DE3821910C2 - - Google Patents
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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.
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Country Status (2)
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