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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer Verdichtungskältemaschine
mit einem inneren Wärmetauscher,
bei dem die Verdichtungskältemaschine
bei hohen Temperaturen Wärme
entzieht.
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Ein
weiterer Aspekt der Erfindung betrifft die Verwendung einer Verdichtungskältemaschine
gemäß Anspruch
2.
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Kältemaschinen
werden in der Regel in der Weise betrieben, dass sie einem Temperiermedium auf
einem niedrigen Temperaturniveau Wärme entziehen und die entzogene
Wärme bei
einem höheren Temperaturniveau
wieder abgeben. In besonderen Fällen
sollen jedoch die Kältemaschinen
auch so betrieben werden, dass sie der Umgebung, insbesondere einem
Temperiermedium, bei einem hohen Temperaturniveau Wärme entziehen,
die dann bei einem tieferen Temperaturniveau wieder abzugeben ist.
In letzterem Fall wird gasförmiges
Kältemittel
in überhitztem
Zustand einem Verdampfer der Kältemaschine
zugeführt,
in dem ohne Verdampfung eine weitere Erhitzung auf das hohe Temperaturniveau stattfindet,
bei dem das somit hocherhitzte gasförmige Kältemittel den Verdampfer verlässt. Für die nachfolgende
Verdichtung des Kältemittels
in einem Verdichter stellt sich das Problem, dass die für ihn zulässige Sauggastemperatur
eine Obergrenze nicht überschrei ten
darf, weil sonst der Verdichter im Betrieb überhitzt werden kann und dadurch
beschädigt werden
kann.
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Deswegen
ist es bereits bekannt, das hocherhitzte gasförmige Kältemittel, welches den Verdampferausgang
verlässt,
soweit abzukühlen,
dass sich der Verdich ter im Betrieb nicht überhitzt (Katalog 21/1999 der
Firma Fischer, 70327 Stuttgart, S. 541, „Thermostatische Nacheinspritzventile
NVBH"). Hierzu ist
es weiter bekannt, dem überhitzten
gasförmigen
Kältemittel
hinter dem Verdampferausgang vor dem Eintritt in den Verdichter über ein
Nachspritzventil expandiertes Kältemittelkondensat
zuzuführen, welches
unter Wärmeaufnahme
siedet und verdampft. Das Kältemittelkondensat
kann von dem Ausgang eines dem Verdichter nachgeschalteten Verflüssigers
abgezweigt werden. – Nachteilig
bei dieser Lösung
ist der Zusatzaufwand, insbesondere bedingt durch das Nachspritzventil.
Außerdem
ist die Verwendung des verdichteten Kältemittels, welches expandiert
wird und auf niedrigem Temperaturniveau verdampft, zur Mischung
mit dem überhitzten
gasförmigen
Kältemittel
energetisch ungünstig.
Die übliche autarke
Regelung des Nachspritzventils kann sich auf präzise Abläufe in dem Kältemittelkreislauf
störend
auswirken. Da Nachspritzventile in den meisten Fällen Ausgangsdruck gesteuert
arbeiten, kann dies bei Kältemaschinen
mit hohem MOP zu Ausfällen führen.
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Weiterhin
gehört
es bereits zu dem aus der Praxis bekannten Stand der Technik, das
aus dem Verdampferausgang austretende hocherhitzte gasförmige Kältemittel
in einem ersten inneren Wärmetauscher
an expandiertem Kondensat des Kältemittels
zu kühlen,
das aus dem Verflüssiger
stammt und in einem zweiten inneren Wärmetauscher bei Hochtemperaturanwendung
vor Expansion leicht aufgesiedet wurde. Das in dem ersten inneren
Wärmetauscher
vollständig
verdampfte und überhitzte
Kältemittel,
das aus dem expandierten Kondensat entsteht, wird anschließend in
den Verdampfereingang eingespeist. In dem zweiten inneren Wärmetauscher
wird bei Hochtemperaturanwendung Wärme von dem Sauggas auf das
Kondensat des Kältemittels übertragen,
bei Tieftemperaturanwendung umgekehrt, wobei das Kältemittel
leicht unterkühlt
wird. Die geringe thermische Güte
des zweiten inneren Wärmetauschers
bedeutet einen notwendigen Kompromiß bei wählbarer Hochtemperaturanwendung
oder Tieftemperaturanwendung. Der Wärmeaustausch in dem ersten
inneren Wärmetauscher
verläuft
in der gleichen Richtung wie bei Hochtemperaturanwendung von dem überhitzten
gasförmigen
Kältemittel
aus dem Verdampferausgang her zum expandierten Kon densat hin, wenn
die Kältemaschine
zum Wärmeentzug
auf niedrigem Temperaturniveau in dem Verdampfer eingestellt ist,
was sich nachteilig auf die Kälteleistung
auswirkt.
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Zum
Stand der Technik (
EP
0 915 306 B1 ) gehört
ferner ein überkritisches
Kältegerät, in dem der
Verdampferausgang eines Verdampfers über einen inneren Wärmetauscher
mit einem Verdichter verbunden ist, wobei eine Druckleitung von
dem Verdichter über
einen Gaskühler
zu dem inneren Wärmetauscher
geführt
ist. Weiterhin ist ein Ausgang des inneren Wärmetauschers über ein
gesteuertes Expansionsorgan mit einem Verdampfereingang des Verdampfers
verbunden. Das Expansionsorgan ist ein elektronisches Expansionsventil.
Die Ausführungsformen
dieses Kältegeräts arbeiten
mit dem Kältemittel
CO
2, welches nach Verdichtung nicht bei Abkühlung auf
Umgebungstemperatur kondensiert und somit dem inneren Wärmetauscher
nicht als Kondensat zugeführt
wird, welches durch Wärmetausch
vollständig
verdampft und überhitzt
werden könnte,
um in letzterem Zustand einem Expansionsorgan und über dieses
einem Verdampfer zugeführt zu
werden. Das mit diesem Kältegerät ausgeübte Verfahren
wird im Wesentlichen im überkritischen
Zustand des Kältemittels
betrieben, wodurch der Temperaturbereich des zu kühlenden
Mediums eingeschränkt
ist, wenn in dem Kältegerät so hohe
Drücke vermieden
werden sollen, die ansonsten zu Beschädigungen des Kältegeräts führen könnten.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren
zum Betrieb einer Kältemaschine
der eingangs umrissenen Gattung zu schaffen, mit dem für den Verdichter
unzulässige, insbesondere
zu hohe Temperaturen des aus dem Verdampferausgang austretenden
Kältemittels
mit geringem technischen Aufwand zuverlässig vermieden werden. Es sollen
hohe Kühlleistungen
bei hohen Temperaturen erreicht werden. Das Ver fahren soll betriebssicher
sein und eine präzise
Regelung des Wärmeentzugs
in dem Verdampfer ermöglichen.
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Diese
Aufgabe ist mit einem Verfahren zum Betrieb einer Kältemaschine
mit einem inneren Wärmetauscher
nach dem Verfahren gemäß Anspruch
1 erfindungsgemäß gelöst.
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Die
Besonderheit der Lösung
besteht darin, dass der innere Wärmetauscher,
der zum Wärmeentzug
aus dem hocherhitzten gasförmigen
Kältemittel vor
dessen Eintritt in einen Verdichter verwendet wird, hierzu nicht
mit einem nach der Verdichtung und Verflüssigung des Kältemittels
expandierten Kondensat gekühlt
wird, sondern dass das unter Druck stehende, unter Kühlung kondensierte
Kältemittel
in den inneren Wärmetauscher
zur Kühlung
des hocherhitzten Kältemittels
aus dem Verdampfer eingespeist wird, in dem es vollständig verdampft
und überhitzt wird
und erst nach Austritt aus dem inneren Wärmetauscher dosiert expandiert
wird, bevor es in den Verdampfer in überhitztem gasförmigen Zustand
eintritt. Dies hat zur Folge, dass hohe Kühlleistungen auch bei hohen
Temperaturen des Wärmeentzugs
in dem Verdampfer erzielt werden.
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Dieses
Verfahren kann als Gasexpansion-Linksprozess bezeichnet werden,
weil dem Expansionsorgan ein gasförmiges Medium als Kältemittel
zugeführt
wird und der Kältemaschinenprozess – wie üblich – im log
p h Diagramm ein linksdrehender Prozess ist.
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Die
Verwendung einer zur Ausübung
dieses Verfahrens geeigneten Verdichtungskältemaschine ist in Anspruch
2 angegeben. Somit wird vorteilhaft eine Kältemaschine eingesetzt, deren
Aufbau sonst für
den Wärmeentzug
bei niedrigem Temperaturniveau mit angestrebtem hohen Wirkungsgrad
vorgesehen ist und die zur Ausübung
des erfindungsgemäßen Verfahrens
mit Durchführung
des Gasexpansion-Linksprozesses auf andere Parameter eingestellt ist.
Es sind somit keine zusätzlichen
kältetechnischen
Komponenten erforderlich, wie ein Nachspritzventil oder gemäß Anspruch
4 ein weiterer innerer Wärmetauscher,
um sicherzustellen, dass der Verdichter nicht mit zu heißem gasförmigen Kältemittel als
Sauggas beaufschlagt wird. Die Betriebssicherheit wird nicht durch
zusätzliche
Hardware-Komponenten der Kältemaschine
beeinträchtigt.
Es können keine
störenden
Einwirkungen auf den gesamten Gasexpansion-Linksprozess durch Vorgänge eintreten,
die sonst durch zusätzliche
Hardware-Komponenten in der Kältemaschine
zu befürchten
wären.
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Besonders
vorteilhaft wird gemäß Anspruch 3
eine Verdichtungskältemaschine
verwendet, die als gesteuertes Expansionsorgan ein elektronisches
Expansionsventil aufweist, welches unproblematisch so gesteuert
werden kann, dass die Kältemaschine
je nach Bedarf in der Lage ist, bei einem tiefen Temperaturniveau
in dem Verdampfer Wärme
zu entziehen oder aber bei einem hohen Temperaturniveau. Mit einem
solchen elektronsichen Expansionsventil können die Einsatzgrenzen des
Verdichters genau eingehalten werden und sonst ungenutzte Leistungsreserven
der Kältemaschinenkomponenten
erschlossen werden.
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Anhand
einer Zeichnung mit zwei Figuren wird im Folgenden die Erfindung
weiter erläutert.
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1 eine
schematische Darstellung einer zur Ausübung des Verfahrens geeigneten
Kältemaschine
und
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2 einen
mit dieser Kältemaschine
durchgeführten
Gasexpansion-Linksprozess,
der in einem log p h Diagramm veranschaulicht ist.
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In 1 ist
mit 1 ein Verdampfer bezeichnet, der Bestandteil eines
Radthermostaten mit einem Bad 2 eines Temperiermediums
ist. Die Temperatur des Temperiermediums bzw. des Temperierbads kann
mit einem Temperatursensor 3 erfaßt werden.
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Stromaufwärts eines
Verdampfereingangs 4 ist ein steuerbares Expansionsorgan 5 angeordnet, welches
zur Durchführung
eines Gasexpansion-Linksprozesses überhitztes gasförmiges Kältemittel
von hohem zu niederem Druck expandiert, welches nach Expansion hinter
dem Expansionsorgan in dem Verdampfer 1 Wärme aus
dem Temperaturmedium in dem Bad 2 aufnimmt. Das steuerbare
Expansionsorgan ist in dem Ausführungsbeispiel
durch ein Expansionsventil realisiert, welches mittels eines Schrittmotors
und einer Spindel einstellbar ist.
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Zwischen
dem Expansionsorgan 1 und dem Verdampfereingang sind ein
Temperatursensor 6 und optional ein Drucksensor 7 angeordnet,
mit denen die Temperatur bzw. der Druck am Verdampfereingang 4 erfaßt wird.
Bei Verwendung eines Drucksensors kann dieser prinzipiell auch an
einer anderen Stelle des Niederdruckteiles der Kältemaschine angeordnet werden.
Ein weiterer Temperatursensor 8 befindet sich direkt an
einem Verdampferausgang 9, von dem ein Leitungsabschnitt 11 zu
einem inneren Wärmetauscher 10 führt.
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Im
weiteren Kreislauf des Kältemittels
folgen auf den inneren Wärmetauscher 10 ein
Verdichter 12, ein luftgekühlter Verflüssiger 13 und ein
Kältemittelsammler 14,
der ausgangsseitig über
einen Trockner 15 mit dem inneren Wärmetauscher 10 verbunden ist.
Das Expansionsorgan 5 wird aus dem inneren Wärmetauscher 10 mit
Kältemittel
gespeist.
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Die
oben beschriebene Kältemaschine
wird für
den Wärmeentzug
bei sehr hohem Temperaturniveau in dem Verdampfer 1 mit
dem Gasexpansion-Linksprozeß betrieben,
der nachfolgend im Blick auf 2 beschrieben
wird:
In 2 ist der Druck p des Kältemittels
im logarithmischen Maßstab
in Abhängigkeit
von der Enthalpie h dargestellt. In die Figur sind die Siedelinie
und die Taulinie des Kältemittels
eingetragen.
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Gasförmiges Kältemittel
wird mit dem Verdichter 12 verdichtet gemäß 1 → 2 in dem
Diagramm der 2. Es wird anschließend in
dem Verflüssiger 13 unter
hohem Druck und Wärmeabgabe
enthitzt und kondensiert, siehe 2 → 3 in dem Diagramm. Im Anschluß an den
Kältemittelsammler 14 und
Trockner 15 wird das Kältemittelkondensat
in den inneren Wärmetauscher 10 eingeleitet,
in welchem es dem hocherhitzten gasförmigen Kältemittel, welches den Verdampferausgang 9 verläßt und über den
Leitungsabschnitt 11 in den inneren Wärmetauscher 10 eingeleitet
wird, Wärme
bis zu einem Temperaturniveau entzieht, auf dem das gasförmige Kältemittel
als Sauggas von dem Verdichter 12 betriebssicher angesaugt
und in ihm verdichtet werden kann. Dabei wird das in dem inneren
Wärmetauscher 10 eintretende Kältemittelkondensat
vollständig
verdampft und überhitzt,
siehe 3 → 4
in dem Diagramm. Anschließend
wird das überhitzte
gasförmige
Kältemittel,
welches aus dem inneren Wärmetauscher 10 in
das Expansionsorgan 5 eingespeist wird, in diesem auf niedrigeres
Druckniveau expandiert, siehe 4 → 5
in dem Diagramm. Auch nach der Expansion ist das gasförmige Kältemittel
in überhitztem
Zustand, siehe Punkt 5 in dem Diagramm. In diesem Zustand
wird es in den Verdampfer 1 eingeführt, in dem während des Gasexpansion-Linksprozesses
eine weitere Erhitzung durch Wärmeentzug
aus dem Bad 2 eintritt, siehe 5 → 6 in dem Diagramm. Von diesem
sehr hohen Temperaturniveau wird das gasförmige Kältemittel, das den Verdampferausgang 9 verläßt, in dem
inneren Wärmetauscher 10 auf
das tiefere Temperaturniveau gekühlt,
siehe 6 → 1
in dem Diagramm, auf dem es anschließend von dem Verdichter 12 betriebssicher
verdichtet werden kann.
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Wenn
die Parameter der Kältemaschine
gemäß 1 so
eingestellt werden, daß dem
Bad 2 auf tiefem Temperaturniveau Wärme entzogen wird, und das
Kältemittel
von dem Verdichterausgang 9 dem inneren Wärmetauscher 10 zugeleitet
wird, wirkt dieser in umgekehrter Wärmeflußrichtung zu der voranstehend
be schriebenen Wärmeflußrichtung,
weil Wärme
aus dem warmen Kühlmittelkondensat
auf das in dem Leitungsabschnitt 11 zuströmende Kältemittel aus
dem Verdampferausgang übertragen
wird, um dieses Kältemittel
erforderlichenfalls nachzuverdampfen und keinen Naßdampf in
den Verdichter 12 eintreten zu lassen, der die Betriebssicherheit
ebenfalls herabsetzen könnte.
Das aus dem inneren Wärmetauscher 10 austretende
Kältemittel,
welches von dem Ausgang des Verflüssigers 13 stammt,
gelangt in diesem Fall gekühlt
und in flüssiger
Phase in das Expansionsorgan 5, in dem es zu naßdampfförmigem Kältemittel
verdampft, um eine optimale Kühlwirkung
bei niedrigem Temperaturniveau des Wärmeentzugs in dem Verdampfer 1 zu
bewirken.
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Es
kann also die Kältemaschine
für den
Wärmeentzug
nicht nur bei hohem Temperaturniveau, sondern auch bei dem häufig vorgegebenen
niedrigen Temperaturniveau optimal eingesetzt werden.
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- 1
- Verdampfer
- 2
- Bad
- 3
- Temperatursensor
- 4
- Verdampfereingang
- 5
- Expansionsorgan
- 6
- Temperatursensor
- 7
- Drucksensor
- 8
- Temperatursensor
- 9
- Verdampferausgang
- 10
- innerer
Wärmetauscher
- 11
- Leitungsabschnitt
- 12
- Verdichter
- 13
- Verflüssiger
- 14
- Kältemittelsammler
- 15
- Trockner
- 16
- 1.
Regler (Hauptregler)
- 17
- Hilfsregler
- 18
- Eingang
- 19
- Sollwertsteller
(Temperaturdifferenz)
- 20
- Druckleitung