-
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Kälteanlage für ein Fahrzeug mit einem eine Wärmepumpenfunktion aufweisenden Kältemittelkreislauf gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 und dem Oberbegriff des Patentanspruchs 2.
-
Solche Kälteanlagen sind bekannt, die sowohl in einem Wärmepumpenbetrieb zum Beheizen eines Fahrzeuginnenraums als auch in einem Kälteanlagenbetrieb (AC-Betrieb) zum Kühlen des Fahrzeuginnenraums betreibbar sind. Im Wärmepumpenbetrieb wird die Zuluft, welche dem Fahrzeuginnenraum zugeführt wird, mittels der von der Wärmepumpe bereitgestellten Wärme konditioniert und erwärmt.
-
Bei der Verwendung der Umgebungsluft als Wärmequelle wird ein äußerer Wärmeübertrager eines Kältemittelkreislaufes zusammen mit einem Wärmepumpen-Expansionsorgan als Wärmepumpen-Verdampfer eingesetzt. Hierbei wird einerseits Wärme der Umgebungsluft entzogen und dadurch das Kältemittel in dem äußeren Wärmeübertrager verdampf und ggf. auch erwärmt bzw. überhitzt und andererseits der äußere Wärmetauscher auf seiner Außenseite aufgrund des sich im Kältemittel einstellenden Verdampfungstemperaturniveaus abgekühlt. Durch dieses Abkühlen des äußeren Wärmetauschers kann es aufgrund der sich unterhalb der Umgebungstemperatur einstellenden Verdampfungstemperatur zu einer Bereifung und letztlich Vereisung des Wärmetauschers kommen, indem sich in der Umgebungsluft gebundene Feuchte als Kondensat auf der Oberfläche des äußeren Wärmeübertragers abscheidet. Je nach Wettersituation kann auch direkt Feuchtigkeit auf der Oberfläche des äu-ßeren Wärmeübertragers auftreffen und gefrieren.
-
Aufgrund einer zunehmenden Bereifung und Vereisung auf der Oberfläche des äußeren Wärmeübertragers sinkt das Potenzial zur Verdampfung von Kältemittel und damit sinkt auch die Heizleistung, da sich über die Betriebsdauer des Wärmepumpenbetriebs die wärmeübertragende Oberfläche und damit das Potenzial des Kältemittels Wärme aufzunehmen abnimmt.
-
Eine gattungsbildende Kälteanlage mit einem Kältemittelkreislauf zur Durchführung eines Wärmepumpenbetriebs und eines Abtaubetriebs ist aus der JP 2019- 1 244 A bekannt. Bei diesem bekannten Kältemittelkreislauf zur Durchführung eines Abtaubetriebs das von einem Kältemittelverdichter verdichtete Kältemittel direkt über ein Drei-Wegeventil einem Abtauzweig zugeführt, welcher eine direkte Verbindung zu einem äußeren Kondensator erstellt. Dieser Abtaubetrieb kann parallel mit einem Heizbetrieb durchgeführt werden, indem mittels des Drei-Wegeventils das auf Hochdruck verdichtete Kältemittel sowohl einem Heizkondensator als auch dem äußeren Kondensator zugeführt wird.
-
Eine Kälteanlage mit einem Kältemittelkreislauf zur Durchführung eines Wärmepumpenbetriebs und eines Abtaubetriebs ist aus der
EP 3 062 0 45 A1 bekannt. Dieser Kältemittelkreislauf umfasst neben einem Kältemittelverdichter und einem Akkumulator zwei parallel verschaltbare Heizregister sowie zwei parallel verschaltbare und für einen Luft-Wärmepumpenbetrieb eingesetzte Verdampfer. Zur Durchführung eines Abtaubetriebs können beide Verdampfer oder jeweils einer der beiden Verdampfer mit dem Kältemittelverdichter direkt verbunden werden, um damit diese beiden Verdampfer einzeln oder gemeinsam zu enteisen.
-
Die US 2015 / 0 020 533 A1 beschreibt einen Kältemittelkreislauf mit einem Kältemittelverdichter, einem mit demselben verbundenen Heizregister sowie einem als Luft-Wärmepumpe eingesetzten äußeren Wärmeübertrager, wobei das aus dem Heizregister ausgeleitete Kältemittel über ein Expansionsorgan dem äußeren Wärmeübertrager zugeführt wird. Im Wärmepumpenbetrieb wird das von dem Kältemittelverdichter auf Hochdruck verdichtete Kältemittel zur Abgabe von Wärme dem Heizregister zugeführt und anschließend über das Expansionsorgan in den äußeren Wärmeübertrager entspannt, bevor das Kältemittel über einen Akkumulator dem Kältemittelverdichter wieder zugeführt wird. Zur Durchführung eines Abtaubetriebs ist der Hochdruckausgang des Kältemittelverdichters über eine ein weiteres Expansionsorgan aufweisende Abtauleitung mit dem äußeren Wärmeübertrager verbunden, so dass das über diese Abtauleitung strömende Kältemittel den äußeren Wärmeübertrager in gleicher Strömungsrichtung durchströmt wie im Wärmepumpenbetrieb. Somit wird im Abtaubetrieb nicht nur der äußere Wärmeübertrager enteist, sondern gleichzeitig auch Wärme über das Heizregister abgegeben.
-
Aus der
EP 2 327 575 A1 ist eine Kälteanlage für ein Fahrzeug mit einem eine Wärmepumpenfunktion aufweisenden Kältemittelkreislauf bekannt. Dieser Kältemittelkreislauf umfasst einen Kältemittelverdichter und einen äußeren Wärmeübertrager, welcher von einem Umgebungsluftstrom beaufschlagt wird, sowie zwei indirekte Wärmeübertrager, die jeweils mit einem Kühlmittelkreislauf thermisch gekoppelt sind. Diese beiden Kühlmittelkreisläufe umfassen zur Erwärmung des Fahrzeuginnenraums jeweils einen Luft-Kühlmittel-Wärmeübertrager. Ein Luft-Wärmepumpenbetrieb wird mittels des äußeren Wärmeübertragers als Wärmepumpen-Verdampfer und mittels wenigstens einer der beiden indirekten Wärmeübertrager als Kondensator durchgeführt. Zur Durchführung eines Abtaubetriebs wird der Kältemittelverdichter direkt mit dem äu-ßeren Wärmeübertrager verbunden, so dass der gesamte Kältemittelstrom durch diesen äußeren Wärmeübertrager geleitet wird.
-
Des Weiteren ist aus der
DE 10 2011 057 177 A1 einen Kältemittelkreislauf mit einem Kältemittelverdichter, einem mit demselben verbindbaren Heizregister sowie einem als Luft-Wärmepumpe eingesetzten äußeren Wärmeübertrager, wobei das aus dem Heizregister ausgeleitete Kältemittel über ein Expansionsorgan dem äußeren Wärmeübertrager zugeführt wird. Im Wärmepumpenbetrieb wird das von dem Kältemittelverdichter auf Hochdruck verdichtete Kältemittel zur Abgabe von Wärme dem Heizregister zugeführt und anschließend über das Expansionsorgan in den äußeren Wärmeübertrager entspannt, bevor das Kältemittel in einen Verdampfer entspannt und anschließend über einen Akkumulator dem Kältemittelverdichter wieder zugeführt wird. Zur Durchführung eines Abtaubetriebs ist der Hochdruckausgang des Kältemittelverdichters über ein Ventilorgan sowohl direkt mit dem äußeren Wärmeübertrager als auch direkt mit dem Heizregister verbunden. Diese beiden Teilströme an Kältemittel werden nach dem Heizregister und dem äußeren Wärmeübertrager zusammengeführt und anschließend in den Verdampfer entspannt, bevor das Kältemittel über einen Akkumulator wieder dem Kältemittelverdichter zugeführt wird.
-
Die
US 5 634 348 A beschreibt einen Kältemittelkreislauf mit einem Kältemittelverdichter, einem mit demselben verbundenen Heizkondensator sowie einem als Luftwärmepumpe eingesetzten äußeren Wärmeübertrager, wobei das aus dem Heizregister ausgeleitete Kältemittel über ein Expansionsorgan dem äußeren Wärmeübertrager zugeführt wird. Im Wärmepumpenbetrieb wird das von dem Kältemittelverdichter auf Hochdruck verdichtete Kältemittel zur Abgabe von Wärme dem Heizregister zugeführt und anschließend über das Expansionsorgan in den äußeren Wärmeübertrager entspannt, bevor das Kältemittel über einen Akkumulator dem Kältemittelverdichter wieder zugeführt wird. In einem Reheat-Modus (auch Entfeuchtungsbetrieb genannt) wird das auf Hochdruck verdichtete Kältemittel über jeweils ein steuerbares Ventilorgan sowohl dem Heizkondensator als auch dem äußeren Wärmeübertrager zugeführt. Diese beiden Teilströme werden nach dem Heizkondensator dem äußeren Wärmeübertrager zusammengeführt und das Kältemittel über ein Expansionsorgan in einen Verdampfer entspannt, bevor das Kältemittel zu einem Kältemittelverdichter zurückgeführt wird.
-
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren zum Betreiben einer Kälteanlage für ein Fahrzeug mit einem eine Wärmepumpenfunktion aufweisenden Kältemittelkreislauf anzugeben, mit welchem hinsichtlich eines Abtaubetriebs ein verbesserter und insbesondere effizienter Betrieb realisierbar ist.
-
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie mit den Merkmalen des Patentanspruchs 2.
-
Ein solches nach der erstgenannten Lösung geschaffenes Verfahren zum Betreiben einer Kälteanlage für ein Fahrzeug mit einem eine Wärmepumpenfunktion aufweisenden Kältemittelkreislauf mit:
- - einem Kältemittelverdichter mit einem Hochdruckausgang und einer Eintrittsseite,
- - einem äußeren Wärmeübertrager, welcher entweder zur Durchführung eines Kälteanlagenbetriebs als Kondensator oder Gaskühler oder zur Durchführung eines Wärmepumpenbetriebs als Wärmepumpen-Verdampfer mittels eines Wärmepumpen-Expansionsorgans betreibbar ist und mit dem Hochdruckausgang des Kältemittelverdichters verbindbar ist,
- - einem Verdampferzweig mit einem Verdampfer und einem Verdampfer-Expansionsorgan, wobei der Verdampferzweig niederdruckseitig mit der Eintrittsseite des Kältemittelverdichters und hochdruckseitig mit dem äußeren Wärmeübertrager verbindbar ist, und
- - einem Heizzweig mit einem einen Zuluftstrom (L) für den Fahrzeuginnenraum direkt oder indirekt erwärmenden Heizkondensator oder Heizgaskühler, wobei der Heizzweig zur Durchführung eines Wärmepumpenbetriebs stromaufwärts mit dem Hochdruckausgang des Kältemittelverdichters und stromabwärts mit dem Wärmepumpen-Expansionsorgan verbindbar ist, und
- - einem einen Chiller und ein Chiller-Expansionsorgan aufweisenden Chillerzweig, welcher mit dem Heizzweig verbindbar ist, besteht darin, dass zum Abtauen des äußeren Wärmeübertragers nach einem Wärmepumpenbetrieb
- - ein erster Teilstrom des von dem Kältemittelverdichter auf Hochdruck verdichteten Kältemittels dem äußeren Wärmeübertrager und ein zweiter Teilstrom des von dem Kältemittelverdichter auf Hochdruck verdichteten Kältemittels dem Heizkondensator oder Heizgaskühler zugeführt wird, und
- - der erste Teilstrom nach dem Durchströmen des äußeren Wärmeübertragers und der zweite Teilstrom nach dem Durchströmen des Heizkondensators oder Heizgaskühlers über den Chillerzweig unter Entspannung mittels des Chiller-Expansionsorgans auf Niederdruckniveau zusammengeführt werden, wobei erfindungsgemäß die weiteren Verfahrensschritte durchgeführt werden:
- - der erste Teilstrom auf einen Zwischendruck in den äußeren Wärmeübertrager entspannt wird, und
- - der zweite Teilstrom nach dem Durchströmen des Heizkondensators oder Heizgaskühlers auf den Zwischendruck entspannt wird.
-
Bei diesem erstgenannten Verfahren wird der vom Kältemittelverdichter auf Hochdruck verdichtete Kältemittelstrom in zwei Teilströme aufgeteilt, so dass der Heizkondensator oder Heizgaskühler, bspw. ausgeführt als Heizregister, bei einem Wechsel von einem Wärmepumpenbetrieb in den Abtaubetrieb aktiv bleibt und so weiterhin ein Teilwärmestrom auf den in das Fahrzeuginnere geführten Zuluftstrom übertragen wird. Der zu enteisende äußere Wärmeübertrager wird gleichzeitig mit Abwärme des von dem Kältemittelverdichter abgezweigten Kältemittels beaufschlagt und damit ein insgesamt effizienter Betrieb des Kältemittelkreislaufs gesichert. Da nicht der gesamte Wärmeinhalt des von dem Kältemittelverdichter verdichteten Kältemittels dem äußeren Wärmeübertrager zugeführt wird, tritt eine tendenziell geringere Temperatur-Beanspruchung auf.
-
Hierbei stellt sich im Heizkondensator oder Heizgaskühler ein Hochdruckniveau ein, während im äußeren Wärmeübertrager das Kältemittel auf einen Zwischendruck expandiert wird, wobei der Kondensationsdruck in den äußeren Wärmeübertrager einer Kondensationstemperaturen entspricht, die mindestens 1 K oberhalb des Gefrierpunktes von Wasser ist. Bevor das Kältemittel aus dem Heizkondensator oder Heizgaskühler in dem Chillerzweig mit dem Kältemittel aus dem äußeren Wärmeübertrager zusammengeführt wird, wird dieses auf den Zwischendruck entspannt und anschließend das zusammengeführte Kältemittel mittels des Chiller-Expansionsorgans auf Niederdruckniveau abgesenkt.
-
Bei diesem erstgenannten erfindungsgemäßen Verfahren bleibt bei einem Wechsel vom Wärmepumpenbetrieb in den Abtaubetrieb der Hauptströmungsweg des Kältemittels durch den äußeren Wärmeübertrager unverändert, d. h. sowohl beim Abtaubetrieb als auch im Kälteanlagenbetrieb (AC-Betrieb) wird der äußere Wärmeübertrager in gleicher Richtung durchströmt, mit der Folge, dass nur geringe Strömungs- und Druckverluste auftreten.
-
Sowohl das aus dem äußeren Wärmeübertrager austretende Kältemittel als auch das aus dem Heizkondensator oder Heizgaskühler austretende Kältemittel wird dem Chillerzweig vor einer Rückführung auf die Eintrittsseite des Kältemittelverdichters zugeführt. Dabei übernimmt das Chiller-Expansionsorgan die Druckabsenkung auf Niederdruck entweder bei stehendem Fluid im Kühlmittelkreislauf des Chillers oder bei strömenden Fluid durch den Kühlmittelkreislauf des Chillers, wodurch es möglich wird, den Chiller als weitere Wärmequelle zum Abtauen einzusetzen und eventuell eine elektrische Zusatzleistung nicht mehr erforderlich oder reduziert wird. Dabei ist das im äußeren Wärmeübertrager und der im Heizkondensator oder Heizgaskühler eingestellte Druckniveau identisch.
-
Ein Abtaubetrieb wird dann durchgeführt, wenn die Heizleistung aufgrund eines sinkenden Verdampfungspotenzials an dem äußeren Wärmeübertrager sinkt. Dieser Zustand kann anhand verschiedener Größen, wie bspw. der aufgenommenen Verdichterleistung und/oder des Hochdrucks am Austritt des Kältemittelverdichters detektiert werden.
-
Ein nach der zweitgenannten Lösung geschaffenes Verfahren zum Betreiben einer Kälteanlage für ein Fahrzeug mit einem eine Wärmepumpenfunktion aufweisenden Kältemittelkreislauf mit:
- - einem Kältemittelverdichter mit einem Hochdruckausgang und einer Eintrittsseite,
- - einem äußeren Wärmeübertrager, welcher entweder zur Durchführung eines Kälteanlagenbetriebs als Kondensator oder Gaskühler oder zur Durchführung eines Wärmepumpenbetriebs als Wärmepumpen-Verdampfer mittels eines Wärmepumpen-Expansionsorgans betreibbar ist und mit dem Hochdruckausgang des Kältemittelverdichters verbindbar ist,
- - einem Verdampferzweig mit einem Verdampfer und einem Verdampfer-Expansionsorgan, wobei der Verdampferzweig niederdruckseitig mit der Eintrittsseite des Kältemittelverdichters und hochdruckseitig mit dem äußeren Wärmeübertrager verbindbar ist,
- - einem Heizzweig mit einem einen Zuluftstrom für den Fahrzeuginnenraum direkt oder indirekt erwärmenden Heizkondensator oder Heizgaskühler, wobei der Heizzweig zur Durchführung eines Wärmepumpenbetriebs stromaufwärts mit dem Hochdruckausgang des Kältemittelverdichters und stromabwärts mit dem Wärmepumpen-Expansionsorgan verbindbar ist, und
- - einem einen Chiller und ein Chiller-Expansionsorgan aufweisenden Chillerzweig, welcher mit dem Heizzweig verbindbar ist, besteht darin, dass zum Abtauen des äußeren Wärmeübertragers nach einem Wärmepumpenbetrieb,
- - ein erster Teilstrom des von dem Kältemittelverdichter auf Hochdruck verdichteten Kältemittels dem äußeren Wärmeübertrager und ein zweiter Teilstrom des von dem Kältemittelverdichter auf Hochdruck verdichteten Kältemittels dem Heizkondensator oder Heizgaskühler und anschließend dem äußeren Wärmeübertrager zugeführt wird, und
- - der erste und zweite Teilstrom nach dem Durchströmen des äußeren Wärmeübertragers über den Chillerzweig unter Entspannung mittels des Chiller-Expansionsorgans auf Niederdruckniveau zusammengeführt werden, wobei
- - der erste Teilstrom auf einen Zwischendruck in den äußeren Wärmeübertrager entspannt, und
- - der zweite Teilstrom nach dem Durchströmen des Heizkondensators oder Heizgaskühlers auf den Zwischendruck in den äußeren Wärmeübertrager entspannt.
-
Bei diesem zweitgenannten Verfahren wird der vom Kältemittelverdichter auf Hochdruck verdichtete Kältemittelstrom in zwei Teilströme aufgeteilt, so dass der Heizkondensator oder Heizgaskühler, bspw. ausgeführt als Heizregister, bei einem Wechsel von einem Wärmepumpenbetrieb in den Abtaubetrieb aktiv bleibt und so weiterhin ein Teilwärmestrom auf den in das Fahrzeuginnere geführten Zuluftstrom übertragen wird. Der zu enteisende äußere Wärmeübertrager wird mit Abwärme des von dem Kältemittelverdichter abgezweigten Kältemittelteilstroms und gleichzeitig mit dem in dem Heizkondensator oder Heizgaskühler abgekühlten Teilstrom beaufschlagt und damit eine Fortsetzung des Heizbetriebs des Kältemittelkreislaufs gesichert. Dies bedeutet, dass die beiden Teilströme am Kältemitteleintritt des äußeren Wärmeübertragers zusammengeführt werden. Da nicht der gesamte Wärmeinhalt des von dem Kältemittelverdichter verdichteten Kältemittels dem äußeren Wärmeübertrager zugeführt wird, tritt eine tendenziell geringere Temperatur-Beanspruchung auf.
-
Hierbei stellt sich im Heizkondensator oder Heizgaskühler ein Hochdruckniveau ein, während im äußeren Wärmeübertrager das Kältemittel auf einen Zwischendruck expandiert wird, wobei der Kondensationsdruck in dem äußeren Wärmeübertrager einer Kondensationstemperatur entspricht, die mindestens 1 K oberhalb des Gefrierpunktes von Wasser ist. Die bereits vor dem äußeren Wärmeübertrager zusammengeführten und auf den Zwischendruck abgesenkten Teilströme werden in dem Chillerzweig mittels des Chiller-Expansionsorgans weiter auf Niederdruckniveau abgesenkt.
-
Bei diesem zweitgenannten erfindungsgemäßen Verfahren bleibt bei einem Wechsel vom Wärmepumpenbetrieb in den Abtaubetrieb der Hauptströmungsweg des Kältemittels durch den äußeren Wärmeübertrager unverändert, d. h. sowohl beim Abtaubetrieb als auch im Kälteanlagenbetrieb (AC-Betrieb) wird der äußere Wärmeübertrager in gleicher Richtung durchströmt, mit der Folge, dass nur geringe Strömung- und Druckverluste auftreten.
-
Das stromaufwärts des äußeren Wärmeübertragers zusammengeführte Kältemittel wird dem Chillerzweig vor einer Rückführung auf die Eintrittsseite des Kältemittelverdichters zugeführt. Dabei übernimmt das Chiller-Expansionsorgan die Druckabsenkung auf Niederdruck entweder bei stehendem Fluid im Kühlmittelkreislauf des Chillers oder bei strömenden Fluid durch den Kühlmittelkreislauf des Chillers, wodurch es möglich wird, den Chiller als weitere Wärmequelle zum Abtauen einzusetzen und eventuell eine elektrische Zusatzleistung nicht mehr erforderlich oder reduziert wird. Dabei ist das im äußeren Wärmeübertrager und der im Heizkondensator oder Heizgaskühler eingestellte Druckniveau identisch.
-
Anstelle des Chiller-Expansionsorgans kann auch das Wärmepumpen-Expansionsorgan für die Entspannung des Kältemittels auf Niederdruck herangezogen werden. Das Chiller-Expansionsorgan wird dabei zu 100% geöffnet. Diese beiden Expansionsorgane sowie alle weiteren im Kältemittelkreislauf verwendeten Expansionsorgane weisen dabei idealerweise einen maximalen Öffnungsquerschnitt vor, der dem minimalen Strömungsquerschnitt der Klimaleitungen stromaufwärts bzw. stromabwärts des jeweiligen Expansionsorgans entspricht.
-
Wiederum kann anstelle des Chiller-Expansionsorgans auch das Wärmepumpen-Expansionsorgan für die Entspannung des Kältemittels auf Niederdruck herangezogen werden. Das Chiller-Expansionsorgan wird dabei zu 100% geöffnet. Diese Beiden Expansionsorgane sowie alle weiteren im Kältekreis verwendeten Expansionsorgane weisen dabei idealerweise einen maximalen Öffnungsquerschnitt vor, der dem minimalen Strömungsquerschnitt der Klimaleitungen des Kältemittelkreises stromaufwärts bzw. stromabwärts des jeweiligen Expansionsorgans entspricht.
-
Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass der Hochdruckausgang des Kältemittelverdichters über ein Absperrorgan oder ein Expansionsorgan mit dem äußeren Wärmeübertrager verbindbar ist. Mittels des Expansionsorgans kann der von dem Kältemittel aus dem Kältemittelverdichter abgezweigte Teilstrom eingestellt werden, wodurch unterschiedliche Druckniveaus zwischen dem äußeren Wärmeübertrager und dem Heizkondensator oder Heizgaskühler eingestellt werden können. So wird in dem äußeren Wärmeübertrager mittels des Expansionsorgans das Kältemittel auf den Zwischendruck entspannt. Ebenso wird das Kältemittel des zweiten Teilstroms nach dem Durchströmen des Heizkondensators oder Heizgaskühlers mittels eines Expansionsorgans auf den Zwischendruck entspannt.
-
Vorzugsweise kann auch nach einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung der Hochdruckausgang des Kältemittelverdichters über ein Absperrorgan oder ein Expansionsorgan mit dem Heizzweig verbunden werden. Mit dem Expansionsorgan kann der von dem Kältemittel aus dem Kältemittelverdichter abgezweigte Teilstrom eingestellt werden, wodurch unterschiedliche Druckniveaus zwischen dem äußeren Wärmeübertrager und dem Heizkondensator oder Heizgaskühler einstellbar sind.
-
Nach einer weiteren besonders vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird
- - der äußere Wärmeübertrager zur Durchströmung mit Außenluft mit einer steuerbaren Anordnung ausgebildet, wobei mittels dieser Anordnung zumindest ein Teil der Oberfläche des äußeren Wärmeübertragers für die Luftdurchströmung verschließbar ist, und
- - zur Durchführung des Abtaubetriebs die Anordnung verschlossen.
-
Mit einer solchen Anordnung, bspw. einer Luftklappenanordnung oder einer Jalousieanordnung wird verhindert, dass bei einem kalten Luftstrom der Abtauprozess bei einer entsprechend erforderlichen Hoch- oder Zwischendrucklage sich tatsächlich einstellt und nicht unmittelbar wieder die Vereisung beginnt oder der Abtauprozess verlängert wird. Insbesondere für den Anlauf des Abtauprozesses muss gewährleistet sein, dass sich ein Kondensationsdruck im äußeren Wärmeübertrager einstellt, dessen korrespondierende Kondensationstemperatur mindestens 1°C beträgt und damit knapp über dem Gefrierpunkt von Wasser bei 0°C zu liegen kommt, um die Reif- und Eisschicht tatsächlich zum Auflösen zu bringen.
-
Nach einer weiteren bevorzugten Weiterbildung der Erfindung wird der Abtaubetrieb beendet, wenn die Austrittstemperatur des aus dem äußeren Wärmeübertrager austretenden Kältemittels einen vorgegebenen positiven Temperaturschwellwert, bspw. 3 °C dauerhaft und stabil erreicht.
-
Sollte es während des Abtauvorgangs, trotz aktivem Wärmepumpensystem, zu Komforteinbußen in der Innenraumklimatisierung kommen, so kann ein als elektrischer Hoch- oder Niedervoltheizer ausgebildetes elektrisches Heizelement eingesetzt werden, um ein solches Heizdefizit zu decken.
-
Besonders vorteilhaft ist es ferner, wenn weiterbildungsgemäß zur Durchführung des Abtaubetriebs der Druckwert im äußeren Wärmeübertrager mittels des dem äußeren Wärmeübertrager jeweils stromaufwärts angeordneten Expansionsorgan im Zusammenwirken mit dem Wärmepumpen-Expansionsorgan oder dem Chiller-Expansionsorgan einen Kondensationsdruck eingestellt wird, welcher einer Kondensationstemperatur von größer als 0 °C entspricht.
-
Schließlich ist es nach einer besonders bevorzugten Weiterbildung vorteilhaft, wenn nach einer Beendigung des Abtaubetriebs mittels einer dem äußeren Wärmeübertrager zugeordneten Lüfteranordnung das an dem äußeren Wärmeübertrager erzeugte flüssige Kondensat ausgetrieben wird. Hierbei sollte eine Luftklappenanordnung oder eine Jalousieanordnung geschlossen sein.
-
Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen sowie anhand der einzigen 1, die ein Schaltbild einer Kälteanlage zur Erläuterung eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens zeigt.
-
Der Kältemittelkreislauf 1 der Kälteanlage 10 gemäß Figur kann sowohl in einem Kälteanlagen- oder Kühlbetrieb (kurz AC-Betrieb genannt) als auch in einem Wärmepumpenbetrieb betrieben werden und weist zwei Verdampfer auf, nämlich einen Verdampfer 2 und einen Chiller 3, welcher mit einem Kühlmittelkreislauf 3.0 zur Kühlung, bspw. einer Hochvoltbatterie thermisch gekoppelt ist.
-
Der Kältemittelkreislauf 1 gemäß 1 besteht aus folgenden Komponenten:
- - einem Kältemittelverdichter 4,
- - einem als Kondensator oder Gaskühler ausgebildeten äußeren Wärmeübertrager 5 mit einem demselben in seiner Funktion als Wärmepumpenverdampfer für den Heizbetrieb zugeordneten Wärmepumpen-Expansionsorgan AE3,
- - einem inneren Wärmeübertrager 6,
- - einem niederdruckseitigen Akkumulator 7,
- - einem Innenraum-Verdampferzweig 2.1 mit dem als Frontverdampfer ausgebildeten Verdampfer 2 und einem demselben vorgeschalteten Verdampfer-Expansionsorgan AE2,
- - einem dem Verdampfer 2 nachgeschalteten Rückschlagventil R1, welches über den Akkumulator 7 und den niederdruckseitigen Abschnitt des inneren Wärmeübertragers 6 mit der Eintrittsseite des Kältemittelverdichters 4 fluidverbunden ist,
- - einem Chiller-Zweig 3.1 mit dem Chiller 3 und einem demselben vorgeschalteten Chiller-Expansionsorgan AE1, wobei der Chiller 3 neben der Kühlung bspw. einer elektrischen Komponente des Fahrzeugs auch zur Realisierung einer Wasser-Wärmepumpenfunktion unter Nutzung der Abwärme mindestens einer elektrischen Komponente eingesetzt wird,
- - einem AC- und Wärmepumpenzweig 5.1 mit dem äußeren Wärmeübertrager 5 und dem Wärmepumpen-Expansionsorgan AE3, wobei im Heizbetrieb der AC- und Wärmepumpenzweig 5.1 stromaufwärts über das Wärmepumpen-Expansionsorgan AE3 mit dem Innenraum-Verdampferzweig 2.1 unter Bildung eines ersten Abzweigpunktes Ab1 fluidverbindbar ist und stromabwärts über ein Absperrorgan A2 mit der Eintrittsseite des Kältemittelverdichters 4 fluidverbindbar ist, während im AC-Betrieb der AC- und Wärmepumpenzweig 5.1 stromaufwärts über ein Absperrorgan A4 mit dem Hochdruckausgang des Kältemittelverdichters 4 fluidverbindbar ist,
- - einem Heizzweig 8.1 mit einem einen Zuluftstrom L für den Fahrzeuginnenraum direkt oder indirekt erwärmenden Heizkondensator 8 oder Heizgaskühler 8, wobei der Heizzweig 8.1 stromaufwärts über ein Absperrorgan A3 mit dem Hochdruckausgang des Kältemittelverdichters 4 fluidverbindbar ist und stromabwärts über ein Absperrorgan A1 mit dem ersten Abzweigpunkt Ab1 und damit mit dem Innenraum-Verdampferzweig 2.1 fluidverbindbar ist,
- - einem Reheat-Zweig 5.2 mit einem als Expansionsventil ausgebildeten Reheat-Expansionsorgan AE4, wobei der Reheat-Zweig 5.2 stromabwärts mit dem äußeren Wärmeübertrager 5 unter Bildung eines zweiten Abzweigpunktes Ab2 und stromaufwärts mit dem Heizkondensator 8 oder Heizgaskühler 8 fluidverbunden ist,
- - einem Wärmepumpenrückführzweig 5.3 mit dem Absperrorgan A2 und einem Rückschlagventil R2, wobei der Wärmepumpenrückführzweig 5.3 stromaufwärts über den zweiten Abzweigpunkt Ab2 mit dem äußeren Wärmeübertrager 5 und stromabwärts mit dem Akkumulator 7 fluidverbindbar ist,
- - einem Absaugzweig 5.4 mit einem Absperrorgan A5, wobei der Absaugzweig 5.4 stromaufwärts mit dem Heizkondensator 8 oder Heizgaskühler 8 und stromabwärts über einen dritten Abzweigpunkt Ab3 mit dem Absperrorgan A2 und dem Rückschlagventil R2 des Wärmepumpenrückführzweiges 5.3 fluidverbunden ist, und
- - einem bspw. als Hochvolt-PTC-Heizelement ausgeführten elektrischen Heizelement 9 als Zuheizer für einen in den Fahrzeuginnenraum geführten Zuluftstrom L, welches sich zusammen mit dem Heizkondensator 8 oder Heizgaskühler 8 und dem Verdampfer 2 in einem Klimagerät 1.1 befindet und dem Heizkondensators 8 oder Heizgaskühler 8 und damit auch dem Verdampfer 2 luftseitig nachgeschaltet ist.
-
Als Sensoren sind in dem Kältemittelkreislaufs 1 gemäß 1 zur Steuerung und Regelung des Systems mehrere Druck-Temperatursensoren pT1 bis pT5 vorgesehen, deren Funktion bekannt ist und auf die nicht weiter im Detail eingegangen wird. Sämtliche Sensoren des Kältemittelkreises zur Erfassungen dessen Zustandsgrößen können sowohl als Einzel- als auch Kombinationssensoren ausgeführt werden.
-
Mit den beiden Absperrorganen A3 und A4 gemäß 1 wird der Kältemittelstrom ausgehend von der Hochdruckseite des Kältemittelverdichters 4 in Abhängigkeit des Zustandes dieser beiden Absperrorgane A3 und A4 entweder bei offenem Absperrorgan A4 und gesperrtem Absperrorgan A3 in den äußeren Wärmeübertrager 5 geleitet oder strömt bei offenem Absperrorgan A3 und geschlossenem Absperrorgan A4 in den Heizzweig 8.1.
-
Im Folgenden wird der Heizbetrieb des Kältemittelkreislaufs 1 nach 1 beschrieben werden.
-
Im Heizbetrieb des Kältemittelkreislaufs 1 wird unter Einsatz des äußeren Wärmeübertragers 5 als Wärmepumpenverdampfer zur Realisierung einer LuftWärmepumpe oder unter Einsatz des Chillers 3 zur Realisierung einer Wasser-Wärmepumpe das Absperrorgan A4 geschlossen und das Absperrorgan A3 geöffnet, so dass Kältemittel in den Heizzweig 8.1 strömen kann.
-
Zur Durchführung der Heizfunktion mittels des äußeren Wärmeübertragers 5 als Wärmepumpenverdampfer strömt das mittels des Kältemittelverdichters 4 verdichtete Kältemittel über das geöffnete Absperrorgan A3 zur Abgabe von Wärme an den in den Fahrgastinnenraum geführten Zuluftstrom L in den Heizkondensators 8 oder Heizgaskühlers 8 und wird anschließend über das geöffnete Absperrorgan A1 mittels des Wärmepumpen-Expansionsorgans AE3 in den äußeren Wärmeübertrager 5 zur Aufnahme von Wärme aus der Umgebungsluft entspannt und strömt anschließend über den Wärmepumpenrückführzweig 5.3 bei vollständig geöffnetem Absperrorgan A2 zurück zum Kältemittelverdichter 4. Die Expansionsorgane AE1, AE2 und AE4 bleiben dabei geschlossen, ebenso wie das Absperrorgan A5.
-
Bei diesem Luft-Wärmepumpenbetrieb mittels des äußeren Wärmeübertragers 5 wird dem über diesen äußeren Wärmeübertrager 5 geführten Luftstrom L1 Wärme entzogen und auf das Kältemittel übertragen und dabei die Oberfläche des äußeren Wärmeübertragers abgekühlt. Durch dieses Abkühlen des äußeren Wärmeübertragers kann es aufgrund einer unterhalb der Umgebungstemperatur sich einstellenden Verdampfungstemperatur zu einer Bereifung und Vereisung des Wärmeübertragers 5 kommen, indem sich aus der Umgebung Kondensat auf der Oberfläche des äußeren Wärmeübertragers 5 abscheidet.
-
Bei einer für den Komfort im Fahrzeuginnenraum relevanten Bereifung im äußeren Wärmeübertrager 5 mit sinkendem Potenzial zur Verdampfung von Kältemittel und damit sinkender Heizleistung, detektierbar über einen sinkenden Verdichterfördervolumenstrom, d. h. der Leistung des Kältemittelverdichters 4 und/oder über den sinkenden Hochdruck des Kältemittels am Austritt des Kältemittelverdichters 4 wird der Luft-Wärmepumpenbetrieb unterbrochen und ein Abtaubetrieb eingeleitet.
-
Um ein Voranschreiten der Vereisung am äußeren Wärmeübertragers 5 und ein zu starkes Auskühlen des den äußeren Wärmeübertragers 5 durchströmenden Kältemittels zu verhindern, wird während des Abtaubetriebs mittels einer steuerbaren Anordnung 5.5 eine Luftzufuhr zum äußeren Wärmeübertrager 5 verhindert. Eine solche Anordnung 5.5 ist als steuerbare Luftklappenanordnung oder als steuerbare Jalousieanordnung ausgeführt und kann vollständig verschlossen werden. So wird während des Abtaubetriebs die Luftklappenanordnung bzw. Jalousieanordnung vollständig geschlossen.
-
Zur Durchführung eines solchen Abtaubetriebs wird daher zunächst - falls es die fahrzeugseitigen Randbedingen erlauben - mittels der Anordnung 5.5 der Luftstrom L1 zum äußeren Wärmeübertrager 5 unterbrochen und es werden die beiden Absperrorganen A3 und A4 gleichzeitig geöffnet, wodurch der von dem Kältemittelverdichter 4 auf Hochdruck verdichtete Kältemittelstrom in zwei Kältemittelströme aufgeteilt wird. So strömt ein Kältemittelteilstrom bei gleichzeitig geöffneten Absperrorgan A1 über das offene Absperrorgan A3 über den Heizkondensator 8 oder Heizgaskühler 8 in den Chillerzweig 3.1. Der andere Kältemittelteilstrom strömt bei geöffnetem Absperrorgan A4 in den äußeren Wärmeübertrager 5 und anschließend über den inneren Wärmeübertrager 6 und das vollständig geöffnete Wärmepumpen-Expansionsorgan AE3 ebenso in den Chillerzweig 3.1, in welchem sich die beiden Kältemittelteilströme vereinigen. Der vereinigte Kältemittelstrom wird mittels des Chiller-Expansionsorgans AE1 auf Niederdruck entspannt, bevor dieser dem Kältemittelverdichter 4 zurückgeführt wird. wobei gleichzeitig kühlmittelseitig, also in dem Kühlmittelkreislauf 3.0 kein Volumenstrom erzeugt wird, also bspw. das als Kühlmittel verwendete Wasser-Glykol-Gemisch auf der Kühlmittelseite des Chillers 3 stehen bleibt bzw. der Chiller 3 nicht aktiv von Kühlmittel durchströmt wird. Alternativ kann der Abtaubetrieb auch als Kreisprozess mit aktivem Chiller 3 durchgeführt werden, bei welchem das Kühlmittel in dem Kühlmittelkreislauf 3.0 umgewälzt wird und gleichzeitig das ihn durchströmende Kältemittel verdampft wird.
-
Mittels des Chiller-Expansionsorgans AE1 wird von Hochdruckniveau auf Niederdruck entspannt. Das Hochdruckniveau ist mindestens auf einen Wert von größer als 0°C, bspw. 5°C einzustellen. Damit wird sichergestellt, dass eine ausreichende Temperaturdifferenz zwischen Kältemittel und bereifter Oberfläche des äußeren Wärmeübertragers 5 erreicht wird, die ein schnelles Enteisen und Abtauen ermöglicht.
-
Während des Abtaubetriebs sind das Verdampfer-Expansionsorgan AE2 und das Reheat-Expansionsorgan AE4 gesperrt. Ferner kann ein während des Abtaubetriebs auftretendes Heizdefizit für den Fahrzeuginnenraum durch Zuschalten des elektrischen Heizelementes 9 ausgeglichen werden, wodurch der Zuluftstrom L zusätzlich erwärmt wird.
-
Bei diesem Abtaubetrieb sind der Heizkondensator 8 oder Heizgaskühler 8 und der äußere Wärmeübertrager 5 parallel bezüglich des Kältemittelflusses verschaltet und werden als Wärmesenken betrieben, so dass das mittels des Kältemittelverdichters 4 erwärmte Kältemittel sowohl am Heizkondensator 8 oder Heizgaskühler 8 als auch am äußeren Wärmeübertrager 5 abgekühlt wird. Am äußeren Wärmeübertrager 5 wird damit ein Abtauen der Bereifung oder der Vereisung von dessen Oberfläche bewirkt.
-
Bei diesem Abtaubetrieb kann der Kältemittelverdichter 5 auf einen maximalen Kältemittel-Volumenstrom gesteuert werden, um damit eine maximale Wärmemenge für den Abtaubetrieb zur Verfügung zu stellen. Hierbei ist der Kältemittelverdichter 5 als mechanischer oder als elektrischer Verdichter ausgeführt.
-
Während des Abtaubetriebs kann ein auftretendes Heizdefizit für den Fahrzeuginnenraum durch Zuschalten des elektrischen Heizelementes 9 reduziert werden, wodurch der Zuluftstrom L erwärmt wird.
-
Ein solches Heizelement 9 kann seinerseits den Luftstrom direkt oder indirekt erwärmen.
-
Der Abtaubetrieb wird beendet, wenn die mit einem Temperatursensor des in den AC- und Wärmepumpenzweig 5.1 angeordneten Druck-Temperatursensors pT3 erfasste Austrittstemperatur am Austritt des äußeren Wärmeübertragers 5 dauerhaft einen positiven Temperaturschwellwert erreicht, bspw. 3 °C.
-
Idealerweise wird der Druck-Temperatur-Sensor als Kombisensor ausgeführt. Alternativ können auch Einzelsensoren zur Erfassung der Zustandsgrößen innerhalb der Kälteanlage eingesetzt werden.
-
Nach einer Beendigung des Abtaubetriebs kann mittels einer dem äußeren Wärmeübertrager 5 zugeordneten Lüfteranordnung (in 1 nicht dargestellt) das an dem äußeren Wärmeübertrager 5 erzeugte flüssige Kondensat bei gleichzeitig geschlossener Luftklappenanordnung oder Jalousieanordnung ausgetrieben werden. Mit diesem Vorgang sollte ein kurzfristiges und erneutes Vereisen an dem äußeren Wärmeübertrager 5 verhindert werden.
-
Mit dem Ende des Abtaubetriebs kann wieder zum Luft-Wärmepumpenbetrieb mittels des äußeren Wärmeübertragers 5 zurückgekehrt werden, indem die entsprechenden Arbeitspunkte eingestellt werden, d. h. das Absperrventil A4 wird gesperrt und das Wärmepumpen-Expansionsorgan AE3 wird wieder auf die entsprechende Expansionsfunktion eingestellt. Gegebenenfalls wird auch das elektrische Heizelement 9 abgeschaltet oder dessen Heizleistung reduziert.
-
Sind bei dem Abtaubetrieb die beiden Absperrorganen A3 und A4 mit gleichem Querschnitt geöffnet, stellen sich an dem äußeren Wärmeübertrager 5 und dem inneren Heizkondensator 8 oder Heizgaskühler 8 gleiche Druckniveaus ein.
-
Wird eines der Absperrorganen A3 oder A4 durch ein Expansionsorgan AE6 bzw. AE7 ersetzt, können unterschiedliche Druckniveaus an dem äußeren Wärmeübertrager 5 und dem inneren Heizkondensator 8 oder Heizgaskühler 8 eingestellt werden.
-
Wird das Expansionsorgan AE6 angedrosselt, kann der Abtaubetrieb über einen Zwischendruck im äußeren Wärmeübertrager 5 realisiert werden. Hierbei wird weiterhin das Absperrorgan A1 durch ein Expansionsorgan AE8 ersetzt. Im Heizkondensator oder Heizgaskühler 8 stellt sich ein Hochdruckniveau ein, während im äußeren Wärmeübertrager 5 das Kältemittel mittels des Expansionsorgans AE6 auf den Zwischendruck expandiert wird, wobei dieser Zwischendruck einem Kondensationsdruck mit einer Kondensationstemperatur entspricht, die mindestens 1 K oberhalb des Gefrierpunktes von Wasser zu liegen kommt. Mit dem Expansionsorgan AE8 wird das aus dem Heizkondensator 8 oder Heizgaskühler 8 strömende Kältemittel auf den Zwischendruck entspannt, bevor der im Chillerzweig 3.1 zusammengeführte Kältemittelstrom mittels des Chiller-Expansionsorgan AE1 auf Niederdruck abgesenkt wird.
-
Wird das Absperrorgan A3 durch das Expansionsorgan AE7 ersetzt und angedrosselt, stellt sich an dem inneren Heizkondensator 8 oder Heizgaskühler 8 ein niedrigeres Druckniveau als am äußeren Wärmeübertrager 5 ein. Der Vorteil dieser unterschiedlichen Druckniveaus an dem äußeren Wärmeübertrager 5 und dem inneren Heizkondensator 8 oder Heizgaskühler 8 besteht darin, dass ein größerer Kältemittelteilstrom in Richtung des äußeren Wärmeübertragers 5 strömt, bei gleichzeitiger Beschleunigung des Abtauprozesses aufgrund der höheren strömenden, im Kältemittel gebundenen Wärmemenge.
-
Es ist auch möglich, gleichzeitig beide Absperrorgane A4 und A3 durch jeweils ein Expansionsorgan AE6 und AE7 zu ersetzten. Damit ist es möglich die Aufteilung der Teilströme des Kältemittels aktiv zu beeinflussen. Dies führt zu dem Vorteil, dass gezielt zwischen Abtauprozess und Heizprozess variiert und priorisiert werden kann.
-
Der Abtaubetrieb wird alternativ derart durchgeführt, dass der zweite Teilstrom nach dem Durchströmen des Heizkondensators 8 oder Heizgaskühlers 8 nicht in den Chillerzweig 3.1 geleitet wird, sondern zuerst über den Reheat-Zweig 5.2, bei vollständig geöffnetem Reheat-Expansionsorgans AE4, den äußeren Wärmeübertrager 5 durchströmt, um dann zusammen mit dem ersten Teilstrom über den AC- und Wärmepumpenzweig 5.1 bei geöffnetem Wärmepumpen-Expansionsorgans AE3 mittels des Chiller-Expansionsorgan AE1 in den Chiller 3 entspannt zu werden. Hierbei ist das Absperrorgan A1 geschlossen, das Absperrorgan A4 vollständig geöffnet. Bei diesem alternativen Abtaubetrieb werden die beiden Teilströme bereits stromaufwärts des äußeren Wärmeübertragers 5 zusammengeführt, wobei sich in beiden Teilströmen ein Hochdruckniveau einstellt. Mit beiden Teilströmen als Gesamtstrom wird der äußere Wärmeübertrager abgetaut, bevor dieser mit dem Chiller-Expansionsorgan AE1 entspannt wird.
-
Anstelle des Chiller-Expansionsorgans AE1 kann auch das Wärmepumpen-Expansionsorgan AE3 für die Entspannung des Kältemittels auf Niederdruck herangezogen werden. Das Chiller-Expansionsorgan AE1 wird dabei zu 100% geöffnet. Beide Expansionsorgane AE1 und A3 sowie alle weiteren im Kältemittelkreislauf 10 verwendeten Expansionsorgane weisen dabei idealerweise einen maximalen Öffnungsquerschnitt vor, der dem minimalen Leitungsquerschnitt der Klimaleitungen stromaufwärts bzw. stromabwärts des jeweiligen Expansionsorgans entspricht.
-
Dieser alternative Abtaubetrieb kann auch derart durchgeführt werden, dass der äußere Wärmeübertrager 5 auf einem Zwischendruck betrieben wird. Hierzu wird das Absperrorgan A4 durch ein Expansionsorgan AE6 ersetzt, mit welchem der erste Teilstrom in den äußeren Wärmeübertrager 5 auf einen Zwischendruck entspannt wird. Der zweite Teilstrom wird bei vollständig geöffnetem Absperrorgan A3 auf Hochdruckniveau in den Heizkondensator 8 oder Heizgaskühler 8 geführt und anschließend mittels des Reheat-Expansionsorgans AE4 auf den Zwischendruck entspannt, bevor dieser zweite Teilstrom in dem Abzweigpunkt Ab2 mit dem ersten Teilstrom stromaufwärts des äußeren Wärmeübertragers 5 zusammengeführt wird. Auch bei diesem Abtaubetrieb ist das Wärmepumpen-Expansionsorgan AE3 vollständig geöffnet.
-
Auch bei diesem alternativen Abtaubetrieb kann anstelle des Chiller-Expansionsorgans AE1 auch das Wärmepumpen-Expansionsorgan AE3 für die Entspannung des Kältemittels auf Niederdruck herangezogen werden. Das Chiller-Expansionsorgan AE1 wird dabei zu 100% geöffnet. Diese beiden Expansionsorgane AE1 und AE3 sowie alle weiteren im Kältemittelkreislauf 10 verwendeten Expansionsorgane weisen dabei idealerweise einen maximalen Öffnungsquerschnitt vor, der dem minimalen Leitungsquerschnitt der Klimaleitungen des Kältemittelkreislaufs 10 stromaufwärts bzw. stromabwärts des jeweiligen Expansionsorgans entspricht.
-
Sowohl der Zwischendruck als auch die Austrittstemperatur des Kältemittels am äußeren Wärmeübertrager 5 werden mittels des Druck-Temperatursensors pT3 in dem AC- und Wärmepumpenzweig 5.1 erfasst.
-
Im Folgenden wird ein Heizbetrieb mittels des Chillers 3 als Wärmequelle beschrieben.
-
Zur Durchführung der Heizfunktion mittels des Chillers 3 als Wasser-Wärmepumpe bei Wasser als Kühlmittel strömt das mittels des Kältemittelverdichters 4 verdichtete Kältemittel über das geöffnete Absperrorgan A3 zur Abgabe von Wärme an einen in den Fahrzeuginnenraum geführten Zuluftstrom L in den inneren Heizkondensator 8 oder Heizgaskühler 8 und wird anschließend über das geöffnete Absperrorgan A1 und den ersten Abzweigpunkt Ab1 mittels des Chiller-Expansionsorgans AE1 in den Chiller 3 zur Aufnahme von Abwärme der in dem Kühlmittelkreislauf 3.0 angeordneten elektrischen und/oder elektronischen Komponenten entspannt. Bei dieser Heizfunktion sind die Expansionsorgane AE3 und AE4 geschlossen, das Absperrorgan A5 geschlossen und das Abtau-Expansionsorgan AE5 vollständig geöffnet, wobei im Wasser-Wärmepumpenbetrieb ausgelagertes Kältemittel über das Absperrorgan A2 aus dem AC- und Wärmepumpenzweig 5.1 abgesaugt und über das Rückschlagventil R2 dem Akkumulator 7 zugeführt wird.
-
Eine indirekte Dreiecksschaltung wird dadurch realisiert, dass bei geöffnetem Absperrorgan A1 das von dem Kältemittelverdichter 4 verdichtete Kältemittel mittels des Chiller-Expansionsorgan AE1 in den Chiller 3 entspannt wird, wobei gleichzeitig kühlmittelseitig, also in dem Kühlmittelkreislauf 3.0 kein Volumenstrom erzeugt wird, also bspw. das als Kühlmittel verwendete Wasser auf der Kühlmittelseite des Chillers 3 stehen bleibt bzw. der Chiller 3 nicht aktiv von Kühlmittel durchströmt wird. Die Expansionsorgane AE2, AE3 und AE4 bleiben bei dieser Schaltvariante geschlossen.
-
Bei einem Reheat-Betrieb wird der in den Fahrzeuginnenraum zugeführte Zuluftstrom L mittels des Verdampfers 2 zunächst gekühlt und damit entfeuchtet, um anschließend mit der dem Zuluftstrom L entzogenen Wärme sowie der dem Kältemittel über den Kältemittelverdichter 4 zugeführten Wärme mittels des inneren Heizkondensators 8 oder des Heizgaskühlers 8 dem Zuluftstrom L zumindest teilweise wieder zu erwärmen.
-
Ein Reheat-Betrieb des Kältemittelkreislaufs 1.1 wird in Abhängigkeit der Wärmebilanz auf unterschiedliche Weise durchgeführt.
-
So wird bei ausreichender Heizleistung im Kältemittelkreislauf 1 nur der Verdampfer 2 mit Kältemittel durchströmt, indem der innere Heizkondensator 8 oder Heizgaskühler 8 stromabwärtsseitig mittels des geöffneten Absperrorgans A1 über das Verdampfer-Expansionsorgan AE2 mit dem Verdampfer 2 fluidverbunden wird, wobei das Chiller-Expansionsorgans AE1 gesperrt ist. Aus dem Verdampfer 2 strömt das Kältemittel über das Rückschlagventil R1, den Akkumulator 7 und den inneren Wärmeübertrager 6 wieder zurück zum Kältemittelverdichter 4, wobei die im Verdampfer 2 aufgenommene Wärme gemeinsam mit dem über den Kältemittelverdichter 4 eingetragenen Wärmestrom über den inneren Heizkondensator 8 oder Heizgaskühler 8 wieder an den in das Fahrzeuginnere geführten Zuluftstrom L abgegeben wird. Die Expansionsorgane AE1, bei AE3 und AE4 sind hierbei vollständig geschlossen.
-
Bei einem Wärmemangel im Kältemittelkreislauf 1.1 wird zur Wärmeaufnahme zusätzlich zum Verdampfer 2 auch der Chiller 3 durch Öffnen des Chiller-Expansionsorgan AE1 und/oder der äußere Wärmeübertrager 5 durch Öffnen des Wärmepumpen-Expansionsorgan AE3 parallel geschaltet.
-
Bei einem Wärmeüberschuss im Reheat-Betrieb wird neben der Wärmeabgabe an den Zuluftstrom L des Fahrgastraums über den inneren Heizkondensator 8 oder Heizgaskühler 8 zusätzlich über den äußeren Wärmeübertrager 5 Wärme an die Umgebung des Fahrzeugs abgegeben, bevor das Kältemittel über den Verdampfer 2 wieder zurück zum Kältemittelverdichter 4 strömt. Hierzu wird mittels des Reheat-Expansionsorgans AE4 des Reheat-Zweiges 5.2 das Kältemittel zur Kondensation auf einen über dem Verdampfungsdruck liegenden Zwischendruck entspannt und anschließend mittels des Verdampfer-Expansionsorgans AE2 in den Verdampfer 2 auf Niederdruck expandiert.
-
Der Vollständigkeit halber wird noch der AC-Betrieb des Kältemittelkreislaufs 1 der Kälteanlage 10 gemäß 1 erläutert.
-
Im AC-Betrieb ist der Heizzweig 8.1 mittels des Absperrorgans A3 abgesperrt, so dass heißes Kältemittel, wie bspw. R744, nicht durch den Heizgaskühler Kondensator 8 oder Heizgaskühler 8 strömen kann. Zur Rückholung von Kältemittel aus dem inaktiven Heizzweig 8.1 wird jedoch das Absperrorgan A5 des Absaugzweig 5.4 geöffnet und das Kältemittel kann über das Absperrorgan A5 und das Rückschlagventil R2, bei gleichzeitig geschlossenem Absperrorgan A2 in Richtung des Akkumulators 7 strömen.
-
Im AC-Betrieb des Kältemittelkreislaufs 1 gemäß 1 strömt das auf Hochdruck verdichtete Kältemittel ausgehend von dem Kältemittelverdichter 4 bei offenem Absperrorgan A4 in den äußeren Wärmeübertrager 5, den Hochdruckabschnitt des inneren Wärmeübertragers 6, über das vollständig geöffnete Wärmepumpen-Expansionsorgan AE3 sowie des ersten Abzweigpunkt Ab1 in den Verdampferzweig 2.1 und/oder in den Chiller-Zweig 3.1. Aus dem Chiller-Zweig 3.1 strömt das Kältemittel über den Akkumulator 7 und den Niederdruckabschnitt des inneren Wärmeübertragers 6 zurück zum Kältemittelverdichter 4, während das Kältemittel aus dem Verdampferzweig 2.1 über das Rückschlagventil R1 strömt und anschließend über den Akkumulator 7 und den Niederdruckabschnitt des inneren Wärmeübertragers 6 ebenso zurück zum Kältemittelverdichter 4 fließen kann.
-
Bezugszeichenliste
-
- 1
- Kältemittelkreislauf der Kälteanlage 10
- 1.1
- Klimagerät
- 2
- Verdampfer
- 2.1
- Innenraum-Verdampferzweig
- 3
- Chiller
- 3.0
- Kühlmittelkreislauf des Chillers 3
- 3.1
- Chillerzweig
- 4
- Kältemittelverdichter
- 5
- äußerer Wärmeübertrager
- 5.1
- AC- und Wärmepumpenzweig
- 5.2
- Reheat-Zweig
- 5.3
- Wärmepumpenrückführzweig
- 5.4
- Absaugzweig
- 5.5
- Anordnung des äußeren Wärmeübertragers 5
- 6
- innerer Wärmeübertrager
- 7
- Akkumulator
- 8
- innerer Heizkondensator oder Heizgaskühler
- 8.1
- Heizzweig
- 9
- elektrisches Heizelement
- 10
- Kälteanlage
- A1
- Absperrorgan
- A2
- Absperrorgan
- A3
- Absperrorgan
- A4
- Absperrorgan
- A5
- Absperrorgan
- Ab1
- Abzweigpunkt
- Ab2
- Abzweigpunkt
- Ab3
- Abzweigpunkt
- AE1
- Chiller-Expansionsorgan
- AE2
- Verdampfer-Expansionsorgan
- AE3
- Wärmepumpen-Verdampfungsorgan
- AE4
- Reheat-Expansionsorgan
- AE6
- Expansionsorgan
- AE7
- Expansionsorgan
- L
- Zuluftstrom
- L1
- Luftstrom
- pT1
- erster Druck-Temperatursensor
- pT2
- zweiter Druck-Temperatursensor
- pT3
- dritter Druck-Temperatursensor
- pT4
- vierter Druck-Temperatursensor
- pT5
- fünfter Druck-Temperatursensor
- R1
- Rückschlagventil
- R2
- Rückschlagventil
