DE3821910C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Versorgung ei­ nes Kälteverbrauchers mit Kälte, bei dem die Kälte einem Eisspeicher und einem Flüssigkeitskühler entnommen und durch einen Kaltwasserkreislauf dem Kälteverbraucher zugeführt wird.

Bei einem aus dem internen Stand der Technik bekannten Verfahren dieser Art wird der Eisspeicher von einer Käl­ temaschine unter Einschaltung eines Zwischenkreislaufs, der als Kälteträger Glykol oder Sole enthält, aufgela­ den. Ebenso wird die von der Kältemaschine des Flüssig­ keitskühlers abgegebene Kälte durch einen weiteren Zwi­ schenkreislauf an den Kaltwasserkreislauf abgegeben und von diesen zum Kälteverbraucher transportiert. Die je­ weilige Einschaltung eines Zwischenkreislaufes in den Kältefluß hat den Nachteil, daß das für die Übertragung der Kälte erforderliche Temperaturgefälle eine dement­ sprechende Absenkung der Verdampfungstemperatur des Käl­ temittels erfordert. Dies hat zur Folge, daß, unter der Voraussetzung einer unveränderten Kondensationstempera­ tur des Kältemittels, die Leistungszahl und somit der Wirkungsgrad der Anlage sich verschlechtert.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, das Verfahren der eingangs genannten Art so weiterzubilden, daß die Lei­ stungszahl verbessert und darüber hinaus der Aufwand verringert ist.

Die Lösung dieser Aufgabe besteht erfindungsgemäß darin, daß als Flüssigkeitskühler ein Wasserkühler verwendet wird, dessen Kältemaschine während der nächtlichen Be­ triebspause des Kälteverbrauchers Kälte nur an den Eis­ speicher, während des täglichen Betriebs des Kältever­ brauchers dagegen Kälte nur an den Kaltwasserkreislauf jeweils durch direkten Wärmetausch abgibt.

Die Kältemaschine oder das Kälteaggregat des Wasserküh­ lers wird also alternativ für die Aufladung des Kälte­ speichers oder zur Kälteabgabe an den Kaltwasserkreis­ lauf eingesetzt. Durch diese doppelte Ausnutzung der Kältemaschine ist der Aufwand für das erfindungsgemäße Verfahren erheblich verringert. Da die Aufladung des Eisspeichers und die Wärmeabgabe an den Kaltwasserkreis­ lauf durch direkte Verdampfung des Kältemittels im Eis­ speicher bzw. durch einen in den Kaltwasserkreislauf eingefügten Direktverdampfer erfolgt und Zwischenkreis­ läufe demnach vermieden sind, ist eine gegenüber dem Stand der Technik höhere Verdampfungstemperatur des Käl­ temittels möglich, und es wird eine Kälteerzeugung mit guter Leistungszahl und damit hohem Wirkungsgrad er­ reicht. Da während des täglichen Betriebes des Kältever­ brauchers die hierzu erforderliche Kälte gleichzeitig vom Eisspeicher und vom Wasserkühler geliefert wird, kann in vorteilhafter Weise die Nennleistung der Kälte­ maschine geringer gewählt werden als der Nennkältebedarf des Kälteverbrauchers. Hierdurch wird der Aufwand für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens weiter vermindert.

Wird ein geschlossener Eisspeicher eingesetzt, so be­ steht eine bevorzugte Weiterbildung der Erfindung darin, daß der Kaltwasserkreislauf zur Kälteaufnahme durch den Eisspeicher geführt wird. Hierdurch wird eine Entladung des Eisspeichers ohne Einschaltung eines Zwischenkreis­ laufes und daher mit hohem Wirkungsgrad ermöglicht.

Um den Aufwand weiter zu verringern empfiehlt es sich, als Wasserkühler einen Kaltwassersatz zu benutzen. Ein solcher Kaltwassersatz vereint hohe Betriebssicherheit mit kompaktem Aufbau.

Da infolge des Eisspeichers und des Kaltwasserkreislau­ fes Kälte nur mit einem Temperaturniveau über der Ge­ friertemperatur des Wassers, d.h. 0° Celsius, geliefert werden kann, empfiehlt es sich zur Optimierung des Käl­ tetransportes, daß das Kaltwasser des Kaltwasserkreis­ laufes zur Kälteaufnahme um ungefähr 6 K, vorzugsweise von ungefähr 12° Celsius auf ungefähr 6° Celsius, abge­ kühlt wird.

Weitere Vorteile und Merkmale des erfindungsgemäßen Ver­ fahrens gehen aus der beispielsweisen Beschreibung von Anlagen hervor, die für die Durchführung des erfindungs­ gemäßen Verfahrens geeignet und in den Zeichnungen sche­ matisch dargestellt sind.

Hierbei zeigt:

Fig. 1 das vereinfachte Schaltschema einer für die Versorgung eines Kälteverbrauchers vorgesehe­ nen Anlage mit offenem Eisspeicher und

Fig. 2 eine Ausführungsvariante des Gegenstands der Fig. 1 mit geschlossenem Eisspeicher.

Die in Fig. 1 gezeigte Anlage weist einen Wasserkühler 10 auf, dessen Verdichter 12 druckseitig an den vorzugs­ weise luftgekühlten Kondensator 14 angeschlossen ist. Vom Kondensator führt eine Leitung 16 zum Verdampfer 18 des Wasserkühlers, wobei, in Strömungsrichtung des Käl­ temittels gesehen, ein fernbetätigtes Absperrorgan 20 sowie ein Expansionsventil 22 in die Leitung 16 einge­ fügt sind. Das fernbetätigte Absperrorgan 20 erhält sei­ ne Öffnungs- oder Schließimpulse von einem in der Zeich­ nung nicht dargestellten Steuergerät. Um den Kältemit­ telkreislauf zu schließen, führt eine Leitung 24 vom Verdampfer 18 zum Verdichter 12 zurück.

An die Leitung 16 ist stromauf des fernbetätigten Ab­ sperrorgans 20 an der Stelle 26 eine Leitung 28 ange­ schlossen, in die ein zweites fernbetätigtes Absperror­ gan 30 sowie ein zweites Expansionsventil 32 eingefügt sind und die zu den Speicherrohren 34 des Eisspeichers 36 führt. Das zweite fernbetätigte Absperrorgan 30 ist zur Steuerung mit dem in Fig. 1 nicht dargestellten und bereits zuvor erwähnten Steuergerät verbunden. Vom Ende der Speicherrohre 34 führt eine Leitung 38 zum Verdich­ ter 12 zurück und ist stromauf des Verdichters 12 an der Stelle 40 an die Leitung 24 angeschlossen.

Die Speicherrohre 34 des Eisspeichers sind in einem Speicherraum 42 angeordnet, der mit Wasser gefüllt ist. Da es sich beim vorliegenden Ausführungsbeispiel um ei­ nen offenen Eisspeicher 36 handelt, ist der Speicherraum 42 mit dem Außenraum 44 in Verbindung, und es bildet sich im Speicherraum 42 ein Wasserstand aus, dessen Oberfläche 46 angedeutet ist. Die Speicherrohre 34 sind unterhalb der Oberfläche 46 angeordnet und verlaufen mit gegenseitigem Abstand.

Vom unteren Bereich des Speicherraums 42 führt eine Lei­ tung 48 mit eingefügter Umwälzpumpe 50 zum primärseiti­ gen Eingang eines Oberflächenwärmetauschers 52. Vom Aus­ gang des Oberflächenwärmetauschers führt eine Leitung 54 zum oberen Bereich des Speicherraums 42 zurück. In die Leitung 54 ist ein Verteilventil 56 eingefügt, dessen Verteilleitung 58 zur Leitung 48 führt und dort stromab der Umwälzpumpe 50 angeschlossen ist. Zwischen der An­ schlußstelle 60 der Verteilleitung an die Leitung 48 und dem Oberflächenwärmetauscher 52 ist in die Leitung 48 ein Temperaturfühler 62 eingefügt, der durch eine Steu­ erleitung 64 auf das Verteilventil 56 einwirkt.

Die Sekundärseite des Oberflächenwärmetauschers 52 ist in den Kaltwasserkreislauf 66 eingefügt, der die Kälte zu dem schematisch angedeuteten Kälteverbraucher 68, z.B. in Form eines Wärmetauschers, transportiert. Hierzu führt eine Rohrleitung 70 vom Oberflächenwärmetauscher 52 zu einem Vorlaufsammler 72, von dem eine Kaltwasser­ vorlaufleitung 74 mit eingefügter zweiter Umwälzpumpe 76 zum Kälteverbraucher 68 führt. Von diesem ist eine Kalt­ wasserrücklaufleitung 78 zu einem Rücklaufsammler 80 zu­ rückgeführt, der durch eine Rohrleitung 82 mit eingefüg­ ter dritter Umwälzpumpe 84 zur Schließung des Kaltwas­ serkreislaufes 66 mit der Sekundärseite des Oberflächen­ wärmetauschers 52 verbunden ist. Hierbei ist in die Rohrleitung 82 zwischen dem Oberflächenwärmetauscher 52 und der dritten Umwälzpumpe 84 ein zweites Verteilventil 86 angeordnet, dessen Verteilleitung 88 den Oberflächen­ wärmetauscher 52 umgeht und an der Stelle 90 in die Rohrleitung 70 mündet, wie dies deutlich aus Fig. 1 zu erkennen ist. Stromab der Stelle 90 ist in der Rohrlei­ tung 70 ein zweiter Temperaturfühler 92 angeordnet, des­ sen Steuerleitung 94 auf das Verteilventil 86 einwirkt.

Der Verdampfer 18 des Wasserkühlers 10 ist ebenfalls als Oberflächenwärmetauscher ausgebildet, dessen Sekundär­ seite in wasserseitiger Parallelschaltung zum Oberflä­ chenwärmetauscher 52 in den Kaltwasserkreislauf 66 ein­ gefügt ist. Hierzu ist der Verdampfer 18 durch die Rohr­ leitung 96 mit eingefügter vierter Umwälzpumpe 98 an den Rücklaufsammler 80 und durch die Rohrleitung 100 mit dem Vorlaufsammler 72 verbunden. Der Vorlaufsammler 72 ist durch eine Bypassleitung 102 mit dem Rücklaufsammler 80 verbunden, wobei in die Bypassleitung 102 ein Überström­ ventil 104 eingefügt ist, das bei einem vorgegebenen Differenzdruck zwischen den beiden Sammlern öffnet.

Während der nächtlichen Betriebspause des Kälteverbrau­ chers 68, in der kein Kältebedarf gedeckt werden muß, sind sämtliche Umwälzpumpen 76, 84, 98 des Kaltwasser­ kreislaufes 66 ausgeschaltet. Desgleichen ist die erste Umwälzpumpe 50 der Rohrleitung 48 ausgeschaltet, so daß kein Wasser vom Speicherraum 42 im Kreislauf durch den Oberflächenwärmetauscher 52 geführt wird. Der Wasser­ kreislauf, der den Speicherraum 42 des Eisspeichers mit dem Oberflächenwärmetauscher 52 verbindet, wird hier der Einfachheit halber als Zwischenkreislauf 106 bezeichnet. Desweiteren ist das fernbetätigte Absperrventil 20 ge­ schlossen, so daß kein Kältemittel in den Verdampfer 18 gelangen kann, das heißt der Verdampfer 18 ist außer Betrieb.

Während dieser nächtlichen Betriebspause des Kältever­ brauchers 68 wird nun der Verdichter 12 des Wasserküh­ lers in Betrieb genommen, so daß Kältemittel durch das geöffnete zweite fernbetätigte Absperrventil 30 und das zweite Expansionsventil 32 in die Speicherrohre 34 ge­ langt und dort verdampft. Hierbei gefriert ein Teil des im Speicherraum befindlichen Wassers außen an den Spei­ cherrohren 34 an und bildet jeweils eine Eisschicht, welche die Kältespeicherung übernimmt. Da die Verdamp­ fung des Kältemittels direkt im Eisspeicher erfolgt, ist der Unterschied zwischen der Verdampfungstemperatur in den Speicherrohren 34 und der Kondensationstemperatur des Kältemittels im außenluftgekühlten Kondensator 14 gering, so daß die Eisspeicherung mit guter Leistungs­ zahl und somit mit gutem Wirkungsgrad erfolgt. Da wäh­ rend der nächtlichen Eisspeicherung der Kondensator 14 durch Außenluft mit verhältnismäßig kalter Temperatur beaufschlagt und somit die Temperaturdifferenz zwischen dem verdampfenden und dem kondensierten Kältemittel ver­ ringert ist, wird zusätzlich eine Verbesserung der Lei­ stungszahl und des Wirkungsgrads der Anlage erreicht. Die Eisspeicherung wird nun soweit getrieben, bis die Speicherrohre 34 des Eisspeichers mit einer Eisschicht von zulässiger Dicke belegt sind und somit der Eisspei­ cher aufgeladen ist. Dann wird der Verdichter 12 abge­ schaltet.

Während des täglichen Betriebs des Wärmeverbrauchers 68 ist das zweite fernbetätigte Absperrorgan 30 geschlossen und das erste fernbetätigte Absperrorgan 20 dagegen ge­ öffnet, so daß der vom Kaltwasser des Kaltwasserkreis­ laufs 66 durchströmte Verdampfer 18 des Wasserkühlers kältemittelseitig beaufschlagt wird. Gleichzeitig sind sämtliche Umwälzpumpen 50, 76, 84, 98 in Betrieb, so daß sich folgender Kältefluß ergibt: Im Verdampfer 18 wird das durchströmende Kaltwasser des Kaltwasserkreislaufes bei laufendem Verdichter 12 auf eine Temperatur von un­ gefähr 6° Celsius abgekühlt und dann durch die Rohrlei­ tung 100 dem Vorlaufsammler 72 zugeführt. Von hier wird das Kaltwasser durch die zweite Umwälzpumpe 76 und die Vorlaufleitung 74 dem Kälteverbraucher 68 zugeführt, in dem das Kaltwasser unter Temperaturerhöhung auf ungefähr 12° Celsius Kälte abgibt. Dieses erwärmte Kaltwasser wird dann durch die Rücklaufleitung 78 dem Rücklaufsamm­ ler 80 zugeführt und dann durch die vierte Umwälzpumpe 98 und die Rohrleitung 96 zu erneuter Abkühlung dem Ver­ dampfer 18 zugeleitet.

Da das Kaltwasser im Verdampfer 18 durch direkten Wärme­ tausch gekühlt wird, ist ebenfalls eine gute Leistungs­ zahl und somit ein entsprechend guter Wirkungsgrad der Anlage gewährleistet.

Gleichzeitig ist der Zwischenkreislauf 106 im Betrieb, so daß durch Abschmelzen von sich im Speicherraum 42 be­ findendem Eis Wasser auf ungefähr 1,5° Celsius abgekühlt und dann dem Oberflächenwärmetauscher 52 zugeführt wird. Die Temperatur des Wassers wird vom Temperaturfühler 62 erfaßt und durch die Steuerleitung 64 an das Verteilven­ til 56 weitergegeben, das die Wasserzirkulation im Zwi­ schenkreislauf 106 derart beeinflußt, daß die gewünschte Temperatur von 1,5° Celsius in der Leitung 48 eingehal­ ten wird. Im Oberflächenwärmetauscher 52 erwärmt sich das Wasser des Zwischenkreislaufs auf ungefähr 4° Celsi­ us.

Die vom Eisspeicher 36 dem Oberflächenwärmetauscher 52 zugeführte Kälte wird an den Kaltwasserkreislauf 66 wei­ tergegeben. Hierzu strömt erwärmtes Kaltwasser vom Rücklaufsammler 80 unter Einwirkung der dritten Umwälz­ pumpe 84 durch die Rohrleitung 82 zum Oberflächenwärmetauscher 52, in dem es von ungefähr 12° Celsius auf 6° Celsius abgekühlt wird. Das abgekühlte Kaltwasser strömt dann durch die Leitung 70 dem Vorlaufsammler 72 zu. Im Vor­ laufsammler 72 vereinen sich die vom Oberflächenwärmeta­ uscher 52 und vom Verdampfer 18 kommenden Wasserströme und fließen dann durch die Vorlaufleitung 74 gemeinsam dem Kälteverbraucher 68 zu. Um eine Zirkulation im Kalt­ wasserkreislauf bei Ausfall der zweiten Umwälzpumpe 76 aufrechterhalten zu können, ist die Bypassleitung 102 vorgesehen, die bei einem voreinstellbaren Differenz­ druck zwischen dem Vorlaufsammler 72 und dem Rücklauf­ sammler 80 durch ein selbsttätiges Öffnen des Überström­ ventils 104 zum Durchfluß freigegeben wird, so daß ein Notkreislauf des Kaltwassers aufrechterhalten bleibt.

Um die Abkühlung des Kaltwassers des Kaltwasserkreis­ laufs im Oberflächenwärmetauscher 52 beeinflussen zu können, wird durch den zweiten Temperaturfühler 92 die Kaltwassertemperatur in der Rohrleitung 70 erfaßt und durch die Steuerleitung an das zweite Verteilventil 86 weitergegeben, das das dem Oberflächenwärmetauscher zu­ strömende Kaltwasser den gewünschten Temperaturverhält­ nissen entsprechend auf den Oberflächenwärmetauscher 52 und die Verteilleitung 88 aufteilt. Die Abkühlung des Kaltwassers im Verdampfer 18 wird zweckmäßig durch Be­ einflussung des Kältemittelkreislaufs, z.B. durch Ein- und Ausschalten des Verdichters 12, geregelt.

In Fig. 2 ist eine Ausführungsvariante der Anlage gemäß Fig. 1 dargestellt. In Fig. 2 wiederkehrende Einzelteile der Fig. 1 sind in Fig. 2 nur insoweit mit Bezugsziffern versehen, als dies für das Verständnis erforderlich ist, wobei die in Fig. 2 wiederkehrenden Einzelteile der Fig. 1 mit Bezugsziffern versehen sind, die um den Be­ trag 100 erweitert wurden.

Die Unterschiede der Anlage gemäß Fig. 2 gegenüber jener der Fig. 1 bestehen darin, daß der Speicherraum 142 des Eisspeichers 136 geschlossen ist, und daß der Oberflä­ chenwärmetauscher 52 sowie die Umwälzpumpe 50 nicht vor­ handen sind. Stattdessen fließt das vom Rücklaufsammler 180 kommende, erwärmte Kaltwasser durch die Rohrleitung 182 unmittelbar in den oberen Bereich des Speicherraums 142, wo es unter Abschmelzen der Eisschichten sich ab­ kühlt. Dieses abgekühlte Kaltwasser strömt dann durch die Rohrleitung 171 zum Vorlaufsammler 172, von wo es dann dem Kälteverbraucher 168 zufließt, wie es im Zusam­ menhang mit Fig. 1 beschrieben wurde. Die Temperatur des Kaltwassers, das dem Vorlaufsammler 172 zufließt, wird durch das Verteilventil 156 auf die gleiche Weise wie in Fig. 1 beschrieben, konstant gehalten. Der Gesamtbetrieb der Anlage verläuft auch hier ebenso wie im Zusammenhang mit Fig. 1 beschrieben, so daß sich weitere Ausführungen erübrigen. Der Vorteil der Anlage gemäß Fig. 2 gegenüber jener der Fig. 1 ist darin zu sehen, daß durch den Weg­ fall des Oberflächenwärmetauschers 52 der Aufwand ver­ ringert ist und durch die unmittelbare Kühlung des Kalt­ wassers des Kaltwasserkreislaufs im Eisspeicher der Wir­ kungsgrad der Anlage zusätzlich gesteigert ist.

Claims (4)

1. Verfahren zur Versorgung eines Kälteverbrauchers mit Kälte, bei dem die Kälte einem Eisspeicher und einem Flüssigkeitskühler entnommen und durch einen Kaltwasser­ kreislauf dem Kälteverbraucher zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß als Flüssigkeitskühler ein Wasser­ kühler (10) verwendet wird, dessen Kältemaschine während der nächtlichen Betriebspause des Kälteverbrauchers (68; 168) Kälte nur an den Eisspeicher (36; 136), während des täglichen Betriebs des Kälteverbrauchers (68; 168) dagegen Kälte nur an den Kaltwasserkreislauf (66; 166) jeweils durch direkten Wärmetausch abgibt.

2. Verfahren nach Anspruch 1 unter Verwendung eines geschlossenen Eisspeichers (136), dadurch gekennzeich­ net, daß der Kaltwasserkreislauf (166) zur Kälteaufnahme durch den Eisspeicher (136) geführt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Kaltwasser des Kaltwasserkreis­ laufs (66; 166) zur Kälteaufnahme um ungefähr 6 K, vor­ zugsweise von ungefähr 12° Celsius auf ungefähr 6° Cel­ sius, abgekühlt wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Wasserkühler (10) ein Kaltwassersatz verwendet wird.