da sie nur Schaltstellungen im Sinne von "entweder- oder” kennt, so daß es nicht möglich ist, überschüssige anfallende Wärme kontinuierlich für Heizzwecke zu verwenden. Es ist ferner auch zu bedenken, daß der Kondensator so dimensioniert sein muß, damit er auch die gesamte aus dem Kühlvorgang anfallende Wärme aus dem Kühlmittel abführen kann. Falls das Mehrwegeventil am Ausgang des Wärmetauschers umschaltet und damit den Kondensator in Reihe mit dem Wärmetauscher bringt, so fällt plötzlich der Druck in der Kühlmittelleitung ganz erheblich ab mit der Folge, daß das Kühlmittel im Sammelreservoir aufschäumt und verdampft und dadurch die Kühlmittelversorgung der einzelnen Verdampfer nicht mehr ordnungsgemäß gewährleistet ist. Um hier Vorsorge zu treffen, ist in der Kühlmittelverbindungsleitung zwischen Kondensator und Sammler noch ein Druckregelventil vorgesehen, das die Kühlmittelleitung abschalten sollte, falls der Druck aufgrund der erläuterten Betriebsbedingungen abfällt. Trotz des großen apparativen Aufwandes ist die Lösung als Ganzes nicht optimal, wie vorstehend im einzelnen aufgezeigt.

Auch die vorbekannte Kühlanlage nach der US-PS 4 430 866 arbeitet mit einem zusätzlichen Wärmetauscher für die Wärmerückgewinnung, welcher in Abhängigkeit von möglichen Betriebszuständen in Reihe mit dem Kondensator der Anlage schaltbar ist, wobei hier in Strömungsrichtung des Kühlmittels gesehen hinter dem Wärmetauscher ein Druckregelventil angeordnet ist. Führt der Wärmetauscher hinreichend Wärme ab, dann ist das Druckregelventil geschlossen und staut dabei das flüssig gewordene Kühlmittel zurück, das nun seinerseits die Wärmeaustauschflächen des Wärmetauschers verringert, und zwar solange, bis die verbleibenden Restflächen des Wärmetauschers ausreichen, das Wärmegleichgewicht aufrechtzuerhalten, wobei ein Teil des Wärmetauschers außer Funktion ist. Falls nun nicht ausreichend Wärme abgeführt werden kann, steigt der Druck im Wärmetauscher an, das Ventil öffnet sich und läßt das gestaute flüssige Kühlmittel abströmen. Dieser Rückstau des Kühlmittels im Wärmetauscher verringert dessen Nutzfläche, wodurch keine effizente Wärmeausbeute möglich ist.

Anlagen der letzterwähnten Art sind Ausgangspunkt der gegenständlichen Erfindung, die darauf abzielt, die aufgezeigten Nachteile zu vermeiden, und die eine kontinuierliche Wärmerückgewinnung erzielen will mit hoher Effizienz, und zwar in allen .Betriebsbereichen. Um diese komplexe Aufgabe zu lösen, schlägt die Erfindung vor, daß der Leitungszweig oder zumindest ein Teil desselben, der zwischen Kompressor einerseits und Kondensator bzw. Differenzdruckventil andererseits liegt, als Primärleitung eines Wärmetauschers, insbesondere eines Warmwasserbereiters ausgebildet ist und das Differenzdruckventil auf einen Wert kleiner als 1 bar eingestellt ist. Der als Primärleitung des Wärmetauschers dienende Teil der Leitung zum Transport des Kühlmediums liegt entweder vor den Kondensator und Differenzdruckventil parallel schaltenden Leitungszweigen oder im zum Kondensator parallelen Leitungszweig unmittelbar vor dem Differenzdruckventil.

Dank der erfindungsgemäßen Schaltung und der beanspruchten Einstellung für das Differenzdruckventii ist sichergestellt, daß unabhängig vom Betriebszustand des Warmwasserbereiters und der äußeren Umgebungstemperatur optimale Betriebsverhältnisse für die Kühlanlage als ganzes herrschen. Ist das aufzubereitende Wasser noch relativ kalt, so wird dem vorerst gasförmigen Kühlmittel im Warmwasserbereiter (Wärmetauscher) soviel Wärme entzogen, daß es am Ausgang aus dem Warmwasserbereiter seinen flüssigen Aggregatzustand erreicht hat und über das Druckdifferenzventil zum Sammler strömen kann. Ist hingegen im Warmwasserbereiter das Wasser aufgeheizt, so durchsetzt das vorerst gasförmige Kühlmittel in diesem Aggregatzustand nicht nur die Primärleitung des Wärmetauschers, sondern verläßt diesen auch in diesem Aggregatzustand und erst nachfolgend im Kondensator wird das Kühlmittel verflüssigt, von wo es nach Erreichung eines hinreichenden Leitungsdruckes über das Druckregelventil zum Sammler fließt. Das aufgewärmte Wasser des Warmwasserbereiters kann sowohl als Brauchwasser verwendet werden wie auch zu Heizungszwecken. Im letzteren Fall wird es zweckmäßig in einem geschlossenen Kreislauf geführt. Dank der erfindungsgemäßen Schaltung wird der gesamte Gasstrom, wie er von den Kompressoren angeliefert wird, über den Wärmetauscher geführt und nur, wenn der Wärmetauscher nicht mehr ausreichend Wärme übernehmen kann, wird ein Teil über den Kondensator abgeleitet. Die Überschußwärme wird bei der erfindungsgemäßen Anlage immer und zur Gänze dem Wärmetauscher zugeleitet.

Bei der vorbekannten und eingangs erläuterten Schaltung ist die über das Differenzdruckventil geführte Leitung sehr knapp bemessen, sie hat einen geringen Querschnitt, da diese Leitung ausschließlich und allein als Druckausgleichleitung dient. Hingegen in der erfindungsgemäßen Schaltung wird über diese Leitung das Kühlmittel in seinem flüssigen Aggregatzustand transportiert, so daß hier für diesen Leitungsabschnitt ausreichende Querschnitte vorzusehen sind.

Zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Figuren 1 und 2 in der beiliegenden Zeichnung näher erläutert. In bekannter Weise weisen die Kühlanlagen beider Ausführungsbeispiele folgende Baukomponenten auf: Einen Verdampfer 1, ein Expansionsventil 2, einen Sammelbehälter 3 für das flüssige Kühlmittel, einen Kompressor 4, einen Kondensator 7 mit einem Gebläse 8, ein Druckregelven- 3

AT 398 631 B til 6 und ein Differenzdruckventil 5, das in beiden gezeigten Ausführungsbeispielen parallel zum Kondensator 7 und zu dem dem Kondensator 7 nachgeschalteten Druckregeiventil 6 liegt. Die aufgelisteten Bankomponenten sind über Leitungen 10, 10', 15 zum Transport des Kühlmittels zu einem in sich geschlossenen Kreislauf verbunden. 5 Beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 ist der Leitungszweig 10', der zwischen Kompressor 4 und Kondensator 7 liegt, als Primärleitung 12 eines Warmwasserbereiters 9 ausgeführt, der einen unteren Kaltwasserzufluß 11 und einen oberen Warmwasserablaß 13 besitzt. Das Differenzdruckventil 5 im zum Kondensator 7 und Druckregelventil 6 parallelen Leitungszweig 15 ist auf einen Wert unter 1 bar, vorzugsweise auf 0,3 bis 0,5 bar eingestellt. Ist im Warmwasserbereiter 9 kaltes Wasser, also zwischen dem io gasförmigen Kühlmittel in der Primärleitung 12 und deren Umgebung ein großes Temperaturgefälle, so wird innerhalb dieser Primärleitung 12 dem Kühlmittel soviel Wärme entzogen, daß es im Ausgangsbereich 14 des Warmwasserbereiters 9 vollständig verflüssigt ist. Das auf einen sehr niedrigen Wert eingestellte und mit einem Leitungszweig 15 von angemessenem Querschnitt verbundene Differenzdruckventil 5 sichert den Abfluß des flüssigen Kühlmittels zum Sammelbehälter 3. Der vorerst funktionslose Kondensator 7 ist mit 75 flüssigem Kühlmittel gefüllt, da vorerst das Druckregelventil 6 geschlossen ist.

Erreicht die Temperatur des Wassers im Warmwasserbereiter 9 den erwünschten und eingestellten Wert (abhängig von der Einstellung des Druckregelventiles 6), so kann das vom Kompressor 4 in gasförmigem Zustand kommende Kühlmittel seine Wärme im Warmwasserbereiter 9 nur noch zum Teil abgeben und durchsetzt vorerst die Primärleitung zum Teil in gasförmigem Zustand, in dem es auch den 20 Ausgangsbereich 14 erreicht. Dadurch steigt der Druck in den Leitungszweigen zwischen Kompressor 4 und Expansionsventil 2 bis das Druckregelventil 6 öffnet und nun der Kondensator 7 seine ihm ursprünglich zugedachte Funktion übernimmt, nämlich die Abfuhr der Wärme und die Verflüssigung des Kühlmittels. Dadurch ist auch sichergestellt, daß der Kompressor 4 stets gegen denselben Druck arbeitet und darüber hinaus ansaugseitig mit ausreichender Menge gasförmigen Kühlmittels versorgt wird. 25 Steigt im Warmwasserbereiter 9 die Wassertemperatur allmählich an, so wird allmählich der eingestellte Wert des Öfffnungsdruckes des Druckregelventiles 6 erreicht. Das Druckregelventil 6 hat sozusagen die Aufgabe, als Thermostat für den Warmwasserbereiter 9 zu dienen, weil der Einstellwert des Öffnungsdruk-kes die erreichbare Temperatur des Wassers im Warmwasserbereiter 9 im wesentlichen bestimmt. Das Druckregel ventil 6 beginnt zu öffnen und läßt aus dem Kondensator 7 soviel flüssiges Kühlmittel abfließen, 30 daß soviel Kühlfläche am Kondensator 7 frei wird, wie erforderlich ist, um dem Kondensatordruck beim eingestellten Wert des Druckregelventiles zu halten. Dies geschieht selbsttätig, also völlig automatisch, so daß im wesentlichen die gesamte abzuführende Wärmemenge entweder vom Warmwasserbereiter 9 aufgenommen wird, wenn im Warmwasserbereiter noch überwiegend kaltes Wasser sich befindet, oder vom Kondensator 7 abgeführt wird, wenn das im Warmwasserbereiter 9 befindliche Wasser die eingestellte und 35 erwünschte Temperatur erreicht hat. Zwischen diesen beiden Betriebszuständen wird die von den erwähnten Aggregatteilen abzuführende Wärme völlig selbsttätig stufenlos hinsichtlich ihrer Zuteilung zum einen oder anderen Aggregat geregelt. Hat der Kondensator 7 die Abführ der Kondensationswärme übernommen, so kann über den Warmwasserbereiter 9 noch die Überhitzungswärme des Kühlmittels abgegeben werden, und dient damit zur weiteren Erwärmung des Wassers. 40 Das Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 unterscheidet sich von dem nach Hg. 1 schaltungsmäßig nur dadurch, daß als Primärleitung 12 für den Warmwasserbereiter 9 der Leitungsabschnitt 15 dient, der dem Differenzdruckventil 6 unmittelbar vorgeschaltet ist. Auch bei dieser Schaltung ist das Differenzdruckventil auf den Wert von 0,3 bis 0,5 bar eingestellt. Kältetechnisch gesehen liegt ein Unterschied gegenüber der im Zusammenhang mit Fig. 1 erläuterten Schaltung darin, daß der Kondensator 7 nicht nur die Kondensa-45 tionswärme sondern auch die Überhitzungswärme des Kühlmittels abzuführen hat. Bei diesem Betriebszustand kann also Überhitzungswärme nicht mehr zum Aufheizen des Wassers im Warmwasserbereiter 9 genutzt werden.

Ein wichtiger Vorteil dieser Erfindung ist, daß der Druck im Kondensator 7 bei kaltem Wasser im Warmwasserbereiter weit unter dem eingestellten Öffnungsdruck des Druckregelventiles 6 liegt, weil so dadurch Antriebsenergie für den Kompressor 4 gespart und trotzdem die Kälteleistung erhöht wird, was sich auf die Laufzeit des Kompressors günstig auswirkt.

Unter Primärleitung im Sinne dieser Erfindung wird jener Leitungsabschnitt verstanden, über den das Wärmeträgermedium durch den Warmwasserbereiter geleitet wird. Im Rahmen der Erfindung ist es auch möglich, die hier geschilderten Baukomponenten in mehrfacher Anordnung vorzusehen. 4 55

Claims (2)

1. AT 398 631 B Legende zu den Hinweisziffern: 1 Verdampfer 9 Warmwasserbereiter (Wärmetauscher) 2 Expansionsventil 3 Sammelbehälter 10 Leitung 4 Kompressor 11 Kaltwasserzulauf 5 Differenzdruckventil 12 Primärleitung 6 Druckregelventil 13 Warmwasserablaß 7 Kondensator 14 Ausgangsbereich 8 Gebläse 15 Leitungszweig Patentansprüche 15 1. Kühlanlage mit mindestens einem Verdampfer (1), einem Expansionsventil (2), einem Kompressor (4), einem Kondensator (7) mit einem nachgeschalteten Druckregelventil (6) sowie einem Sammelbehälter (3) für das Kühlmittel, wobei parallel zum Kondensator (7) und dem ihm nachgeschalteten Druckregelventil (6) ein Differenzdruckventil (5) angeordnet ist und die genannten Baukomponenten über Leitun- 20 gen (10, 10', 15) zum Transport des Kühlmittels miteinander verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß der Leitungszweig (10') oder zumindest ein Teil desselben, der zwischen Kompressor (4) einerseits und Kondensator (7) bzw. Differenzdruckventil (5) andererseits liegt, als Primärleitung (12) eines Wärmetauschers, insbesondere eines Warmwasserbereiters (9) ausgebildet ist und das Differenzdruckventil (5) auf einen Wert kleiner als 1 bar eingestellt ist. 25 2. Kühlanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Differenzdruckventil (5) auf 0,3 bis 0,5 bar eingestellt ist. 3. Kühlanlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der als Primärleitung (12) des 30 Wärmetauschers (9) dienende Teil der Leitung zum Transport des Kühlmediums vor den Kondensator (7) und Differenzdruckventil (5) parallel schaltenden Leitungszweigen liegt (Fig. 1). 4. Kühlanlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der als Primärleitung (12) des Wärmetauschers (9) dienende Teil der Leitung zum Transport des Kühlmediums im zum Kondensator 35 (7) parallelen Leitungszweig (15) unmittelbar vor dem Differenzdruckventil (5) liegt (Fig.
2. 2). Hiezu 1 Blatt Zeichnungen 40 45 50 5 55