AT520000A2 - Refrigerant circuit of a refrigeration system with an arrangement for defrosting a heat exchanger and method for operating the refrigerant circuit - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft einen Kältemittelkreislauf (1a, 1b) einer Kälteanlage mit einer Anordnung zum Abtauen mindestens eines Wärmeübertragers mit Kältemittel. Der Kältemittelkreislauf (1a, 1b) weist mindestens zwei Verdampfungsdruckstufen auf, wobei eine erste, untere Verdampfungsdruckstufe und eine zweite, obere Verdampfungsdruckstufe jeweils mit mindestens einem Verdichter (2, 4) und mindestens einem als Verdampfer betreibbaren Wärmeübertrager (9, 16) mit vorgelagertem Expansionsorgan (8, 15) ausgebildet sind. Die Wärmeübertrager (9, 16) der unterschiedlichen Verdampfungsdruckstufen sind mit Kältemittel auf unterschiedlichen Druckniveaus beaufschlagbar angeordnet. Die Anordnung zum Abtauen weist eine Verbindungsleitung (21) zum Leiten von Kältemittel auf gleichbleibendem Druckniveau auf, welche sich von einer an einem Auslass des mindestens einen Verdichters (2) der ersten, unteren Verdampfungsdruckstufe ausgebildeten Abzweigstelle (19) bis zu einer an einem Einlass des mindestens einen als Verdampfer betreibbaren Wärmeübertragers (9) der zweiten, oberen Verdampfungsdruckstufe ausgebildeten Mündungsstelle (24a) erstreckt. Die Wärmeübertrager (9, 16) sind eindirektional durchströmbar angeordnet. Die Erfindung betrifft zudem ein Verfahren zum Betreiben des Kältemittelkreislaufs (1a, 1b) in einem Abtaumodus zum Abtauen mindestens eines in einem Kühlmodus zur Wärmeaufnahme als Verdampfer betriebenen Wärmeübertragers (9) der oberen Verdampfungsdruckstufe.The invention relates to a refrigerant circuit (1a, 1b) of a refrigeration system with an arrangement for defrosting at least one heat exchanger with refrigerant. The refrigerant circuit (1a, 1b) has at least two evaporation pressure stages, wherein a first, lower evaporation pressure stage and a second, upper evaporation pressure stage each with at least one compressor (2, 4) and at least one operable as an evaporator heat exchanger (9, 16) with upstream expansion element (8, 15) are formed. The heat exchangers (9, 16) of the different evaporation pressure stages are arranged to be acted upon with refrigerant at different pressure levels. The defrosting arrangement comprises a connecting line (21) for conducting refrigerant at a constant pressure level, which extends from a branching point (19) formed at an outlet of the at least one compressor (2) of the first, lower evaporation pressure stage to one at an inlet of the extends at least one operable as an evaporator heat exchanger (9) of the second, upper evaporation pressure stage formed opening point (24a). The heat exchanger (9, 16) are arranged unidirectionally throughflow. The invention also relates to a method for operating the refrigerant circuit (1a, 1b) in a defrosting mode for defrosting at least one heat exchanger (9) of the upper evaporation pressure stage operated as evaporator in a cooling mode for heat absorption.
Description
Kältemittelkreislauf einer Kälteanlage mit einer Anordnung zum Abtauen eines Wärmeübertragers und Verfahren zum Betreiben des KältemittelkreislaufsRefrigerant circuit of a refrigeration system with an arrangement for defrosting a heat exchanger and method for operating the refrigerant circuit
Die Erfindung betrifft einen Kältemittelkreislauf einer Kälteanlage mit einer Anordnung zum Abtauen mindestens eines Wärmeübertragers mit Kältemittel. Der Kältemittelkreislauf weist mindestens zwei Verdampfungsdruckstufen auf, wobei eine erste und eine zweite Verdampfungsdruckstufe jeweils mit mindestens einem Verdichter und mindestens einem als Verdampfer betreibbaren Wärmeübertrager mit vorgelagertem Expansionsorgan ausgebildet sind. Die Wärmeübertrager der unterschiedlichen Verdampfungsdruckstufen sind mit Kältemittel auf unterschiedlichen Druckniveaus beaufschlagbar angeordnet.The invention relates to a refrigerant circuit of a refrigeration system with an arrangement for defrosting at least one heat exchanger with refrigerant. The refrigerant circuit has at least two evaporation pressure stages, wherein a first and a second evaporation pressure stage are each formed with at least one compressor and at least one heat exchanger which can be operated as an evaporator and has an expansion element arranged upstream. The heat exchangers of the different evaporation pressure levels are arranged to be charged with refrigerant at different pressure levels.
Die Erfindung betrifft des Weiteren ein Verfahren zum Betreiben des Kältemittelkreislaufs in einem Abtaumodus zum Abtauen mindestens eines in einem Kühlmodus zur Wärmeaufnahme als Verdampfer betriebenen Wärmeübertragers.The invention further relates to a method for operating the refrigerant circuit in a defrost mode for defrosting at least one heat exchanger operated as an evaporator in a cooling mode for absorbing heat.
Bei aus dem Stand der Technik bekannten Kälteanlagen zum Konditionieren, insbesondere zum Abkühlen, von Luft, beispielsweise in Kühlräumen oder innerhalb von Kühlmöbeln als Kühlstelle, zirkuliert Kältemittel durch einen Kältemittelkreislauf. Die von der Luft der Kühlstelle an das Kältemittel abzuführende Wärme wird in einem als Verdampfer betriebenen Wärmeübertrager übertragen. Dabei verdampft das die Wärme aufnehmende Kältemittel.In refrigeration systems known from the prior art for conditioning, in particular for cooling, air, for example in cold rooms or within refrigeration units as a cooling point, refrigerant circulates through a refrigerant circuit. The heat to be removed from the air from the cooling point to the refrigerant is transferred in a heat exchanger operated as an evaporator. The heat-absorbing refrigerant evaporates.
In dem als Verdampfer betriebenen Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager stellen sich Temperaturen des Kältemittels ein, welche zur Wärmeübertragung von der Luft an das Kältemittel stets unterhalb der Temperatur der Luft liegen. Je nach Zustand der Luft, insbesondere der Luftfeuchtigkeit, besteht die Gefahr, dass die den Wärmeübertrager durchströmende, in der Luft gebundene Feuchtigkeit, / 33 aufgrund der Abkühlung als Kondensat ausfällt. Wenn die Temperaturen der Oberfläche des Wärmeübertragers geringer sind als die Taupunkt-Temperatur der Luft wird die in der Luft enthaltene Feuchtigkeit an der Oberfläche des Wärmeübertragers, auch als Luftkühler bezeichnet, als Wasser abgeschieden. Die den Wärmeübertrager durchströmende Luft wird abgekühlt und entfeuchtet.In the refrigerant-air heat exchanger operated as an evaporator, temperatures of the refrigerant are set which are always below the temperature of the air for heat transfer from the air to the refrigerant. Depending on the condition of the air, especially the air humidity, there is a risk that the moisture flowing through the heat exchanger and bound in the air / 33 will fail as condensate due to the cooling. If the temperatures of the surface of the heat exchanger are lower than the dew point temperature of the air, the moisture contained in the air is deposited on the surface of the heat exchanger, also referred to as an air cooler, as water. The air flowing through the heat exchanger is cooled and dehumidified.
Beim Unterschreiten der Temperaturen der Oberfläche des Wärmeübertragers von 0°C gefriert die aus der Luft abgeschiedene Feuchtigkeit. Es entstehen Reif und Eis. Die Oberfläche des Wärmeübertragers wird kontinuierlich zugesetzt, sodass sich der Wärmeübergang an der Oberfläche des Wärmeübertragers mit zunehmender Vereisung verschlechtert. Mit steigendem Energieverbrauch wird der Betrieb der Kälteanlage, insbesondere des Kältemittelkreislaufs, unwirtschaftlich. Die Vereisung der Oberfläche des Wärmeübertragers kann zudem dazu führen, dass eine anzustrebende Solltemperatur der abzukühlenden Luft in einem vorgeschriebenen Temperaturbereich nicht eingestellt werden kann.When the temperature of the surface of the heat exchanger falls below 0 ° C, the moisture separated from the air freezes. Frost and ice form. The surface of the heat exchanger is continuously added, so that the heat transfer on the surface of the heat exchanger deteriorates with increasing icing. With increasing energy consumption, the operation of the refrigeration system, in particular the refrigerant circuit, becomes uneconomical. Icing the surface of the heat exchanger can also result in the target temperature of the air to be cooled not being able to be set within a prescribed temperature range.
Um die Kälteanlage, insbesondere den Kältemittelkreislauf wirtschaftlich zu betreiben und die Solltemperatur der abgekühlten Luft einhalten zu können, ist bei fortschreitender Vereisung der Oberfläche des Wärmeübertragers ein Kühlzyklus der Kälteanlage zu unterbrechen und ein Abtauvorgang der Oberfläche einzuleiten.In order to operate the refrigeration system, in particular the refrigerant circuit, economically and to be able to maintain the target temperature of the cooled air, a cooling cycle of the refrigeration system must be interrupted as the surface of the heat exchanger progressively freezes and a surface thawing process is initiated.
Bei herkömmlichen Kälteanlagen dienen je nach Solltemperatur elektrische Abtauvorrichtungen, beispielsweise elektrische Widerstandsheizungen in Form von Heizstäben, zum Enteisen der Oberflächen der als Verdampfer betriebenen Wärmeübertrager.In conventional refrigeration systems, depending on the target temperature, electrical defrosting devices, for example electrical resistance heaters in the form of heating rods, serve to de-ice the surfaces of the heat exchangers operated as evaporators.
Die Heizstäbe weisen als elektrische Abtauvorrichtungen jedoch einen sehr großen Leistungsbedarf auf. Zudem wird neben der Oberfläche der Wärmeübertrager auch die Umgebung der Heizstäbe, wie die abzukühlende Luft und abzukühlendes Kühlgut, beispielsweise die in Kühlräumen oder in Kühlmöbeln gelagerte Ware, durch die von den Heizstäben abgegebene Wärme erwärmt. Die beim Abtauprozess insbesondere in die Umgebung des / 33The heating rods, however, have a very high power requirement as electrical defrosting devices. In addition to the surface of the heat exchangers, the surroundings of the heating elements, such as the air to be cooled and the items to be cooled, for example the goods stored in cold rooms or in refrigeration units, are heated by the heat given off by the heating elements. The defrosting process in particular in the vicinity of the / 33
Wärmeübertragers eingetragene Energie ist während des dem Abtauprozess nachfolgenden Kühlprozesses durch die Kälteanlage wieder abzuführen, was die notwendige Energie zum Abkühlen ebenfalls erhöht.The energy transferred to the heat exchanger must be dissipated again by the refrigeration system during the cooling process following the defrosting process, which also increases the energy required for cooling.
Aus der EP 1 498 673 A1 geht ein Verfahren zum Betreiben einer Kälteanlage mit einem Kältemittelkreislauf hervor. Der Kältemittelkreislauf weist jeweils mindestens einen als Verflüssiger betriebenen Wärmeübertrager, zwei als Verdampfer betriebene Wärmeübertrager und einen Verdichter mit mindestens zwei Leistungsstufen oder zwei Verdichter auf. Der oder die Verdichter sind ausgangsseitig über eine Abtauleitung mit den Einlässen der Verdampfer, auch als Kälteverbraucher bezeichnet, verbunden. Je nach Abtaubedarf eines oder mehrerer Kälteverbraucher wird dem oder den abzutauenden Verdampfern über die Abtauleitung verdichtetes, heißes Kältemittel zugeführt. Das verdichtete, heiße Kältemittel wird vor dem Einleiten in den oder die Verdampfer auf das Saugdruckniveau des Kältemittelkreislaufs entspannt.EP 1 498 673 A1 discloses a method for operating a refrigeration system with a refrigerant circuit. The refrigerant circuit in each case has at least one heat exchanger operated as a condenser, two heat exchangers operated as an evaporator and a compressor with at least two power stages or two compressors. On the output side, the compressor or compressors are connected to the inlets of the evaporators, also referred to as refrigeration consumers, via a defrost line. Depending on the defrosting requirement of one or more refrigeration consumers, compressed, hot refrigerant is supplied to the evaporator (s) to be defrosted via the defrosting line. The compressed, hot refrigerant is expanded to the suction pressure level of the refrigerant circuit before it is introduced into the evaporator or evaporators.
In der WO 2013/078088 A1 wird eine Kälteanlage mit einem Kältemittelkreislauf mit Kohlendioxid als Kältemittel offenbart. Der Kältemittelkreislauf weist eine Niedertemperatur-Stufe und eine Normaltemperatur-Stufe jeweils mit dazugehörigen Verdichter und Verdampfern auf. Die Verdampfer der Niedertemperatur-Stufe sind sowohl in einem Kühlmodus als auch in einem Abtaumodus mit Heißgas betreibbar. Das Heißgas des Kältemittels dient dem Abtauen der Verdampfer und kann von den Verdichtern der NiedertemperaturStufe beziehungsweise der Normaltemperatur-Stufe bereitgestellt werden. Die Normaltemperatur-Stufe ist zudem mit einem Abscheider, auch als Mitteldruckabscheider bezeichnet, ausgebildet. Aus dem Mitteldruckabscheider wird flüssiges Kältemittel entnommen und zu den einzelnen Verdampfern geführt. Beim Betrieb im Abtaumodus wird das Heißgas durch eine den Austritt der Verdichter mit einem Verteiler verbindende Leitung geleitet und vom Verteiler auf die Verdampfer aufgeteilt. In Strömungsrichtung nach den Verdampfern wird das Heißgas in einem Sammler zusammengeführt und in den Mitteldruckabscheider eingeleitet.WO 2013/078088 A1 discloses a refrigeration system with a refrigerant circuit with carbon dioxide as the refrigerant. The refrigerant circuit has a low-temperature stage and a normal temperature stage, each with associated compressors and evaporators. The evaporators of the low temperature stage can be operated with hot gas both in a cooling mode and in a defrosting mode. The hot gas of the refrigerant is used to defrost the evaporators and can be provided by the compressors at the low temperature level or the normal temperature level. The normal temperature stage is also designed with a separator, also referred to as a medium pressure separator. Liquid refrigerant is removed from the medium pressure separator and led to the individual evaporators. When operating in defrost mode, the hot gas is passed through a line connecting the discharge of the compressors to a distributor and is distributed from the distributor to the evaporators. In the flow direction after the evaporators, the hot gas is brought together in a collector and introduced into the medium-pressure separator.
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Beim Betrieb im Abtaumodus wird mindestens einer der Verdampfer der Niedertemperatur-Stufe mit Heißgas beaufschlagt, während die anderen Verdampfer abgeschaltet sind und nicht von Kältemittel durchströmt werden. Mindestens einer der Verdampfer der Normaltemperatur-Stufe wird im Kühlmodus betrieben.When operating in defrost mode, at least one of the evaporators of the low temperature stage is charged with hot gas, while the other evaporators are switched off and no refrigerant flows through them. At least one of the evaporators of the normal temperature level is operated in cooling mode.
Die Aufgabe der Erfindung besteht in der Bereitstellung einer Anordnung zum Abtauen mindestens eines als Verdampfer betriebenen Wärmeübertragers in einem Kältemittelkreislauf einer Kälteanlage sowie einem Verfahren zum Betreiben des Kältemittelkreislaufs beim Abtauen mittels Heißgas. Dabei sollen lediglich einzelne Verdampfer, insbesondere einer Temperaturstufe, abtaubar sein, während andere Verdampfer der gleichen Temperaturstufe in einem Kühlmodus weiter betrieben werden.The object of the invention is to provide an arrangement for defrosting at least one heat exchanger operated as an evaporator in a refrigerant circuit of a refrigeration system and a method for operating the refrigerant circuit during defrosting using hot gas. Only individual evaporators, in particular one temperature level, should be defrostable, while other evaporators of the same temperature level continue to be operated in a cooling mode.
Der Abtauvorgang soll unter dem Aufwand minimaler Energie und minimaler Zeit wirtschaftlich ermöglicht werden. Die Temperatur der Luft der Kühlstelle soll während des Abtauvorgangs nahezu konstant gehalten und damit das der Kühlstelle zugeordnete Kühlgut geschont werden. Es sollen lediglich minimale Betriebskosten, Herstellungs- beziehungsweise Installationskosten und Wartungskosten verursacht werden.The defrosting process should be made economically possible with the expenditure of minimal energy and minimal time. The temperature of the air in the cooling point is to be kept almost constant during the defrosting process and the refrigerated goods assigned to the cooling point are to be protected. Only minimal operating costs, manufacturing or installation costs and maintenance costs are to be caused.
Die Aufgabe wird durch den Gegenstand und das Verfahren mit den Merkmalen der selbstständigen Patentansprüche gelöst. Weiterbildungen sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.The object is achieved by the subject matter and the method with the features of the independent claims. Further developments are specified in the dependent claims.
Die Aufgabe wird durch einen erfindungsgemäßen Kältemittelkreislauf einer Kälteanlage mit einer Anordnung zum Abtauen mindestens eines Wärmeübertragers mit Kältemittel gelöst. Der Kältemittelkreislauf weist mindestens zwei Verdampfungsdruckstufen auf, wobei eine erste, untere Verdampfungsdruckstufe mit mindestens einem Verdichter und mindestens einem als Verdampfer betreibbaren Wärmeübertrager mit vorgelagertem Expansionsorgan sowie eine zweite, obere Verdampfungsdruckstufe mit mindestens einem Verdichter und mindestens einem als Verdampfer / 33 betreibbaren Wärmeübertrager mit vorgelagertem Expansionsorgan ausgebildet sind. Die als Verdampfer betreibbaren Wärmeübertrager der unterschiedlichen Verdampfungsdruckstufen sind mit Kältemittel auf unterschiedlichen Druckniveaus beaufschlagbar angeordnet.The object is achieved by a refrigerant circuit according to the invention of a refrigeration system with an arrangement for defrosting at least one heat exchanger with refrigerant. The refrigerant circuit has at least two evaporation pressure stages, a first, lower evaporation pressure stage with at least one compressor and at least one heat exchanger that can be operated as an evaporator with an upstream expansion element, and a second, upper evaporation pressure stage with at least one compressor and at least one heat exchanger that can be operated as an evaporator / 33 with an upstream expansion element are trained. The heat exchangers of the different evaporation pressure levels, which can be operated as evaporators, are arranged to be acted upon with refrigerant at different pressure levels.
Die Druckniveaus der Verdampfungsdruckstufen beziehen sich dabei jeweils auf die Verdampfungsdrücke des Kältemittels beim Durchströmen der als Verdampfer betreibbaren Wärmeübertrager.The pressure levels of the evaporation pressure stages each relate to the evaporation pressures of the refrigerant when flowing through the heat exchangers that can be operated as evaporators.
Nach der Konzeption der Erfindung weist die Anordnung zum Abtauen eine Verbindungsleitung zum Leiten von Kältemittel auf gleichbleibendem Druckniveau auf. Die Verbindungsleitung erstreckt sich von einer an einem Auslass des mindestens einen Verdichters der ersten, unteren Verdampfungsdruckstufe ausgebildeten Abzweigstelle bis zu einer an einem Einlass des mindestens einen als Verdampfer betreibbaren Wärmeübertragers der zweiten, oberen Verdampfungsdruckstufe ausgebildeten Mündungsstelle. Die als Verdampfer betreibbaren Wärmeübertrager sind jeweils eindirektional durchströmbar angeordnet.According to the concept of the invention, the arrangement for defrosting has a connecting line for conducting refrigerant at a constant pressure level. The connecting line extends from a branch point formed at an outlet of the at least one compressor of the first, lower evaporation pressure stage to a branch point formed at an inlet of the at least one heat exchanger of the second, upper evaporation pressure stage which can be operated as an evaporator. The heat exchangers that can be operated as evaporators are each arranged to flow through unidirectionally.
Unter der eindirektionalen Durchströmung, auch als unidirektionale oder monodirektionale Durchströmung bezeichnet, ist zu verstehen, dass das Kältemittel den Wärmeübertrager unabhängig vom Betriebsmodus des Kältemittelkreislaufs stets in einer Richtung durchquert. Dabei ist ein Auslass des jeweiligen Wärmeübertragers über eine Kältemittelleitung mit einem Einlass eines Verdichters verbunden, sodass das Kältemittel unabhängig vom Betriebsmodus aus dem Wärmeübertrager austretend direkt vom Verdichter angesaugt wird. Die Wärmeübertrager sind als Luft-KältemittelWärmeübertrager ausgebildet.The unidirectional flow, also referred to as unidirectional or monodirectional flow, is to be understood to mean that the refrigerant always crosses the heat exchanger in one direction, regardless of the operating mode of the refrigerant circuit. In this case, an outlet of the respective heat exchanger is connected to an inlet of a compressor via a refrigerant line, so that the refrigerant is sucked in directly from the compressor exiting the heat exchanger regardless of the operating mode. The heat exchangers are designed as air-refrigerant heat exchangers.
Die Begriffe Einlass und Auslass beziehen sich dabei stets auf die Strömungsrichtung des Kältemittels durch die Komponenten des Kältemittelkreislaufs. Die Strömungsrichtung des Kältemittels bleibt unabhängig vom Betriebsmodus durch alle Komponenten des Kältemittelkreislaufs konstant.The terms inlet and outlet always refer to the direction of flow of the refrigerant through the components of the refrigerant circuit. The flow direction of the refrigerant remains constant regardless of the operating mode through all components of the refrigerant circuit.
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Anstelle von einzelnen Verdichtern können die Verdampfungsdruckstufen jeweils auch mit Verdichtereinheiten aus mindestens zwei parallel betriebenen und parallel mit Kältemittel beaufschlagbaren Verdichtern ausgebildet sein.Instead of individual compressors, the evaporation pressure stages can in each case also be formed with compressor units comprising at least two compressors operated in parallel and which can be acted upon in parallel with refrigerant.
Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist zwischen der Abzweigstelle der Anordnung zum Abtauen und einem Einlass des mindestens einen Verdichters der zweiten, oberen Verdampfungsdruckstufe ein als Enthitzer für das aus dem mindestens einen Verdichter der ersten, unteren Verdampfungsdruckstufe austretende gasförmige Kältemittel betriebener Wärmeübertrager derart angeordnet, dass das aus dem Enthitzer austretende Kältemittel von dem mindestens einen Verdichter der zweiten, oberen Verdampfungsdruckstufe angesaugt wird.According to a development of the invention, a heat exchanger operated as a desuperheater for the gaseous refrigerant escaping from the at least one compressor of the first, lower evaporation pressure stage is arranged between the branching point of the arrangement for defrosting and an inlet of the at least one compressor of the second, upper evaporation pressure stage such that the Refrigerant emerging from the desuperheater is drawn in by the at least one compressor of the second, upper evaporation pressure stage.
Nach einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist in Strömungsrichtung des Kältemittels durch die Verbindungsleitung vor der am Einlass des mindestens einen als Verdampfer betreibbaren Wärmeübertragers der zweiten, oberen Verdampfungsdruckstufe ausgebildeten Mündungsstelle ein Absperrventil angeordnet. Die Mündungsstelle ist vorteilhaft in einer zwischen dem Expansionsorgan und dem Wärmeübertrager angeordneten Kältemittelleitung ausgebildet.According to a preferred embodiment of the invention, a shut-off valve is arranged in the flow direction of the refrigerant through the connecting line upstream of the outlet point of the at least one heat exchanger that can be operated as an evaporator of the second, upper evaporation pressure stage. The outlet point is advantageously formed in a refrigerant line arranged between the expansion element and the heat exchanger.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, dass die Verbindungsleitung mit einer Verzweigung zum Einbinden einer Kältemittelleitung ausgebildet ist, welche sich von der Verzweigung bis zu einer an einem Einlass des mindestens einen als Verdampfer betreibbaren Wärmeübertragers der ersten, unteren Verdampfungsdruckstufe ausgebildeten Mündungsstelle erstreckt. Die Mündungsstelle ist bevorzugt ebenfalls in einer zwischen dem Expansionsorgan und dem Wärmeübertrager angeordneten Kältemittelleitung ausgebildet. In Strömungsrichtung des Kältemittels durch die Kältemittelleitung ist vor der Mündungsstelle vorteilhaft ein Abtauventil angeordnet.A further advantageous embodiment of the invention consists in that the connecting line is formed with a branch for integrating a refrigerant line, which extends from the branch to an outlet point formed at an inlet of the at least one heat exchanger of the first, lower evaporation pressure stage that can be operated as an evaporator. The outlet point is preferably also formed in a refrigerant line arranged between the expansion element and the heat exchanger. In the flow direction of the refrigerant through the refrigerant line, a defrost valve is advantageously arranged in front of the mouth.
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Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist die erste, untere Verdampfungsdruckstufe und/oder die zweite, obere Verdampfungsdruckstufe aus mindestens zwei parallel betriebenen und parallel mit Kältemittel beaufschlagbaren Wärmeübertragern ausgebildet, wobei jedem Wärmeübertrager ein Expansionsorgan vorgelagert angeordnet ist.According to a development of the invention, the first, lower evaporation pressure stage and / or the second, upper evaporation pressure stage is formed from at least two heat exchangers which are operated in parallel and can be acted upon in parallel with refrigerant, an expansion element being arranged upstream of each heat exchanger.
Nach einer ersten alternativen Ausgestaltung der Erfindung ist die Abzweigstelle als ein Drei-Wege-Ventil ausgebildet.According to a first alternative embodiment of the invention, the branch point is designed as a three-way valve.
Nach einer zweiten alternativen Ausgestaltung der Erfindung sind innerhalb der Verbindungsleitung der Anordnung zum Abtauen ein Absperrventil und in einem Ansaugbereich des mindestens einen Verdichters der oberen Verdampfungsdruckstufe ein Differenzdruckventil angeordnet. Das Differenzdruckventil ist vorteilhaft zwischen der Abzweigstelle und einem als Enthitzer betreibbaren Wärmeübertrager ausgebildet.According to a second alternative embodiment of the invention, a shut-off valve is arranged within the connecting line of the defrosting arrangement and a differential pressure valve is arranged in a suction area of the at least one compressor of the upper evaporation pressure stage. The differential pressure valve is advantageously formed between the branch point and a heat exchanger that can be operated as a desuperheater.
Der Kältemittelkreislauf weist zudem bevorzugt einen als Kondensator/Gaskühler auf einem Hochdruckniveau betriebenen Wärmeübertrager zur Abgabe von Wärme sowie einen Abscheider auf. Der Abscheider ist dabei als ein sogenannter Mitteldruckabscheider ausgebildet und mit Kältemittel auf einem mittlerem Druckniveau zwischen dem Hochdruckniveau und dem Druckniveau der oberen Verdampfungsdruckstufe beaufschlagt angeordnet.The refrigerant circuit also preferably has a heat exchanger, operated as a condenser / gas cooler at a high pressure level, for emitting heat, and a separator. The separator is designed as a so-called medium pressure separator and is arranged with refrigerant at a medium pressure level between the high pressure level and the pressure level of the upper evaporation pressure stage.
Die Aufgabe wird auch durch ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Betreiben des Kältemittelkreislaufs in einem Abtaumodus zum Abtauen mindestens eines in einem Kühlmodus zur Wärmeaufnahme als Verdampfer betriebenen Wärmeübertragers einer oberen Verdampfungsdruckstufe gelöst. Das Verfahren weist folgende Schritte auf:The object is also achieved by a method according to the invention for operating the refrigerant circuit in a defrost mode for defrosting at least one heat exchanger of an upper evaporation pressure stage operated as evaporator in a cooling mode for absorbing heat. The process has the following steps:
- Feststellen einer Vereisung einer Wärmeübertrageroberfläche des im Kühlmodus zur Wärmeaufnahme als Verdampfer betriebenen Wärmeübertragers der oberen Verdampfungsdruckstufe,Detection of icing of a heat exchanger surface of the heat exchanger of the upper evaporation pressure stage operated as an evaporator in cooling mode for heat absorption,
- Schließen eines dem mindestens einen abzutauenden Wärmeübertrager / 33 zugeordneten Expansionsorgans und- Closing an expansion member and the at least one heat exchanger / 33 to be defrosted
- Öffnen eines dem mindestens einen abzutauenden Wärmeübertrager zugeordneten Absperrventils sowie- Opening a shut-off valve associated with the at least one heat exchanger to be defrosted and
- zumindest teilweises Öffnen einer Verbindungsleitung an einer Abzweigstelle und Leiten zumindest eines Teilmassenstroms von heißem Druckgas mindestens eines Verdichters einer unteren Verdampfungsdruckstufe zum jeweils abzutauenden Wärmeübertrager der oberen Verdampfungsdruckstufe,at least partially opening a connecting line at a branch point and directing at least a partial mass flow of hot compressed gas from at least one compressor of a lower evaporation pressure stage to the heat exchanger to be defrosted in the upper evaporation pressure stage,
- Hindurchleiten des heißen Druckgases auf dem Druckniveau der oberen Verdampfungsstufe durch den mindestens einen Wärmeübertrager und- Passing the hot compressed gas at the pressure level of the upper evaporation stage through the at least one heat exchanger and
- Ansaugen des aus dem mindestens einen Wärmeübertrager austretenden Kältemittels durch mindestens einen Verdichter der oberen Verdampfungsdruckstufe,Suction of the refrigerant emerging from the at least one heat exchanger through at least one compressor of the upper evaporation pressure stage,
- Schließen der Verbindungsleitung an der Abzweigstelle und des Abtauventils bei Erreichen einer Abtauendtemperatur am Wärmeübertrager.- Close the connecting line at the branch point and the defrost valve when the end of the defrost temperature on the heat exchanger.
Nach einer Weiterbildung der Erfindung wird eine Überhitzung des Kältemittels am Einlass in den mindestens einen Verdichter der oberen Verdampfungsdruckstufe überwacht. Wenn die Überhitzung einen vorgegebenen Sollwert unterschreitet, wird die Verbindungsleitung an derAccording to a development of the invention, overheating of the refrigerant at the inlet into the at least one compressor of the upper evaporation pressure stage is monitored. If the overheating falls below a predefined setpoint, the connecting line on the
Abzweigstelle und/oder das dem mindestens einen abzutauendenBranch and / or the one to be defrosted
Wärmeübertrager zugeordnete Absperrventil geschlossen.The shut-off valve associated with the heat exchanger is closed.
Nach einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung weist das Verfahren in 10 einem Abtaumodus zum Abtauen mindestens eines in einem Kühlmodus zurAccording to a preferred embodiment of the invention, the method in FIG. 10 assigns a defrost mode for defrosting at least one in a cooling mode
Wärmeaufnahme als Verdampfer betriebenen Wärmeübertragers der unteren Verdampfungsdruckstufe folgende Schritte auf:Heat absorption as an evaporator operated heat exchanger of the lower evaporation pressure stage the following steps:
- Feststellen einer Vereisung einer Wärmeübertrageroberfläche des in einem Kühlmodus zur Wärmeaufnahme als Verdampfer betriebenen Wärmeübertragers der unteren Verdampfungsdruckstufe,Detection of icing of a heat exchanger surface of the heat exchanger of the lower evaporation pressure stage operated as evaporator in a cooling mode for absorbing heat,
- Schließen eines dem mindestens einen abzutauenden Wärmeübertrager zugeordneten Expansionsorgans und- Closing an expansion element assigned to the at least one heat exchanger to be defrosted and
- Öffnen eines dem mindestens einen abzutauenden Wärmeübertrager / 33 zugeordneten Abtauventils sowie- Opening a defrost valve assigned to the at least one heat exchanger / 33 to be defrosted and
- zumindest teilweises Öffnen der Verbindungsleitung an der Abzweigstelle und Leiten zumindest eines Teilmassenstroms von heißem Druckgas des mindestens einen Verdichters der unteren Verdampfungsdruckstufe zum jeweils abzutauenden Wärmeübertrager der unteren Verdampfungsdruckstufe,at least partially opening the connecting line at the branch point and directing at least a partial mass flow of hot compressed gas from the at least one compressor of the lower evaporation pressure stage to the heat exchanger to be defrosted in each case of the lower evaporation pressure stage,
- Entspannen des Druckgases beim Durchströmen des Abtauventils auf das Druckniveau der unteren Verdampfungsstufe,Relaxation of the compressed gas as it flows through the defrost valve to the pressure level of the lower evaporation stage,
- Hindurchleiten des heißen Druckgases durch den mindestens einen Wärmeübertrager und- Passing the hot compressed gas through the at least one heat exchanger and
- Ansaugen des aus dem mindestens einen Wärmeübertrager austretenden Kältemittels durch mindestens einen Verdichter der unteren Verdampfungsdruckstufe,Suction of the refrigerant emerging from the at least one heat exchanger through at least one compressor of the lower evaporation pressure stage,
- Schließen der Verbindungsleitung an der Abzweigstelle und des- Close the connecting line at the junction and the
Abtauventils bei Erreichen einer Abtauendtemperatur am Wärmeübertrager.Defrost valve when a defrost end temperature is reached on the heat exchanger.
Beim Öffnen der Verbindungsleitung an der Abzweigstelle wird derWhen the connecting line is opened at the junction, the
Massenstrom des heißen Druckgases bevorzugt in einem Verhältnis zwischen 0 und 100 % in die Teilmassenströme aufgeteilt.Mass flow of the hot compressed gas is preferably divided into the partial mass flows in a ratio between 0 and 100%.
Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird bei der Ausbildung der unteren Verdampfungsdruckstufe und/oder bei der Ausbildung der oberen Verdampfungsdruckstufe aus mindestens zwei parallel mit Kältemittel beaufschlagbaren Wärmeübertragern mindestens einer der Wärmeübertrager im Abtaumodus betrieben, während mindestens ein zweiter Wärmeübertrager im Kühlmodus betrieben wird.According to an advantageous embodiment of the invention, in the formation of the lower evaporation pressure stage and / or in the formation of the upper evaporation pressure stage, at least one of the heat exchangers is operated in defrost mode from at least two heat exchangers which can be acted upon in parallel with refrigerant, while at least one second heat exchanger is operated in cooling mode.
Die als Verdampfer betreibbaren Wärmeübertrager der unteren Verdampfungsdruckstufe und/oder der oberen Verdampfungsdruckstufe sind jeweils vorteilhaft einzeln abtaubar.The heat exchangers which can be operated as evaporators of the lower evaporation pressure stage and / or of the upper evaporation pressure stage are each advantageously individually defrostable.
Die erfindungsgemäße Anordnung zum Abtauen eines Wärmeübertragers in einem Kältemittelkreislauf einer Kälteanlage und das erfindungsgemäße Verfahren zum Betreiben des Kältemittelkreislaufs beim Abtauen weisen / 33 zusammenfassend diverse Vorteile auf:The arrangement according to the invention for defrosting a heat exchanger in a refrigerant circuit of a refrigeration system and the method according to the invention for operating the refrigerant circuit during defrosting have, in summary, various advantages:
- es sind einzelne Verdampfer, insbesondere einer Verdampfungstemperaturstufe oder Verdampfungsdruckstufe, in minimaler Zeit abtaubar, während andere Verdampfer der gleichen oder anderen Temperaturstufe im Kühlmodus weiter betrieben werden können,individual evaporators, in particular an evaporation temperature stage or evaporation pressure stage, can be defrosted in a minimum of time, while other evaporators of the same or different temperature stage can continue to be operated in cooling mode,
- Konstanthalten der Temperatur der Luft der Kühlstelle während des Abtauvorgangs, dadurch- Thereby keeping the temperature of the air of the cooling point constant during the defrosting process
- minimaler Energieverbrauch für den unumgänglichen Abtauvorgang der Wärmeübertrager sowie minimale Betriebskosten der Kälteanlage und damit schnelles Erreichen von gesteckten Klimazielen und- minimal energy consumption for the inevitable defrosting process of the heat exchangers as well as minimal operating costs of the refrigeration system and thus quick achievement of the set climate targets and
- Schonen des der Kühlstelle zugeordneten Kühlguts,- protecting the refrigerated goods assigned to the cold store,
- Verwenden des klimafreundlichen Kältemittels Kohlendioxid mit einem neutralen Treibhauspotential von eins, kurz auch als GWP für englisch „global warming potential“ bezeichnet, sowie- Use the climate-friendly refrigerant carbon dioxide with a neutral greenhouse potential of one, also known as GWP for "global warming potential", and
- minimaler Installationsaufwand beziehungsweise minimale Herstellungskosten und Wartungskosten der Kälteanlage.- minimal installation effort or minimal manufacturing costs and maintenance costs of the refrigeration system.
Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile von Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen mit Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen. Es zeigen:Further details, features and advantages of embodiments of the invention result from the following description of exemplary embodiments with reference to the associated drawings. Show it:
Fig. 1 und 2: einen Kältemittelkreislauf mit einer Niedertemperatur-Stufe und eine Normaltemperatur-Stufe jeweils mit dazugehörigen Verdichtern und als Verdampfer betriebenen Wärmeübertragern sowie einer Anordnung zum Abtauen der Wärmeübertrager und1 and 2: a refrigerant circuit with a low temperature stage and a normal temperature stage, each with associated compressors and heat exchangers operated as evaporators, and an arrangement for defrosting the heat exchangers and
Fig. 3: den Betrieb des Kältemittelkreislaufs im Kühlmodus und imFig. 3: the operation of the refrigerant circuit in cooling mode and
Abtaumodus der Wärmeübertrager in einem log p,h-Diagramm, speziell bei subkritischem Betrieb.Defrost mode of the heat exchangers in a log p, h diagram, especially for subcritical operation.
In den Fig. 1 und 2 ist jeweils ein Kältemittelkreislauf 1a, 1b mit einer Niedertemperatur-Stufe und eine Normaltemperatur-Stufe mit dazugehörigen / 331 and 2 each have a refrigerant circuit 1a, 1b with a low temperature stage and a normal temperature stage with associated / 33rd
Verdichtern 2, 4 und als Verdampfer betriebenen Wärmeübertragern 9, 16 sowie einer Anordnung zum Abtauen der Wärmeübertrager 9, 16 dargestellt. Der gezeigte Kältemittelkreislauf 1a, 1b entspricht einer sogenannten BoosterSchaltung. Als Kältemittel wird bevorzugt das natürliche Kältemittel Kohlendioxid, kurz als CO2 oder R744 bezeichnet, verwendet.Compressors 2, 4 and heat exchangers 9, 16 operated as evaporators and an arrangement for defrosting the heat exchangers 9, 16 are shown. The refrigerant circuit 1a, 1b shown corresponds to a so-called booster circuit. The natural refrigerant carbon dioxide, abbreviated as CO2 or R744, is preferably used as the refrigerant.
Die Verdichter 2 der Niedertemperatur-Stufe, welche innerhalb einer Verdichtereinheit parallel zueinander angeordnet sind, saugen Kältemittel mit dem Zustand A aus den Verdampfern 16 der Niedertemperatur-Stufe, auch als untere Verdampfungsdruckstufe bezeichnet, an und verdichten das Kältemittel auf ein Druckniveau der oberen Verdampfungsstufe beziehungsweise auf ein Druckniveau oberhalb der oberen Verdampfungsstufe. Das gasförmige Kältemittel auf niederem Druckniveau ist überhitzt und liegt am Auslass der Verdichter 2 im Zustand B vor.The compressors 2 of the low-temperature stage, which are arranged parallel to one another within a compressor unit, draw in refrigerant with state A from the evaporators 16 of the low-temperature stage, also referred to as the lower evaporation pressure stage, and compress the refrigerant to a pressure level of the upper evaporation stage or to a pressure level above the upper evaporation level. The gaseous refrigerant at a low pressure level has overheated and is in state B at the outlet of the compressor 2.
Die jeweiligen Zustände des Kältemittels sind aus dem in Fig. 3 gezeigten log p, h-Diagramm, welches den Betrieb des Kältemittelkreislaufs 1a, 1b anhand der Zustandspunkte und Zustandsänderungen beim Betrieb im Kühlmodus und im Abtaumodus der Wärmeübertrager 9, 16 zeigt, zu entnehmen.The respective states of the refrigerant can be found in the log p, h diagram shown in FIG. 3, which shows the operation of the refrigerant circuit 1a, 1b on the basis of the state points and state changes during operation in the cooling mode and in the defrosting mode of the heat exchangers 9, 16.
Beim Betrieb des Kältemittelkreislaufs 1a, 1b, insbesondere der als Verdampfer betriebenen Wärmeübertrager 9, 16, im Kühlmodus wird das Kältemittel vollständig zum als Enthitzer betriebenen Wärmeübertrager 3 geleitet, in welchem das Kältemittel auf den Zustand C enthitzt wird. Die Wärme wird beispielsweise vom Kältemittel an Luft übertragen.When the refrigerant circuit 1a, 1b, in particular the heat exchangers 9, 16 operated as evaporators, is operated in the cooling mode, the refrigerant is completely conducted to the heat exchanger 3 operated as a desuperheater, in which the refrigerant is heated to state C. The heat is transferred from the refrigerant to air, for example.
Die Verdichter 4, welche ebenfalls innerhalb einer Verdichtereinheit parallel zueinander angeordnet sind, saugen das Kältemittel mit dem Zustand D der Normaltemperatur-Stufe, auch als obere Verdampfungsdruckstufe bezeichnet, an und verdichten das Kältemittel auf ein Hochdruckniveau. Das angesaugte gasförmige Kältemittel auf Druckniveau der oberen Verdampfungsstufe ist überhitzt und liegt am Auslass der Verdichter 4 im Zustand E vor.The compressors 4, which are likewise arranged parallel to one another within a compressor unit, draw in the refrigerant with the state D of the normal temperature stage, also referred to as the upper evaporation pressure stage, and compress the refrigerant to a high pressure level. The sucked-in gaseous refrigerant at the pressure level of the upper evaporation stage is overheated and is in state E at the outlet of the compressor 4.
Anschließend wird das Kältemittel zum als Kondensator/Gaskühler betriebenen / 33Then the refrigerant is operated as a condenser / gas cooler / 33
Wärmeübertrager 5 geleitet, in welchem das Kältemittel auf den Zustand F enthitzt und verflüssigt wird. Die Wärme wird beispielsweise wiederum vom Kältemittel an Luft übertragen. Das Kältemittel tritt als vorzugsweise Flüssigkeit aus dem Wärmeübertrager 5 aus.Heat exchanger 5 passed, in which the refrigerant is heated to the state F and liquefied. For example, the refrigerant in turn transfers the heat to air. The refrigerant exits the heat exchanger 5 as a preferably liquid.
Wenn das Kältemittel bei subkritischem beziehungsweise unterkritischem Betrieb des Kältemittelkreislaufs, wie in Fig. 3 gezeigt, verflüssigt wird, wird der Wärmeübertrager 5 als Kondensator bezeichnet. Ein Teil der Wärmeübertragung findet bei konstanter Temperatur statt. Bei überkritischem Betrieb beziehungsweise bei überkritischer Wärmeabgabe im Wärmeübertrager 5 nimmt die Temperatur des Kältemittels stetig ab. In diesem Fall werden der Wärmeübertrager 5 auch als Gaskühler und das Kältemittel als transkritisches Medium bezeichnet. Überkritischer Betrieb kann unter bestimmten Umgebungsbedingungen oder Betriebsweisen des Kältemittelkreislaufs insbesondere mit dem Kältemittel Kohlendioxid auftreten.If the refrigerant is liquefied during subcritical or subcritical operation of the refrigerant circuit, as shown in FIG. 3, the heat exchanger 5 is referred to as a condenser. Part of the heat transfer takes place at a constant temperature. With supercritical operation or with supercritical heat emission in the heat exchanger 5, the temperature of the refrigerant steadily decreases. In this case, the heat exchanger 5 is also referred to as a gas cooler and the refrigerant as a transcritical medium. Supercritical operation can occur under certain environmental conditions or modes of operation of the refrigerant circuit, in particular with the refrigerant carbon dioxide.
Das aus dem Wärmeübertrager 5 austretende, flüssige Kältemittel wird beim Durchströmen des Expansionsorgans 6, welches vorteilhaft als ein Expansionsventil ausgebildet ist, vom Hochdruckniveau auf ein Mitteldruckniveau entspannt und im Zustand G als Zwei-Phasengemisch aus Flüssigkeit und Dampf in einen Abscheider 7, welcher auch als Mitteldruckabscheider bezeichnet wird, eingeleitet. Innerhalb des Mitteldruckabscheiders 7 wird das dampfförmige Kältemittel vom flüssigen Kältemittel abgeschieden. Das Mitteldruckniveau weist einen Druck auf, welcher zwischen dem Hochdruckniveau und dem Druckniveau der oberen Verdampfungsdruckstufe liegt.The liquid refrigerant emerging from the heat exchanger 5 is expanded when flowing through the expansion element 6, which is advantageously designed as an expansion valve, from the high pressure level to a medium pressure level and in state G as a two-phase mixture of liquid and steam into a separator 7, which is also known as Medium pressure separator is introduced. The vaporous refrigerant is separated from the liquid refrigerant within the medium pressure separator 7. The medium pressure level has a pressure which lies between the high pressure level and the pressure level of the upper evaporation pressure stage.
Das auf dem Mitteldruckniveau vorliegende flüssige Kältemittel wird im Zustand H aus dem Mitteldruckabscheider 7 entnommen und zu Expansionsorganen 8 der oberen Verdampfungsdruckstufe und zu Expansionsorganen 15 der unteren Verdampfungsdruckstufe geleitet.The liquid refrigerant present at the medium pressure level is removed from the medium pressure separator 7 in state H and is passed to expansion elements 8 of the upper evaporation pressure level and to expansion elements 15 of the lower evaporation pressure level.
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Je nach Bedarf, das heißt je nach Kältebedarf der oberen Verdampfungsdruckstufe, wird das Kältemittel auf verschiedene, parallel zueinander angeordnete und als Verdampfer betriebene Wärmeübertrager 9 der oberen Verdampfungsdruckstufe aufgeteilt. Vor dem Einlass in die Verdampfer 9 werden die Teilmassenströme des Kältemittels in den jeweils den Verdampfern 9 in Strömungsrichtung des Kältemittels vorgelagert angeordneten Expansionsorganen 8 vom Mitteldruckniveau auf das Druckniveau der oberen Verdampfungsdruckstufe entspannt. Das aus den insbesondere jeweils als Expansionsventil ausgebildeten Expansionsorganen 8 austretende Kältemittel liegt im Zustand K als Zwei-Phasengemisch aus Flüssigkeit und Dampf vor. Beim Durchströmen der Verdampfer 9 wird das flüssige Kältemittel unter Aufnahme von Wärme, beispielsweise aus der die Verdampfer 9 umgebenden Luft, verdampft und das gasförmige Kältemittel gegebenenfalls überhitzt. Das Kältemittel tritt im Zustand L aus den Verdampfern 9 aus. Der an Abzweigstellen 10 in Teilmassenströme der oberen Verdampfungsdruckstufe aufgeteilte Kältemittelmassenstrom wird an einer Mündungsstelle 11 wieder vermischt.Depending on the need, that is to say depending on the cooling requirement of the upper evaporation pressure stage, the refrigerant is divided into different heat exchangers 9 of the upper evaporation pressure stage which are arranged in parallel with one another and operated as evaporators. Before the inlet into the evaporators 9, the partial mass flows of the refrigerant are expanded in the expansion members 8 arranged upstream of the evaporators 9 in the flow direction of the refrigerant, from the medium pressure level to the pressure level of the upper evaporation pressure stage. The refrigerant emerging from the expansion members 8, which are in each case in the form of expansion valves, is in state K as a two-phase mixture of liquid and steam. When flowing through the evaporator 9, the liquid refrigerant is evaporated while absorbing heat, for example from the air surrounding the evaporator 9, and the gaseous refrigerant is possibly overheated. The refrigerant exits the evaporators 9 in the L state. The refrigerant mass flow divided at branch points 10 into partial mass flows of the upper evaporation pressure stage is mixed again at an outlet point 11.
Parallel zum flüssigen Kältemittel wird auch das gasförmige Kältemittel aus dem Mitteldruckabscheider 7 entnommen. Das ebenfalls auf dem Mitteldruckniveau vorliegende gasförmige Kältemittel wird im Zustand J aus dem Mitteldruckabscheider 7 abgeführt und zu einem Expansionsorgan 12, insbesondere einem Expansionsventil, geleitet. Beim Durchströmen des Expansionsventils 12 wird das gasförmige Kältemittel auf das Druckniveau der oberen Verdampfungsdruckstufe entspannt und anschließend im Zustand M an einer Mündungsstelle 13 mit dem Anteil des aus den Verdampfern 9 austretenden Kältemittels vermischt.In parallel with the liquid refrigerant, the gaseous refrigerant is also removed from the medium pressure separator 7. The gaseous refrigerant, which is also present at the medium pressure level, is discharged from the medium pressure separator 7 in state J and passed to an expansion element 12, in particular an expansion valve. When flowing through the expansion valve 12, the gaseous refrigerant is expanded to the pressure level of the upper evaporation pressure stage and then mixed in the state M at an orifice 13 with the proportion of the refrigerant emerging from the evaporators 9.
Das nach dem Vermischen im Zustand N vorliegende Kältemittel wird mit dem aus dem Enthitzer 3 im Zustand C austretenden Kältemittel an der Mündungsstelle 14 vermischt und als Kältemittel im Zustand D von der Verdichtereinheit 4 angesaugt.The refrigerant present after mixing in the N state is mixed with the refrigerant emerging from the desuperheater 3 in the C state at the mouth 14 and sucked in as a refrigerant in the D state by the compressor unit 4.
Das auf dem Mitteldruckniveau im Zustand H aus dem Mitteldruckabscheider 7 / 33 entnommene flüssige Kältemittel wird zudem je nach Bedarf, das heißt je nach Kältebedarf der unteren Verdampfungsdruckstufe, auf verschiedene, parallel zueinander angeordnete und als Verdampfer betriebene Wärmeübertrager 16 der unteren Verdampfungsdruckstufe aufgeteilt. Vor dem Einlass in die Verdampfer 16 werden die Teilmassenströme des Kältemittels in jeweils den Verdampfern 16 in Strömungsrichtung des Kältemittels vorgelagert angeordneten Expansionsorganen 15 vom Mitteldruckniveau auf das Druckniveau der unteren Verdampfungsdruckstufe entspannt. Das aus den insbesondere jeweils als Expansionsventil ausgebildeten Expansionsorganen 15 austretende Kältemittel liegt im Zustand P als Zwei-Phasengemisch aus Flüssigkeit und Dampf vor. Beim Durchströmen der Verdampfer 16 wird das flüssige Kältemittel unter Aufnahme von Wärme, beispielsweise aus der die Verdampfer 16 umgebenden Luft, verdampft und das gasförmige Kältemittel gegebenenfalls überhitzt. Das Kältemittel tritt im Zustand A aus den Verdampfern 16 aus. Der an einer Abzweigstelle 17 in Teilmassenströme der unteren Verdampfungsdruckstufe aufgeteilte Kältemittelmassenstrom wird an einer Mündungsstelle 18 wieder vermischt und von der Verdichtereinheit 2 der unteren Verdampfungsdruckstufe angesaugt. Der Kältemittelkreislauf 1a, 1b ist geschlossen.The liquid refrigerant withdrawn from the medium pressure separator 7/33 at the medium pressure level in state H is further divided as required, that is to say depending on the cooling requirement of the lower evaporation pressure stage, into different heat exchangers 16 of the lower evaporation pressure stage which are arranged in parallel with one another and operated as evaporators. Before the inlet into the evaporator 16, the partial mass flows of the refrigerant in the evaporators 16, which are arranged upstream in the flow direction of the refrigerant, are expanded from the medium pressure level to the pressure level of the lower evaporation pressure stage. The refrigerant emerging from the expansion members 15, which are each designed as expansion valves, is present in state P as a two-phase mixture of liquid and steam. When flowing through the evaporator 16, the liquid refrigerant is evaporated while absorbing heat, for example from the air surrounding the evaporator 16, and the gaseous refrigerant may be overheated. In state A, the refrigerant exits the evaporators 16. The refrigerant mass flow divided at a branch point 17 into partial mass flows of the lower evaporation pressure stage is mixed again at an outlet point 18 and sucked in by the compressor unit 2 of the lower evaporation pressure stage. The refrigerant circuit 1a, 1b is closed.
Das beim Betrieb der Verdichter 2 der unteren Verdampfungsdruckstufe erzeugte heiße Druckgas, auch als Heißgas bezeichnet, wird in die obere Verdampfungsdruckstufe eingeleitet und gemeinsam mit dem Sauggas aus den Verdampfern 9 der oberen Verdampfungsdruckstufe sowie dem Drosselgas aus dem Mitteldruckabscheider 7 von den Verdichtern 4 der oberen Verdampfungsdruckstufe angesaugt und auf das Hochdruckniveau verdichtet. Die Verdampfer 9 der oberen Verdampfungsdruckstufe werden auch als Normaltemperatur-Kühlstellen oder Kühlstellen der Normalkühlung, kurz NKKühlstellen, bezeichnet. Das Hochdruckniveau entspricht dem Verflüssigungsdruck des Kältemittels.The hot compressed gas generated during operation of the compressors 2 of the lower evaporation pressure stage, also referred to as hot gas, is introduced into the upper evaporation pressure stage and together with the suction gas from the evaporators 9 of the upper evaporation pressure stage and the throttle gas from the medium pressure separator 7 from the compressors 4 of the upper evaporation pressure stage sucked in and compressed to the high pressure level. The evaporators 9 of the upper evaporation pressure stage are also referred to as normal temperature cooling points or cooling points for normal cooling, in short NK cooling points. The high pressure level corresponds to the condensing pressure of the refrigerant.
Je nach Anlagenzustand ist das Heißgas der unteren Verdampfungsdruckstufe nach dem Austritt aus den Verdichtern 2 vor dem Vermischen mit dem in der / 33 oberen Verdampfungsdruckstufe zirkulierenden Kältemittel abzukühlen und wird zur Wärmeabgabe durch den Enthitzer 3 geleitet. Die Verdampfer 16 der unteren Verdampfungsdruckstufe werden auch als Tieftemperatur-Kühlstellen oder Kühlstellen der Tiefkühlung, kurz TK-Kühlstellen, bezeichnet.Depending on the state of the system, the hot gas of the lower evaporation pressure stage after it has left the compressors 2 is to be cooled before mixing with the refrigerant circulating in the / 33 upper evaporation pressure stage and is passed through the desuperheater 3 for heat emission. The evaporators 16 of the lower evaporation pressure stage are also referred to as low-temperature cooling points or cooling points for deep-freezing, in short TK cooling points.
Der Kältemittelkreislauf 1a, 1b ist zudem mit einer Verbindungsleitung 21 ausgebildet, welche sich ausgehend von einer Abzweigstelle 19 jeweils bis zu einem Einlass in die Wärmeübertrager 9 der oberen Verdampfungsdruckstufe beziehungsweise in die Wärmeübertrager 16 der unteren Verdampfungsdruckstufe erstreckt. Die Abzweigstelle 19 ist dabei zwischen dem Auslass der Verdichtereinheit 2 der unteren Verdampfungsdruckstufe und dem Enthitzer 3 ausgebildet, sodass das beim Betrieb der Verdichter 2 der unteren Verdampfungsdruckstufe erzeugte Heißgas je nach Bedarf zumindest anteilig zu den Wärmeübertragern 9, 16 geleitet werden kann. Das Heißgas ist an der Abzweigstelle 19 in einen Massenstrom zum Enthitzer 3 und einen Massenstrom zu den Wärmeübertragern 9, 16 in einem Verhältnis zwischen 0 und 100 % aufteilbar.The refrigerant circuit 1a, 1b is also formed with a connecting line 21, which extends from a branch point 19 to an inlet into the heat exchangers 9 of the upper evaporation pressure stage or into the heat exchangers 16 of the lower evaporation pressure stage. The branch point 19 is formed between the outlet of the compressor unit 2 of the lower evaporation pressure stage and the desuperheater 3, so that the hot gas generated during operation of the compressors 2 of the lower evaporation pressure stage can be passed at least in part to the heat exchangers 9, 16 as required. At the branch point 19, the hot gas can be divided into a mass flow to the desuperheater 3 and a mass flow to the heat exchangers 9, 16 in a ratio between 0 and 100%.
Die Verbindungsleitung 21 ist mit Verzweigungen 22a, 22b ausgebildet, um das Heißgas als Kältemittelmassenstrom gegebenenfalls aufzuteilen und parallel zu den Wärmeübertragern 9, 16 der Verdampfungsdruckstufen zu führen. Die einzelnen Strömungspfade der Verbindungsleitung 21 münden dabei jeweils an Mündungsstellen 24a, 24b in Kältemittelleitungen ein, welche zwischen den Expansionsorganen 8, 15 und den Wärmeübertragern 9, 16 derThe connecting line 21 is formed with branches 22a, 22b in order to divide the hot gas as a refrigerant mass flow and to run it parallel to the heat exchangers 9, 16 of the evaporation pressure stages. The individual flow paths of the connecting line 21 each open at the outlet points 24a, 24b in refrigerant lines, which between the expansion elements 8, 15 and the heat exchangers 9, 16 of the
Verdampfungsdruckstufen und damit jeweils am Einlass der Wärmeübertrager 9, 16 ausgebildet sind. Jeder Strömungspfad der Verbindungsleitung 21 weist ein Abtauventil 23, 25 auf, um den Strömungspfad je nach Bedarf zu öffnen oder zu schließen und den in Strömungsrichtung des Kältemittels nach der Mündungsstelle 24a, 24b angeordneten Wärmeübertrager 9, 16 mit Heißgas zu beaufschlagen.Evaporation pressure levels and thus are each formed at the inlet of the heat exchangers 9, 16. Each flow path of the connecting line 21 has a defrost valve 23, 25 in order to open or close the flow path as required and to apply hot gas to the heat exchanger 9, 16 arranged in the flow direction of the refrigerant after the outlet point 24a, 24b.
Die sich von der Abzweigstelle 19 bis zu den Mündungsstellen 24a, 24b / 33 erstreckende Verbindungsleitung 21 mit den Verzweigungen 22a, 22b sowie den Abtauventilen 23, 25 sind Komponenten einer Anordnung zum Abtauen mindestens eines der beim Betrieb im Kühlmodus als Verdampfer betriebenen Wärmeübertrager 9, 16. Beim Betrieb des Kältemittelkreislaufs 1a, 1b im Abtaumodus werden die zuvor beim Betrieb im Kühlmodus zur Wärmeaufnahme als Verdampfer betriebenen Wärmeübertrager 9, 16 abgetaut beziehungsweise enteist. Beim Betrieb des Kältemittelkreislaufs 1a, 1b, insbesondere beim Betrieb eines Wärmeübertragers 9, 16, im Kühlmodus sind die jeweils zum Wärmeübertrager 9, 16 zugeordneten Abtauventile 23, 25 der Anordnung zum Abtauen geschlossen.The connecting line 21 with branches 22a, 22b and the defrosting valves 23, 25, which extends from the branch point 19 to the outlet points 24a, 24b / 33, are components of an arrangement for defrosting at least one of the heat exchangers 9, 16 which are operated as evaporators in cooling mode When the refrigerant circuit 1a, 1b is operating in the defrost mode, the heat exchangers 9, 16 previously operated as evaporators in the cooling mode for heat absorption are defrosted or defrosted. When the refrigerant circuit 1a, 1b is operating, in particular when operating a heat exchanger 9, 16, in the cooling mode, the defrost valves 23, 25 of the arrangement for defrosting, which are respectively assigned to the heat exchanger 9, 16, are closed.
Die Abzweigstelle 19 der Anordnung zum Abtauen kann auf verschiedene Art und Weise ausgebildet werden.The branch point 19 of the arrangement for defrosting can be designed in various ways.
Wie aus Fig. 1 hervorgeht, weist der Kältemittelkreislauf 1a ein an der Abzweigstelle 19 ausgebildetes Drei-Wege-Ventil 20, auch als Abtauhauptventil bezeichnet, auf, welches den Massenstrom des aus der Verdichtereinheit 2 der unteren Verdampfungsdruckstufe austretenden heißen Druckgases abhängig vom jeweiligen Betriebsmodus des Kältemittelkreislaufs 1a steuert und in Teilmassenströme in Richtung des Enthitzers 3 sowie in die Verbindungsleitung 21 aufteilt.As can be seen from FIG. 1, the refrigerant circuit 1a has a three-way valve 20 formed at the branch point 19, also referred to as a defrosting main valve, which controls the mass flow of the hot compressed gas emerging from the compressor unit 2 of the lower evaporation pressure stage depending on the respective operating mode of the Refrigerant circuit 1 a controls and divides into partial mass flows in the direction of the desuperheater 3 and in the connecting line 21.
Nach einer alternativen Ausführungsform gemäß dem Kältemittelkreislauf 1b aus Fig. 2 sind im Bereich der Abzweigstelle 19 ein erstes Ventil 26 und ein zweites Ventil 27, insbesondere ein pilotgesteuertes Differenzdruckventil 27, angeordnet. Das erste Ventil 26 ist bevorzugt als Absperrventil ausgebildet.According to an alternative embodiment according to the refrigerant circuit 1b from FIG. 2, a first valve 26 and a second valve 27, in particular a pilot-controlled differential pressure valve 27, are arranged in the region of the branch point 19. The first valve 26 is preferably designed as a shut-off valve.
Die Abtauventile 23 der Strömungspfade, welche sich zwischen einer Verzweigung 22a und einer Mündungsstelle 24a erstrecken, um Heißgas zu einem Wärmeübertrager 9 der oberen Verdampfungsdruckstufe zu leiten, sind insbesondere als Absperrventile 23, speziell als Magnetventile, ausgebildet.The defrost valves 23 of the flow paths, which extend between a branch 22a and an outlet point 24a in order to conduct hot gas to a heat exchanger 9 of the upper evaporation pressure stage, are designed in particular as shut-off valves 23, especially as solenoid valves.
Beim Betrieb des Kältemittelkreislaufs 1a, 1b im Abtaumodus wird zuerst von einer übergeordneten Regelungseinrichtung ein Befehl zum Abtauen / 33 ausgegeben. Das Drei-Wege-Ventil 20 des Kältemittelkreislaufs 1a nach Fig. 1 beziehungsweise das Ventil 26 des Kältemittelkreislaufs 1b nach Fig. 2 werden zumindest teilweise geöffnet, sodass lediglich ein erster Teilmassenstrom des heißen Druckgases der Verdichtereinheit 2 der unteren Verdampfungsdruckstufe durch den Enthitzer 3 in die Saugleitung der Verdichtereinheit 4 der oberen Verdampfungsdruckstufe geleitet wird, während ein zweiter Teilmassenstrom des heißen Druckgases der Verdichtereinheit 2 der unteren Verdampfungsdruckstufe zu den abzutauenden Wärmeübertragern 9 der oberen Verdampfungsdruckstufe geführt wird. Je nach Bedarf können das Drei-Wege-Ventil 20 beziehungsweise das Ventil 26 auch derart eingestellt werden, dass der Massenstrom des heißen Druckgases der Verdichtereinheit 2 der unteren Verdampfungsdruckstufe anstatt durch den Enthitzer 3 in die Saugleitung der Verdichtereinheit 4 der oberen Verdampfungsdruckstufe zu den abzutauenden Wärmeübertragern 9 der oberen Verdampfungsdruckstufe geleitet wird.When the refrigerant circuit 1a, 1b is operating in the defrost mode, a command to defrost / 33 is first issued by a higher-level control device. The three-way valve 20 of the refrigerant circuit 1a according to FIG. 1 or the valve 26 of the refrigerant circuit 1b according to FIG. 2 are at least partially opened, so that only a first partial mass flow of the hot compressed gas of the compressor unit 2 of the lower evaporation pressure stage through the desuperheater 3 into the Suction line of the compressor unit 4 of the upper evaporation pressure stage is passed, while a second partial mass flow of the hot compressed gas of the compressor unit 2 of the lower evaporation pressure stage is led to the heat exchangers 9 to be defrosted of the upper evaporation pressure stage. Depending on requirements, the three-way valve 20 or the valve 26 can also be set such that the mass flow of the hot compressed gas of the compressor unit 2 of the lower evaporation pressure stage instead of through the desuperheater 3 into the suction line of the compressor unit 4 of the upper evaporation pressure stage to the heat exchangers to be defrosted 9 of the upper evaporation pressure stage is passed.
Beim Betrieb des Kältemittelkreislaufs 1a, 1b im Abtaumodus wird somit zumindest ein Teil des in der Verdichtereinheit 2 der unteren Verdampfungsdruckstufe auf ein Druckniveau der oberen Verdampfungsstufe beziehungsweise auf ein Druckniveau oberhalb der oberen Verdampfungsstufe verdichtete und im Zustand B vorliegende gasförmige Kältemittel beziehungsweise Heißgas ohne nennenswerte Druckänderung durch die Verbindungsleitung 21 mit den Verzweigungen 22a und die geöffneten Absperrventile 23 hindurch zu den abzutauenden Wärmeübertragern 9 geführt und auf dem Druckniveau der oberen Verdampfungsstufe durch den jeweiligen mindestens einen Wärmeübertrager 9 hindurchgeleitet. Das Heißgas strömt infolge der treibenden Druckdifferenz durch den Wärmeübertrager 9 hindurch. Dabei werden das Heißgas unter Wärmeabgabe enthitzt und gegebenenfalls zumindest teilweise verflüssigt sowie die Wärmeübertragungsfläche des nunmehr als Enthitzer/Kondensator betriebenen Wärmeübertragers 9 enteist. Das Kältemittel kühlt sich ab und tritt mit dem Zustand Q aus dem Wärmeübertrager 9 aus. Die vom Kältemittel abgeführte Wärme dient zum Schmelzen des Eises und gegebenenfalls dem Verdunsten des Wassers.When the refrigerant circuit 1a, 1b is operated in the defrost mode, at least a portion of the gaseous refrigerant or hot gas present in state B and compressed in state B is therefore at least part of the gas in the compressor unit 2 of the lower evaporation pressure stage or to a pressure level above the upper evaporation stage without any significant change in pressure the connecting line 21 with the branches 22a and the open shut-off valves 23 are passed to the heat exchangers 9 to be defrosted and passed through the respective at least one heat exchanger 9 at the pressure level of the upper evaporation stage. The hot gas flows through the heat exchanger 9 due to the driving pressure difference. The hot gas is heated and, if necessary, at least partially liquefied while releasing heat, and the heat transfer surface of the heat exchanger 9, which is now operated as a desuperheater / condenser, is de-iced. The refrigerant cools down and exits the heat exchanger 9 with the state Q. The heat dissipated by the refrigerant is used to melt the ice and, if necessary, to evaporate the water.
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Durch die hervorragenden Wärmeübergangseigenschaften von R744 als Kältemittel ist es möglich, den Eisansatz an der Oberfläche des Wärmeübertragers 9 ohne jeglichen Hilfsenergieaufwand lediglich mit dem Energieinhalt des heißen Druckgases in kürzester Zeit zu entfernen. Der Abtauvorgang kann dabei durch Abschmelzen des Eises oder durch Sublimation erfolgen. Zudem ist eine Erhöhung der Luftfeuchtigkeit in der Kühlstelle durch Druckgaseinleitung in der Stillstandsphase des Wärmeübertragers 9 möglich.The excellent heat transfer properties of R744 as a refrigerant make it possible to remove the ice build-up on the surface of the heat exchanger 9 without the need for any auxiliary energy in a very short time with the energy content of the hot compressed gas. The defrosting process can be carried out by melting the ice or by sublimation. In addition, an increase in the air humidity in the cooling point is possible by introducing compressed gas in the standstill phase of the heat exchanger 9.
Der Betrieb im Kühlmodus wird für den oder die abzutauenden Wärmeübertrager 9 für die Zeit des Abtauens und damit der Druckgasdurchleitung unterbrochen. Das jeweilige Expansionsventil 8 ist geschlossen.The operation in cooling mode is interrupted for the heat exchanger (s) 9 to be defrosted for the time of the defrosting and thus the pressure gas passage. The respective expansion valve 8 is closed.
Nach dem Durchströmen des Wärmeübertragers 9 wird das enthitzte und möglicherweise als Zwei-Phasengemisch vorliegende Kältemittel an der Mündungsstelle 11 mit dem überhitzt aus den gegebenenfalls weiterhin als Verdampfer betriebenen Wärmeübertragern 9 der oberen Verdampfungsdruckstufe vermischt. Die weiteren Verfahrensschritte entsprechen den Schritten des Betriebs des Kältemittelkreislaufs 1a, 1b beziehungsweise der Wärmeübertrager 9 im Kühlmodus.After flowing through the heat exchanger 9, the desuperheated refrigerant, possibly in the form of a two-phase mixture, is mixed at the outlet 11 with the superheated from the heat exchangers 9 of the upper evaporation pressure stage, which may continue to be operated as an evaporator. The further method steps correspond to the steps of operating the refrigerant circuit 1a, 1b or the heat exchanger 9 in the cooling mode.
Auch beim Betrieb des Kältemittelkreislaufs 1a, 1b im Abtaumodus ist sicherzustellen, dass von der Verdichtereinheit 4 ausschließlich überhitztes und damit gasförmiges Kältemittel angesaugt wird, um Flüssigkeitsschläge zu vermeiden, welche die Verdichter 4 beschädigen oder zerstören können.Also when operating the refrigerant circuit 1a, 1b in the defrost mode, it must be ensured that only superheated and therefore gaseous refrigerant is drawn in by the compressor unit 4 in order to avoid liquid hammer which can damage or destroy the compressor 4.
Insbesondere beim gleichzeitigen Abtauen von mehreren Wärmeübertragern 9 der oberen Verdampfungsdruckstufe könnte ein Vermischen der aus den Wärmeübertragern 9 austretenden Kältemittelmassenströme an der Mündungsstelle 11 dazu führen, dass Kältemittel im Zwei-Phasengemisch und / 33 damit nicht überhitzt vorliegt.In particular, when several heat exchangers 9 of the upper evaporation pressure stage are defrosted at the same time, mixing of the refrigerant mass flows emerging from the heat exchangers 9 at the outlet point 11 could result in refrigerant in the two-phase mixture and / 33 not being overheated.
Dabei ist zu verhindern, dass zumindest teilweise flüssiges Kältemittel trotz des Vermischens mit dem Sauggas aus den jeweils als Verdampfer betriebenen Wärmeübertragern 9 der oberen Verdampfungsstufe an der Mündungsstelle 11 und mit dem Drosselgas aus dem Abscheider 7 an der Mündungsstelle 13 sowie gegebenenfalls dem zumindest teilweise enthitzten oder unkonditionierten Heißgas der Verdichtereinheit 2 der unteren Verdampfungsstufe an der Mündungsstelle 14 zur Verdichtereinheit 4 der oberen Verdampfungsstufe gelangt. Es ist folglich sicherzustellen, dass eine ausreichende Menge Heißgas mit dem Zustand B durch den Enthitzer 3 geleitet wird, um an der Mündungsstelle 14 mit dem von der Mündungsstelle 13 zuströmendem Kältemittel vermischt zu werden und so das Kältemittel im überhitzen Zustand D von der Verdichtereinheit 4 anzusaugen. Dabei ist zu gewährleisten, dass ein ausreichend großer Anteil des Kältemittelmassenstroms durch den Enthitzer 3 geleitet wird, wobei zudem die im Enthitzer 3 zu übertragene Wärme, beispielsweise durch Steuern eines Lüfters, beeinflusst wird. Wenn im Enthitzer 3 keine Wärme übertragen werden soll, ist folglich die Luftzufuhr zum Enthitzer 3 zu stoppen. Die Aufteilung des Kältemittelmassenstroms an der Abzweigstelle 19 ist dementsprechend zu steuern.It is to be prevented that at least partially liquid refrigerant despite mixing with the suction gas from the heat exchangers 9 operated as evaporators in the upper evaporation stage at the outlet point 11 and with the throttle gas from the separator 7 at the outlet point 13 and, if appropriate, the at least partially heated or unconditioned hot gas from the compressor unit 2 of the lower evaporation stage at the mouth 14 reaches the compressor unit 4 of the upper evaporation stage. It must therefore be ensured that a sufficient amount of hot gas with the condition B is passed through the desuperheater 3 in order to be mixed at the mouth 14 with the refrigerant flowing in from the mouth 13 and thus to draw the refrigerant in the superheated condition D from the compressor unit 4 , It must be ensured that a sufficiently large proportion of the refrigerant mass flow is passed through the desuperheater 3, the heat to be transferred in the desuperheater 3 also being influenced, for example by controlling a fan. If no heat is to be transferred in the desuperheater 3, the air supply to the desuperheater 3 must therefore be stopped. The distribution of the refrigerant mass flow at the branch point 19 is to be controlled accordingly.
Die Überhitzung des Kältemittels am Einlass der Verdichtereinheit 4 der oberen Verdampfungsdruckstufe, auch als Ansaugüberhitzung bezeichnet, wird stets überwacht. Wenn die Ansaugüberhitzung einen vorgegebenen Sollwert unterschreitet, werden entweder die Verbindungsleitung 21 im Bereich der Abzweigstelle 19 oder das Abtauventil 23 des jeweiligen Verdampfers 9 geschlossen. Dabei wird die Verbindungsleitung 21 des Kältemittelkreislaufs 1a nach Fig. 1 mittels des Drei-Wege-Ventils 20 und die Verbindungsleitung 21 des Kältemittelkreislaufs 1b nach Fig. 2 mittels des Absperrventils 26 geschlossen. Damit wird wirksam verhindert, dass die Verdichtereinheit 4 Kältemittel mit flüssigem Anteil, das heißt als Zwei-Phasengemisch vorliegendes Kältemittel, ansaugt und beschädigt werden kann.The overheating of the refrigerant at the inlet of the compressor unit 4 of the upper evaporation pressure stage, also referred to as intake superheating, is always monitored. If the intake superheating falls below a predetermined target value, either the connecting line 21 in the region of the branch point 19 or the defrost valve 23 of the respective evaporator 9 are closed. The connecting line 21 of the refrigerant circuit 1 a according to FIG. 1 is closed by means of the three-way valve 20 and the connecting line 21 of the refrigerant circuit 1 b according to FIG. 2 is closed by means of the shut-off valve 26. This effectively prevents the compressor unit 4 from drawing in and damaging refrigerant with a liquid fraction, that is to say refrigerant present as a two-phase mixture.
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Beim Erreichen der Abtauendtemperatur am jeweiligen Wärmeübertrager 9 werden zuerst die Verbindungsleitung 21 und zeitlich verzögert das Abtauventil 23 des Wärmeübertragers 9 geschlossen. Nach Ablauf einer vorgegebenen Zeitspanne, beispielsweise zum Abtropfen des Wassers von der Oberfläche des Wärmeübertragers 9, wird der Wärmeübertrager 9 wieder im Kühlmodus und damit als Verdampfer betrieben, der Kühlprozess an der Kühlstelle wird fortgesetzt.When the end of defrost temperature at the respective heat exchanger 9 is reached, the connecting line 21 is closed first and the defrost valve 23 of the heat exchanger 9 is closed with a time delay. After a predetermined period of time has elapsed, for example for the water to drip off the surface of the heat exchanger 9, the heat exchanger 9 is again operated in the cooling mode and thus as an evaporator, and the cooling process at the cooling point is continued.
Der Betrieb des Kältemittelkreislaufs 1a, 1b im Abtaumodus erfolgt unter minimalem Energieverbrauch. So ist beispielsweise ein Verdampfer eines Kühlraums mit einer Temperatur von +1°C täglich mindestens dreimal abzutauen. Beim Abtauen mit einer elektrischen Abtauvorrichtung sind dabei etwa 9,8 kW/Tag an Elektroenergie aufzuwenden. Für das Abtauen des gleichen Verdampfers mittels Heißgas reduziert sich der Verbrauch an Elektroenergie um bis zu 88 %.The operation of the refrigerant circuit 1a, 1b in the defrost mode takes place with minimal energy consumption. For example, an evaporator in a cold room with a temperature of + 1 ° C must be defrosted at least three times a day. When defrosting with an electrical defrosting device, approximately 9.8 kW / day of electrical energy must be used. To defrost the same evaporator using hot gas, the consumption of electrical energy is reduced by up to 88%.
Ein als Verdampfer betriebener Wärmeübertrager einer Wärmepumpe ist bei Außentemperaturen von weniger als +1°C mehrmals täglich zu enteisen, wobei die Leistungsaufnahme der elektrischen Abtauvorrichtung etwa 16,8 kW beträgt. Für das Abtauen des gleichen Verdampfers mittels Heißgas reduziert sich der Verbrauch an Elektroenergie um etwa 78 %.A heat exchanger of a heat pump operated as an evaporator must be de-iced several times a day at outside temperatures of less than + 1 ° C., the power consumption of the electrical defrosting device being approximately 16.8 kW. To defrost the same evaporator using hot gas, the consumption of electrical energy is reduced by around 78%.
Die Abtauventile 25 der Strömungspfade, welche sich zwischen einer Verzweigung 22b und einer Mündungsstelle 24b erstrecken, um Heißgas zu einem Wärmeübertrager 16 der unteren Verdampfungsdruckstufe zu leiten, sind insbesondere als Magnetventile mit Expansionsfunktion ausgebildet.The defrost valves 25 of the flow paths, which extend between a branch 22b and an orifice point 24b in order to conduct hot gas to a heat exchanger 16 of the lower evaporation pressure stage, are in particular designed as solenoid valves with an expansion function.
Beim Betrieb des Kältemittelkreislaufs 1a, 1b im Abtaumodus der Wärmeübertrager 16 der unteren Verdampfungsdruckstufe wird zumindest ein Teil des in der Verdichtereinheit 2 der unteren Verdampfungsdruckstufe auf ein Druckniveau der oberen Verdampfungsstufe beziehungsweise auf ein Druckniveau oberhalb der oberen Verdampfungsstufe verdichteten und im / 33When the refrigerant circuit 1a, 1b is operated in the defrost mode of the heat exchangers 16 of the lower evaporation pressure stage, at least part of that in the compressor unit 2 of the lower evaporation pressure stage is compressed to a pressure level of the upper evaporation stage or to a pressure level above the upper evaporation stage and in / 33
Zustand B vorliegenden gasförmigen Kältemittels beziehungsweise Heißgases durch die Verbindungsleitung 21 mit den Verzweigungen 22a, 22b und mindestens ein geöffnetes Abtauventil 25 hindurch zu mindestens einem abzutauenden Wärmeübertrager 16 geführt. Das Heißgas wird beim Durchströmen des Abtauventils 25 vom Zustand B zum Zustand R auf das Druckniveau der unteren Verdampfungsdruckstufe entspannt und durch den abzutauenden Wärmeübertrager 16 hindurchgeleitet.Condition B present gaseous refrigerant or hot gas through the connecting line 21 with the branches 22a, 22b and at least one open defrost valve 25 to at least one heat exchanger 16 to be defrosted. The hot gas is expanded as it flows through the defrost valve 25 from state B to state R to the pressure level of the lower evaporation pressure stage and is passed through the heat exchanger 16 to be defrosted.
Der Betrieb im Kühlmodus wird für den oder die abzutauenden Wärmeübertrager 16 für die Zeit des Abtauens und damit der Druckgasdurchleitung unterbrochen. Das jeweilige Expansionsventil 15 ist geschlossen.The operation in cooling mode is interrupted for the heat exchanger (s) 16 to be defrosted for the time of the defrosting and thus the pressure gas passage. The respective expansion valve 15 is closed.
Dabei wird das Heißgas unter Wärmeabgabe enthitzt. Die Wärmeübertragungsfläche des nunmehr als Enthitzer betriebenen Wärmeübertragers 16 wird enteist. Die vom Kältemittel abgeführte Wärme dient zum Schmelzen des Eises und dem Verdunsten des Wassers. Das Kältemittel tritt bevorzugt mit dem Zustand A aus dem Wärmeübertrager 16 aus.The hot gas is heated while releasing heat. The heat transfer surface of the heat exchanger 16 now operated as a desuperheater is de-iced. The heat dissipated by the refrigerant is used to melt the ice and evaporate the water. The refrigerant preferably exits the heat exchanger 16 with the state A.
Anschließend werden die aus den Wärmeübertragern 16 der unteren Verdampfungsdruckstufe austretenden Kältemittelmassenströme an der Mündungsstelle 18 vermischt und von der Verdichtereinheit 2 angesaugt. Die weiteren Verfahrensschritte entsprechen den Schritten des Betriebs des Kältemittelkreislaufs 1a, 1b im Kühlmodus der Wärmeübertrager 9, 16.The refrigerant mass flows emerging from the heat exchangers 16 of the lower evaporation pressure stage are then mixed at the outlet point 18 and sucked in by the compressor unit 2. The further method steps correspond to the steps of operating the refrigerant circuit 1a, 1b in the cooling mode of the heat exchangers 9, 16.
Dabei ist wiederum sicherzustellen, dass von der Verdichtereinheit 2 ausschließlich überhitztes und damit gasförmiges Kältemittel angesaugt wird, um Flüssigkeitsschläge zu vermeiden, welche die Verdichter 2 beschädigen oder zerstören können. Der Kältemittelkreislauf 1a, 1b, insbesondere im Hinblick auf die Kältemittelmassenströme durch die Wärmeübertrager 16, ist dementsprechend zu steuern.It must again be ensured that only superheated and therefore gaseous refrigerant is drawn in by the compressor unit 2 in order to avoid liquid hammer which can damage or destroy the compressor 2. The refrigerant circuit 1a, 1b, in particular with regard to the refrigerant mass flows through the heat exchangers 16, is to be controlled accordingly.
Da das Vorsehen der Anordnung zum Abtauen als Komponenten des Kältemittelkreislaufs 1a, 1b zusätzliche Einrichtungen zum Abtauen der / 33Since the provision of the arrangement for defrosting as components of the refrigerant circuit 1a, 1b additional devices for defrosting the / 33rd
Wärmeübertragerflächen, wie elektrische Abtauvorrichtungen, entbehren, können sowohl Materialkosten eingespart und der Installationsaufwand minimiert werden. Zudem verursacht der Betrieb der Anlage verursacht lediglich minimale Kosten.Heat transfer surfaces, such as electrical defrosting devices, can be saved, material costs can be saved and the installation effort can be minimized. In addition, the operation of the system causes minimal costs.
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BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
1a, 1b Kältemittelkreislauf1a, 1b refrigerant circuit
Verdichter, Verdichtereinheit untere VerdampfungsdruckstufeCompressor, compressor unit lower evaporation pressure level
Wärmeübertrager, EnthitzerHeat exchangers, desuperheaters
Verdichter, Verdichtereinheit obere VerdampfungsdruckstufeCompressor, compressor unit upper evaporation pressure stage
Wärmeübertrager, Kondensator/GaskühlerHeat exchanger, condenser / gas cooler
Expansionsorgan, Expansionsventil HochdruckExpansion device, expansion valve high pressure
Abscheider, MitteldruckabscheiderSeparators, medium pressure separators
Expansionsorgan, Expansionsventil obere VerdampfungsdruckstufeExpansion device, expansion valve upper evaporation pressure stage
Wärmeübertrager, Verdampfer obere VerdampfungsdruckstufeHeat exchanger, evaporator upper evaporation pressure level
10, 17 Abzweigstelle10, 17 branch
11, 18 Mündungsstelle11, 18 muzzle
Expansionsorgan, Expansionsventil MitteldruckExpansion device, expansion valve medium pressure
13, 14 Mündungsstelle13, 14 muzzle
Expansionsorgan, Expansionsventil untere VerdampfungsdruckstufeExpansion device, expansion valve lower evaporation pressure stage
Wärmeübertrager, Verdampfer untere VerdampfungsdruckstufeHeat exchanger, evaporator lower evaporation pressure level
Abzweigstellebranching point
Drei-Wege-VentilThree-way valve
Verbindungsleitungconnecting line
22a, 22b Verzweigung Verbindungsleitung 21 23 Abtauventil, Absperrventil22a, 22b branching connecting line 21 23 defrost valve, shut-off valve
24a, 24b Mündungsstelle24a, 24b mouth
Abtauventildefrost valve
Ventil, AbsperrventilValve, shut-off valve
Ventil, DifferenzdruckventilValve, differential pressure valve
A - R Zustand, Zustandspunkte KältemittelA - R condition, condition points refrigerant
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