-
Die
Erfindung betrifft im Allgemeinen ein Abtausystem für Verdampfer
von Kälteanlagen
und Wärmepumpen
sowie ein Verfahren zum Betrieb des Abtausystems. Im Besonderen
betrifft die Erfindung ein Abtausystem für Verdampfer von Kälteanlagen und
Wärmepumpen
sowie ein Verfahren zum Betrieb des Abtausystems, welche für gewerbliche
und häusliche
Kühl- und
Heizzwecke eingesetzt werden.
-
Beim
Abkühlen
von Umgebungsluft oder der sich in einem Kühlraum befindlichen Luft kondensiert ein
Teil der Luftfeuchtigkeit an der Oberfläche des Verdampfers der Wärmepumpe
oder der Kältemaschine.
Liegt die Umgebungstemperatur des Verdampfers einer Wärmepumpe
unter ca. 7°C,
beginnt das kondensierte Wasser zu gefrieren, da die Temperatur
des Kältemittels
im Verdampfer und daran gekoppelt auch die Oberflächentemperatur
des Verdampfers betriebsbedingt 0°C
unterschreitet. Die sich auf der Verdampferoberfläche bildende
Eisschicht hat eine isolierende Wirkung, wodurch der Wärmeübergang
von der Umgebungsluft auf das Kältemittel
erschwert wird. Durch das voranschreitende Wachstum dieser Eisschicht
wird der Wärmeübergang
zunehmend schlechter, was dazu führt, dass
die Leistungsfähigkeit
der Wärmepumpe
oder Kältemaschine
deutlich abnimmt.
-
Um
den Kühl-
bzw. Heizbetrieb der Kältemaschine
bzw. Wärmepumpe
aufrechtzuerhalten, muss deshalb bei Lufttemperaturen zwischen –7°C und +7°C der Verdampfer
regelmäßig abgetaut
werden. Bei niedrigeren Temperaturen ist ein Abtauen auf Grund der
nur geringen Luftfeuchtigkeit nicht notwendig, da nur eine geringe
Wassermenge aus der Luft kondensieren kann.
-
Aus
dem Stand der Technik sind verschiedene Abtausysteme für Verdampfer
von Wärmepumpen
und Kältemaschinen
sowie verschiedene Verfahren zum Betrieb dieser Abtausysteme vorbekannt. Bei
einem ersten Abtausystem erfolgt eine Kreislaufumschaltung. Hierbei
arbeitet der Kondensator während
des Abtauvorgangs als Verdampfer, wobei insbesondere bei einer Luft/Wasser-Wärmepumpe das Heizungswasser
im Verdampfer gefrieren kann. Um dies zu verhindern, muss ein ausreichend
großer Heizwasserpufferspeicher
vorgesehen werden, damit auch bei geschlossenen Heizkreisen ausreichend Wärme zur
Verfügung
steht. Während
des Abtauvorgangs erfolgt kein Heizbetrieb, obwohl der Verdichter in
Betrieb ist. Ein weiterer Nachteil dieses Abtausystems besteht in
der Auskühlung
des Heizkreises, was sich nicht unerheblich auf die Effizienz der
abzutauenden Anlage auswirkt.
-
Bei
einem zweiten vorbekannten Abtausystem wird das Heißgas zum
Abtauen des Verdampfers eingesetzt. Unter Verwendung eines gesteuerten Magnetventils
wird das Heißgas
direkt in den Verdampfer geleitet. Auch hierbei erfolgt während des Abtauvorgangs
eine Unterbrechung des Kühl-
bzw. Heizbetriebs. Obwohl der Verdichter in Betrieb ist, liefert
die Anlage keine Heiz- bzw.
Kühlleistung.
-
Bei
einem dritten vorbekannten Abtausystem wird eine separate elektrische
Abtauheizung zum Abtauen des Verdampfers eingesetzt. Während des
Abtauens wird der Verdichter abgeschaltet und damit der Kühl- oder
Heizbetrieb unterbrochen.
-
Nachteilig
ist, dass exergetisch wertvolle elektrische Energie zur Erzeugung
von Wärme
zum Abtauen der Eisschicht eingesetzt wird.
-
In
der
US 6,250,090 B1 ist
ein Abtausystem mit Kondensatunterkühlung beschrieben, bei dem die
Verdampferleitungen des Verdampfers gleichzeitig für die Enteisung
des Verdampfers mit kondensiertem Kältemittel genutzt werden.
-
In
der
DD 281 009 A1 ist
eine Anordnung und ein Verfahren zum Betrieb von Plattengefrierapparaten
offenbart, bei denen der Abtaubetrieb durch Kondensatunterkühlung realisiert
werden. Die Anordnung umfasst einen Kältekreislauf sowie eine mit Kondensat
beaufschlagbare Abtaupassage mit einem Plattengefrierapparat, einem
Verdichter, einem Kondensator, zwei Sammlern, einer Pumpe und mehreren
Armaturen. Der als Verdampfer ausgebildete Plattengefrierapparat
ist hierbei mit Zu- und Abführungsleitungen
verbunden, die jeweils einen rotierenden Teil und einen feststehenden
Teil aufweisen. Der rotierende Teil der Zu- und Abführungsleitungen nimmt
in Abhängigkeit
der gewählten
Betriebsart, nämlich
Abtaubetrieb oder Gefrierbetrieb, eine unterschiedliche Stellung
ein und ist damit entweder mit dem Kältekreislauf oder der Abtaupassage
gekoppelt. Der Abtaubetrieb und der Gefrierbetrieb kann demnach
nur zeitlich nacheinander erfolgen. Nachteilig bei dieser Erfindung
ist außerdem,
dass die rotierenden Teile der Zu- und Abführungsleitungen wartungsintensiv
sind und einen weiteren Antrieb benötigen.
-
Aus
der
DD 232 341 A1 ist
ein Abtauverfahren für
Luftentfeuchtungsgeräte
mit einem Verdampfer, einem Kondensator, einem Ventilator und einem Verdichter
vorbekannt. Hierbei wird die für
den Abtauvorgang notwendige Energie in Form von Wärme bei
laufender Kältemaschine
aus dem Kälteprozess nutzbar
gemacht. Dazu wird die Luft in der Strömungsrichtung umgekehrt und
nach Aufnahme der Kondensationswärme
des Kälteprozesses
zum Abtauen eingesetzt.
-
Die
Aufgabe der Erfindung besteht nunmehr darin, ein Abtausystem zum
Abtauen von Verdampfern von Kälteanlagen
und Wärmepumpen
vorzuschlagen, das auch während
des Kühlbetriebs
oder des Wärmepumpenbetriebs
arbeitet und bei dem für den
Abtauvorgang keine zusätzliche
Energiezufuhr notwendig ist. Ferner soll ein Verfahren zum Betrieb eines
derartigen Abtausystems entwickelt werden.
-
Diese
Aufgabe wird dadurch gelöst,
indem das Abtausystem für
Verdampfer von Kälteanlagen und
Wärmepumpen
aus einem Kältekreislauf
und einer mit Kältemittelkondensat
beaufschlagbaren Abtaupassage aufgebaut ist. Der Kältekreislauf
umfasst eine Ringleitung mit einem in Strömungsrichtung des Kältemittels
angeordneten Verdampfer mit zumindest einer Verdampferleitung, einem
Verdichter, einem Verflüssiger
sowie einem Expansionsorgan. Erfindungsgemäß weist die Abtaupassage eine
Umgehungsleitung auf, die sich ausgehend von einem zwischen dem
Verflüssiger
und dem Expansionsorgan platzierten Verteilpunkt über zumindest
eine zusätzlich
im Verdampfer angeordnete Abtauleitung bis zu einem zwischen dem
Verflüssiger
und dem Expansionsorgan platzierten Mischpunkt erstreckt.
-
Bei
der vorliegenden Erfindung wird während des Kühl- bzw. Wärmepumpenbetriebs das als „warmes" Kondensat vorliegende
und den Kondensatordruck aufweisende Kältemittel im Verdampfer unterkühlt und
zur Abtauung des Verdampfers eingesetzt. Dabei strömt das gesamte
Kältemittel
oder nur ein Teil des Kältemittels
vom Verflüssiger über den
Verteilpunkt unter Verwendung der Umgehungsleitung zum Verdampfer,
wird dort in zusätzlich
vorgesehenen Abtauleitungen des Verdampfers unterkühlt und passiert
als unterkühltes
Kondensat über
den Mischpunkt das Expansionsorgan, um anschließend in den Verdampferleitungen
des Verdampfer vollständig verdampft
zu werden.
-
Da
die Unterkühlungsleistung
des Verdampfers nicht ausreicht, um die Verdampferleistung vollständig zu
kompensieren, ist es nur unter bestimmten klimatischen Bedingungen
möglich,
die gesamte Verdampferfläche
im Kühl- bzw. Wärmepumpenbetrieb abzutauen.
Die zur Verfügung
stehende Unterkühlungsleistung
ist jedoch ausreichend groß,
um neben der benötigten
Wärmeleistung
zur Abtauung auch einen Teil der Verdampferleistung abzudecken.
Dadurch ist es möglich,
den Verdampfer abschnittsweise während
des Kühl-
bzw. Wärmepumpenbetriebs abzutauen,
wobei jedem Abschnitt des Verdampfers die gesamte Abtauleistung
sowie die diesem Abschnitt entsprechende Verdampferleistung zur
Verfügung
steht. Die zur Verfügung
stehende Abtauleistung entspricht der maximal möglichen Unterkühlungsleistung
abzüglich
der abzudeckenden Verdampferleistung.
-
In
einer bevorzugten Ausgestaltung sind dazu im Verdampfer mehrere
Abtauleitungen und ggf. mehrere Verdampferleitungen vorgesehen,
die jeweils ausgangsseitig oder eingangsseitig ein Absperrventil
aufweisen. Die Verdampferleitungen und die Abtauleitungen sind vorzugsweise
alternierend und wechselseitig im Verdampfer angeordnet, wobei jeweils
eine Abtauleitung und eine benachbarte Verdampferleitung einem Abschnitt
des Verdampfers entsprechen bzw. eine Sektion ausbilden. Dabei können die
Verdampferleitungen und die Abtauleitungen sich sowohl gerade als
auch U-förmig im
Verdampfer erstrecken. Der Vorteil einer geraden Ausbildung der Verdampferleitungen
und der Abtauleitungen gegenüber
einer U-förmigen
Ausbildung besteht in den geringeren Energieverlusten. Bei der U-förmigen Ausbildung
gibt das Kondensat am Eintritt in den Verdampfer auch Wärme an das
Kondensat beim Austritt ab. Diese Wärme geht „verloren" und kann nicht zum Abtauen genutzt
werden. Auf Grund des Vorliegens einer konstanten Temperatur in
den Verdampferleitungen ist die Strömungsrichtung des Kondensats
unerheblich.
-
Unter
Verwendung der Absperrventile können
alle Abschnitte des Verdampfers gleichzeitig oder aber bevorzugt
jeweils nur ein Abschnitt im Verdampfer durch Kondensatunterkühlung enteist
werden. Zum abschnittsweisen Abtauen des Verdampfers wird ein Absperrventil
der diesem Abschnitt entsprechenden Abtauleitung geöffnet und
die übrigen Absperrventile
geschlossen. Nach erfolgtem vollständigen Abtauen dieses Abschnitts
des Verdampfers wird dieser Vorgang für die übrigen Abschnitte des Verdampfers
nacheinander wiederholt. Während des
Abtauvorgangs eines Abschnitts stehen sowohl dieser Abschnitt als
auch die übrigen
Abschnitte des Verdampfers gleichzeitig für Kühlzwecke zur Verfügung. Eine
Absperrung der dem abzutauenden Abschnitt zugeordneten Verdampferleitung
ist nicht zwingend notwendig. Bei geöffnetem Absperrventil der Verdampferleitung überträgt der Verdampfer
die gesamte Leistung; jedoch wird der Abtauvorgang verlangsamt.
Für spezielle
Anwendungen und Betriebsbedingungen muss für diesen Fall der Verdampfer
größer dimensioniert
werden muss, da weniger Wärmeübertragungsfläche zur
Verfügung
steht und durch die Kondensatunterkühlung mehr Leistung aufgenommen
werden müsste
als beim gewöhnlichen
Wärmepumpenbetrieb.
-
Es
hat sich in der Praxis als besonders vorteilhaft erwiesen, wenn
den Abtauleitungen und den Verdampferleitungen des Verdampfers jeweils
ein Verteiler vorgeschaltet und ein Sammler nachgeschaltet ist.
Dabei können
einerseits der Kondensatsammler und Kondensatverteiler an einer
Seite des Verdampfers und der Verdampfersammler und Verdampferverteiler
an einer zweiten gegenüberliegenden
Seite des Verdampfers orthogonal zur Durchströmungsrichtung der den Verdampfer
durchströmenden
Luft platziert werden. Andererseits können die Verteiler und Sammler
aber auch auf einer gemeinsamen Seite des Verdampfers angeordnet
werden. Schließlich
können
die Verteiler und Sammler auch in den Verdampfer integriert sein.
Die bereits erwähnten
Absperrventile sind entweder an den Sammlern und Verteilern oder
in einem Rohrabschnitt zwischen den Sammlern und Verteilern und dem
Verdampfer platziert.
-
In
einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist der Verteilpunkt
als 2-Wege-Ventil
mit einem Eingangsanschluss und zwei Ausgangsanschlüssen ausgebildet.
Der Ausgang des Verflüssigers
ist dabei mit dem Eingangsanschluss, der erste Ausgangsanschluss
ist mit der Umgehungsleitung der Abtaupassage und der zweite Ausgangsanschluss
ist mit der Ringleitung des Kältekreislaufs
gekoppelt. An Stelle eines 2-Wege-Ventils können auch zwei 1-Weg-Ventile
eingesetzt werden, die in der Umgehungsleitung und der Ringleitung
platziert sind.
-
Erfindungsgemäß können jeweils
eine Verdampferleitung und eine Abtauleitung des Verdampfers nicht
nur einen Abschnitt des Verdampfers bildend nebeneinander, sondern
vielmehr auch gemeinsam in einer als Koaxialleitung ausgebildeten Kombinationsleitung
zusammengefasst sein. Dabei befindet sich im Ringspalt der Koaxialleitung
das den Kondensatordruck aufweisende Kältemittel zum Abtauen und im
Innenrohr das den Verdampferdruck aufweisende Kältemittel zum Kühlen des
Abschnitts des Verdampfers. Durch die als Koaxialleitung ausgebildete
Kombinationsleitung wird eine optimale Wärmeleitung von dem den Kondensatordruck
aufweisenden Kältemittel
zu der Verdampferoberfläche erzielt.
Während
des Abtauvorgangs wird der Wärmestrom
von den Kühlrippen
zum Verdampferrohr unterbrochen, wobei für den Abtauvorgang dieselben räumlichen
Wärmeleitbedingungen
wie bei der Verdampfung vorliegen. Die Anordnung der Kühlrippen der
Verdampferrohre kann dahingehend auch optimiert werden.
-
Bei
der erfindungsgemäßen abschnittsweisen
Anordnung von Verdampferleitungen und Abtauleitungen im Verdampfer,
beispielsweise in der Ausführung
als Kombinationsleitung, muss die Verdampferleitung in mehrere der
Anzahl der notwendigen Abschnitte des Verdampfers entsprechenden
Anzahl von parallelen Zweige aufgeteilt werden. Dies ist deshalb
erforderlich, da ansonsten ein Großteil der gesamten Verdampferleistung
dem abzutauenden Abschnitt entzogen wird, was dazu führt, dass
die Leistung zum Abtauen nicht mehr ausreicht.
-
Bei
der als Koaxialleitung ausgebildeten Kombinationsleitung ist zu
Beginn des Abtauvorgangs eine verstärkte Wärmeleitung von dem als „warmes" Kondensat vorliegenden
und den Kondensatordruck aufweisenden Kältemittel zu dem verdampfenden
Kältemittel
zu verzeichnen. Dadurch verdampft das den Verdampferdruck aufweisende Kältemittel
bereits relativ schnell auf den ersten Zentimetern. Das nunmehr
als Dampf vorliegende Kältemittel
verursacht dann aber einen wesentlich schlechteren Wärmeübergang
von dem sich im Innenrohr befindlichen Kältemittel zu dem sich im Ringspalt
befindlichen Kältemittel,
das als Kondensat vorliegt, weshalb sich dann zunehmend eine Wärmeleitung
zur Verdampferoberfläche
einstellt und diese dadurch enteist wird.
-
Damit
die Unterkühlungsleistung
auch bei Außentemperaturen
unter 0°C
zur Abtauung des Verdampfers ausreicht, wird gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung
der Erfindung der abzutauende Abschnitt abgedeckt. Für diesen
Zweck weist jeder Abschnitt des Verdampfers jeweils eine klappbare
und ggf. thermisch isolierende Abdeckung auf oder es ist eine einzelne
verfahrbare, streifenartige klappbare Abdeckung für alle Abschnitte
des Verdampfers gemeinsam vorgesehen. Für den letzteren Fall erstreckt
sich die auf einem Schlitten angeordnete streifenartige Abdeckung
zwischen den Führungsschienen
einer vorzugsweise elektromotorisch angetriebenen Vortriebseinrichtung.
-
In
einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist die klappbare
Abdeckung und das Absperrventil der Abtauleitung eines Abschnitts
des Verdampfers unter Verwendung einer zentralen Steuer- und Regeleinrichtung
miteinander gekoppelt. Die Ansteuerung der klappbaren Abdeckung
und des Absperrventils erfolgt derart, dass sich die klappbare Abdeckung
und das Absperrventil immer wechselseitig im Öffnungs- und Schließzustand
befinden. Das heißt,
einem zum Zwecke des Abtauens eines Abschnitts des Verdampfers geöffneten
Absperrventil der Abtauleitung ist eine geschlossene Abdeckung zugeordnet.
-
Um
einen luftseitigen Wärmeaustausch
zwischen den einzelnen Abschnitten des Verdampfers zu verhindern,
sind bevorzugt zwischen den einzelnen Abschnitten des Verdampfers
parallel zu den Abtauleitungen sich erstreckende Trennelemente,
beispielsweise Trennbleche, vorgesehen.
-
Erfindungsgemäß umfasst
das Verfahren zum Betrieb des Abtausystems für Verdampfer von Kälteanlagen
und Wärmepumpen
unter Verwendung der Vorrichtungsmerkmale der zuvor beschriebenen Abtauanlage
folgende Verfahrensschritte:
- a. zumindest teilweise
Freigabe des Strömungspfades
der Umgehungsleitung unter Verwendung des als 2-Wege-Ventil ausgebildeten
Verteilpunktes,
- b. Öffnen
des Absperrventils einer Abtauleitung des Verdampfers und Schließen der übrigen Absperrventile
des Verdampfers,
- c. nach erfolgtem Abtauen eines Abschnitts des Verdampfers Wiederholung
des Verfahrensschritts b. für
alle weiteren Abtauleitungen und Verdampferleitungen des Verdampfers
zeitlich nacheinander und
- d. Verschließen
des Strömungspfades
der Umgehungsleitung unter Verwendung des als 2-Wege-Ventil ausgebildeten
Verteilpunktes.
-
Alternativ
kann eine abschnittsweise Abtauung des Verdampfers ohne einer Unterbrechung
des Kühl-
oder Wärmepumpenbetriebs
bei vollständiger Freigabe
des Strömungspfades
der Umgehungsleitung und bei vollständigem Verschließen des
Strömungspfades
der Ringleitung unter Verwendung des als 2-Wege-Ventil ausgebildeten
Verteilpunktes erfolgen.
-
Erfindungsgemäß lässt sich
ferner auch eine gleichzeitige Abtauung aller Abschnitte des Verdampfers
durch ein gleichzeitiges Öffnen
aller Absperrventile der Abtauleitungen des Verdampfers realisieren.
Diese Betriebsweise eignet sich vorzugsweise für den Übergangsbereich, um einem Gefrieren
vorzubeugen. Durch eine Erhöhung
der gesamten Verdampferoberflächentemperatur
wird bei bestimmten klimatischen Bedingungen ein Gefrieren der kondensierten
Luftfeuchtigkeit verhindert.
-
Bei
einer leistungsgeregelten Wärmepumpe muss
der Verdampfer nicht größer dimensioniert
werden, da die maximale Leistung im Temperaturbereich, in dem ein
Zufrieren auftritt, nicht benötigt
wird. Bei Temperaturen um 0°C
wird etwa die halbe Nennleistung benötigt. Die Mehrleistung, die
durch die größere Kondensatunterkühlung benötigt wird,
kann deshalb ohne Mehraufwand leicht mit aufgenommen werden.
-
Das
erfindungsgemäße Abtausystem
für Verdampfer
von Kälteanlagen
und Wärmepumpen lässt sich
auch besonders vorteilhaft in Verbindung mit einem leistungsgeregelten
Verdichter sowie natürlichen
Kältemitteln,
beispielsweise CO2, nutzen.
-
Die
signifikanten Vorteile und Merkmale der Erfindung gegenüber dem
Stand der Technik sind im Wesentlichen:
- • energetisch
und anlagentechnisch effizienter Abtauprozess,
- • das
für den
Abtauprozess erforderliche Kältemittel
wird nach dem Abtauprozess vollständig verdampft, wodurch eine
Gefährdung
der Verdichter durch zum Teil flüssiges
Kältemittel
verhindert wird,
- • es
werden keine zusätzlichen
Komponenten, wie z. B. Sammelbehälter,
Pumpe, Heizstäbe, Phasentrenner
oder Wärmespeicher,
benötigt,
- • der
Abtauprozess kann während
des Kälte-
bzw. Wärmepumpenbetriebs
durchgeführt
werden,
- • durch
Verwendung von als Koaxialrohren ausgebildeten Kombinationsleitungen
wird eine effiziente Wärmeübertragung
zwischen dem im Ringspalt des Koaxialrohrs strömenden Kondensat und der Verdampferoberfläche erzielt
und
- • durch
Platzierung mehrerer voneinander unabhängig mit „warmen" Kondensat beaufschlagbaren Abtauleitungen
im Verdampfer kann dieser sowohl vollständig als auch abschnittsweise
abgetaut werden.
-
Weitere
Merkmale und Vorteile der Erfindung erschließen sich dem Fachmann des Weiteren
aus der folgenden detaillierten Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen
im Hinblick auf die anliegenden Zeichnungen; in diesen zeigen:
-
1:
Anlagenschema eines erfindungsgemäßen Abtausystems für Verdampfer
von Kälteanlagen
und Wärmepumpen,
-
2:
Detaildarstellung des Verdampfers von Kälteanlagen und Wärmepumpen
mit kondensatorseitigen Absperrventilen gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung,
-
3:
Detaildarstellung des Verdampfers von Kälteanlagen und Wärmepumpen
mit kondensatorseitigen und verdampferseitigen Absperrventilen gemäß einer
weiteren bevorzugten Ausgestaltung sowie
-
4:
Detaildarstellung des Verdampfers von Kälteanlagen und Wärmepumpen
unter Verwendung von Kombinationsrohren mit kondensatorseitigen
Absperrventilen gemäß einer
weiteren bevorzugten Ausgestaltung.
-
Die 1 illustriert
ein Anlagenschema eines erfindungsgemäßen Abtausystems für Kälteanlagen
und Wärmepumpen
am Beispiel einer Kompressionskältemaschine
mit einstufiger Verdichtung. Die Kompressionskältemaschine umfasst in Strömungsrichtung
des Kältemittels
im Wesentlichen einen Verdampfer 4, einen beispielsweise
elektromotorisch angetriebenen Verdichter 2, einen Verflüssiger 1 sowie
ein Expansionsorgan 3, die unter Verwendung einer Ringleitung 7.2 miteinander
verbunden sind. Ferner sind ein Ventilator 6 sowie zur
Regelung der Kompressionskältemaschine
noch eine nichtdargestellte elektrische Schaltanlage und nicht dargestellte
Regel- und Hilfseinrichtungen vorgesehen. Gemäß der aus dem Stand der Technik
vorbekannten Schaltungsanordnung der Kälteanlagen ist der Ausgang
des Verdampfers 4 mit der Niederdruckseite des Verdichters 2,
die Hochruckseite des Verdichters 2 mit dem Eingang des
Verflüssigers 1,
der Ausgang des Verflüssigers 1 mit
der Hochdruckseite des Expansionsorgans 3 und die Niederdruckseite
des Expansionsorgans 3 mit dem Eingang des Verdampfers 4 mittels
der Ringleitung 7.2 miteinander gekoppelt. Das Kältemittel
durchläuft
einen Kreisprozess, wobei es im Verdampfer 4 unter Abgabe
einer Kälteleistung
verdampft wird, nachfolgend im Verdichter 2 auf Kondensatordruck
verdichtet wird, anschließend im
Verflüssiger 1 unter
Abgabe der Kondensationswärme
verflüssigt
wird und abschließend
im Expansionsorgan 3 wieder auf Verdampferdruck entspannt wird.
Das erfindungsgemäße Abtausystem
umfasst ein als 2-Wege-Ventil ausgebildetes Mehrwege-Ventil 5 als
Verteilpunkt 14, eine Umgehungsleitung 7.1 sowie
eine spezielle, an anderer Stelle näher beschriebene Ausgestaltung
des Verdampfers 4. Das 2-Wege-Ventil weist drei Anschlüsse 5.1 bis 5.3 auf, von
denen ein erster zulaufseitiger Anschluss 5.1 mit dem Ausgang
des Verflüssigers 1,
ein zweiter ablaufseitiger Anschluss 5.3 unter Verwendung
des Vorlaufs der Umgehungsleitung 7.1 mit dem Verdampfer 4 und
ein dritter ablaufseitiger Anschluss 5.2 mit dem Eingang
des Expansionsorgans 3 gekoppelt sind. Ferner ist ein Rücklauf der
Umgehungsleitung 7.1 vorgesehen, der sich vom Verdampfer 4 bis
zu einem Mischpunkt 13 erstreckt, wobei der Mischpunkt 13 auf
der Ringleitung 7.2 zwischen dem dritten ablaufseitigen
Anschluss 5.2 des 2-Wege-Ventils 5 und dem Eingang
des Expansionsorgans 3 platziert ist. Der in den 2 bis 4 detailliert
dargestellte und in der nachfolgenden Beschreibung offenbarte Verdampfer 4 weist
mehrere Abtauleitungen 4.2 auf, wobei diese Abtauleitungen 4.2 eingangsseitig
am Verdampfer 4 mit dem Vorlauf der Umgehungsleitung 7.1 und
ausgangsseitig am Verdampfer 4 mit dem Rücklauf der
Umgehungsleitung 7.1 gekoppelt sind. Bei der Verwendung
von mehreren im Verdampfer 4 platzierten Abtauleitungen 4.2 hat
es sich als besonders vorteilhaft erwiesen, wenn dem Verdampfer 4 eingangsseitig
ein Kondensatverteiler 10 und ausgangsseitig ein Kondensatsammler 9 vorgeschaltet
ist. Jede einzelne Abtauleitung 4.2 ist gemeinsam mit einer
benachbarten Verdampferleitung 4.1 einem Abschnitt des
Verdampfers 4 zugeordnet bzw. bilden gemeinsam einen Abschnitt.
Der Kondensatverteiler 10 und der Kondensatsammler 9 weisen
jeweils mehrere Stutzen bzw. Abzweige auf, an denen die Abtauleitungen 4.2 unter
Verwendung von nicht näher
beschriebenen Rohrabschnitten in den Kondensatverteiler 10 und
den Kondensatsammler 9 eingebunden sind. Zwischen dem Verdampfer 4 und
dem Kondensatsammler 9 sind mehrere Absperrventile 8 vorgesehen,
die zur Umgehung einzelner Abschnitte des Verdampfers 4,
respektive Absperrung einzelner Abtauleitungen 4.2, eingesetzt
werden. In jedem einzelnen dieser Abschnitte des Verdampfers 4 kann
die notwendige Unterkühlungsleistung
für den
gesamten Verdampfer 4 sowie der Anteil der Verdampferleistung
abgegeben werden. Durch Absperren einzelner Absperrventile 8 können wahlweise
ein oder ggf. mehrere Abschnitte des Verdampfers 4 gleichzeitig abgetaut
werden.
-
Für den Fall,
dass alle Abschnitte des Verdampfers 4 gleichzeitig abgetaut
werden, ist es notwendig, die einzelnen Teilvolumenströme in den
einzelnen Abtauleitungen 4.2 hydraulisch abzugleichen. Hierzu
sind die Absperrventile 8 als Regelventile ausgebildet
und werden in Abhängigkeit
des diesem Abschnitt des Verdampfers zugehörigen Druckverlustes unterschiedlich
vorgedrosselt, um einen gleichen Druckabfall über alle Abtauleitungen 4.2,
einschließlich
der Umgehungsleitung 7.1, zu erzielen. Eine weitere Möglichkeit,
einen gleichen Druckabfall über
allen Abtauleitungen, einschließlich
der Umgehungsleitung 7.1, zu erzielen, besteht ferner darin,
den Vorlauf und den Rücklauf
der Umgehungsleitung 7.1 an den Kondensatverteiler 10 und
an den Kondensatsammler 9 gemäß dem Prinzip der gleichen
Weglängen
wechselseitig anzuschließen.
-
Die
Absperrventile bzw. die Regelventile 8 können manuell
oder bevorzugt elektromotorisch betätigt werden. Im letzteren Fall
sind die zugehörigen Stellmotore
der Absperrventile 8 unter Verwendung von Signalleitungen
mit einer nicht dargestellten Steuer- und Regeleinrichtung gekoppelt
und werden durch diese mit einem Steuersignal beaufschlagt. Das
ebenso mit dieser Regeleinrichtung gekoppelte und als Verteiler
ausgebildete 2-Wege-Ventil 5 weist zwei Strömungspfade
auf. Ein erster Strömungspfad erstreckt
sich vom eingangsseitigen ersten Anschluss 5.1 bis zum
ausgangsseitigen Anschluss 5.2. Für den Fall, dass dieser erste
Strömungspfad
vollständig
geöffnet
ist, strömt
das Kältemittel
unter Verwendung der Ringleitung 7.2 im konventionellen Kühlbetrieb
im Kreislauf durch den Verdampfer 4, den Verdichter 2,
den Verflüssiger 1,
das 2-Wege-Ventil 5 und anschließend das Expansionsorgan 3.
Außerdem
weist das 2-Wege-Ventil 5 einen zweiten Strömungspfad
auf, der sich vom eingangsseitigen ersten Anschluss 5.1 bis
zum ausgangsseitigen Anschluss 5.3 erstreckt. Für den Fall,
dass dieser zweite Strömungspfad
vollständig
geöffnet
ist, strömt das
Kältemittel
bei geöffneten
Absperrventilen 8 sowohl im Abtaubetrieb als auch im Kühl- bzw.
Wärmepumpenbetrieb – ausgehend
vom 2-Wege-Ventil 5 – über den
Vorlauf der Umgehungsleitung 7.1 zum Verdampfer 4,
vom Verdampfer 4 über
den Rücklauf
der Umgehungsleitung 7.1 zum Mischpunkt 13, mündet dort
in die Ringleitung 7.2 und strömt über den Verdampfer 4 zum
Verdichter 2, weiter durch den nachfolgend angeordneten
Verflüssiger 1 und
den Kältekreislauf
schließend
bis zum 2-Wege-Ventil 5. Es versteht sich für den Fachmann,
dass das 2-Wege-Ventil 5 auch jede Öffnungsstellung zwischen dem
ersten und dem zweiten Strömungspfad
stetig einnehmen kann. Dabei fließt in jedem Strömungspfad
jeweils ein vorgebbarer Kältemittelteilvolumenstrom.
Der Ventilkegel des 2-Wegeventils 5 kann mit linearer, quadratischer
oder gleichprozentiger Ventilkennlinie ausgeführt sein, und zwar auf beiden
Seiten gleich, d. h. symmetrisch oder unterschiedlich, d. h. unsymmetrisch.
Je nach Abtaubedarf des Verdampfers 4 kann das Verhältnis der
Kältemittelteilvolumenströme zugunsten
einer größeren Freigabe
des Anschlusses 5.3 des 2-Wege-Ventils 5 variiert
werden. Bei jeder Stellung des Ventilkegels des 2-Wege-Ventils 5,
bei dem der zweite Strömungspfad
nicht vollständig
geschlossen ist, also der Anschluss 5.3 zumindest teilweise
geöffnet
ist, kann die als Kompressionskältemaschine
ausgebildete Kälteanlage
gleichzeitig sowohl im Abtaubetrieb zum Abtauen des Verdampfers 4 als
auch im Kühlbetrieb,
respektive Mischbetrieb, arbeiten. Es ist hierbei jedoch zu berücksichtigen, dass
die notwendige Verdampferleistung im Abtaubetrieb um die Unterkühlungsleistung
höher ist
und dadurch der Verdampfer eventuell größer ausgelegt werden muss.
Das Kältemittel
hat nämlich
dann beim Eintritt in den Verdampfer eine geringere Enthalpie als
ohne Kondensatunterkühlung,
was zur vollständigen
Verdampfung ausgeglichen werden muss. Je weiter der Anschluss 5.3 geöffnet ist,
desto größer ist der
Teilvolumenstrom, welcher während
des Abtauens des Verdampfers 4 in den Abtauleitungen 4.2 des Verdampfers 4 unterkühlt wird.
Während
des Mischbetriebs vereinigen sich die beiden, eine unterschiedliche
Temperatur aufweisenden Kältemittelteilvolumenströme zu dem
Kältemittelgesamtvolumenstrom. Wie
der 1 zu entnehmen ist, können auf der Niederdruckseite
der Kompressionskältemaschine
stets nur der Kältemittelgesamtvolumenstrom
und auf der Hochdruckseite sowohl der Kältemittelgesamtvolumenstrom
als auch die beiden Kältemittelteilvolumenströme strömen. Der
Verdampfer 4 wird in seiner Einbauposition bevorzugt geneigt
ausgerichtet, so dass das entstehende Tauwasser sich an einem Punkt
sammelt und von diesem Punkt betriebssicher abgeführt werden
kann. Nachfolgend werden drei bevorzugte Ausgestaltungen des Aufbaus
des Verdampfers 4 anhand der 2 bis 4 beschrieben.
-
Die 2 zeigt
eine Detaildarstellung des Verdampfers 4 der Kälteanlage
mit Ventilator und kondensatorseitigen Absperrventilen gemäß einer bevorzugten
Ausgestaltung. Bei dieser Ausgestaltung der Erfindung weist der
Verdampfer 4 sieben Abtauleitungen 4.2 und sechs
Verdampferleitungen 4.1 auf, die jeweils mit longitudinal
sich erstreckenden Lamellen bestückt
sind und alternierend und parallel zueinander im Verdampfer 4 platziert
sind. Versuchsreihen haben ergeben, dass bei einer Wärmepumpe
mit 10 kW Heizleistung, entspricht ca. 9 kW Verdampferleistung,
etwa 2,5 kW Unterkühlungsleistung
zur Verfügung
stehen. Allein zum Abtauen des gesamten Verdampfers 4 ist
bei einer angenommenen Abtaugüte
von 0,5 etwa 1,2 kW Unterkühlungsleistung
notwendig. Der Verdampfer 4 ist für diesen Fall in 7 Abschnitte
aufzuteilen, wobei jedem einzelnen Abschnitt des Verdampfers 4 die
notwendige Unterkühlungsleistung
für den
gesamten Verdampfer 4 zuzüglich der Verdampferleistung „eines
Abschnittes" zur
Verfügung
gestellt wird. Die Verdampferleitungen 4.1 und die Abtauleitungen 4.2 erstrecken sich
jeweils U-förmig über nahezu
die gesamte Breite des Verdampfers 4, wobei jeweils die
Vorläufe
und die Rückläufe der
Verdampferleitungen 4.1 sowie die Vorläufe und die Rückläufe der
Abtauleitungen 4.2 wechselseitig zueinander platziert sind,
d. h. an den sich gegenüberliegenden
Seiten des Verdampfers 4, beginnen bzw. enden.
-
An
der vom Betrachter rechten Seite des Verdampfers 4 sind
der Verdampfersammler 11 und der Verdampferverteiler 12 platziert,
die sich im Wesentlichen orthogonal zur Durchströmungsrichtung der Luft durch
den Verdampfer 4 erstrecken. Der Verdampferverteiler 12 ist
hierbei unter Verwendung der Ringleitung 7.2 gemäß 1 einerseits
mit Ausgang, d. h. der Niederdruckseite, des Expansionsorgans 3 und
andererseits mit den einzelnen Vorläufen der Verdampferleitungen 4.1 verbunden.
Der Verdampfersammler 11 hingegen ist mit den Rückläufen der einzelnen
Verdampferleitungen 4.1 und gemäß 1 unter
Verwendung der Ringleitung 7.2 mit der Saugseite des Verdichters 2 verbunden.
An der vom Betrachter linken Seite des Verdampfers 4 sind
der Kondensatsammler 9 und der Kondensatverteiler 10 platziert,
die sich im Wesentlichen orthogonal zur Durchströmungsrichtung der Luft durch
den Verdampfer 4 erstrecken. Der Kondensatverteiler 10 ist hierbei
gemäß 1 einerseits
mit dem Vorlauf der Umgehungsleitung 7.1 und andererseits
mit den einzelnen Vorläufen
der Abtauleitungen 4.1 verbunden. Der Kondensatsammler 9 ist
hierbei gemäß 1 einerseits
mit dem Rücklauf
der Umgehungsleitung 7.1 und andererseits mit den Rückläufen der
einzelnen Abtauleitungen 4.2 verbunden. Zwischen den einzelnen
Rückläufen der einzelnen
Abtauleitungen 4.2 und dem Kondensatsammler 9 sind
außerhalb
des Verdampfers 4 jeweils Absperrventile 8 angeordnet, die
zur Sicherstellung des hydraulischen Abgleichs sowie zur abschnittsweisen
Abtauung des Verdampfers 4 vorgesehen sind. Zur abschnittsweisen
Abtauung wird die einem beliebigen Abschnitt zugeordnete Abtauleitung 4.2 unter
Verwendung des zugehörigen Absperrventils 8 geöffnet und
die übrigen
Absperrventile 8 geschlossen. Die Abtauung der einzelnen Abschnitte
des Verdampfers 4 erfolgt bevorzugt nacheinander, kann
jedoch gleichzeitig erfolgen. Sowohl der Kondensatsammler 9 und
-verteiler 10 als auch der Verdampfersammler 11 und
-verteiler 12 können
im Querschnitt und in der Materialbeschaffenheit beliebig ausgebildet
sein. In der Praxis würde man
hierfür
zweckmäßigerweise
einen druck- und temperaturbeständigen
Kunststoff oder ein Leichtmetall wählen.
-
Die 3 zeigt
eine Detaildarstellung des Verdampfers 4 der Kälteanlage
mit kondensatorseitigen und verdampferseitigen Absperrventilen 8 gemäß einer
weiteren bevorzugten Ausgestaltung. Der Aufbau des Verdampfers 4 entspricht
im Wesentlichen dem der 2. Der Unterschied gegenüber 2 besteht
jedoch darin, dass zwischen dem Verdampfersammler 11 und
den einzelnen Verdampferleitungen 4.1 jeweils zusätzliche
Absperrventile 8 platziert sind. Da, wie bereits erwähnt, die
Verdampferleitungen 4.1 und die Abtauleitungen im Verdampfer 4 alternierend,
d. h. Verdampferleitungen 4.1 und Abtauleitungen 4.2 abwechselnd
nebeneinander, platziert sind, ist es zum Zwecke eines vollständigen Abtauens
eines Abschnitts des Verdampfers 4 besonders vorteilhaft,
dass die unmittelbar neben den Abtauleitungen 4.2 angeordneten
Verdampferleitungen 4.1 nicht Kältemittel führend geschaltet werden. Ursächlich dafür ist die
Tatsache zu nennen, dass die relativ große Temperaturdifferenz zwischen
der Verdampfungstemperatur des Kältemittels
der Verdampferleitungen 4.1 und der Temperatur des zu unterkühlenden
Kältemittelkondensats
ein vollständiges
Abtauen des Verdampfers 4 behindert. Für diesen Zweck werden während des
Abtauens eines beliebigen Abschnitts des Verdampfers 4 die
in diesem Abschnitt platzierten Verdampferleitungen 4.1 mittels der
zugehörigen
verdampferseitigen Absperrventile 8 verschlossen, während die übrigen Absperrventile 8 geöffnet sind.
Da bei dieser Ausgestaltung der Erfindung immer ein Abschnitt des
Verdampfers 4 nicht zum Verdampfen des Kältemittels
zur Verfügung steht,
ist zu berücksichtigen,
dass der Verdampfer 4 um den Anteil eines Abschnitts überdimensioniert werden
muss. Dem stehen jedoch die Vorteile gegenüber, dass auch eine Abtauung
des Verdampfers 4 während
des Kühlbetriebs
oder Wärmepumpenbetriebs
möglich
ist und nur ein Expansionsorgan 3 und kein zusätzlicher
Speicher und Phasentrenner (gasförmig/flüssig) benötigt werden.
-
Die 4 illustriert
eine Detaildarstellung des Verdampfers 4 der Kälteanlage
unter Verwendung von Kombinationsrohren mit kondensatorseitigen
Absperrventilen gemäß einer
weiteren bevorzugten Ausgestaltung. Außerhalb des Verdampfers 4 sind
wiederum je ein an die Umgehungsleitung 7.1 angeschlossener
Kondensatverteiler 10 und -sammler 9 und je ein
an die Ringleitung 7.2 angeschlossener Verdampferverteiler 12 und
-sammler 11 platziert. Zwischen dem Kondensatsammler 9 und
dem Verdampfer 4 sind in den Abtauleitungen 4.2 Absperrventile 8 angeordnet,
mit denen einzelne Abtauleitungen 4.2 Kältemittel führend geschaltet werden können. Der
Aufbau des Verdampfers 4 unterscheidet sich gegenüber dem
Aufbau der Verdampfer 4 in den 1 und 2 dahingehend,
dass die Verdampferleitungen 4.1 und die Abtauleitungen 4.2 nicht
alternierend, also abwechselnd nebeneinander platziert sind, sondern
jeweils eine Verdampferleitung 4.1 und eine Abtauleitung 4.2 als
Kombinationsleitung 4.3 ausgebildet sind. Im dargestellten
Beispiel weist der Verdampfer 4 sechs als Koaxialrohr,
also Rohr-in-Rohr ausgebildete Kombinationsleitungen 4.3 auf,
die im Verdampfer 4 nebeneinander und dabei orthogonal
zur Strömungsrichtung
der den Verdampfer 4 durchströmenden Luft platziert sind.
Jedes Koaxialrohr ist einem Abschnitt im Verdampfer 4 zugeordnet,
in welchem Kältemittel
verdampft wird und welcher zur Unterkühlung, also zum Abtauen, eingesetzt
wird. Das den Verdampferdruck aufweisende Kältemittel befindet sich hierbei
im Innenrohr und das als Kondensat vorliegende und den Kondensatordruck
aufweisende Kältemittel
in dem das Innenrohr ummantelnde Außenrohr. Der Vorteil der Verwendung
von zur Abtauung und Verdampfung genutzten Koaxialrohren besteht
in der guten Wärmeübertragung
zwischen dem Kondensat und der Verdampferoberfläche. Es sind des Weiteren gleiche
Wärmeleitbedingungen
für die
Abtauung und die Wärmeaufnahme
bei der Verdampfung zu verzeichnen, wobei die Anordnung der Lamellen
der Koaxialrohre zur Erhöhung
der Wärmeleitbedingen
noch zusätzlich
optimiert werden kann. Wie bei den zuvor beschriebenen Ausgestaltungen
der Verdampfer 4 gemäß der 1 und 2,
besteht auch bei dem Verdampfer 4 gemäß 4 die Möglichkeit,
den Verdampfer 4 abschnittsweise abzutauen. Um bei Außenlufttemperaturen
unter 0°C
noch eine ausreichende Unterkühlungsleistung
zum Abtauen eines Abschnitts oder mehrere Abschnitte bereitzustellen,
muss der Abschnitt, der gerade abgetaut wird, abgedeckt werden. Zur
Abdeckung werden vorzugsweise Klappen eingesetzt, die motorisch
angesteuert werden. Erfindungsgemäß ist für jeden eine Kombinationsleitung 4.3 aufweisenden
Abschnitt entweder jeweils eine fest angeordnete Abdeckung, oder
eine einzelne verfahrbare streifenartige Abdeckung für alle Abschnitte gemeinsam
vorgesehen. Für
den letzteren Fall erstreckt sich die auf einem Schlitten angeordnete streifenartige
Abdeckung zwischen den Führungsschienen
einer elektromotorisch angetriebenen Vortriebseinrichtung. Es hat
sich als besonders vorteilhaft erwiesen, wenn die einem Abschnitt
zugeordnete oder einen Abschnitt abdeckende Klappe und das zugehörige Absperrventil 8 regelungstechnisch
unter Verwendung einer nicht dargestellten zentralen Steuer- und
Regeleinrichtung miteinander gekoppelt werden. Während des Abtauvorgangs eines
Abschnittes des Verdampfers 4 öffnet das zugehörige Absperrventil 8,
so dass das als Kondensat vorliegende Kältemittel durch die Abtauleitung 4.2 fließt, dort
unterkühlt
wird und damit diesen Verdampferabschnitt abtaut. Gleichzeitig schließt die den
abzutauenden Abschnitt des Verdampfers 4 überdeckende Klappe
und verhindert so einen großflächigen Kontakt
dieses Abschnitts mit der Umgebungsluft. Um während des Abtauvorgangs zu
verhindern, dass das Kombinationsrohr 4.3 von kalter Umgebungsluft
angeströmt
wird, werden die Lamellen des Verdampfers parallel zur Längsachse
der Kombinationsrohre 4.3 ausgerichtet. In denjenigen Abschnitten
des Verdampfers 4, die gerade nicht abgetaut werden, wirkt
das „stehende" als Kondensat vorliegende
Kältemittel
als Isolator, was dazu führt,
dass eine niedrigere Verdampfungstemperatur erforderlich ist.
-
- 1
- Verflüssiger
- 2
- Verdichter
- 3
- Expansionsorgan
- 4
- Verdampfer
- 4.1
- Verdampferleitung
- 4.2
- Abtauleitung
- 4.3
- Kombinationsleitung
- 5
- Mehrwege-Ventil
- 5.1
- eingangsseitiger
Anschluss
- 5.2
- ausgangsseitiger
Anschluss
- 5.3
- ausgangsseitiger
Anschluss
- 6
- Ventilator
- 7
- Verbindungsleitung
- 7.1
- Umgehungsleitung
- 7.2
- Ringleitung
- 8
- Absperrventil
- 9
- Kondensatsammler
- 10
- Kondensatverteiler
- 11
- Verdampfersammler
- 12
- Verdampferverteiler
- 13
- Mischpunkt
- 14
- Verteilpunkt