DE102005049950A1

DE102005049950A1 - Verfahren zur Erzeugung tiefer Temperaturen und eine danach arbeitende Kaskadenkälteanlage

Info

Publication number: DE102005049950A1
Application number: DE200510049950
Authority: DE
Inventors: Andre Wolf; Jürgen Janusch; Olaf Roth
Original assignee: KAELTECONCEPT GmbH; Kalteconcept GmbH
Current assignee: KAELTECONCEPT GmbH; Kalteconcept GmbH
Priority date: 2005-10-19
Filing date: 2005-10-19
Publication date: 2007-04-26
Anticipated expiration: 2025-10-20
Also published as: DE102005049950B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung tiefer Temperaturen für die Schockfrostanwendung und Tiefkühllagerung von Lebensmitteln im Bereich von -18 DEG C bis -50 DEG C und eine danach arbeitende Kaskadenkälteanlage. DOLLAR A Das Merkmal der Erfindung besteht darin, daß sowohl der CO¶2¶-Niedertemperaturkreislauf als auch der NH¶3¶-Hochtemperaturkreislauf der Kälteanlage in Trockenexpansion ausgeführt wird. Damit erfolgt unter Anwendung des Trockenexpansionsverfahrens der Einsatz ausschließlich natürlicher umweltverträglicher Kältemittel in beiden Temperaturstufen einer Kaskadenkälteanlage zur Erzeugung tiefer Temperaturen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung tiefer Temperaturen für die Schockfrostanwendung und Tiefkühllagerung von Lebensmitteln im Bereich von –18°C bis –50°C und eine danach arbeitende Kaskadenkälteanlage
Derartige Anlagen umfassen meistens mehrere thermisch gekoppelte Kältemittelkreisläufe. Bei den meisten bekannten Anlagen ist die Erzeugung von tiefen Temperaturen nur bei sehr hohen Drücken und/oder bei Verwendung von brennbaren Kältemitteln möglich.

Bekannt ist eine solche Anlage aus der EP 0851 183 A2 , bei der mindestens zwei, vorzugsweise drei Kältemittelkreisläufe vorgesehen sind, wobei die thermische Kopplung über Wärmetauscher erfolgt und das eines jeden nachgeschalteten Kältemittelkreislaufs im Wärmetauscher über das Kältemittel des vorgeschalteten Kältemittelkreislaufs vorgekühlt wird. Die Wärmetauscher dieser Anlage sind als Plattenwärmetauscher ausgeführt und arbeiten im Gegenstrom. Dadurch ist eine verlustarme Wärmeübertragung in den Wärmetauschern möglich, was die Erzielung einer tiefen Temperatur im dritten Kältemittelkreislauf begünstigt. Des weiteren wird so die Verdampferseite der zur thermischen Kopplung der Kältemittelkreisläufe dienenden Wärmetauscher jeweils im Bereich des Verdampfers mit der heißen Eingangsseite des Verflüssigers in Verbindung gebracht, so daß auf der einen Seite eine Restverdampfung des Kältemittels und auf der anderen Seite eine weitmöglichste Abkühlung des Kältemittels begünstigt wird.

Als Kältemittel werden eine Pentaflourethan/Triflourethan-Mischung, Triflourethan und Tetraflourethan eingesetzt.

Nachteilig ist neben dem hohen konstruktiven Aufwand für die Anlage, die Verwendung von Kältemitteln mit einem hohen Treibhauspotential.

Nach dem Stand der Technik arbeitet in solchen Anlagen der Hochtemperaturkreislauf bei einer Verdampfungstemperatur die unter der Kondensationstemperatur des Niedertemperaturkreislaufs liegt. Das zu kondensierende Kältemittel aus dem Niedertemperaturkreislauf weist eine relativ starke Überhitzung auf, so daß im Wärmetauscher relativ große Temperaturdifferenzen auftreten.

Nachteilig am Stand der Technik ist, daß mit dem vorgenannten Anlagen in der bekannten Anordnung zur Abfuhr der Wärmemenge aus dem Niedertemperaturkreislauf ein erhöhter Energieverbrauch auf der Hochtemperaturseite erforderlich wird, da die Kälteerzeugung auf der Hochtemperaturseite in Bezug auf die Austrittstemperatur des Kältemittels auf der Niedertemperaturseite bei der Temperatur erfolgt, bei der später die Kondensation des Kältemittels auf der Tieftemperaturseite erfolgen muß. Damit ist die Kälteerzeugung auf der Hochtemperaturseite für die Wärmeabfuhr aus dem Niedertemperaturkreislauf unwirtschaftlich und kann verbessert werden.

Aufgabe der Erfindung ist es nunmehr ein Verfahren zur Erzeugung tiefer Temperaturen und eine danach arbeitende Kaskadenkälteanlage bereitzustellen, die die Nachteile vorbekannter Anlagen beseitigt, einfach in ihrer Konstruktion, kostengünstig in der Herstellung ist sowie mit Kältemitteln, welche ein niedriges Treibhauspotential haben, betrieben werden können.

Gemäß der Aufgabe der Erfindung wird eine Kaskadenkälteanlage mit zwei Kältemittelkreisläufen betrieben, die thermisch miteinander gekoppelt sind, wobei im Niedertemperaturkreislauf als Kältemittel CO₂ und im Hochtemperaturkreislauf NH₃ verwendet wird.

Das Merkmal der Erfindung besteht darin, daß sowohl Der CO₂-Niedertemperaturkreislauf als auch der NH₃-Hochtemperaturkreislauf der Kälteanlage in Trockenexpansion ausgeführt wird. Damit erfolgt erstmalig, unter Anwendung des Trockenexpansionsverfahrens der Einsatz ausschließlich natürlicher umweltverträglichen Kältemittel in beiden Temperaturstufen einer Kaskadenkälteanlage zur Erzeugung tiefer Temperaturen.

Die CO₂-NH₃-Kaskadenkälteanlage dient zur wirtschaftlichen und umweltfreundlichen Erzeugung niedriger Raumtemperaturen für die Schockfrostanwendung und Tiefkühllagerung von Lebensmitteln. Der Anwendungsbereich ist mit Raumtemperaturen zwischen –18°C und –50°C definiert.

Gegenüber den am Markt weit verbreiteten HFKW-Kältesystemen für gewerbliche Anwendungen im kleinen bis mittleren Leistungsbereich (10–200 kW) bietet die CO₂-NH₃-Kaskadenkälteanlage entscheidende Vorteile. Die Kombination von CO₂ und NH₃ ermöglicht einen energieeffizienten Betrieb und damit deutliche wirtschaftliche Vorteile bei gleichzeitig hervorragenden Umwelteigenschaften.

Nachfolgend soll die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispieles näher erläutert werden. Es zeigen
1 – Schema der erfindungsgemäßen Kaskadenkälteanlage
2 – Komponenten der Kühlstelle
Die CO₂-NH₃-Kaskadenkälteanlage – 1 – besteht aus zwei stofflich getrennten, thermisch gekoppelten einstufigen Kälteanlagen. Der sogenannte Niedertemperaturkreis I dient der eigentlichen Nutzkälteerzeugung und wird mit dem natürlichen Kältemittel (CO₂) betrieben. Im Hochtemperaturkreis II wird die Kondensationswärme des Niedertemperaturkreises I aufgenommen, und diese zusammen mit der Kompressorantriebsleistung an die Umgebung als Verflüssigungswärme wieder abgegeben. Im Hochtemperaturkreis II wird das natürliches Kältemittel (NH₃) verwendet.
Das direkt expandierte Kältemittel CO₂ (R 744) verdampft im Niedertemperaturkreis I durch Wärmeaufnahme im Nutzraumverdampfer 24 (2). Durch diese Wärmeaufnahme wird die Kühlstelle 25, z.B. Schockfrostraum oder Tiefkühllager; gekühlt. Die Regelung des Kältemittelmassenstromes wird durch ein elektronisches Expansionsventil 22 anhand der am Verdampferaustritt gemessenen Überhitzung des gasförmigen Kältemittels vorgenommen. Das Stellsignal dazu liefert die Kombination von Druckmeßumformer 23 in Einheit mit einem Temperaturfühler. Es wird das Prinzip der trockenen Verdampfung angewandt.
Anschließend durchströmt der trockene Kältemitteldampf einen Gegenstromwärmetauscher 21 und wird darin weiter überhitzt. Der Wärmetauscher kann, wie in der 1 dargestellt, als Rohr- oder auch als Platten-Wärmetauscherapparat ausgeführt sein. Es wird eine stetige Unterkühlung des im Gegenstrom fließenden flüssigen Kältemittel vor dem Expansionsventil 11 erzielt. Zum zweiten wird durch diesen Apparat die Gefahr von Flüssigkeitsschlägen bei schnellem Lastwechsel an der Kühlstelle minimiert. Über ein Rohrleitungssystem wird vom Verdichter 13 das gasförmige CO₂ zur Kaskadenkältemaschine abgesaugt und verläßt damit die Kühlstelle 25.
Der Niedertemperaturkreis-Verdichter 13 verdichtet den Kältemitteldampf auf Niedertemperaturkreis-Kondensationsdruck. Der Niedertemperaturkreis-Verdichter 13 kann in halbhermetischer oder offener Bauform ausgeführt sein. Es wird größtenteils das dargestellte Hubkolbenprinzip, aber auch das Schraubenverdichterprinzip angewendet. Das Stellsignal für die Leistungsregelung des Verdichters 13 kann über einen saugseitigen Druckmeßumformer 20 ermittelt werden.
Durch einen dem Verdichter 13 nachgeschalteten Ölabscheider 15 wird das aus dem Verdichter 13 mitgerissene Öl vom Kältemittelgas getrennt. Eine Ölverschleppung in die Anlage wird so vermindert, und das Öl direkt zum Verdichter 13 zurückgeführt.
Im Druckgasenthitzer 16 wird das heiße Druckgas durch Wärmeabgabe an die Umgebungsluft gekühlt. Der Enthitzer 16 kann ebenso als verdunstungsgekühlte oder als wassergekühlte Variante ausgeführt werden. Die Nutzung der abgegebenen Wärme für eine Wärmerückgewinnung zur Brauchwarmwasserbereitung ist ebenso möglich. Bei allen Varianten wird der Enthitzer 16 nach Möglichkeit als Sekundärkreis mit dem Hochtemperaturkreis-Kondensator 5 kombiniert (III).
Das enthitzte Druckgas strömt nun in die Verdampfer-Kondensator-Einheit 11. Die Einheit 11 kann als vollverschweißter Shell-&Plate- oder fusionsgeschweißter Plattenapparat ausgeführt sein. Das gasförmige CO₂ wird durch Wärmeabgabe an das verdampfende NH₃ kondensiert und unterkühlt. Die bereits im Enthitzer 16 abgegebene Enthitzungsleistung braucht dabei nicht mehr als Hochtemperaturkreis-Verdampferleistung bereitgestellt zu werden, und fuhrt damit zur Erhöhung der Wirtschaftlichkeit des Gesamtsystems. Durch das enthitzte Druckgas ist zum zweiten die thermische Belastung der Verdampfer-Kondensator-Einheit 11 deutlich vermindert.
Der nachfolgende isolierte Kältemittelsammler 17 dient zur Bevorratung des flüssigen unterkühlten Kohlendioxids. Im Mantelraum befindet sich ein weiterer Rohrwärmetauscher. Das Behältervolumen ist für die Aufnahme der kompletten CO₂-Füllmenge ausgelegt. Über die Flüssigkeitsleitung wir das flüssige CO₂ über den Gegenstromwärmetauscher 21 unterkühlt, und dem Niedertemperaturkreis-Expansionsventil 22 wieder zugeführt.
Der sichere Betrieb der Kaskadenanlage bei Lastwechsel wird durch ein elektronisch geregeltes Bypass-Ventil 19 im Niedertemperaturkreis I gewährleistet. Im Überlastfall erfolgt ein stetig geregelter Druckausgleich von enthitztem Druckgas in die Saugseite. Der Öffnungsgrad wird in Abhängigkeit des anliegendes Verflüssigungsdruckes am Druckmeßumformer 14 zum Ansprechdruck geregelt.
Im Schwachlastfall wird bei Annäherung des Niedertemperatur-Saugdruckes an den CO₂-Sublimationsdruck ebenso stetig enthitztes Druckgas in die Saugleitung entspannt. Die Bildung von Trockeneis im Rohrsystem wird damit sicher vermieden. Der Öffnungsgrad wird auch im Schwachlastfall in Abhängigkeit des anliegendes Saugdruckes am Druckmeßumformer 20 zum Ansprechdruck geregelt.
Die Steuerung beider Funktionen, deren Ansprechdrücke und Regelkurven, wird über eine speicherprogrammierbare Steuerung realisiert.
Nach Abschalten der Anlage erfolgt durch Wärmeeinströmung ein Druckanstieg im Niedertemperaturkreis I. Um ein Überschreiten des zulässigen Betriebsdrucks zu vermeiden, wird eine separate Kälteeinheit zur Standdruckhaltung 18 eingesetzt. Nach Erreichen des Einschaltdruckes wird gasförmiges Kohlendioxid über die im Kältemittelsammler 17 integrierte Rohrschlange bis zum Erreichen des Ausschaltdruckes verflüssigt. Die eingeströmte Wärme wird folglich wieder an die Umgebung abgegeben.
Die luftgekühlte Kälteeinheit 18 wie auch der interne Rohrwärmetauscher sind exakt auf die Anlagengröße abgestimmt. Als Kältemittel wird natürliches R290 (Propan) verwendet.
Der Hochtemperaturkreislauf II wird als einstufiger Kompressionskälteprozess betrieben. Wie bereits beschrieben, wird in der Kondensator-Verdampfereinheit 11 die bei Verflüssigung und Unterkühlung des CO₂ freiwerdende Wärme im Hochtemperaturkreis II als Verdampfungswärme vom NH₃ aufgenommen. Es wird das Prinzip der trockenen Verdampfung angewendet. Das im Gegenstrom zum CO₂ strömende NH₃ wird am Verdampferausgang überhitzt. Die Überhitzung dient als Stellsignal für das Expansionsventil 10. Das Ventil kann sowohl thermostatisch wie auch elektronisch ausgeführt werden.
Nach dem Austritt aus dem Verdampfer der Verdampfer/Kondensator-Einheit 11 tritt das Sauggas in einen weiteren Rohrwärmetauscher 9 ein. Dieser dient maßgeblich zum Schutz des Verdichters 1 vor Ansaugen flüssigen Kältemittels. Aus dem Verdampfer mitgerissene Flüssigkeitstropfen werden an der wärmeren Rohrwandung nachverdampft. Das im Gegenstrom fließende flüssige NH₃ wird somit unterkühlt. Der Apparat kann auch als Flüssigkeitsabscheider mit Rohrwendel ausgeführt sein.
Das überhitzte Sauggas wird anschließend vom Verdichter 1 komprimiert. Die Bauform des Verdichters ist ein offener Kolbenverdichter. Es kann aber auch ein Schraubenverdichter zur Anwendung kommen. Ein Saugdruckmeßumformer 12 liefert ein Signal zur Leistungsregelung.
Druckgasseitig ist ein weitere Druckmeßumformer 2 zur Verflüssigungsdruckregelung angebracht. Durch Drehzahlregelung der Ventilatoren am Kondensator 5 wird der Verflüssigungsdruck geregelt. Wie bereits beschrieben ist der Kondensator 5 eine Kombination III mit dem Enthitzer 16 und kann neben der dargestellten luftgekühlten Variante ebenso verdunstungsgekühlt oder wassergekühlt ausgeführt werden.
Vor dem Kondensator 5 kann ein Wärmerückgewinnungswärmetauscher 4 in der Druckleitung integriert werden. Aufgrund der hohen Druckgastemperaturen kann mit der Enthitzungswärme eine effektive Brauchwarmwasserbereitung erfolgen.
Im Kondensator 5 wird anschließend das ggf. enthitzte Druckgas kondensiert, und anschließend über ein Rückschlagventil 6 dem Sammler 8 zugeführt. Aus dem Sammler 8 wird anschließend über den Gegenstromwärmetauscher 9 das Expansionsventil 10 mit flüssigem Kältemittel versorgt.
In der Startphase bei kalten Umgebungstemperaturen ist zur Sammlerdruckregelung ein pilotgesteuertes Regelventil 3 in der Druckleitung installiert. Fällt der Druck unter den Ansprechdruck schließt das Ventil 3, und es strömt Druckgas über ein Differenzdruckventil 7 direkt in den Sammler 8. Mit diesem Druck wird das Expansionsventil 10 aus dem Sammler 8 mit ausreichend flüssigem Kältemittel versorgt.
Alle in 1 dargestellten Komponenten sind zusammen mit dem elektrischen Schaltschrank auf einem gemeinsamen Grundrahmen montiert. Eine wetterfeste Paneelverkleidung ergibt eine kompakte Einheit zur Außenaufstellung. Die Verkleidungspaneele werden je nach Erfordernis schallisoliert ausgeführt.
Die in 2 dargestellten Komponenten gehören zur Baugruppe „Kühlstelle" 25. Es ergibt sich daher die Möglichkeit einer kompakten Anlagengestaltung. Diese Anlage besteht aus nur zwei Hauptbaubaugruppen, welche ausschließlich rohrleitungs- und elektrotechnisch zu verbinden sind.
Die Regelung und Steuerung des kompletten Kaskadensystems wird über eine zentrale speicherprogrammierbare Steuerung im Schaltschrank realisiert. Der Zugriff und die Visualisierung der Soll und Istwerte erfolgt über ein Bedienpaneel an Kaskade und Kühlstelle 25. Der Zugang per Modem für eine Ferndiagnose sowie eine Alarmüberwachung ist ebenso möglich.
Der Schaltschrank umfaßt neben dem weiterhin alle zum Betrieb notwendigen Komponenten wie Frequenzumformer zur Drehzahlregelung, Schütze, Relais und Sicherungselemente.
Im Gegensatz zu bekannten Systemen wird im CO₂- wie auch NH₃-Kreis das Prinzip der trockenen Verdampfung zur Anwendung gebracht. Damit kann die Anlage sehr kompakt und kostengünstig gestaltet werden.

1: Verdichter
2: Druckmeßumformer
3: Regelventil
4: Wärmerückgewinnungstauscher
5: Kondensator
6: Rückschlagventil
7: Differenzdruckventil
8: Kältemittelsammler
9: Gegenstromwärmetauscher
10: Expansionsventil
11: Verdampfer/Kondensator-Einheit
12: Druckmeßumformer
13: Verdichter
14: Druckmeßumformer
15: Ölabscheider
16: Enthitzer
17: Kältemittelsammler
18: Kälteeinheit zur Standdruckhaltung
19: Bypass-Ventil
20: Druckmeßumformer
21: Gegenstromwärmetauscher
22: Expansionsventil
23: Verdampfer
24: Kühlstelle
I: Niedertemperaturkreis
II: Hochtemperaturkreis
III: Kombination Enthitzer/Kondensator

Claims

Verfahren zur Erzeugung tiefer Temperaturen für die Schockfrostanwendung und Tiefkühllagerung von Lebensmitteln im Bereich von –18°C bis –50°C mittels einer Kaskadenkälteanlage, umfassend zwei in sich geschlossenen Kreisläufe, dadurch gekennzeichnet, daß sowohl der mit CO₂-Kältemittel befüllte Niedertemperaturkreislauf (I) als auch der mit NH₃-Kältemittel befüllte Hochtemperaturkreislauf (II) der Kaskadenkälteanlage nach dem Prinzip der Trockenexpansion arbeiten und die Regelung der Kühlmittelmassenströme im Niedertemperatur- und im Hochtemperaturkreis mittels Expansionsventile (10; 22) in Abhängigkeit der Überhitzung der Kältemittel vorgenommen wird.
Verfahren zur Erzeugung tiefer Temperaturen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß durch Veränderung der Drehzahl der an der Kombination (III) von Kondensator (5) und Enthitzer (16) angeordneten Ventilatoren der Verflüssigungsdruck im Hochtemperaturkreis (II) geregelt wird.
Verfahren zur Erzeugung tiefer Temperaturen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die mit Hilfe einer Kombination aus Druckmeßumformer (23) und Temperaturfühler aufgenommenen Meßwerte mittels einer elektronischen Schalteinheit zu einem Stellsignal umgewandelt werden, mit deren Hilfe die Kühlmittelmassenströme geregelt werden.
Verfahren zur Erzeugung tiefer Temperaturen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der trockene Kältemitteldampf einen Gegenstromwärmetauscher (9; 21) durchströmt und darin überhitzt wird.
Kaskadenkälteanlage, nach dem Verfahren gemäß der Ansprüche 1 bis 4 arbeitend, umfassend zwei thermisch gekoppelte Kältemittelkreisläufe, wobei jeder Kreislauf mindestens einen Verdichter, einen Verflüssiger, ein Expansionsventil und einen Verdampfer aufweist und über eine Druckleitung, eine Flüssigkeitsleitung, eine Einspritzleitung und eine Saugleitung geschlossen wird, dadurch gekennzeichnet, daß im Niedertemperaturkreis (I) als Kältemittel CO₂ und im Hochtemperaturkreis (II) als Kältemittel NH₃ eingesetzt wird.
Kaskadenkälteanlage nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß im Hochtemperaturkreis (II) energieeffiziente offene einstufige Verdichter (1) eingesetzt sind.
Kaskadenkälteanlage nach Anspruch 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Hochtemperaturkreis-Kondensator (5) in Kombination (III) mit dem Niedertemperaturkreis-Enthitzer (16) luftgekühlt ausgeführt ist.
Kaskadenkälteanlage nach Anspruch 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß im Hochtemperaturkreis (II) ein Kältemittelsammler (8) zur Pufferung von flüssigem Kältemittel vorgesehen ist.
Kaskadenkälteanlage nach Anspruch 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß im Hochtemperaturkreis (II) ein Wärmerückgewinnungsaustauscher (4) eingesetzt ist.
Kaskadenkälteanlage nach Anspruch 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Niedertemperaturkreis-Verdichter (13) für hohe Verflüssigungsdrücke in halbhermetischer oder offener Bauweise ausgeführt ist.
Kaskadenkälteanlage nach Anspruch 5 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß im Niedertemperaturkreis (I) ein Druckgasenthitzer (16) zur direkten Wärmeabgabe vor der Verdampfer/Kondensator-Einheit (11) angeordnet ist.
Kaskadenkälteanlage nach Anspruch 5 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß im Niedertemperaturkreis (I) ein Kältemittelsammler (17) mit integrierter Rohrschlange eingesetzt ist.
Kaskadenkälteanlage nach Anspruch 5 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß zum Schutz vor Flüssigkeitsschlägen sowie zur zusätzlichen Unterkühlung des flüssigen Kältemittels im Niedertemperaturkreis (I) ein Sauggaswärmetauscher (21) eingesetzt ist.
Kaskadenkälteanlage nach Anspruch 5 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß im Niedertemperaturkreis (I) zur Überlast- und Schwachlastregelung ein stetig regelndes elektronisches Bypaßventil (19) angeordnet ist.
Kaskadenkälteanlage nach Anspruch 5 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß im Niedertemperaturkreis (I) zur Standdruckhaltung bei Stillstand der Anlage ein Kälteeinheit (18), betrieben mit Propan als Kältemittel, in Kombination mit der Rohrschlange im isolierten Sammler (17) vorgesehen ist.
Kaskadenkälteanlage nach Anspruch 5 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Kaskadenanlage bestehend aus dem Hochtemperaturkreis (II) mit luftgekühltem Kondensator (5), dem Niedertemperaturkreis-Verdichter (13), der Verdampfer/Kondensator-Einheit (11) und einem Schaltschrank auf einer Stahlrahmenkonstruktion eine kompakten Einheit bildet.
Kaskadenkälteanlage nach Anspruch 5 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Kaskadenkälteanlage mittels einer Paneelverkleidung eingehaust ist.