EP1914491B1 - Kälteanlage - Google Patents

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EP1914491B1
EP1914491B1 EP07020003.5A EP07020003A EP1914491B1 EP 1914491 B1 EP1914491 B1 EP 1914491B1 EP 07020003 A EP07020003 A EP 07020003A EP 1914491 B1 EP1914491 B1 EP 1914491B1
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EP
European Patent Office
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mass flow
pressure
cooling
refrigerant
deep
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EP07020003.5A
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EP1914491A3 (de
EP1914491A2 (de
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Oliver Javerschek
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Bitzer Kuehlmaschinenbau GmbH and Co KG
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Bitzer Kuehlmaschinenbau GmbH and Co KG
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Publication of EP1914491A3 publication Critical patent/EP1914491A3/de
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    • F25B5/02—Compression machines, plants or systems, with several evaporator circuits, e.g. for varying refrigerating capacity arranged in parallel

Definitions

  • the invention relates to a refrigeration system, comprising a refrigerant circuit in which a total mass flow of a refrigerant is carried, a high-pressure-side refrigerant-cooling heat exchanger arranged in the refrigerant circuit, an expansion cooling device arranged in the refrigerant circuit, which in the active state cools the total mass flow of the refrigerant and thereby a main mass flow of liquid Refrigerant and an additional mass flow of gaseous refrigerant generated, a collector for the main mass flow, at least one normal cooling stage which removes a normal cooling mass flow from the collector with a normal cooling expansion element and a normal cooling heat exchanger downstream of this, on the low pressure side, which provides cooling capacity for normal cooling, a deep cooling stage which removes a total frozen mass flow from the collector with a deep-freeze expansion element and a downstream deep-freeze heat exchanger that provides cooling capacity and with a deep-freeze compressor unit arranged downstream of this deep-freeze heat exchanger, the deep-freeze stage
  • the WO 2006/015629 A1 and the WO 2006/015741 A1 also describe solutions with sub-optimal efficiency.
  • the invention is therefore based on the object of improving a refrigeration system of the type described above so that it has better efficiency.
  • the refrigerant compressor unit that compresses the refrigerant to high pressure comprises a plurality of refrigerant compressors and each of the refrigerant compressors has a connection on the suction side and a connection on the pressure side, with all suction-side connections being combined to form a suction connection of the refrigerant compressor unit and all pressure-side connections being combined to form a pressure connection of the refrigerant compressor unit
  • Refrigerant compressor unit compresses the main mass flow and the additional mass flow to high pressure, that in the refrigeration system the additional deep-freeze mass flow is fed from the collector via a discharge line to the suction connection of the refrigerant compressor unit which compresses the refrigerant of the main mass flow and the additional mass flow to high pressure, that from the refrigeration system the main deep-freeze mass flow compressed by the deep-freeze compressor unit the refrigerant of the main mass flow and the additional mass flow is supplied
  • the advantage of the solution according to the invention can be seen in the fact that the deep-freeze expansion cooling device creates the possibility of increasing the amount of heat to be absorbed at the deep-freezing temperature and thus further increasing the efficiency of the refrigeration system according to the invention, the enthalpy increase possible at the deep-freezing temperature being achieved by absorbing thermal energy in the Deep-freeze heat exchanger is optimally adapted to the thermodynamic states of the refrigerant, in particular the thermodynamically possible states of carbon dioxide as a refrigerant.
  • the refrigeration system according to the invention further provides that the additional deep-freeze mass flow is supplied to a suction connection of the refrigerant compressor unit and therefore an additional compressor stage is not required.
  • the solution according to the invention also provides that the main frozen mass flow compressed by the freezer compressor unit is fed to the refrigerant compressor unit and thus undergoes compression to high pressure by the refrigerant compressor unit.
  • the further compression of the main frozen mass flow can then take place via an additional compressor stage of the refrigerant compressor unit.
  • the intermediate pressure can be adjusted by supplying at least part of the additional mass flow to an additional suction connection of the refrigerant compressor unit.
  • Such a refrigerant compressor unit which is provided with an additional suction connection, can be constructed in a wide variety of ways.
  • One solution provides that the refrigerant compressor unit has refrigerant compressors with additional compressor stages.
  • the setting of the delivery rate at the additional suction connection can be adjustable either by the number of active additional compressor stages or the number of individual refrigerant compressors provided for compressing the additional mass flow and/or the speed of the same.
  • the solution according to the invention provides that the intermediate pressure can be adjusted by supplying at least part of the additional mass flow to a suction port of the refrigerant compressor unit.
  • This solution has the advantage that it is not necessary to provide additional compressor stages or special refrigerant compressors provided for the additional suction connection, but rather the additional mass flow only has to be fed to the suction connection of the refrigerant compressor unit, with which the main mass flow of the refrigerant is compressed anyway.
  • this solution has a slight disadvantage in terms of a reduction in efficiency.
  • the solution according to the invention which essentially allows optimal operation of the refrigeration system in all operating states and under all temperature conditions, provides a control which supplies the additional mass flow either to the additional suction connection or to this and in parts to the suction connection or to the suction connection of the refrigerant compressor unit.
  • one embodiment provides that in order to increase the available enthalpy difference in the heat exchanger or to further reduce the enthalpy of the main deep-freeze mass flow, it has a deep-freeze expansion device which, in the active state, relaxes the total deep-freeze mass flow and thereby generates a deep-freeze main mass flow fed to the deep-freeze expansion element and the additional deep-freeze mass flow in the deep-freeze collector .
  • the intermediate freezer pressure lies between the intermediate pressure in the expansion cooling device and a suction pressure of the freezer compressor unit in order to optimally adapt the enthalpy reduction possible through expansion in the freezer expansion cooling device to the conditions of the refrigeration system.
  • An expedient solution provides that the intermediate deep-freeze pressure in the deep-freeze expansion cooling device is at least approximately 2 bar lower than the intermediate pressure of the expansion cooling device.
  • the intermediate freezer pressure is at least approximately 4 bar lower than the intermediate pressure of the expansion cooling device.
  • an expedient solution provides that the intermediate freezer pressure in the freezer expansion device is at least approximately 2 bar higher than the suction pressure of the freezer compressor unit.
  • the intermediate freezer pressure is at least approximately 4 bar higher than the suction pressure of the freezer compressor unit.
  • a particularly expedient solution provides that there is an intermediate freezer pressure in the freezer expansion cooling device, which lies in a middle third of a pressure difference divided into three thirds between the intermediate pressure in the expansion cooler and the suction pressure of the freezer compressor unit.
  • a simple embodiment of the refrigeration system according to the invention provides that the additional deep-freeze mass flow is supplied to the suction connection of the refrigerant compressor unit without pressure regulation and therefore no additional measures for pressure regulation of the intermediate deep-freeze pressure are required.
  • the intermediate freezer pressure is expediently selected so that it lies in the low pressure range at the suction port of the refrigerant compressor unit.
  • the intermediate freezer pressure corresponds approximately to the low pressure at the suction port of the refrigerant compressor unit.
  • the refrigerant compressor unit could be constructed in such a way that it has different refrigerant compressors for the normal cooling mass flow and the deep-freeze additional mass flow.
  • a particularly simple solution provides that the additional deep-freeze mass flow is supplied to the refrigerant compressor unit together with the normal refrigerant mass flow expanded to low pressure, so that the refrigerant compressor unit sucks in and compresses the sum of both mass flows.
  • the main frozen mass flow compressed by the freezer compressor unit is mixed with the expanded normal coolant mass flow and fed to a suction port of the refrigerant compressor unit.
  • the mixing of the compressed but heated main frozen mass flow with the expanded but cooler normal cooled mass flow results in the enthalpy of the deep frozen main mass flow being reduced and thus a total enthalpy of the compressed main frozen mass flow and the expanded normal cooled mass flow.
  • the resulting heating of the expanded normal cooling mass flow caused by the main frozen mass flow compressed by the freezer compressor unit causes the refrigerant to be compressed by the refrigerant compressor unit to be supplied essentially free of liquid components and thus overheated.
  • a particularly advantageous solution provides that the main deep-freeze mass flow compressed by the deep-freeze compressor unit, the additional deep-freeze mass flow and the expanded normal refrigerant mass flow are mixed with one another and fed to the suction connection of the refrigerant compressor unit and thus all of the above-mentioned mass flows are compressed together by the refrigerant compressor unit.
  • This solution has the particular advantage that different operating conditions, that is to say different cooling capacities of the normal cooling stage and the deep-freezing stage, are at least partially averaged out and the control of the refrigerant compressor unit is therefore simplified.
  • the deep-freeze expansion cooling device reduces the enthalpy of the main deep-freeze mass flow by at least 10% compared to the enthalpy of the total deep-freeze mass flow.
  • the deep-freeze expansion cooling device reduces the enthalpy of the main deep-freeze mass flow by at least 20%.
  • thermodynamic state of the main frozen mass flow can be determined in that the deep freeze expansion cooling device generates the main frozen mass flow in a thermodynamic state whose pressure and enthalpy values are lower than those of the normal cooling mass flow.
  • the pressure and enthalpy values of the main deep-freeze mass flow caused by the deep-freeze expansion device lie close to the saturation curve in the enthalpy/pressure diagram.
  • An advantageous exemplary embodiment provides that the expansion cooling device has an expansion element for expanding the total mass flow to the intermediate pressure and that a maximum value of the intermediate pressure can be set.
  • the intermediate pressure can be set to a maximum value of 40 bar or less, since this means that the piping of at least the normal cooling stage can be carried out easily.
  • the adjustability can be achieved by adjusting the expansion element, so that standard components approved up to this pressure can usually be used.
  • An advantageous embodiment provides that the expansion cooling device reduces the enthalpy of the main mass flow by at least 10% compared to the enthalpy of the total mass flow.
  • the expansion cooling device reduces the enthalpy of the main mass flow by at least 20%.
  • the expansion cooling device is active during supercritical operation of the refrigeration system.
  • Such supercritical operation occurs in particular when carbon dioxide is used as a refrigerant and normal ambient temperatures are used to cool the heat exchanger.
  • the expansion cooling device generates the main mass flow in a thermodynamic state whose pressure and enthalpy values are lower than those of a maximum of the saturation curve.
  • the pressure and enthalpy values of the main mass flow caused by the expansion cooling device lie close to the saturation curve in the enthalpy/pressure diagram.
  • the refrigerant compressor unit in order to prevent the refrigerant compressor unit from sucking in refrigerant with liquid components at the suction connection, it is preferably provided that the refrigerant compressor unit is sucked into the suction connection of the refrigerant compressor unit incoming refrigerant can be heated by a heat exchanger connected upstream of this. With such a heat exchanger, the refrigerant to be sucked in can be heated to such an extent that liquid components are essentially excluded, so that this refrigerant can be described as overheated.
  • Heat could be supplied to the heat exchanger in a variety of ways.
  • thermoelectric heat exchanger removes heat from the total mass flow emerging from the high-pressure side heat exchanger, so that the total mass flow emerging from the high-pressure side heat exchanger, but still heated, can be used to heat the refrigerant entering the refrigerant compressor unit, with cooling at the same time of the total mass flow in return.
  • a first exemplary embodiment of a refrigeration system according to the invention comprises a refrigerant circuit designated as a whole by 10, in which a refrigerant compressor unit designated as a whole by 12 is arranged, which in the illustrated embodiment comprises several individual refrigerant compressors 14, for example four refrigerant compressors 14.
  • Each of the refrigerant compressors 14 has a connection 16 on the suction side and a connection 18 on the pressure side, with all suction side connections 16 being combined to form a suction connection 20 of the refrigerant compressor unit 12 and all pressure side connections 18 being combined to form a pressure connection 22 of the refrigerant compressor unit 12.
  • each of the refrigerant compressors 14 also has an additional connection 24, with all additional connections 24 of the refrigerant compressors being combined to form an additional suction connection 26 of the refrigerant compressor unit 12.
  • the refrigerant sucked in by the refrigerant compressor unit 12 via the additional suction connection 26 is also compressed by the refrigerant compressor unit 12 to high pressure and exits at the pressure connection 22 of the refrigerant compressor unit 12 together with the refrigerant sucked in via the suction connection 20 and compressed to high pressure.
  • the refrigerant compressed to high pressure emerging from the pressure connection 22 of the refrigerant compressor unit 12 forms a total mass flow G and this flows through a high-pressure side heat exchanger 30, through which the refrigerant compressed to high pressure is cooled.
  • the cooling of the refrigerant compressed to high pressure in the heat exchanger 30 causes it to liquefy or merely cool to a lower temperature, with the refrigerant remaining in the gas phase.
  • CO 2 carbon dioxide
  • a supercritical cycle in which only cooling takes place to a temperature which corresponds to an isotherm that runs outside the dew and boiling line or saturation curve, so that no Liquefaction of the refrigerant occurs.
  • a subcritical cycle provides that the heat exchanger 30 cools down to a temperature that corresponds to an isotherm passing through the dew and boiling line or saturation curve of the refrigerant.
  • the refrigerant cooled by the heat exchanger 30 is subsequently expanded via a pressure line 31 by an expansion element 32 representing an expansion cooling device, for example an expansion valve, to an intermediate pressure PZ, which corresponds to an isotherm passing through the dew and boiling line or saturation curve of the refrigerant.
  • an expansion element 32 representing an expansion cooling device, for example an expansion valve
  • the intermediate pressure PZ is preferably set to a pressure of less than 40 bar in order to be able to design the line and component system of the refrigerant circuit 10 following the collector 34 to a pressure of less than 40 bar.
  • a control unit 40 is preferably provided, which detects the intermediate pressure PZ in the collector with a pressure sensor 42 and is also able to connect the individual additional connections 24 of the individual refrigerant compressors 14 to the additional suction connection 26 or not to switch on.
  • the refrigerant compressors 14 can correspond to those of German patent application 10 2005 009 173.3 be designed and, for example, be designed as suction-side connections of one of several cylinders of the respective refrigerant compressor 14, this cylinder being able to be used either for sucking in refrigerant from the additional mass flow Z via the additional suction connection 26 or for sucking in refrigerant from the suction connection 20 of the Refrigerant compressor unit 12 supplied expanded main mass flow.
  • the main mass flow H consisting of liquefied refrigerant is divided into a normal cooling mass flow N, which is fed to at least one normal cooling expansion element 50 or two normal cooling expansion elements 50a, 50b and at least one normal cooling heat exchanger 52 connected downstream of the respective normal cooling expansion element 50.
  • the respective normal cooling expansion element 50 expands the refrigerant of the normal cooling mass flow N from the intermediate pressure PZ to low pressure PN, with the refrigerant in the normal cooling mass flow N being cooled in a known manner through this expansion, which opens up the possibility of absorbing heat in the normal cooling heat exchanger 52 , which results in an increase in enthalpy.
  • the normal cooling mass flow N expanded to low pressure PN is supplied via a suction line 54 to the suction connection 20 of the refrigerant compressor unit 12 and is compressed by it to high pressure PH.
  • the deep-freeze expansion cooling device 62 expands the deep-freeze total mass flow TG to an intermediate deep-freeze pressure PTZ, so that the deep-freeze total mass flow TG consisting of liquid refrigerant produces a main deep-freeze mass flow TH at a temperature below the temperature of the total deep-freeze mass flow TG and an additional deep-freeze mass flow TZ made of vaporous refrigerant.
  • the main deep-freeze mass flow TH and the additional deep-freeze mass flow TZ are separated from one another in a reservoir connected downstream of the deep-freeze expansion cooling device 62 and designed as a collector 64, with the additional deep-freeze mass flow TZ being discharged via a discharge line 68 leading from the collector 64 to a mixer 66.
  • the mixer 66 is preferably arranged in the suction line 54 and mixes the additional deep-freeze cooling mass flow TZ with the expanded normal cooling mass flow N from the at least one normal cooling heat exchanger 52, so that both the additional deep-freeze cooling mass flow TZ and the expanded normal cooling mass flow N are then mixed together and fed to the suction port 20 of the refrigerant compressor unit 12 .
  • the main deep-freeze mass flow TH collecting in the collector 64 is then fed to at least one deep-freeze expansion element 70, expanded by this to a low-freeze pressure PTN and fed to a deep-freeze heat exchanger 72 connected downstream of the respective at least one deep-freeze expansion element 70, in which the main deep-freeze mass flow TH cooled by the expansion is able to to absorb heat by increasing enthalpy at freezing temperatures.
  • the deep-freeze main mass flow TH expanded to low-freeze low pressure PTN is fed via a deep-freeze suction line 74 connected to the at least one deep-freeze heat exchanger 72 to a deep-freeze compressor unit 82, which, for example, also includes several deep-freeze compressors 84, the individual deep-freeze compressors 84 being switchable depending on the required compressor output.
  • the freezer compressors 84 also each have a suction-side connection 86 and a pressure-side connection 88, the suction-side connections 86 being combined to form a suction port 90 of the freezer compressor unit 82 and the pressure-side connections 88 being combined to form a pressure port 92 of the freezer compressor unit 82.
  • the suction connection 90 of the freezer compressor unit 82 is connected to the freezer suction line 74, while the pressure connection 92 of the freezer compressor unit 82 is connected to a freezer discharge line 94, which is led to the mixer 66.
  • the mixer 66 not only mixes the normal cooling mass flow N expanded to low pressure PN, the additional deep-freeze mass flow TZ expanded to the intermediate deep-freeze pressure PTZ, but also the main deep-freeze mass flow TH compressed to a low-freeze high pressure PTH by the deep-freeze compressor unit 82, so that all three mass flows N, TZ and TH dem Suction port 20 of the refrigerant compressor unit 12 is supplied at the low pressure PN, which corresponds to the suction pressure at the suction port 20, and is compressed by the refrigerant compressor unit 12 to high pressure PH.
  • the refrigerant present at the suction connection 20 of the refrigerant compressor unit 12 corresponds to the state of the point ZA in Figure 2 . Compressing the refrigerant by the refrigerant compressor unit 12 leads to an increase in pressure with a small increase in enthalpy and thus to the thermodynamic state ZB in Figure 2 .
  • the refrigerant compressed to high pressure PH is cooled while maintaining the high pressure PH in the heat exchanger 30, so that the refrigerant is subsequently in the thermodynamic state ZC, the thermodynamic state ZC being above the saturation curve or dew and boiling line 110 for the refrigerant, in this case carbon dioxide, is located, so that in the thermodynamic state ZC the refrigerant is still gaseous.
  • the expansion cooling device 32 starting from the state ZC, an isenthalpic expansion of the refrigerant in an expansion element or the almost isentropic expansion in an expander takes place to the intermediate pressure PZ and thus into a thermodynamic state corresponding to the point ZD, which represents a mixture of a liquid phase and a gas phase , whereby in the collector 34 the liquid phase forms the main mass flow H, while the gas phase forms the additional mass flow Z.
  • the main mass flow H reaches a thermodynamic state corresponding to the point ZE with a decrease in the enthalpy h which lies in the area of the saturation curve or boiling line, while the additional mass flow Z through enthalpy increase due to enthalpy removal in the main mass flow H reaches the thermodynamic state ZF, which lies in the area of the saturation curve or saturated steam line or close to the saturation curve or saturated steam line, from which the additional mass flow Z is again compressed to the high pressure PH, namely in that the additional mass flow Z is sucked in via the additional suction connection 26 of the refrigerant compressor unit 12 and compressed to the high pressure PH.
  • the refrigerant from the main mass flow H is expanded to the low pressure PN by isenthalpic expansion, once in the form of the normal cooling mass flow N through the at least one normal cooling expansion element 50 and another time through the deep-freeze expansion cooling device 62, whereby the intermediate deep-freeze pressure PTZ automatically increases to the pressure level of the Low pressure PN at the suction port 20 of the refrigerant compressor unit 12 sets, unless special measures are taken to change this pressure.
  • the refrigerant of the main mass flow H thus reaches the thermodynamic state corresponding to the point ZG in once as the normal cooling mass flow N and once as the total deep-freezing mass flow TG Figure 2 .
  • the deep-freeze expansion cooling device 62 and the subsequent collector 64 divide it into a liquid phase, which forms the main deep-freeze mass flow TH, which passes through enthalpy release into the thermodynamic state ZH in the area of the saturation curve or boiling line, while the gas phase forms the deep-freeze additional mass flow TZ , which is supplied via the discharge line 68 to the suction connection 20 of the refrigerant compressor unit 12, the additional deep-freeze mass flow TZ starting from the thermodynamic State ZG experiences an enthalpy increase due to enthalpy removal of the main frozen mass flow TH, so that it enters a thermodynamic state in the area of the saturation curve or saturated steam line or near the saturation curve or saturated steam line Figure 2 reached.
  • the at least one normal cooling expansion element 50 and the normal cooling heat exchanger 52 following it form a normal cooling stage 100, the deep-freezing expansion cooling device 62, the collector 64, the discharge line 68, the at least one deep-freezing expansion element 70, the deep-freezing heat exchanger 72 and the deep-freezing compressor unit 82 form a deep-freezing stage integrated into the refrigerant circuit 10 102, through which a part of the main mass flow H, namely the deep-freezing total mass flow TG, flows, while the normal cooling stage 100 is flowed through by the normal cooling mass flow N, ultimately both the normal cooling mass flow N and the deep-freezing total mass flow TG in turn at low pressure PN via the suction connection 20 from the refrigerant compressor unit 12 are sucked in and compressed to high pressure PH, whereby the total mass flow G leaving the pressure connection 22 of the refrigerant compressor unit 12 is not only composed of the normal cooling mass flow N and the deep-freeze total mass flow TG, but also additionally includes the additional mass flow Z, which
  • the refrigerant of the deep-freeze main mass flow TH is supplied to the at least one deep-freeze expansion element 70 and in this undergoes an isenthalpic expansion to the low-freeze low pressure PTN and thus reaches the thermodynamic state ZI in Figure 2 .
  • thermodynamic state ZI in Figure 2 The deep-freeze main mass flow TH can absorb heat due to an increase in enthalpy at the deep-freeze temperature in the at least one deep-freeze heat exchanger 72 and thereby, in the simplest case, the thermodynamic state ZJ in Figure 2 to reach.
  • the state ZJ is in Figure 2 achieved by the overheating control of the deep-freeze expansion element 70 in the deep-freeze heat exchanger 72.
  • additional heat input in the suction line 74 must be taken into account.
  • Another possibility sees one or more heat exchangers between the suction line 74 and the liquid line starting from point ZI in Figure 2 before.
  • thermodynamic state ZJ the deep-freeze main mass flow TH expanded to low low-temperature pressure PTN is compressed by the deep-freeze compressor unit 82 to the high-freeze high pressure PTH corresponding to the suction pressure at the suction port 20 of the refrigerant compressor unit 12, with this compression being associated with an increase in enthalpy, so that the thermodynamic state ZK in Figure 2 is achieved.
  • a connecting line 120 with a throttle element 122 provided therein is also provided between the suction line 36 and the suction connection 20 of the refrigerant compressor unit 12, which can be controlled via the controller 40 '.
  • the second exemplary embodiment corresponds entirely to the first exemplary embodiment, so that reference is made in full to the detailed explanations in this regard in the first exemplary embodiment.
  • the refrigerant compressors 14 are not provided with additional connections 24, so that the refrigerant compressor unit 12 does not have an additional suction connection 26, but rather the entire additional mass flow Z is fed to the suction connection 20 via the connecting line 120, with the throttle element 122 must be set so that the intermediate pressure PZ is higher than the low pressure PN, which is present at the suction connection 20 of the refrigerant compressor unit 12.
  • a heat exchanger element 130a is provided in the suction line 54 between the mixer 66 and the suction connection 20, which is coupled to a heat exchanger element 130b in the pressure line 31, which is arranged between the heat exchanger 30 and the expansion cooling device 32 and through which the total mass flow G flows is, so that depending on special situations due to ambient temperatures and partial load conditions, it is possible to heat the refrigerant supplied to the suction connection 20 to such an extent that it is free of liquid components.

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  • Compression-Type Refrigeration Machines With Reversible Cycles (AREA)

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Kälteanlage, umfassend einen Kältemittelkreislauf, in welchem ein Gesamtmassenstrom eines Kältemittels geführt ist, einen in dem Kältemittelkreislauf angeordneten, hochdruckseitigen kältemittelkühlenden Wärmetauscher, eine im Kältemittelkreislauf angeordnete Expansionskühleinrichtung, die im aktiven Zustand den Gesamtmassenstrom des Kältemittels kühlt und dabei einen Hauptmassenstrom von flüssigem Kältemittel und einen Zusatzmassenstrom von gasförmigen Kältemittel erzeugt, einen Sammler für den Hauptmassenstrom, mindestens eine einen Normalkühlmassenstrom aus dem Sammler entnehmende Normalkühlstufe mit einem Normalkühlexpansionsorgan und einem diesem nachgeordneten, niederdruckseitigen, Kälteleistung zur Normalkühlung zur Verfügung stellenden Normalkühlwärmetauscher, eine einen Tiefkühlgesamtmassenstrom aus dem Sammler entnehmende Tiefkühlstufe mit einem Tiefkühlexpansionsorgan und einem nachgeordneten, Kälteleistung zur Verfügung stellenden Tiefkühlwärmetauscher sowie mit einer diesem Tiefkühlwärmetauscher nachgeordneten Tiefkühlverdichtereinheit, wobei die Tiefkühlstufe zur weiteren Abkühlung des Tiefkühlgesamtmassenstroms eine Tiefkühlexpansionskühleinrichtung aufweist, die im aktiven Zustand den Tiefkühlgesamtmassenstrom abkühlt und dabei einen dem Tiefkühlexpansionsorgan zugeführten Tiefkühlhauptmassenstrom sowie einen Tiefkühlzusatzmassenstrom erzeugt und in einem der Tiefkühlexpansionskühleinrichtung nachgeschalteten Sammler voneinander trennt, und mindestens eine in dem Kältemittelkreislauf angeordnete Kältemittelverdichtereinheit, die das Kältemittel auf Hochdruck verdichtet
  • Das Dokument US 3,766,745 A zeigt eine Kälteanlage gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1, wobei bei dieser Kälteanlage der Wirkungsgrad, insbesondere im Hinblick auf die Konzeption der Kältemittelverdichtereinheit und auch im Zusammenhang mit der betriebenen Tiefkühlstufe, nicht optimal ist.
  • Die WO 2006/015629 A1 und die WO 2006/015741 A1 beschreiben ebenfalls Lösungen mit nicht optimalem Wirkungsgrad.
  • Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Kälteanlage der eingangs beschriebenen Art dahingehend zu verbessern, dass diese einen besseren Wirkungsgrad aufweist.
  • Diese Aufgabe wird bei einer Kälteanlage der eingangs beschriebenen Art erfindungsgemäß durch eine Kälteanlage gemäß Anspruch 1 gelöst. Hier umfasst die das Kältemittel auf Hochdruck verdichtende Kältemittelverdichtereinheit mehrere Kältemittelverdichter und jeder der Kältemittelverdichter weist saugseitig einen Anschluss sowie druckseitig einen Anschluss auf, wobei alle saugseitigen Anschlüsse zu einem Sauganschluss der Kältemittelverdichtereinheit zusammengefasst sind und alle druckseitigen Anschlüsse zu einem Druckanschluss der Kältemittelverdichtereinheit zusammengefasst sind, dass die Kältemittelverdichtereinheit den Hauptmassenstrom und den Zusatzmassenstrom auf Hochdruck verdichtet, dass in der Kälteanlage der Tiefkühlzusatzmassenstrom von dem Sammler über eine Abführleitung dem Sauganschluss der das Kältemittel des Hauptmassenstroms und des Zusatzmassenstroms auf Hochdruck verdichtenden Kältemittelverdichtereinheit zugeführt wird, dass von der Kälteanlage der durch die Tiefkühlverdichtereinheit verdichtete Tiefkühlhauptmassenstrom der das Kältemittel des Hauptmassenstroms und des Zusatzmassenstroms auf Hochdruck verdichtenden Kältemittelverdichtereinheit zugeführt wird, dass der Zwischendruck durch Zufuhr mindestens eines Teils des Zusatzmassenstroms zu einem Zusatzsauganschluss der Kältemittelverdichtereinheit, zu welchem Zusatzanschlüsse von jedem der Kältemittelverdichter zusammengefasst sind, einstellbar ist, und/oder dass der Zwischendruck durch Zufuhr mindestens eines Teils des Zusatzmassenstroms zu dem Sauganschluss der Kältemittelverdichtereinheit mittels eines Drosselorgans einstellbar ist, und dass eine Steuerung vorgesehen ist, welche mittels eines Drucksensors einen Zwischendruck des Zusatzmassenstroms im Sammler erfasst und welche den Zusatzmassenstrom entweder dem Zusatzsauganschluss oder diesem und in Teilen dem Sauganschluss oder dem Sauganschluss der Kältemittelverdichtereinheit zuführt.
  • Der Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung ist darin zu sehen, dass durch die Tiefkühlexpansionskühleinrichtung die Möglichkeit geschaffen wurde, die bei Tiefkühltemperatur aufzunehmende Wärmemenge noch zu vergrößern und somit den Wirkungsgrad der erfindungsgemäßen Kälteanlage weiter zu steigern, wobei die bei Tiefkühltemperatur mögliche Enthalpieerhöhung durch Aufnahme von Wärmeenergie in dem Tiefkühlwärmetauscher optimal an die thermodynamischen Zustände des Kältemittels, insbesondere die thermodynamisch möglichen Zustände von Kohlendioxyd als Kältemittel, angepasst ist.
  • Die erfindungsgemäße Kälteanlage sieht ferner vor, dass in dieser der Tiefkühlzusatzmassenstrom einem Sauganschluss der Kältemittelverdichtereinheit zugeführt wird und somit eine Zusatzverdichterstufe nicht erforderlich ist.
  • Die erfindungsgemäße Lösung sieht außerdem vor, dass der durch die Tiefkühlverdichtereinheit verdichtete Tiefkühlhauptmassenstrom der Kältemittelverdichtereinheit zugeführt wird und somit durch die Kältemittelverdichtereinheit eine Verdichtung auf Hochdruck erfährt.
  • Das weitere Verdichten des Tiefkühlhauptmassenstroms kann dann über eine Zusatzverdichterstufe der Kältemittelverdichtereinheit erfolgen.
  • Erfindungsgemäß ist alternativ oder ergänzend zur Einstellbarkeit des Expansionsorgans vorgesehen, dass der Zwischendruck durch Zufuhr mindestens eines Teils des Zusatzmassenstroms zu einem Zusatzsauganschluss der Kältemittelverdichtereinheit einstellbar ist.
  • Eine derartige, mit einem Zusatzsauganschluss versehene Kältemittelverdichtereinheit kann dabei in unterschiedlichster Art und Weise aufgebaut sein. Eine Lösung sieht vor, dass die Kältemittelverdichtereinheit Kältemittelverdichter mit Zusatzverdichterstufen aufweisen.
  • Die Einstellung der Förderleistung am Zusatzsauganschluss kann entweder durch die Zahl der aktiven Zusatzverdichterstufen oder die Zahl der einzelnen zum Verdichten des Zusatzmassenstroms vorgesehenen Kältemittelverdichter und/oder die Drehzahl derselben einstellbar sein.
  • Alternativ oder ergänzend zum Einstellen des Zwischendrucks durch Zufuhr des Zusatzmassenstroms zu einem Zusatzsauganschluss der Kältemittelverdichtereinheit sieht die erfindungsgemäße Lösung vor, dass der Zwischendruck durch Zufuhr mindestens eines Teils des Zusatzmassenstroms zu einem Sauganschluss der Kältemittelverdichtereinheit einstellbar ist.
  • Diese Lösung hat den Vorteil, dass es bei dieser nicht notwendig ist, Zusatzverdichterstufen oder spezielle für den Zusatzsauganschluss vorgesehene Kältemittelverdichter zur Verfügung zu stellen, sondern der Zusatzmassenstrom lediglich dem Sauganschluss der Kältemittelverdichtereinheit zugeleitet werden muss, mit welchem ohnehin ein Verdichten des Hauptmassenstroms des Kältemittels erfolgt. Diese Lösung hat allerdings einen geringen Nachteil hinsichtlich einer Reduktion des Wirkungsgrades.
  • Ferner ist es bei Zufuhr des Zusatzmassenstroms zum Sauganschluss erforderlich, ein einstellbares Drosselorgan vorzusehen, um den Zwischendruck mit diesem einstellen zu können.
  • Die erfindungsgemäße Lösung, welche im Wesentlichen in sämtlichen Betriebszuständen und bei sämtlichen Temperaturbedingungen einen optimalen Betrieb der Kälteanlage erlaubt, sieht eine Steuerung vor, welche den Zusatzmassenstrom entweder dem Zusatzsauganschluss oder diesem und in Teilen dem Sauganschluss oder dem Sauganschluss der Kältemittelverdichtereinheit zuführt.
  • Damit lässt sich ein vorgesehener Zusatzsauganschluss und die an diesem zur Verfügung stehende Verdichterleistung stets ausnutzen, jedoch in den Fällen, in denen ein hoher Zusatzmassenstrom anfällt, der Zwischendruck unterhalb eines einstellbaren Maximalwerts halten, wenn bei einem großen Zusatzmassenstrom oder noch ein Teil desselben dem Sauganschluss der Kältemittelverdichtereinheit zuführbar ist.
  • Insbesondere sieht eine Ausführungsform vor, dass diese zur Erhöhung der zur Verfügung stehenden Enthalpiedifferenz im Wärmetauscher bzw. zur weiteren Absenkung der Enthalpie des Tiefkühlhauptmassenstroms eine Tiefkühlexpansionseinrichtung aufweist, die im aktiven Zustand den Tiefkühlgesamtmassenstrom entspannt und dabei im Tiefkühlsammler einen dem Tiefkühlexpansionsorgan zugeführten Tiefkühlhauptmassenstrom sowie den Tiefkühlzusatzmassenstrom erzeugt.
  • Hinsichtlich des in der Tiefkühlexpansionskühleinrichtung vorliegenden Tiefkühlzwischendrucks wurden dabei keine näheren Angaben gemacht.
  • Vorzugsweise ist hierbei vorgesehen, dass der Tiefkühlzwischendruck zwischen dem Zwischendruck in der Expansionskühleinrichtung und einem Saugdruck der Tiefkühlverdichtereinheit liegt, um die durch Expansion in der Tiefkühlexpansionskühleinrichtung mögliche Enthalpieerniedrigung optimal an die Verhältnisse der Kälteanlage anzupassen.
  • Eine zweckmäßige Lösung sieht dabei vor, dass in der Tiefkühlexpansionskühleinrichtung der Tiefkühlzwischendruck mindestens ungefähr 2 bar niedriger liegt als der Zwischendruck der Expansionskühleinrichtung.
  • Noch besser ist es, wenn der Tiefkühlzwischendruck mindestens ungefähr 4 bar niedriger liegt als der Zwischendruck der Expansionskühleinrichtung.
  • Ferner sieht eine zweckmäßige Lösung vor, dass in der Tiefkühlexpansionseinrichtung der Tiefkühlzwischendruck mindestens ungefähr 2 bar höher liegt als der Saugdruck der Tiefkühlverdichtereinheit.
  • Noch besser ist es, wenn der Tiefkühlzwischendruck mindestens ungefähr 4 bar höher liegt als der Saugdruck der Tiefkühlverdichtereinheit.
  • Besonders günstig ist es dabei, wenn in der Tiefkühlexpansionskühleinrichtung ein Tiefkühlzwischendruck vorliegt, welcher in einem mittleren Bereich der Druckdifferenz zwischen dem Zwischendruck in der Expansionskühleinrichtung und dem Saugdruck der Tiefkühlverdichtereinheit liegt.
  • Eine besonders zweckmäßige Lösung sieht vor, dass in der Tiefkühlexpansionskühleinrichtung ein Tiefkühlzwischendruck vorliegt, welcher in einem mittleren Drittel einer in drei Drittel aufgeteilten Druckdifferenz zwischen dem Zwischendruck in der Expansionskühleinrichtung und dem Saugdruck der Tiefkühlverdichtereinheit liegt.
  • Dabei wäre es nach wie vor noch denkbar, über ein Drosselorgan den Tiefkühlzwischendruck auf ein gewünschtes Niveau abweichend von dem Druck am Sauganschluss einzustellen.
  • Eine einfache Ausführungsform der erfindungsgemäßen Kälteanlage sieht jedoch vor, dass in dieser der Tiefkühlzusatzmassenstrom druckregulierungsfrei dem Sauganschluss der Kältemittelverdichtereinheit zugeführt wird und somit keine zusätzlichen Maßnahmen zur Druckregulierung des Tiefkühlzwischendrucks erforderlich sind.
  • Zweckmäßigerweise wird bei einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lösung der Tiefkühlzwischendruck so gewählt, dass er im Bereich des Niederdrucks am Sauganschluss der Kältemittelverdichtereinheit liegt.
  • Im einfachsten Fall entspricht der Tiefkühlzwischendruck ungefähr dem Niederdruck am Sauganschluss der Kältemittelverdichtereinheit.
  • Ferner könnte bei einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lösung die Kältemittelverdichtereinheit so aufgebaut sein, dass sie unterschiedliche Kältemittelverdichter für den Normalkühlmassenstrom und den Tiefkühlzusatzmassenstrom aufweist.
  • Eine besonders einfache Lösung sieht vor, dass der Tiefkühlzusatzmassenstrom zusammen mit dem auf Niederdruck expandierten Normalkühlmassenstrom der Kältemittelverdichtereinheit zugeführt wird, so dass die Kältemittelverdichtereinheit die Summe beider Massenströme ansaugt und verdichtet.
  • Hinsichtlich der weiteren Verdichtung des durch die Tiefkühlverdichtereinheit verdichteten Tiefkühlhauptmassenstroms wurden bislang keine näheren Angaben gemacht.
  • Besonders günstig ist es, wenn der durch die Tiefkühlverdichtereinheit verdichtete Tiefkühlhauptmassenstrom mit den expandierten Normalkühlmassenstrom vermischt einem Sauganschluss der Kältemittelverdichtereinheit zugeführt wird. In diesem Fall führt das Vermischen des verdichteten, dabei aber erwärmten Tiefkühlhauptmassenstroms mit dem expandierten, jedoch kühleren Normalkühlmassenstroms dazu, dass die Enthalpie des Tiefkühlhauptmassenstroms erniedrigt wird und somit sich eine Gesamtenthalpie des verdichteten Tiefkühlhauptmassenstroms und des expandierten Normalkühlmassenstroms einstellt.
  • Insbesondere bewirkt die dabei eintretende Erwärmung des expandierten Normalkühlmassenstroms durch den von der Tiefkühlverdichtereinheit verdichteten Tiefkühlhauptmassenstroms, dass das von der Kältemittelverdichtereinheit zu verdichtende Kältemittel dieser im Wesentlichen frei von Flüssiganteilen, und somit überhitzt zugeführt wird.
  • Eine besonders vorteilhafte Lösung sieht vor, dass der von der Tiefkühlverdichtereinheit verdichtete Tiefkühlhauptmassenstrom, der Tiefkühlzusatzmassenstrom und der expandierte Normalkühlmassenstrom miteinander vermischt dem Sauganschluss der Kältemittelverdichtereinheit zugeführt werden und somit alle vorstehend genannten Massenströme gemeinsam von der Kältemittelverdichtereinheit verdichtet werden.
  • Diese Lösung hat insbesondere den Vorteil, dass sich unterschiedliche Betriebsbedingungen, das heißt unterschiedliche Kälteleistungen der Normalkühlstufe und der Tiefkühlstufe zumindest teilweise ausmitteln und sich somit die Regelung der Kältemittelverdichtereinheit vereinfacht.
  • Hinsichtlich der Arbeitsweise der Tiefkühlexpansionskühleinrichtung wurden bislang keine näheren Angaben gemacht.
  • So sieht eine vorteilhafte Lösung vor, dass die Tiefkühlexpansionskühleinrichtung die Enthalpie des Tiefkühlhauptmassenstroms um mindestens 10% gegenüber der Enthalpie des Tiefkühlgesamtmassenstroms reduziert.
  • Noch vorteilhafter ist es, wenn die Tiefkühlexpansionskühleinrichtung die Enthalpie des Tiefkühlhauptmassenstroms um mindestens 20% reduziert.
  • Ferner lässt sich der thermodynamische Zustand des Tiefkühlhauptmassenstroms bei einer vorteilhaften Ausführungsform dadurch festlegen, dass die Tiefkühlexpansionskühleinrichtung den Tiefkühlhauptmassenstrom in einem thermodynamischen Zustand generiert, dessen Druck- und Enthalpiewerte niedriger sind als diejenigen des Normalkühlmassenstroms.
  • Um eine optimale Kühlwirkung bei der Tieftemperatur zu erhalten, ist vorzugsweise vorgesehen, dass die von der Tiefkühlexpansionseinrichtung bewirkten Druck- und Enthalpiewerte des Tiefkühlhauptmassenstroms nahe der Sättigungskurve in dem Enthalpie-/Druckdiagramm liegen.
  • Noch besser ist es, wenn die von der Tiefkühlexpansionseinrichtung bewirkten Druck- und Enthalpiewerte des Tiefkühlhauptmassenstroms im Wesentlichen auf der Sättigungskurve des Enthalpie-/Druckdiagramms liegen.
  • Hinsichtlich der Funktionsweise der Expansionskühleinrichtung im Zusammenhang mit den bislang beschriebenen Ausführungsbeispielen wurden keine näheren Angaben gemacht. So sieht ein vorteilhaftes Ausführungsbeispiel vor, dass die Expansionskühleinrichtung ein Expansionsorgan zur Expansion des Gesamtmassenstroms auf den Zwischendruck aufweist und dass ein Maximalwert des Zwischendrucks einstellbar ist.
  • Besonders günstig ist es dabei, wenn der Zwischendruck auf einen Maximalwert von 40 bar oder weniger einstellbar ist, da damit die Verrohrung zumindest der Normalkühlstufe einfach ausführbar ist.
  • Die Einstellbarkeit ist durch eine Einstellbarkeit des Expansionsorgans erreichbar, so dass üblicherweise bis zu diesem Druck zugelassene Standardkomponenten verwendet werden können.
  • Hinsichtlich der Funktionsweise der Expansionskühleinrichtung selbst wurden im Zusammenhang mit der bisherigen Erläuterung der einzelnen Ausführungsbeispiele keine näheren Angaben gemacht.
  • So sieht eine vorteilhafte Ausführungsform vor, dass die Expansionskühleinrichtung die Enthalpie des Hauptmassenstroms um mindestens 10% gegenüber der Enthalpie des Gesamtmassenstroms reduziert.
  • Noch vorteilhafter ist es, wenn die Expansionskühleinrichtung die Enthalpie des Hauptmassenstroms um mindestens 20% reduziert.
  • Hinsichtlich des Einsatzes der Expansionskühleinrichtung ist insbesondere vorgesehen, dass die Expansionskühleinrichtung bei einem überkritischen Betrieb der Kälteanlage aktiv ist.
  • Ein derartiger überkritischer Betrieb liegt insbesondere beim Einsatz von Kohlendioxyd als Kältemittel und üblichen Umgebungstemperaturen zur Kühlung des Wärmetauschers vor.
  • Insbesondere ist bei einer vorteilhaften Ausführungsform vorgesehen, dass die Expansionskühleinrichtung den Hauptmassenstrom in einem thermodynamischen Zustand generiert, dessen Druck- und Enthalpiewerte niedriger sind als diejenigen eines Maximums der Sättigungskurve.
  • Ferner ist vorzugsweise vorgesehen, dass die von der Expansionskühleinrichtung bewirkten Druck- und Enthalpiewerte des Hauptmassenstroms nahe der Sättigungskurve in dem Enthalpie-/Druckdiagramm liegen.
  • Noch besser ist es, wenn die von der Expansionskühleinrichtung bewirkten Druck- und Enthalpiewerte des Hauptmassenstroms im Wesentlichen auf der Sättigungskurve des Enthalpie-/Druckdiagramms liegen.
  • Insbesondere um zu verhindern, dass die Kältemittelverdichtereinheit am Sauganschluss Kältemittel mit Flüssigkeitsanteilen ansaugt, ist vorzugsweise vorgesehen, dass das in den Sauganschluss der Kältemittelverdichtereinheit eintretende Kältemittel durch einen diesem vorgeschalteten Wärmetauscher erwärmbar ist. Durch einen derartigen Wärmetauscher lässt sich das anzusaugende Kältemittel soweit erwärmen, dass im Wesentlichen Flüssiganteile ausgeschlossen sind, so dass dieses Kältemittel als überhitzt bezeichnet werden kann.
  • Dem Wärmetauscher könnte in unterschiedlichster Art und Weise Wärme zugeführt werden.
  • Eine vorteilhafte Lösung sieht vor, dass der Wärmetauscher Wärme aus dem hochdruckseitigen Wärmetauscher austretenden Gesamtmassenstrom entnimmt, so dass der aus dem hochdruckseitigen Wärmetauscher austretende, jedoch noch erhitzte Gesamtmassenstrom dazu eingesetzt werden kann, das in die Kältemittelverdichtereinheit eintretende Kältemittel zu erwärmen, wobei gleichzeitig noch eine Kühlung des Gesamtmassenstroms im Gegenzug dazu erfolgt.
  • Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung sind Gegenstand der nachfolgenden Beschreibung sowie der zeichnerischen Darstellung einiger Ausführungsbeispiele.
  • In der Zeichnung zeigen:
    • Figur 1
    eine schematische Darstellung eines Verrohrungsschemas eines ersten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Kälteanlage;
    Figur 2
    eine schematische Darstellung des Drucks [P] über der Enthalpie [h] bei dem ersten Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Lösung für einen erfindungsgemäßen überkritischen Kreisprozess;
    Figur 3
    eine Darstellung ähnlich Figur 1 eines zweiten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Kälteanlage;
    Figur 4
    eine Darstellung ähnlich Figur 1 eines dritten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Kälteanlage und
    Figur 5
    eine Darstellung ähnlich Figur 1 eines vierten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Kälteanlage.
  • Ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Kälteanlage, dargestellt in Figur 1, umfasst einen als Ganzes mit 10 bezeichneten Kältemittelkreislauf, in welchem eine als Ganzes mit 12 bezeichnete Kältemittelverdichtereinheit angeordnet ist, die im dargestellten Ausführungsbeispiel mehrere einzelne Kältemittelverdichter 14, beispielsweise vier Kältemittelverdichter 14 umfasst.
  • Jeder der Kältemittelverdichter 14 weist saugseitig einen Anschluss 16 sowie druckseitig einen Anschluss 18 auf, wobei alle saugseitigen Anschlüsse 16 zu einem Sauganschluss 20 der Kältemittelverdichtereinheit 12 zusammengefasst sind und alle druckseitigen Anschlüsse 18 zu einem Druckanschluss 22 der Kältemittelverdichtereinheit 12 zusammengefasst sind.
  • Damit arbeiten alle Kältemittelverdichter 14 parallel, es besteht jedoch die Möglichkeit, die Verdichterleistung der Kältemittelverdichtereinheit 12 dadurch zu variieren, dass einzelne Kältemittelverdichter 14 arbeiten und einzelne nicht arbeiten.
  • Ferner besteht die Möglichkeit, die Verdichterleistung der Kältemittelverdichtereinheit 12 durch eine drehzahlvariable Steuerung der einzelnen arbeitenden Kältemittelverdichter 14 zu variieren.
  • Zusätzlich weist jeder der Kältemittelverdichter 14 noch einen Zusatzanschluss 24 auf, wobei alle Zusatzanschlüsse 24 der Kältemittelverdichter zu einem Zusatzsauganschluss 26 der Kältemittelverdichtereinheit 12 zusammengefasst sind.
  • Das über den Zusatzsauganschluss 26 von der Kältemittelverdichtereinheit 12 angesaugte Kältemittel wird ebenfalls von dieser auf Hochdruck verdichtet und tritt zusammen mit dem über den Sauganschluss 20 angesaugten und auf Hochdruck verdichteten Kältemittel an dem Druckanschluss 22 der Kältemittelverdichtereinheit 12 aus.
  • Das an dem Druckanschluss 22 der Kältemittelverdichtereinheit 12 austretende auf Hochdruck verdichtete Kältemittel bildet einen Gesamtmassenstrom G und dieser durchströmt einen hochdruckseitigen Wärmetauscher 30, durch welchen eine Kühlung des auf Hochdruck verdichteten Kältemittels erfolgt.
  • Je nach dem, ob ein unterkritischer Kreisprozess oder ein überkritischer Kreisprozess vorliegt, erfolgt durch das Abkühlen des auf Hochdruck verdichteten Kältemittels im Wärmetauscher 30 ein Verflüssigen desselben oder lediglich ein Abkühlen auf eine niedrigere Temperatur, wobei das Kältemittel in der Gasphase bleibt.
  • Wird als Kältemittel Kohlendioxyd, das heißt CO2, eingesetzt, so liegt bei gängigen Umgebungsbedingungen üblicherweise ein überkritischer Kreisprozess vor, bei welchem lediglich eine Abkühlung auf eine Temperatur erfolgt, die einer außerhalb der Tau- und Siedelinie oder Sättigungskurve verlaufenden Isothermen entspricht, so dass keine Verflüssigung des Kältemittels eintritt.
  • Im Gegensatz dazu sieht ein unterkritischer Kreisprozess vor, dass durch den Wärmetauscher 30 eine Abkühlung auf eine Temperatur erfolgt, die einer die Tau- und Siedelinie oder Sättigungskurve des Kältemittels durchlaufenden Isothermen entspricht.
  • Das durch den Wärmetauscher 30 abgekühlte Kältemittel wird über eine Druckleitung 31 nachfolgend durch ein eine Expansionskühleinrichtung darstellendes Expansionsorgan 32, beispielsweise ein Expansionsventil, auf einen Zwischendruck PZ expandiert, welcher einer die Tau- und Siedelinie oder Sättigungskurve des Kältemittels durchlaufenden Isothermen entspricht.
  • Damit wird der in das Expansionsorgan 32 eintretende und vom Wärmetauscher 30 kommende Gesamtmassenstrom G in einen thermodynamischen Zustand versetzt, in welchem ein Hauptmassenstrom H in Form von flüssigem Kältemittel vorliegt und ein Zusatzmassenstrom Z in Form von gasförmigen Kältemittel. Beide Massenströme werden in einem als Sammler 34 bezeichneten Reservoir gesammelt und von einander getrennt, und der Zusatzmassenstrom Z wird über eine vom Sammler 34 zu dem Zusatzsauganschluss 26 verlaufende Saugleitung 36 durch die Kältemittelverdichtereinheit 12 abgesaugt, wobei durch die am Zusatzsauganschluss 26 zur Verfügung stehende Förderleistung der Kältemittelverdichtereinheit 12 der Zwischendruck PZ in dem Sammler 34 einstellbar ist.
  • Vorzugsweise erfolgt dabei eine Einstellung des Zwischendrucks PZ auf einen Druck von weniger als 40 bar, um das auf dem Sammler 34 folgende Leitungs- und Komponentensystem des Kältemittelkreislaufs 10 auf einen Druck von weniger als 40 bar auslegen zu können.
  • Zum Aufrechterhalten des Zwischendrucks PZ auf einem Niveau unter 40 bar ist vorzugsweise eine Steuereinheit 40 vorgesehen, welche mit einem Drucksensor 42 den Zwischendruck PZ im Sammler erfasst und außerdem in der Lage ist, die einzelnen Zusatzanschlüsse 24 der einzelnen Kältemittelverdichter 14 auf den Zusatzsauganschluss 26 zuschalten oder nicht zuzuschalten.
  • Beispielsweise können die Kältemittelverdichter 14 entsprechend denen der deutschen Patentanmeldung 10 2005 009 173.3 ausgebildet sein und beispielsweise als saugseitige Anschlüsse von einem von mehreren Zylindern des jeweiligen Kältemittelverdichters 14 ausgebildet sein, wobei dieser Zylinder dabei entweder zum Ansaugen von Kältemittel aus dem Zusatzmassenstrom Z über den Zusatzsauganschluss 26 eingesetzt werden kann oder zum Ansaugen von Kältemittel aus dem dem Sauganschluss 20 der Kältemittelverdichtereinheit 12 zugeführten expandierten Hauptmassestrom.
  • Nach dem Sammler 34 erfolgt eine Aufteilung des aus verflüssigtem Kältemittel bestehenden Hauptmassenstroms H in einen Normalkühlmassenstrom N, der mindestens einem Normalkühlexpansionsorgan 50 oder zwei Normalkühlexpansionsorganen 50a, 50b sowie mindestens einen dem jeweiligen Normalkühlexpansionsorgan 50 nachgeschalteten Normalkühlwärmetauscher 52 zugeführt wird.
  • Durch das jeweilige Normalkühlexpansionsorgan 50 erfolgt eine Expansion des Kältemittels des Normalkühlmassenstroms N von dem Zwischendruck PZ auf Niederdruck PN, wobei eine Abkühlung des Kältemittels im Normalkühlmassenstrom N in bekannter Art und Weise durch diese Expansion erfolgt, die die Möglichkeit eröffnet, in dem Normalkühlwärmetauscher 52 Wärme aufzunehmen, wodurch eine Enthalpiezunahme entsteht.
  • Der auf Niederdruck PN expandierte Normalkühlmassenstrom N wird über eine Saugleitung 54 dem Sauganschluss 20 der Kältemittelverdichtereinheit 12 zugeführt und von dieser auf Hochdruck PH verdichtet.
  • Aus dem Hauptmassenstrom H wird jedoch nicht nur der Normalkühlmassenstrom N sondern auch ein Tiefkühlgesamtmassenstrom TG gebildet, welcher einer Tiefkühlexpansionskühleinrichtung 62 zugeführt wird.
  • Durch die Tiefkühlexpansionskühleinrichtung 62 erfolgt eine Expansion des Tiefkühlgesamtmassenstroms TG auf einen Tiefkühlzwischendruck PTZ, so dass aus dem aus flüssigem Kältemittel bestehenden Tiefkühlgesamtmassenstrom TG ein Tiefkühlhauptmassenstrom TH bei einer unterhalb der Temperatur des Tiefkühlgesamtmassenstroms TG liegenden Temperatur sowie ein Tiefkühlzusatzmassenstrom TZ aus dampfförmigem Kältemittel entstehen.
  • Der Tiefkühlhauptmassenstrom TH und der Tiefkühlzusatzmassenstrom TZ werden in einem der Tiefkühlexpansionskühleinrichtung 62 nachgeschalteten und als Sammler 64 ausgebildeten Reservoir voneinander getrennt, wobei der Tiefkühlzusatzmassenstrom TZ über eine von dem Sammler 64 zu einem Mischer 66 führende Abführleitung 68 abgeführt wird.
  • Der Mischer 66 ist vorzugsweise in der Saugleitung 54 angeordnet und vermischt den Tiefkühlzusatzmassenstrom TZ mit dem expandierten Normalkühlmassenstrom N aus dem mindestens einen Normalkühlwärmetauscher 52, so dass dann sowohl der Tiefkühlzusatzmassenstrom TZ als auch der expandierte Normalkühlmassenstrom N miteinander vermischt dem Sauganschluss 20 der Kältemittelverdichtereinheit 12 zugeführt werden.
  • Der sich im Sammler 64 sammelnde Tiefkühlhauptmassenstrom TH wird sodann mindestens einem Tiefkühlexpansionsorgan 70 zugeführt, von diesem auf einen Tiefkühlniederdruck PTN expandiert und einem dem jeweiligen mindestens einen Tiefkühlexpansionsorgan 70 nachgeschalteten Tiefkühlwärmetauscher 72 zugeführt, in welchem der durch die Expansion abgekühlte Tiefkühlhauptmassenstrom TH in der Lage ist, durch Erhöhung der Enthalpie bei Tiefkühltemperaturen Wärme aufzunehmen.
  • Der auf Tiefkühlniederdruck PTN expandierte Tiefkühlhauptmassenstrom TH wird über eine mit dem mindestens einen Tiefkühlwärmetauscher 72 verbundene Tiefkühlsaugleitung 74 einer Tiefkühlverdichtereinheit 82 zugeführt, welche beispielsweise ebenfalls mehrere Tiefkühlverdichter 84 umfasst, wobei die einzelnen Tiefkühlverdichter 84 je nach erforderlicher Verdichterleistung zuschaltbar sind.
  • Die Tiefkühlverdichter 84 weisen ebenfalls jeweils einen saugseitigen Anschluss 86 und einen druckseitigen Anschluss 88 auf, wobei die saugseitigen Anschlüsse 86 zu einem Sauganschluss 90 der Tiefkühlverdichtereinheit 82 zusammengefasst sind und die druckseitigen Anschlüsse 88 zu einem Druckanschluss 92 der Tiefkühlverdichtereinheit 82 zusammengefasst sind.
  • Der Sauganschluss 90 der Tiefkühlverdichtereinheit 82 ist dabei mit der Tiefkühlsaugleitung 74 verbunden, während der Druckanschluss 92 der Tiefkühlverdichtereinheit 82 mit einer Tiefkühlabführungsleitung 94 verbunden ist, welche zu dem Mischer 66 geführt ist.
  • Der Mischer 66 mischt nicht nur den auf Niederdruck PN expandierten Normalkühlmassenstrom N, den auf den Tiefkühlzwischendruck PTZ expandierten Tiefkühlzusatzmassenstrom TZ, sondern auch noch den auf einen Tiefkühlhochdruck PTH von der Tiefkühlverdichtereinheit 82 verdichteten Tiefkühlhauptmassenstrom TH, so dass alle drei Massenströme N, TZ und TH dem Sauganschluss 20 der Kältemittelverdichtereinheit 12 bei dem Niederdruck PN, welcher dem Saugdruck am Sauganschluss 20 entspricht, zugeführt und von der Kältemittelverdichtereinheit 12 auf Hochdruck PH verdichtet werden.
  • Der dem ersten Ausführungsbeispiel entsprechende überkritische Kreisprozess ist in Figur 2 dargestellt.
  • Das am Sauganschluss 20 der Kältemittelverdichtereinheit 12 vorliegende Kältemittel entspricht dem Zustand des Punktes ZA in Figur 2. Ein Verdichten des Kältemittels durch die Kältemittelverdichtereinheit 12 führt zu einer Druckzunahme mit geringer Enthalpiezunahme und somit zum thermodynamischen Zustand ZB in Figur 2.
  • Nachfolgend erfolgt ausgehend vom Zustand ZB ein Abkühlen des auf Hochdruck PH verdichteten Kältemittels unter Beibehaltung des Hochdrucks PH in dem Wärmetauscher 30, so dass nachfolgend das Kältemittel im thermodynamischen Zustand ZC vorliegt, wobei der thermodynamische Zustand ZC über der Sättigungskurve oder Tau- und Siedelinie 110 für das Kältemittel, in diesem Fall Kohlendioxyd, liegt, so dass im thermodynamischen Zustand ZC das Kältemittel nach wie vor gasförmig ist.
  • Durch die Expansionskühleinrichtung 32 erfolgt ausgehend vom Zustand ZC eine isenthalpe Entspannung des Kältemittels in einem Expansionsorgan oder die nahezu isentrope Entspannung in einem Expander auf den Zwischendruck PZ und somit in einen dem Punkt ZD entsprechenden thermodynamischen Zustand, welcher eine Mischung aus einer Flüssigphase und einer Gasphase darstellt, wobei in dem Sammler 34 die Flüssigphase den Hauptmassenstrom H bildet, während die Gasphase den Zusatzmassenstrom Z bildet.
  • Durch Verdampfen von Kältemittel zur Bildung des Zusatzmassenstroms Z, der über die Saugleitung 36 aus dem Sammler 34 abgeführt wird, erreicht der Hauptmassenstrom H einen dem Punkt ZE entsprechenden thermodynamischen Zustand bei Abnahme der Enthalpie h der im Bereich der Sättigungskurve oder Siedelinie liegt, während der Zusatzmassenstrom Z durch Enthalpiezunahme aufgrund von Enthalpieentzug beim Hauptmassenstrom H den thermodynamischen Zustand ZF erreicht, der im Bereich der Sättigungskurve oder Sattdampflinie oder nahe der Sättigungskurve oder Sattdampflinie liegt, von welchem aus wieder ein Verdichten des Zusatzmassenstroms Z auf den Hochdruck PH erfolgt, und zwar dadurch, dass der Zusatzmassenstrom Z über den Zusatzsauganschluss 26 der Kältemittelverdichtereinheit 12 angesaugt und auf den Hochdruck PH verdichtet wird.
  • Das Kältemittel aus dem Hauptmassenstrom H wird ausgehend vom Zustand ZE durch isenthalpe Entspannung auf den Niederdruck PN entspannt, einmal in Form des Normalkühlmassenstroms N durch das mindestens eine Normalkühlexpansionsorgan 50 und ein andermal durch die Tiefkühlexpansionskühleinrichtung 62, wobei der Tiefkühlzwischendruck PTZ sich automatisch auf das Druckniveau des Niederdrucks PN am Sauganschluss 20 der Kältemittelverdichtereinheit 12 einstellt, sofern keine speziellen Maßnahmen zur Veränderung dieses Druckes getroffen werden.
  • Damit erreicht das Kältemittel des Hauptmassenstroms H einmal als Normalkühlmassenstrom N und einmal als Tiefkühlgesamtmassenstrom TG den thermodynamischen Zustand entsprechend dem Punkt ZG in Figur 2.
  • Im Falle des Normalkühlmassenstroms N erfolgt eine Enthalpiezunahme im Normalkühlwärmetauscher, so dass das Kältemittel des Normalkühlmassenstroms N nach Verlassen des mindestens einen Normalkühlwärmetauschers 52 einen vorzugsweise überhitzten Zustand erreicht.
  • Im Falle des Tiefkühlgesamtmassenstroms TG erfolgt durch die Tiefkühlexpansionskühleinrichtung 62 und den nachfolgenden Sammler 64 eine Aufteilung in eine Flüssigphase, welche den Tiefkühlhauptmassenstrom TH bildet, der durch Enthalpieabgabe in den thermodynamischen Zustand ZH im Bereich der Sättigungskurve oder Siedelinie übergeht, während die Gasphase den Tiefkühlzusatzmassenstrom TZ bildet, der über die Abführungsleitung 68 dem Sauganschluss 20 der Kältemittelverdichtereinheit 12 zugeführt wird, wobei der Tiefkühlzusatzmassenstrom TZ ausgehend von dem thermodynamischen Zustand ZG durch Enthalpieentzug des Tiefkühlhauptmassenstroms TH eine Enthalpiezunahme erfährt, so dass dieser in einen thermodynamischen Zustand im Bereich der Sättigungskurve oder Sattdampflinie oder nahe der Sättigungskurve oder Sattdampflinie in Figur 2 erreicht.
  • Das mindestens eine Normalkühlexpansionsorgan 50 und der diesem nachfolgende Normalkühlwärmetauscher 52 bilden dabei eine Normalkühlstufe 100, die Tiefkühlexpansionskühleinrichtung 62, der Sammler 64, die Abführungsleitung 68, das mindestens eine Tiefkühlexpansionsorgan 70, der Tiefkühlwärmetauscher 72 und die Tiefkühlverdichtereinheit 82 bilden eine in den Kältemittelkreislauf 10 integrierte Tiefkühlstufe 102, die von einem Teil des Hauptmassenstroms H, nämlich dem Tiefkühlgesamtmassenstrom TG durchströmt wird, während die Normalkühlstufe 100 von dem Normalkühlmassenstrom N durchströmt wird, wobei letztlich sowohl der Normalkühlmassenstrom N als auch der Tiefkühlgesamtmassenstrom TG wiederum bei Niederdruck PN über den Sauganschluss 20 von der Kältemittelverdichtereinheit 12 angesaugt und auf Hochdruck PH verdichtet werden, wobei sich der den Druckanschluss 22 der Kältemittelverdichtereinheit 12 verlassende Gesamtmassenstrom G nicht nur aus dem Normalkühlmassenstrom N und dem Tiefkühlgesamtmassenstrom TG zusammensetzt, sondern noch zusätzlich den Zusatzmassenstrom Z umfasst, welcher von der Kältemittelverdichtereinheit über den Zusatzsauganschluss 26 aufgenommen wird.
  • Das Kältemittel des Tiefkühlhauptmassenstroms TH wird ausgehend vom Zustand ZH dem mindestens einen Tiefkühlexpansionsorgan 70 zugeführt und erfährt in diesem eine isenthalpe Entspannung auf den Tiefkühlniederdruck PTN und erreicht damit den thermodynamischen Zustand ZI in Figur 2.
  • In diesem thermodynamischen Zustand ZI in Figur 2 kann der Tiefkühlhauptmassenstrom TH durch Enthalpiezunahme bei Tiefkühltemperatur in dem mindestens einen Tiefkühlwärmetauscher 72 Wärme aufnehmen und dadurch einfachsten Falls den thermodynamischen Zustand ZJ in Figur 2 erreichen.
  • Im einfachsten Fall wird der Zustand ZJ in Figur 2 durch die Überhitzungsregelung des Tiefkühlexpansionsorgan 70 im Tiefkühlwärmetauscher 72 erreicht. In der realen Anwendung ist ein zusätzlicher Wärmeeintrag in der Saugleitung 74 zu beachten. Eine weitere Möglichkeit sieht einen oder mehrere Wärmetauscher zwischen der Saugleitung 74 und der Flüssigkeitsleitung ausgehend vom Punkt ZI in Figur 2 vor.
  • Ausgehend von diesem thermodynamischen Zustand ZJ wird der auf Tiefkühlniederdruck PTN expandierte Tiefkühlhauptmassenstrom TH durch die Tiefkühlverdichtereinheit 82 auf dem Saugdruck am Sauganschluss 20 der Kältemittelverdichtereinheit 12 entsprechenden Tiefkühlhochdruck PTH verdichtet, wobei mit diesem Verdichten eine Enthalpiezunahme verbunden ist, so dass der thermodynamische Zustand ZK in Figur 2 erreicht wird.
  • Durch Vermischen des auf Tiefkühlhochdruck PTH verdichteten Tiefkühlhauptmassenstroms TH im Mischer 66 mit dem einen niedrigere Temperatur aufweisenden Normalkühlmassenstrom N bei Niederdruck PN und dem ebenfalls eine niedrigere Temperatur aufweisenden Tiefkühlzusatzmassenstrom TZ im Mischer 66 erfolgt eine Enthalpieabnahme des auf Tiefkühlhochdruck PTH verdichteten Tiefkühlhauptmassenstroms TH, so dass von allen drei Massenströmen TH, N, TZ der thermodynamische Zustand ZA erreicht wird, ausgehend von welchem ein Verdichten in der Kältemittelverdichtereinheit 12 erfolgt, um den thermodynamischen Zustand ZB in Figur 2 zu erreichen.
  • Bei einem zweiten Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Kälteanlage, dargestellt in Figur 3, sind diejenigen Teile, die mit denen des ersten Ausführungsbeispiels identisch sind, mit denselben Bezugszeichen versehen, so dass hinsichtlich der Beschreibung derselben vollinhaltlich auf die Ausführungen zum ersten Ausführungsbeispiel Bezug genommen werden kann.
  • Im Gegensatz zum ersten Ausführungsbeispiel ist bei dem zweiten Ausführungsbeispiel noch zwischen der Saugleitung 36 und dem Sauganschluss 20 der Kältemittelverdichtereinheit 12 eine Verbindungsleitung 120 mit einem in dieser vorgesehenen Drosselorgan 122 vorgesehen, welches über die Steuerung 40' steuerbar ist.
  • Dadurch besteht die Möglichkeit, von dem Zusatzmassenstrom Z einen Teil über die Verbindungsleitung 120 dem Sauganschluss 20 der Kältemittelverdichtereinheit 12 zuzuführen und zwar vorzugsweise dann, wenn die vorhandene Förderleistung an dem Zusatzsauganschluss 26 ausgeschöpft ist und der durch die Regelung 40 kontrollierte Zwischendruck PZ einen eingestellten Grenzwert überschreitet. Dies ist insbesondere in besonderen, jedoch nicht ständig auftretenden Betriebszuständen der Fall, in denen der Zusatzmassenstrom Z sehr stark zunimmt, so dass hierzu eine zusätzliche Verdichterförderleistung in der Kältemittelverdichtereinheit 12 vorzusehen wäre, die üblicherweise nicht benötigt wird. Aus diesem Grund wird zwar unter Einbuße des Gesamtwirkungsgrades und der spezifischen Kälteleistung pro Fördervolumen eine Möglichkeit geschaffen, unter allen Betriebsbedingungen den Zwischendruck PZ unter 40 bar zu halten.
  • Hinsichtlich der durchlaufenen thermodynamischen Zustände entspricht das zweite Ausführungsbeispiel vollinhaltlich dem ersten Ausführungsbeispiel, so dass vollinhaltlich auf die detaillierten Ausführungen hierzu im ersten Ausführungsbeispiel Bezug genommen wird.
  • Bei einem dritten Ausführungsbeispiel, dargestellt in Figur 4, ist in Abwandlung zum zweiten Ausführungsbeispiel vorgesehen, dass die Kältemittelverdichter 14 nicht mit Zusatzanschlüssen 24 versehen sind, so dass auch die Kältemittelverdichtereinheit 12 keinen Zusatzsauganschluss 26 aufweist, sondern der gesamte Zusatzmassenstrom Z über die Verbindungsleitung 120 dem Sauganschluss 20 zugeführt wird, wobei das Drosselorgan 122 so einzustellen ist, dass der Zwischendruck PZ höher liegt als der Niederdruck PN, welcher am Sauganschluss 20 der Kältemittelverdichtereinheit 12 vorliegt.
  • Im Übrigen wird hinsichtlich der Funktionsweise des dritten Ausführungsbeispiels gemäß Figur 4 vollinhaltlich auf die Ausführungen zum ersten und zweiten Ausführungsbeispiel Bezug genommen.
  • Bei einem vierten Ausführungsbeispiel, dargestellt in Figur 5 ist in Abwandlung des zweiten Ausführungsbeispiels in der Saugleitung 54 zwischen dem Mischer 66 und dem Sauganschluss 20 ein Wärmetauscherelement 130a vorgesehen, welches mit einem Wärmetauscherelement 130b in der Druckleitung 31 gekoppelt ist, das zwischen dem Wärmetauscher 30 und der Expansionskühleinrichtung 32 angeordnet und vom Gesamtmassenstrom G durchströmt ist, so dass in Abhängigkeit von speziellen Situationen durch Umgebungstemperaturen und Teillastbedingungen die Möglichkeit besteht, das dem Sauganschluss 20 zugeführte Kältemittel soweit aufzuheizen, dass dieses frei von Flüssiganteilen ist.
  • Im Übrigen wird hinsichtlich der Beschreibung des vierten Ausführungsbeispiels vollinhaltlich auf die Ausführungen zum ersten und zum zweiten Ausführungsbeispiel Bezug genommen.

Claims (26)

  1. Kälteanlage umfassend einen Kältemittelkreislauf (10), in welchem ein Gesamtmassenstrom (G) eines Kältemittels geführt ist, einen in dem Kältemittelkreislauf (10) angeordneten, hochdruckseitigen kältemittelkühlenden Wärmetauscher (30), eine im Kältemittelkreislauf (10) angeordnete Expansionskühleinrichtung (32), die im aktiven Zustand den Gesamtmassenstrom (G) des Kältemittels kühlt und dabei einen Hauptmassenstrom (H) von flüssigem Kältemittel und einen Zusatzmassenstrom (Z) von gasförmigem Kältemittel erzeugt, einen Sammler (34) für den Hauptmassenstrom (H), mindestens eine einen Normalkühlmassenstrom (N) aus dem Sammler (34) entnehmenden Normalkühlstufe (100) mit einem Normalkühlexpansionsorgan (50) und einem diesen nachgeordneten, niederdruckseitigen, Kälteleistung zur Normalkühlung zur Verfügung stellenden Normalkühlwärmetauscher (52), eine einen Tiefkühlgesamtmassenstrom (TG) aus dem Sammler (34) entnehmende Tiefkühlstufe (102) mit einem Tiefkühlexpansionsorgan (70) und einen nachgeordneten, Kälteleistung zur Tiefkühlung zur Verfügung stellenden Tiefkühlwärmetauscher (72) sowie mit einer diesem Tiefkühlwärmetauscher (72) nachgeordneten Tiefkühlverdichtereinheit (82), wobei die Tiefkühlstufe (102) zur weiteren Abkühlung des Tiefkühlgesamtmassenstroms (TG) eine Tiefkühlexpansionskühleinrichtung (62) aufweist, die im aktiven Zustand den Tiefkühlgesamtmassenstrom (TG) entspannt und abkühlt und dabei einen dem Tiefkühlexpansionsorgan (70) zugeführten Tiefkühlhauptmassenstrom (TH) sowie einen Tiefkühlzusatzmassenstrom (TZ) und in einem Tiefkühlsammler (64) erzeugt, und mindestens eine in dem Kältemittelkreislauf (10) angeordnete Kältemittelverdichtereinheit (12), die das Kältemittel auf Hochdruck (PH) verdichtet, wobei die das Kältemittel auf Hochdruck (PH) verdichtende Kältemittelverdichtereinheit (12) mehrere, Kältemittelverdichter (14) umfasst, wobei jeder der Kältemittelverdichter (14) saugseitig einen Anschluss (16) sowie druckseitig einen Anschluss (18) aufweist, wobei alle druckseitigen Anschlüsse (18) zu einem Druckanschluss (22) der Kältemittelverdichtereinheit (12) zusammengefasst sind, wobei die Kältemittelverdichtereinheit (12) den Hauptmassenstrom (H) und den Zusatzmassenstrom (Z) auf Hochdruck verdichtet,
    dadurch gekennzeichnet, dass alle saugseitigen Anschlüsse (16) zu einem Sauganschluss (20) der Kältemittelverdichtereinheit (12) zusammengefasst sind, dass in der Kälteanlage der Tiefkühlzusatzmassenstrom (TZ) dem Sauganschluss (20) der das Kältemittel des Hauptmassenstroms (H) und des Zusatzmassenstroms (Z) auf Hochdruck (PH) verdichtenden Kältemittelverdichtereinheit (12) zugeführt wird, dass von der Kälteanlage der durch die Tiefkühlverdichtereinheit (82) verdichtete Tiefkühlhauptmassenstrom (TH) der das Kältemittel des Hauptmassenstroms (H) und des Zusatzmassenstroms (Z) auf Hochdruck verdichtenden Kältemittelverdichtereinheit (12) zugeführt wird, dass der Zwischendruck (PZ) durch Zufuhr mindestens eines Teils des Zusatzmassenstroms (Z) zu einem Zusatzsauganschluss (26) der Kältemittelverdichtereinheit (12), zu welchem Zusatzanschlüsse (24) von jedem der Kältemittelverdichter (14) zusammengefasst sind, einstellbar ist, und/oder dass der Zwischendruck (PZ) durch Zufuhr mindestens eines Teils des Zusatzmassenstroms (Z) zu dem Sauganschluss (20) der Kältemittelverdichtereinheit (12) mittels eines Drosselorgans (122) einstellbar ist, und dass eine Steuerung (40) vorgesehen ist, welche mittels eines Drucksensors (42) einen Zwischendruck (PZ) des Zusatzmassenstroms (Z) im Sammler (34) erfasst und welche den Zusatzmassenstrom (Z) entweder dem Zusatzsauganschluss (26) oder diesem und in Teilen dem Sauganschluss (20) oder dem Sauganschluss (20) der Kältemittelverdichtereinheit (12) zuführt.
  2. Kälteanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in der Tiefkühlexpansionskühleinrichtung (62) ein Tiefkühlzwischendruck (PTZ) vorliegt, welcher zwischen dem Zwischendruck (PZ) der Expansionskühleinrichtung (32) und einem Saugdruck (PTN) der Tiefkühlverdichtereinheit (82) liegt.
  3. Kälteanlage nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass in der Tiefkühlexpansionskühleinrichtung (62) der Tiefkühlzwischendruck (PTZ) mindestens ungefähr 2 bar niedriger liegt als der Zwischendruck (PZ) der Expansionskühleinrichtung (32).
  4. Kälteanlage nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass in der Tiefkühlexpansionskühleinrichtung (62) der Tiefkühlzwischendruck (PTZ) mindestens ungefähr 2 bar höher liegt als der Saugdruck (PTN) der Tiefkühlverdichtereinheit (82).
  5. Kälteanlage nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass in der Tiefkühlexpansionskühleinrichtung (62) ein Tiefkühlzwischendruck (PTZ) vorliegt, der in einem mittleren Bereich der Druckdifferenz zwischen dem Zwischendruck (PZ) in der Expansionskühleinrichtung und dem Saugdruck (PTN) der Tiefkühlverdichtereinheit (82) liegt.
  6. Kälteanlage nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass in der Tiefkühlexpansionskühleinrichtung (62) ein Tiefkühlzwischendruck (PTZ) vorliegt, welcher in einem mittleren Drittel einer in drei Drittel aufgeteilten Druckdifferenz zwischen dem Zwischendruck (PZ) in der Expansionskühleinrichtung (32) und dem Saugdruck (PTN) der Tiefkühlverdichtereinheit (82) liegt.
  7. Kälteanlage nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in dieser der Tiefkühlzusatzmassenstrom (TZ) druckregulierungsfrei dem Sauganschluss (20) zugeführt wird.
  8. Kälteanlage nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Tiefkühlzwischendruck (PTZ) im Bereich des Niederdrucks (PN) am Sauganschluss (20) der Kältemittelverdichtereinheit (12) liegt.
  9. Kälteanlage nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Tiefkühlzusatzmassenstrom (TZ) zusammen mit dem auf Niederdruck (PN) expandierten Normalkühlmassenstrom (N) der Kältemittelverdichtereinheit (12) zugeführt wird.
  10. Kälteanlage nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass von dieser der durch die Tiefkühlverdichtereinheit (82) verdichtete Tiefkühlhauptmassenstrom (TH) mit dem expandierten Normalkühlmassenstrom (N) vermischt einem Sauganschluss (20) der Kältemittelverdichtereinheit (12) zugeführt wird.
  11. Kälteanlage nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass von dieser der von der Tiefkühlverdichtereinheit (82) verdichtete Tiefkühlhauptmassenstrom (TH), der Tiefkühlzusatzmassenstrom (TZ) und der expandierte Normalkühlmassenstrom (N) miteinander vermischt dem Sauganschluss (20) der Kältemittelverdichtereinheit (12) zugeführt werden.
  12. Kälteanlage nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Tiefkühlexpansionskühleinrichtung (62) die Enthalpie (ZI) des Tiefkühlhauptmassenstroms (TH) um mindestens 10% gegenüber der Enthalpie (ZG) des Tiefkühlgesamtmassenstroms (TG) reduziert.
  13. Kälteanlage nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Tiefkühlexpansionskühleinrichtung (62) die Enthalpie des Tiefkühlhauptmassenstroms (TH) um mindestens 20% reduziert.
  14. Kälteanlage nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Tiefkühlexpansionskühleinrichtung (62) den Tiefkühlhauptmassenstrom (TH) in einem thermodynamischen Zustand (ZI) generiert, dessen Druck- und Enthalpiewerte niedriger sind als diejenigen (ZG) des Normalkühlmassenstroms (N).
  15. Kälteanlage nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die von der Tiefkühlexpansionskühleinrichtung (62) bewirkten Druck- und Enthalpiewerte des Tiefkühlhauptmassenstroms (TH) nahe der Sättigungskurve (110) in dem Enthalpie-/Druckdiagramm liegen.
  16. Kälteanlage nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die von der Tiefkühlexpansionskühleinrichtung (62) bewirkten Druck- und Enthalpiewerte des Tiefkühlhauptmassenstroms (TH) im Wesentlichen auf der Sättigungskurve (110) des Enthalpie-/Druckdiagramms liegen.
  17. Kälteanlage nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Expansionskühleinrichtung (32) ein Expansionsorgan zur Expansion des Gesamtmassenstroms (G) auf einen Zwischendruck (PZ) aufweist und dass ein Maximalwert des Zwischendrucks (PZ) einstellbar ist.
  18. Kälteanlage nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Zwischendruck (PZ) auf einen Maximalwert von 40 bar oder weniger einstellbar ist.
  19. Kälteanlage nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Expansionskühleinrichtung (32) die Enthalpie des Hauptmassenstroms (H) um mindestens 10% gegenüber der Enthalpie des Gesamtmassenstroms (G) reduziert.
  20. Kälteanlage nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Expansionskühleinrichtung (32) die Enthalpie des Hauptmassenstroms (H) um mindestens 20% reduziert.
  21. Kälteanlage nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Expansionskühleinrichtung (32) bei einem überkritischen Betrieb der Kälteanlage aktiv ist.
  22. Kälteanlage nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Expansionskühleinrichtung (32) den Hauptmassenstrom (H) in einem thermodynamischen Zustand generiert, dessen Druck- und Enthalpiewerte niedriger sind als diejenigen eines Maximums der Sättigungskurve (110).
  23. Kälteanlage nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass die von der Expansionskühleinrichtung (32) bewirkten Druck- und Enthalpiewerte des Hauptmassenstroms (H) nahe der Sättigungskurve (110) in dem Enthalpie-/Druckdiagramm liegen.
  24. Kälteanlage nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass die von der Expansionskühleinrichtung (32) bewirkten Druck- und Enthalpiewerte des Hauptmassenstroms (H) im Wesentlichen auf der Sättigungskurve (110) des Enthalpie-/Druckdiagramms liegen.
  25. Kälteanlage nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das in dem Sauganschluss (20) der Kältemittelverdichtereinheit (12) eintretende Kältemittel durch einen diesem vorgeschaltetem Wärmetauscher (130) erwärmbar ist.
  26. Kälteanlage nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher (130) Wärme aus dem aus dem hochdruckseitigen Wärmetauscher (130) austretenden Gesamtmassenstrom (G) entnimmt.
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