DE19818627B4

DE19818627B4 - Verfahren zum Konditionieren eines Raumes sowie Kältekreislauf

Info

Publication number: DE19818627B4
Application number: DE19818627A
Authority: DE
Inventors: Hugo Dipl.-Ing. Maier (FH)
Original assignee: Voetsch Industrietechnik GmbH
Current assignee: Voetsch Industrietechnik GmbH
Priority date: 1998-02-10
Filing date: 1998-04-25
Publication date: 2008-05-21
Anticipated expiration: 2018-04-26
Also published as: DE19818627C5; DE19818627A1

Abstract

Verfahren zum Konditionieren von Luft durch Einstellen der Temperatur und Luftfeuchtigkeit in einem abschließbaren Raum, wie Klimatisierungsschrank, mittels eines Kältekreislaufs mit Kältemittel umfassend einen in dem Raum vorhandenen Wärmetauscher, einen Verdichter, einen Verflüssiger, ein Kältemittelreservoir und ein dem Wärmetauscher vorgeschaltetes Expansionsventil zum Zuführen von flüssigem Kältemittel zu dem Wärmetauscher, dadurch gekennzeichnet, dass über das Expansionsventil dem Wärmetauscher Kältemittel in einem Umfang zufließt, dass das Kältemittel in dem Wärmetauscher eine Verdampfungstemperatur aufweist, die zu der in dem Raum herrschenden Temperatur eine Differenz ΔT aufweist, die ein Auskondensieren von Feuchtigkeit an dem Wärmetauscher unterbindet oder weitgehend unterbindet, wobei mengenmäßig das aus dem Wärmetauscher abgesaugte Kältemittel durch ein in Reihe mit dem Verdichter in zu dem Verdichter führenden Kreislaufabschnitt (Saugleitung) angeordnetes Ventil geregelt wird, das seinerseits in Abhängigkeit von der in dem Raum herrschenden Temperatur geregelt wird.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Konditionieren von Luft durch Einstellen der Temperatur und Luftfeuchtigkeit in einem abschließbaren Raum wie Klimatisierungsschrank mittels eines Kältekreislaufes umfassend einen in dem Raum vorhandenen Wärmetauscher, einen Verdichter, einen Kompressor, ein dem Wärmetauscher vorgeschaltetes Expansionsventil sowie ein in dem Kältekreislauf strömendes Kältemittel. Ferner bezieht sich die Erfindung auf einen Kältekreislauf bestimmt zum Temperieren eines abschließbaren Raumes, wobei der Kältekreislauf einen in dem Raum angeordneten Wärmetauscher, einen aus dem Wärmetauscher absaugenden Verdichter, einen Verflüssiger, ein Kältemittelreservoir und ein dem Wärmetauscher Kältemittel zuführendes Expansionsventil umfasst.
Zur Überprüfung von physikalischen und/oder chemischen Eigenschaften von Gegenständen sind Klimaprüfschränke bekannt, in denen nicht nur Temperaturen zum Beispiel im Bereich zwischen -80°C und +180°C, sondern auch gewünschte Klimabedingungen eingestellt werden können. Bei hoher Luftfeuchtigkeit in dem Raum selbst tritt häufig der Nachteil auf, dass ein Auskondensieren an dem Wärmetauscher erfolgt. Hierdurch erfolgt nicht nur eine momentane Verfälschung der Temperatur und/oder Feuchte, sondern es ist ein zusätzlicher Energiebedarf notwendig, um auskondensierte Feuchtigkeit durch Verdampfen von Flüssigkeit nachzuliefern.
Die DE 38 18 321 C2 weist kein Drosselventil auf, das in der Saugleitung und in Reihe mit dem Verdichter angeordnet ist. Zwar kennt der Stand der Technik in einem Kältekreislauf neben einem in der Druckleitung vorhandenen Expansionsventil ein weiteres Expansionsventil, mittels dessen der Kältemittelfluss zum Verdichter beeinflusst wird. Hierbei handelt es sich jedoch nicht um ein Drosselelement, das in Reihe mit dem Verdichter, sondern parallel zu diesem angeordnet ist. Auch wird durch das zusätzliche als quasi stetiges Expansionsventil arbeitende Drosselorgan 12 das abgesaugte Kältemittel aus dem Wärmetauscher nicht geregelt, so dass in Folge dessen die die Erfindung prägenden Merkmale nicht vorzufinden sind. Somit ergibt sich nicht mit konstruktiv einfachen Maßnahmen die Möglichkeit, im gewünschten Umfang eine Temperaturdifferenz zwischen Wärmetauscher und Umgebung einzustellen, die ein Auskondensieren ausschließt, in dem einzig und allein ein Drosselorgan in Reihe zu dem Verdichter angeordnet wird, wodurch der gewünschte Druck und damit die Temperatur an dem Wärmetauscher unabhängig von dem am Verdichter herrschenden Druck am Ansaugstutzen eingestellt werden kann.
Die DE 697 23 624 T2 und die DE 695 24 932 T2 beziehen sich auf Klimaanlagen, bei denen über ein Vier-Wege-Ventil ein Verdichter mit einem Außen- und Innenwärmetauscher verbindbar ist.
In der sich auf ein Verfahren von Konditionieren von Luft in einem Klimaschrank beziehende DE 41 15 586 A1 wird zur Vermeidung eines Kondensatausfalls einem stetig geregelten Kältemittelstrom vor dem Wärmetauscher ständig ein Heißgasstrom beigemischt.
Die DE 41 16 500 A1 , DE 37 00 976 C1 und DD-A-110 939 offenbaren spezielle Ausgestaltungen von Klimaschränken, mit denen ein schneller Temperaturwechsel erfolgt bzw. räumliche Temperaturabweichungen minimiert werden.
Die DE 697 32 206 T2 hat eine Kälteanlage des Dampfkompressionstyps zum Gegenstand, bei der ein Kompressor unmittelbar mit einem Wärmetauscher verbunden ist.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art sowie einen Kältekreislauf zur Verfügung zu stellen, mit dem eine hohe Feuchtigkeit in dem Raum einstellbar ist, ungeachtet vorhandener Wärmeeinstrahlung, ohne dass ein Auskondensieren oder ein merkliches Auskondensieren erfolgt. Dabei sollen auch die aufwendigen Verfahren einer indirekten Temperierung vermieden werden.
Verfahrensgemäß wird das Problem erfindungsgemäß im wesentlichen dadurch gelöst, dass über das Expansionsventil dem Wärmetauscher Kältemittel in einem Umfang zufließt, dass das Kältemittel in dem Wärmetauscher eine Verdampfungstemperatur aufweist, die zu der in dem Raum herrschenden Temperatur eine Differenz ΔT aufweist, die ein Auskondensieren von Feuchtigkeit an dem Wärmetauscher unterbindet oder weitgehend unterbindet, wobei mengenmäßig das aus dem Wärmetauscher abgesaugte Kältemittel durch ein in Reihe mit dem Verdichter in zu dem Verdichter führenden Kreislaufabschnitt (Saugleitung) angeordnetes Ventil geregelt wird, das seinerseits in Abhängigkeit von der in dem Raum herrschenden Temperatur geregelt wird.
In Weiterbildung ist vorgesehen, dass der Verdichter in seiner Leistung durch ein dem Ventil nachgeordnetes Überlastventil vor zu hohem Saugdruck und damit Überlastung geschützt wird.
Das Expansionsventil selbst, das in einem das flüssige Kältemittel dem Wärmetauscher zuführenden Kältekreislaufabschnitt angeordnet ist, wird seinerseits über die Temperatur und/oder den Druck des von dem Wärmetauscher abgesaugten Kältemittels geregelt bzw. gesteuert.
Ein Kältekreislauf der eingangs genannten Art zeichnet sich dadurch aus, dass in zu dem Verdichter führender Saugleitung des Kältekreislaufs und in Reihe mit dem Verdichter ein abzusaugende Mengen an Kältemittel aus dem Wärmetauscher regelndes weiteres Ventil angeordnet ist, das über die in dem Raum herrschende Temperatur regelbar ist. Dabei ist das Ventil ein stetig oder taktend arbeitendes Regel- oder Absperrventil.
Bei dem flüssiges Kältemittel dem Wärmetauscher zuführenden Expansionsventil handelt es sich um ein solches, das ohne Druckbegrenzung arbeitet. Es wird demzufolge kein ansonsten in Kältekreisläufen vorhandenes thermostatisches Expansionsventil mit Druckbegrenzung (MOP) benutzt, wodurch anderenfalls die Menge des dem Wärmetauscher zuzuführenden flüssigen Kältemittels begrenzt würde. Hierdurch bedingt könnte keine geringe Differenz zwischen Verdampfungstemperatur des Kältemittels in dem Wärmetauscher und der Temperatur der zu temperierenden Luft eingestellt werden, so dass infolgedessen ein Auskondensieren von Feuchtigkeit am Wärmetauscher insbesondere bei hohen relativen Feuchten erfolgen würde. Dies wäre insbesondere dann der Fall, wenn infolge Wärmeeinstrahlung von außen die Kälteleistung vergrößert werden muss. Das zuvor beschriebene mechanische Expansionsventil kann auch durch ein elektronisches Expansionsventil mit gleicher Charakteristika ersetzt werden.
Erfindungsgemäß ist aufgrund des in der Saugleitung vorhandenen stetig oder taktend arbeitenden Regel- und/oder Absperrventils die Möglichkeit gegeben, dass über das Expansionsventil Kältemittel dem Wärmetauscher in einer Menge derart zugeführt wird, dass eine Temperaturangleichung zwischen Verdampfungstemperatur und Raumtemperatur erfolgt.
Dabei läßt sich die erfindungsgemäße Lehre sowohl bei einer Standardeinspritzung von Kältemittel, bei dem das Kältemittel in den Wärmetauscher in dessen oberen Bereich eingespritzt und im unteren Bereich abgesaugt wird, also auch bei überflutetem Betrieb nutzen, bei dem das Kältemittel von unten durch den Wärmetauscher nach oben strömt. Bei überflutetem Betrieb ergibt sich der Vorteil, dass eine größere Übertragungsleistung bei gleicher Temperaturdifferenz ermöglicht wird, so dass infolgedessen das Kältemittel weniger überhitzt. Dies liegt in dem Umstand begründet, dass der Wärmetauscher in seinem unteren Bereich teilweise mit flüssigem Kältemittel gefüllt ist und das Kältemittel selbst im verbleibenden Wärmetauscher siedet bzw. verdampft.
Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich nicht nur aus den Ansprüchen, den diesen zu entnehmenden Merkmalen – für sich und/oder in Kombination –, sondern auch aus der nachfolgenden Beschreibung eines der Zeichnung zu entnehmenden bevorzugten Ausführungsbeispiels.
Es zeigen:
1 einen Kältekreislauf in Standardeinspritzung und
2 einen Kältekreislauf für überfluteten Betrieb.
In den Figuren sind rein schematisch zwei direkte Kältekreisläufe zum Temperieren von geschlossenen Räumen dargestellt, in denen ungeachtet gegebenenfalls erfolgender hoher Wärmeeinstrahlung hohe Feuchtigkeiten eingestellt werden können, ohne dass ein Auskondensieren am Wärmetauscher erfolgt bzw. ein solches weitgehend unterbunden wird. In einem zu temperierenden und verschließbaren Raum wie Klimatisierungsschrank 10 ist ein Wärmetauscher 12 angeordnet, der sich in einem Kältekreislauf 14 befindet. In dem Kältekreislauf 14 sind des Weiteren ein Expansionsventil 16, ein Verdichter 18, ein Verflüssiger 20, ein Kältemittelreservoir 22, ein Regelventil 24 sowie ein Überlastventil 26 angeordnet.
Über das Expansionsventil 16 kann von dem Kältemittelreservoir 22 kommendes flüssiges Kältemittel dem Wärmetauscher 12 zugeführt werden, damit dieses verdampft, wodurch die Temperatur in dem Raum 10 eingestellt wird. Bei dem Expansionsventil 16 handelt es sich abweichend von üblichen direkten Kältekreisläufen nicht um ein thermostatisches Expansionsventil mit Druckbegrenzung (MOP). Ein solches thermostatisches Expansionsventil mit Druckbegrenzung würde die Menge des dem Wärmetauscher 12 zufließenden Kältemittels derart regeln, dass nicht immer die Möglichkeit gegeben wäre, dass die Temperatur des verdampften Kältemittels geringfügig geringer als die Temperatur der zu temperierenden Luft im Raum 10 ist. Vielmehr kann sich eine hohe Temperaturdifferenz einstellen mit der Folge, dass am Wärmetauscher Feuchtigkeit auskondensieren kann. Hierdurch wird nicht nur eine momentane Verfälschung der Temperatur und/oder Feuchte in dem Raum 10 bewirkt, sondern es ist ein zusätzlicher Energiebedarf erforderlich, um Flüssigkeit zu verdampfen, um die gewünschte Feuchtigkeit einzustellen.
Erfindungsgemäß ist nun vorgesehen, dass in der Saugleitung, also dem zwischen dem Wärmetauscher 12 und dem Verdichter 18 verlaufenden Abschnitt 28 des Kältemittelkreislaufs 14 ein stetig oder taktend arbeitendes Ventil 24 angeordnet ist, über das bei geöffentem Expansionsventil 16 die Menge des dem Wärmetauscher 12 zufließenden Kältemittels indirekt gesteuert bzw. geregelt wird, dass in Abhängigkeit von der Temperatur in dem Raum 10 die Menge an verdampftem Kältmittel abesaugt wird. Das Ventil 24 selbst wird seinerseits über einen in dem Raum 10 vorhandenen Temperaturfühler geregelt.
Durch das über den in dem zu temperierenden Raum 10 angeordneten Temperatursensor 30 gesteuerte Ventil 24, das auch als Absperr- bzw. Durchflussregelventil bezeichnet werden kann, ist sichergestellt, dass über das Expansionsventil 16 solange Kältemittel strömen kann, dass der erforderliche bzw. gewünschte hohe Verdampfungsdruck in dem dem Wärmetauscher 12 enthaltenden Abschnitt des Kältekreislaufs herrscht mit der Folge, dass eine Temperaturangleichung zwischen der Verdampfungstemperatur des Kältemittels in dem Wärmetauscher 12 und der Raumtemperatur erfolgt.
Aufgabe des Expansionsventils 16 ist es, dass das Kältemittel den Wärmetauscher 12 stets in Dampfform verlässt. Hierzu können an der Saugleitung 28 in bekannter Weise Fühler angeordnet sein, die zu dem Expansionsventil 16 führen.
Das dem Absperr- bzw. Durchflussregelventil 24 nachgeordnete Überlastventil stellt sicher, dass der Verdichter 18 ungeachtet eines hohen Verdampfungsdrucks in der Saugleitung 28 nicht mit unzulässig hohem Druck beaufschlagt wird.
Der erfindungsgemäße Kältekreislauf arbeitet mit dem Expansionsventil 16 ohne MOP (Maximum Operating Pressure), wodurch anderenfalls der erforderliche Verdampfungsdruck in dem Wärmetauscher 12 nicht einstellbar wäre. Als Temperatur- und Leistungsstellglied dient dabei das Absperr- bzw. Durchflussregelventil 24 in der Saugleitung 28 des Kälte kreislaufs 14.
Anstatt eines mechanischen Expansionsventils kann auch ein elektronisches Expansionsventil verwendet werden.
Die in den Figuren dargestellten Kältekreisläufe unterscheiden sich dahingehend, dass in 1 ein Kältekreislauf mit Standardeinspritzung dargestellt ist. Dabei wird das Kältemittel im Kopfbereich des Wärmetauschers 12 eingespritzt und in seinem unteren Bereich abgesaugt. Demgegenüber wird bei dem der 2 zu entnehmenden überfluteten Betriebsweise des Kältekreislaufs das Kältemittel im Bodenbereich des Wärmetauschers 12 eingespritzt und in seinem Kopfbereich abgesaugt.
Durch den erfindungsgemäß ausgebildeten Kältekreislauf 14, in dem bekannte Bauteile Verwendung finden, sind kleine Differenzen zwischen Verdampfungstemperatur des Kältemittels des Wärmetauschers 12 und der Temperatur in dem Raum 10 erzielbar, so dass ein Auskondensieren von Feuchtigkeit am Wärmetauscher 12 auch bei hohen relativen Feuchten stark eingeschränkt ist. Dies trifft auch dann zu, wenn infolge Wärmeeinstrahlung von außen die Kälteleistung vergrößert werden muss.
Aufgrund der erfindungsgemäßen Lehre kann die Temperaturdifferenz zwischen Verdampfungstemperatur und Lufttemperatur in Abhängigkeit der übertragenen Leistung sowie Verdampferfläche auf bis zu ca. 2 K reduziert werden.

Claims

Verfahren zum Konditionieren von Luft durch Einstellen der Temperatur und Luftfeuchtigkeit in einem abschließbaren Raum, wie Klimatisierungsschrank, mittels eines Kältekreislaufs mit Kältemittel umfassend einen in dem Raum vorhandenen Wärmetauscher, einen Verdichter, einen Verflüssiger, ein Kältemittelreservoir und ein dem Wärmetauscher vorgeschaltetes Expansionsventil zum Zuführen von flüssigem Kältemittel zu dem Wärmetauscher, dadurch gekennzeichnet, dass über das Expansionsventil dem Wärmetauscher Kältemittel in einem Umfang zufließt, dass das Kältemittel in dem Wärmetauscher eine Verdampfungstemperatur aufweist, die zu der in dem Raum herrschenden Temperatur eine Differenz ΔT aufweist, die ein Auskondensieren von Feuchtigkeit an dem Wärmetauscher unterbindet oder weitgehend unterbindet, wobei mengenmäßig das aus dem Wärmetauscher abgesaugte Kältemittel durch ein in Reihe mit dem Verdichter in zu dem Verdichter führenden Kreislaufabschnitt (Saugleitung) angeordnetes Ventil geregelt wird, das seinerseits in Abhängigkeit von der in dem Raum herrschenden Temperatur geregelt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdichter in seiner Leistung durch ein in der Saugleitung dem Ventil nachgeordnetes Überlastventil vor Überlastung geschützt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Expansionsventil über die Temperatur und/oder Druck des aus dem Wärmetauscher abgesaugten Kältemittels geregelt bzw. gesteuert wird.
Kältekreislauf bestimmt zum Temperieren eines abschließbaren Raumes, insbesondere eines Klimatisierungsschrankes, wobei der Kältekreislauf einen in dem Raum angeordneten Wärmetauscher, ein flüssiges Kältemittel dem Wärmetauscher zuführendes Expansionsventil, einen Verdichter, einen Verflüssiger und ein Kältemittelreservoir umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass in zu dem Verdichter (18) führender Saugleitung (28) des Kältekreislaufes (14) und in Reihe mit dem Verdichter ein abzusaugende Menge an Kältemittel aus dem Wärmetauscher (12) regelndes weiteres Ventil (24) angeordnet ist, das über die in dem Raum (10) herrschende Temperatur regelbar ist.
Kältekreislauf nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Expansionsventil (16) unabhängig von einer Druckbegrenzung bedingt durch das das Expansionsventil durchströmende Kältemittel und das verdampfte Kältemittel arbeitet.
Kältekreislauf nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Überlastventil (26) den Verdichter (18) in Bezug auf einen zulässigen Ansaugdruck begrenzt.