DE102005009173A1

DE102005009173A1 - Kälteanlage

Info

Publication number: DE102005009173A1
Application number: DE102005009173A
Authority: DE
Inventors: Hermann Renz; Günter Dr. Dittrich
Original assignee: Bitzer Kuehlmaschinenbau GmbH and Co KG
Current assignee: Bitzer Kuehlmaschinenbau GmbH and Co KG
Priority date: 2005-02-17
Filing date: 2005-02-17
Publication date: 2006-08-24
Also published as: WO2006087075A1; US7451617B2; CN100538206C; EP1886075A1; CN101120213A; US20080011014A1; EP1886075B1

Abstract

Um eine Kälteanlage, umfassend einen Kältemittelkreislauf, in welchem ein Hauptmassenstrom eines Kältemittels geführt ist, zu schaffen, die sich optimal an unterschiedliche Betriebsbedingungen anpassen läßt, wird vorgeschlagen, daß in dem Kältemittelkreislauf mindestens zwei Kältemittelverdichter angeordnet sind, die zum Verdichten des Hauptmassenstroms einzeln zuschaltbar sind, daß mindestens zwei der Kältemittelverdichter jeweils mindestens eine Zusatzverdichterstufe aufweisen, daß jede der Zusatzverdichterstufen wahlweise zum Verdichten von Kältemittel aus dem Hauptmassenstrom oder zum Verdichten von Kältemittel aus dem Zusatzmassenstrom einsetzbar ist und daß eine Steuerung vorgesehen ist, mit welcher in einem ersten Betriebsmodus in Abhängigkeit von den Betriebsbedingungen eine derartige Anzahl von Zusatzverdichterstufen zum Verdichten von Kältemittel aus dem Zusatzmassenstrom zuschaltbar ist, daß die Expansionskühleinrichtung den Hauptmassenstrom verflüssigt und dessen Enthalpie reduziert.

Description

Die Erfindung betrifft eine Kälteanlage umfassend einen Kältemittelkreislauf, in welchem ein Hauptmassenstrom eines Kältemittels – vorzugsweise Kohlendioxid – geführt ist, einen im Kältemittelkreislauf angeordneten hochdruckseitigen Wärmetauscher, eine im Kältemittelkreislauf angeordnete Expansionskühleinrichtung, die im aktiven Zustand den Hauptmassenstrom des Kältemittels kühlt und dabei einen Zusatzmassenstrom von gasförmigem Kältemittel erzeugt, ein im Kältemittelkreislauf angeordnetes Reservoir für verflüssigtes Kältemittel, mindestens eine im Kältemittelkreislauf angeordnete Expansionseinheit für verflüssigtes Kältemittel des Hauptmassenstroms, welche ein Expansionsorgan und einen nachgeordneten niederdruckseitigen Kälteleistung zur Verfügung stellenden, das heißt die Enthalpie des Kältemittels erhöhenden, Wärmetauscher aufweist, und mindestens einen in dem Kältemittelkreislauf angeordneten Kältemittelverdichter, der eine Hauptverdichterstufe und mindestens eine gemeinsam mit der Hauptverdichterstufe angetriebene Zusatzverdichterstufe aufweist, die beide Kältemittel auf Hochdruck verdichten, wobei die Hauptverdichterstufe und die mindestens eine Zusatzverdichterstufe so einsetzbar sind, daß entweder die Hauptverdichterstufe Kältemittel aus dem Hauptmassenstrom und die Zusatzverdichterstufe Kältemittel aus dem Zusatzmassenstrom oder die Hauptverdichterstufe und die Zusatzverdichterstufe Kältemittel aus dem Hauptmassenstrom verdichten.
Derartige Kälteanlagen sind aus dem Stand der Technik bekannt, wobei diese für übliche Kältemittel konzipiert sind.

Beispielsweise sind derartige Kälteanlagen in der EP 0 180 904 A2 beschrieben.

Ausgehend von diesem bekannten Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Kälteanlage zu schaffen, die sich optimal an unterschiedliche Betriebsbedingungen anpassen läßt.

Diese Aufgabe wird bei einer Kälteanlage der eingangs beschriebenen Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß in dem Kältemittelkreislauf mindestens zwei Kältemittelverdichter angeordnet sind, die zum Verdichten des Hauptmassenstroms einzeln zuschaltbar sind, daß mindestens zwei der Kältemittelverdichter jeweils mindestens eine Zusatzverdichterstufe aufweisen, daß jede der Zusatzverdichterstufen wahlweise zum Verdichten von Kältemittel aus dem Hauptmassenstrom oder zum Verdichten von Kältemittel aus dem Zusatzmassenstrom einsetzbar ist und daß eine Steuerung vorgesehen ist, mit welcher in einem ersten Betriebsmodus in Abhängigkeit von Betriebsbedingungen eine derartige Anzahl von Zusatzverdichterstufen zum Verdichten von Kältemittel aus dem Zusatzmassenstrom zuschaltbar ist, daß die Expansionskühleinrichtung den Hauptmassenstrom verflüssigt und dessen Enthalpie reduziert.

Der Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung ist darin zu sehen, daß diese aufgrund der variablen Zuschaltbarkeit der Zusatzverdichterstufen die Möglichkeit schafft, die Verflüssigung des Hauptmassenstroms und die Enthalpiereduktion an die verschiedenen Betriebsbedingungen anzupassen und somit stets in einem optimalen Bereich zu halten.

Besonders günstig ist es, wenn die Expansionskühleinrichtung die Enthalpie des Hauptmassenstroms mindestens 10% reduziert.

Noch vorteilhafter ist es, wenn die Expansionskühleinrichtung die Enthalpie des Hauptmassenstroms um mindestens 20% reduziert. Besonders günstig ist die Kälteanlage dann einsetzbar, wenn der erste Betriebsmodus einem überkritischen Betrieb, beispielsweise mit Kohlendioxid als Kältemittel, entspricht

Unter einem überkritischen Betrieb ist dabei zu verstehen, daß das auf Hochdruck verdichtete Kältemittel in dem hochdruckseitigen Wärmetauscher nicht auf eine Temperatur abgekühlt werden kann, die einer die Siedelinie und Sättigungskurve des Kältemittels durchlaufenden Isothermen entspricht, sondern lediglich auf eine Temperatur abgekühlt werden kann, die einer außerhalb der Siedelinie und Sättigungskurve verlaufenden Isothermen entspricht, so daß es dabei nicht zu einer Verflüssigung des Kältemittels kommt.

Ferner sieht ein besonders günstiges Ausführungsbeispiel vor, daß die Expansionskühleinrichtung den Hauptmassenstrom in einen thermodynamischen Zustand überführt, dessen Druck und Enthalpie niedriger sind als Druck und Enthalpie eines Maximums der Sättigungskurve oder Siedelinie in einem Enthalpie-/Druckdiagramm.

Vorzugsweise liegt der von der Expansionskühleinrichtung bewirkte thermodynamische Zustand des Hauptmassenstroms nahe der Siedelinie des Enthalpie-/Druckdiagramms, insbesondere im wesentlichen auf der Siedelinie oder bei einer Enthalpie die niedriger ist als die der Siedelinie bei dem jeweiligen Druck entsprechende Enthalpie.

Die Expansionskühleinrichtung kann grundsätzlich in beliebiger Art und Weise ausgebildet sein.

Eine besonders günstige Lösung sieht jedoch vor, daß die Expansionskühleinrichtung ein Expansionsventil zur Expansion von Kältemittel auf einen Zwischendruck aufweist und daß der Zwischendruck der Exapansionskühleinrichtung durch Zuschaltung der geeigneten Anzahl von Zusatzverdichterstufen einstellbar ist.

Ferner könnte beispielsweise die Expansionskühleinrichtung so arbeiten, daß lediglich eine Expansion des den Zusatzmassenstrom bildenden Kältemittels erfolgt.

Noch vorteilhafter ist es jedoch, wenn das Expansionsventil der Expansionskühleinrichtung Kältemittel des Hauptmassenstroms und des Zusatzmassenstroms auf den Zwischendruck expandiert.

Hinsichtlich der Anordnung des Reservoirs für das flüssige Kältemittel wurden bislang keine näheren Angaben gemacht. So sieht eine besonders günstige Lösung vor, daß die Expansionskühleinrichtung das Reservoir für das flüssige Kältemittel des Hauptmassenstroms mit umfaßt und somit den Aufbau der erfindungsgemäßen Kälteanlage vereinfacht wird.

Eine konstruktiv besonders bevorzugte Lösung sieht vor, daß das Expansionsventil das expandierte Kältemittel aus dem Hauptmassenstrom und dem Zusatzmassenstrom in einen Behälter überführt, in welchem sich das Reservoir für das flüssige Kältemittel des Hauptmassenstroms ausbildet über dem ein Dampfraum liegt, aus welchem dann das den Zusatzmassenstrom bildende Kältemittel abgeführt wird, so daß ein Teil des Kältemittels verdampft und dadurch den Hauptmassenstrom kühlt oder sogar unterkühlt.

Ein weiters vorteilhaftes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Kälteanlage sieht vor, daß in einem zweiten Betriebsmodus die Expansionskühleinrichtung im inaktiven Zustand ist und keine Kühlung des Hauptmassenstroms bewirkt.

Das heißt, daß in diesem Fall kein Zusatzmassenstrom von Kältemittel entsteht und somit die erfindungsgemäße Kälteanlage in der konventionellen bekannten Art und Weise durch einen Kreislauf des gesamten Kältemittels in Form des Hauptmassenstroms betrieben werden kann.

Zweckmäßigerweise ist in einem derartigen zweiten Betriebsmodus der Kälteanlage vorgesehen, daß alle Zusatzverdichterstufen Kältemittel des Hauptmassenstroms verdichten.

Ferner ist in einem zweiten Betriebsmodus der erfindungsgemäßen Kälteanlage vorgesehen, daß das Reservoir für flüssiges Kältemittel des Hauptmassenstroms unter Hochdruck steht.

Insbesondere ist bei einem Ausführungsbeispiel vorgesehen, daß der zweite Betriebsmodus einem unterkritischen Betrieb der Kälteanlage entspricht.

Unter einem unterkritischen Betrieb der Kälteanlage im Sinne der erfindungsgemäßen Lösung ist dabei zu verstehen, daß in dem hochdruckseitigen Wärmetauscher eine derart starke Abkühlung des auf Hochdruck verdichteten Kältemittels möglich ist, daß dieses in einen thermodynamischen Zustand übergeht, welcher unterhalb der Sättigungskurve oder Siedelinie, das heißt im Gebiet der Koexistenz von Flüssigkeit und Dampf, liegt, und somit derart abgekühlt wird, daß durch den hochdruckseitigen Wärmetauscher eine Verflüssigung des Kältemittels erfolgt.

Um die erfindungsgemäße Kälteanlage stets unter optimalen Bedingungen, insbesondere in Anpassung an die geforderte Kälteleistung, betreiben zu können, ist vorgesehen, daß die Steuerung die Kältemittelverdichter entsprechend der geforderten Kälteleistung steuert, das heißt, daß die Kältemittelverdichter entweder mit variabler Drehzahl betreibbar sind und/oder ein- oder ausgeschaltet werden können.

Besonders zweckmäßig ist es dabei, wenn die Steuerung in der Lage ist, entsprechend der geforderten Kälteleistung die Kältemittelverdichter einzeln zu- oder abzuschalten, das heißt, daß durch Einzelzu- oder -abschaltung der mindestens zwei Kältemittelverdichter im Kältemittelkreislauf die Möglichkeit besteht, die Verdichterleistung an die geforderte Kälteleistung anzupassen und somit die erfindungsgemäße Kälteanlage stets optimal zu betreiben.

Hinsichtlich der Auslegung der Zusatzverdichterstufen in Relation zu der jeweiligen Hauptverdichterstufe wurden bislang keine näheren Angaben gemacht. So ist es besonders günstig, wenn jeder Kältemittelverdichter mit Zusatzverdichterstufe so dimensioniert ist, daß der von der Zusatzverdichterstufe verdichtete Massenstrom von Kältemittel des Zusatzmassenstroms maximal dem von der Hauptverdichterstufe verdichteten Massenstrom von Kältemittel des Hauptmassenstroms bei diesem Kältemittelverdichter entspricht.

Weiterhin lassen sich die durch die Steuerung gegebenen Möglichkeiten der Einstellung des Zusatzmassenstroms und des Zwischendrucks dadurch vorteilhaft ausnutzen, daß die Kältemittelverdichter mit Zusatzverdichterstufe so dimensioniert sind, daß die Zusatzverdichterstufen unterschiedlicher Kältemittelverdichter unterschiedliche Massenströme von Kältemittel des Zusatzmassenstroms verdichten.

Damit kann durch geeignete Auswahl der für die Verdichtung von Kältemittel des Zusatzmassenstroms vorgesehenen Zusatzverdichterstufen, insbesondere durch geeignete Kombination für unterschiedliche Massenströme ausgelegter Zusatzverdichterstufen eine weitgehende Variation des zu verdichtenden Zusatzmassenstroms erfolgen, ohne daß hierzu die Leistung der Hauptverdichterstufen verändert werden muß.

Da bei Kälteanlagen, die im überkritischen Bereich betrieben werden sollen, bei der Verdichtung des Kältemittels eine sehr hohe Druckdifferenz erzeugt werden muß, ist vorzugsweise vorgesehen, daß die Kältemittelverdichter mit Zusatzverdichterstufe Hubkolbenverdichter sind.

Bei derartigen Hubkolbenverdichtern ist zweckmäßigerweise jeder der Kältemittelverdichter mit Zusatzverdichterstufe so konzipiert, daß dieser mindestens einen Zylinder für die Zusatzverdichterstufe und mindestens einen Zylinder für die Hauptverdichterstufe aufweist.

Besonders günstig läßt sich eine derartige Kälteanlage dann realisieren, wenn bei jedem Kältemittelverdichter mit Zusatzverdichterstufe die Zahl der Zylinder für die Hauptverdichterstufe größer ist als die Zahl der Zylinder für die Zusatzverdichterstufe.

Ferner sieht eine hinsichtlich der variablen Einstellbarkeit des Zusatzmassenstroms besonders günstige Lösung der erfindungsgemäßen Kälteanlage vor, daß von den Kältemittelverdichtern mit Zusatzverdichterstufe die Zusatzverdichterstufen unterschiedlicher Kältemittelverdichter ein unterschiedliches Hubvolumen aufweisen, so daß dadurch auch in unterschiedlicher Kombination der Zusatzverdichterstufen eine besonders breite Bandbreite von Hubvolumina für den Zusatzmassenstrom zur Auswahl zur Verfügung steht.

Ferner sieht eine weitere, hinsichtlich ihrer Variabilität geeignete Lösung vor, daß bei jedem Kältemittelverdichter mit Zusatzverdichterstufe das Verhältnis des Hubvolumens der Zusatzverdichterstufe zum Hubvolumen der Hauptverdichterstufe gegenüber mindestens einem der anderen Kältemittelverdichter mit Zusatzverdichterstufe unterschiedlich ist, so daß sich nicht nur die Hubvolumina der Zusatzverdichterstufen durch geeignete Auswahl und Kombination miteinander zu einer möglichst großen Variationsbandbreite zusammenfassen lassen, sondern auch die Hubvolumina der Hauptverdichterstufen.

Ein weiteres vorteilhaftes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Kälteanlage sieht vor, daß in dem ersten Betriebsmodus das Reservoir für verflüssigtes Kältemittel auf einem Zwischendruck arbeitet und zwischen dem hochdruckseitigen, das Kältemittel kühlenden Wärmetauscher und dem Reservoir für verflüssigtes Kältemittel eine Zusatzexpansionseinheit mit einem Expansionsorgan und einem nachgeordneten, Kälteleistung zur Verfügung stellenden Wärmetauscher vorgesehen ist. Mit dieser Zusatzexpansionseinheit läßt sich der thermodynamische Wirkungsgrad der erfindungsgemäßen Kälteanlage noch weiter verbessern, da die Verdampfungstemperatur in dieser Zusatzexpansionseinheit höher ist, was voraussetzt, daß die zur Verfügung gestellte Kälteleistung auf einem höheren Temperaturniveau, beispielsweise zur Raumkühlung oder Raumklimatisierung, eingesetzt werden kann.

Insbesondere ist bei allen voranstehenden Ausführungsbeispielen ein wesentlich verbesserter thermodynamischer Wirkungsgrad bei überkritischen Betriebsbedingungen erreichbar. Außerdem ist die Kälteleistung bei definiertem Verdichter-Hubvolumen höher und die Leistungscharakteristik in Relation zur Umgebungstemperatur flacher, was sich positiv auf die Regelcharakteristik der Kälteanlage auswirkt.

Die höhere Wirtschaftlichkeit bei überkritischem Betrieb ist insbesondere darin begründet, daß die Verdampfung des Zusatzmassenstroms auf einem höheren Druckniveau erfolgt als die Verdampfung in den saugseitigen Wärmetauschern der Expansionseinheiten. Dies führt zu einer Verbesserung des thermodynamischen Wirkungsgrads mit dem Resultat eines reduzierten Energiebedarfs für eine definierte Kälteleistung.

Insbesondere erfolgt durch die Expansion des Hauptmassenstroms und des Zusatzmassenstroms in Verbindung mit dem Absaugen des Zusatzmassenstroms eine Kühlung des Kältemittels des Hauptmassenstroms bei Sättigungsdruck bis zur Siedelinie oder Sättigungskurve. Dadurch erhöht sich die Enthalpiedifferenz für die Verdampfung und Überhitzung. Die Zunahme der Enthalpiedifferenz ist dabei prozentual höher als der Anteil der Verdichterleistung, die für das Verdichten des Zusatzmassenstroms aufgewandt werden muß. Dies führt neben der zuvor erwähnten Wirkungsgradverbesserung auch zu höherer Kälteleistung – bezogen auf ein identisches Gesamt-Hubvolumen der Kälteanlage.

Ferner ist es bei der erfindungsgemäßen Kälteanlage, insbesondere wenn als Kältemittel Kohlendioxid zum Einsatz kommt, von Vorteil, wenn die Kältemittelverdichter Zylinderköpfe aufweisen, bei welchen Einlaßkammern und Auslaßkammern im wesentlichen thermisch entkoppelt sind, so daß durch die Erhitzung des Kältemittels beim Verdichten auf Hochdruck und die damit verbundene Aufheizung der Auslaßkammern im wesentlichen keine Erwärmung der Einlaßkammern mit dem anzusaugenden Kältemittel erfolgt und somit keine negative Beeinflussung der Verdichterleistung.

Um die Zusatzverdichterstufen entweder zum Verdichten des Hauptmassenstroms oder zum Verdichten des Zusatzmassenstroms einsetzen zu können, ist es grundsätzlich denkbar, gesteuerte Ventile vorzusehen, die die Zusatzverdichterstufen entweder mit Kältemittel des Hauptmassenstroms oder des Zusatzmassenstroms versorgen.

Eine konstruktiv besonders einfache Lösung sieht jedoch vor, daß ein Rückschlagventil zur Verbindung einer Einlaßkammer der Zusatzverdichterstufe mit dem Niederdruckanschluß der Hauptverdichterstufe vorgesehen ist, so daß zwangsläufig bei Unterbrechung des Zusatzmassenstroms die Zusatzverdichterstufe Kältemittel des Hauptmassenstroms verdichtet.

Eine besonders einfache Lösung sieht dabei vor, daß das Rückschlagventil die Einlaßkammer der Zusatzverdichterstufe mit der Einlaßkammer der Hauptverdichterstufe verbindet.

Eine andere vorteilhafte Lösung sieht vor, daß das Rückschlagventil in einer Ventilplatte des jeweiligen Kältemittelverdichters vorgesehen ist. Diese Lösung hat den Vorteil, daß die ohnehin mit Ventilen bestückte Ventilplatte lediglich noch mit einem zusätzlichen Rückschlagventil versehen sein muß und somit das Rückschlagventil besonders einfach montiert werden kann.

Besonders zweckmäßig ist es dabei, wenn ein Verbindungskanal zwischen dem Niederdruckanschluß und dem Rückschlagventil in einem Zylindergehäuse verläuft und in dieses in gleicher Weise wie der Einlaßkanal zur Versorgung der Hauptverdichterstufe mit über den Niederdruckanschluß zugeführtem Kältemittel eingeformt werden kann.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung sind Gegenstand der nachfolgenden Beschreibung sowie der zeichnerischen Darstellung einiger Ausführungsbeispiele.
In der Zeichnung zeigen:
1 eine schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Kälteanlage;
2 eine schematische Darstellung eines der in der erfindungsgemäßen Kälteanlage gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel eingesetzten Kältemittelverdichters mit Hauptverdichterstufe und Zusatzverdichterstufe;
3 eine Darstellung des Drucks [P] über der Enthalpie [h] bei einem bei dem ersten Ausführungsbeispiel realisierbaren unterkritischen Kreisprozeß und einem möglichen, jedoch nicht der Erfindung entsprechenden überkritischen Kreisprozeß;
4 eine Darstellung des Drucks [P] über der Enthalpie [h] bei einem mit dem ersten Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Lösung ausführbaren erfindungsgemäßen Kreisprozeß im überkritischen Bereich mit Expansion des auf Hochdruck verdichteten Kältemittels auf einen Zwischendruck und gleichzeitiger Reduzierung der Enthalpie durch Absaugen eines Zusatzmassenstroms;
5 eine schematische Darstellung eines Kältemittelverdichters bei einem zweiten Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Kälteanlage;
6 eine schematische Darstellung eines dritten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Kälteanlage;
7 eine perspektivische Darstellung eines Zylinderkopfes einer ersten bevorzugten Ausführungsform eines Kältemittelverdichters für eine erfindungsgemäße Kälteanlage;
8 eine perspektivische Ansicht des Zylinderkopfes gemäß 7 mit nach oben weisender Unterseite desselben;
9 einen teilweisen Schnitt durch eine zweite bevorzugte Ausführungsform eines Kältemittelverdichters für die erfindungsgemäße Kälteanlage und
10 eine perspektivische Darstellung einer Ventilplatte der zweiten bevorzugten Ausführungsform des Kältemittelverdichters gemäß 9.
Ein in 1 dargestelltes Ausführungsbeispiel einer Kälteanlage umfaßt einen als Ganzes mit 10 bezeichneten Kältemittelkreislauf, in welchem mehrere, beispielsweise drei, Kältemittelverdichter 12a bis 12c angeordnet sind, deren Hochdruckanschlüsse 14a bis c mit einer Hochdruckleitung 16 des Kältemittelkreislaufes 10 verbunden sind.
Die Hochdruckleitung 16 führt zu einem hochdruckseitigen Wärmetauscher 18, welcher das auf Hochdruck PH verdichtete Kältemittel, beispielsweise mit einem Strom 20 eines Kühlmediums, kühlt, wobei das Kühlmedium vorzugsweise Umgebungsluft ist, die den Wärmetauscher 18 durchströmt.
Es ist aber auch denkbar, anstelle von Umgebungsluft ein anderes Kühlmedium, beispielsweise Wasser oder ähnliches, vorzusehen.
Von dem Wärmetauscher 18 führt eine weitere Hochdruckleitung 22 zu einem Expansionsventil 24 und zu einem dem Expansionsventil 24 parallel geschalteten Bypassventil 26, die beide in einen Behälter 28 münden, der so ausgebildet ist, daß er ein Reservoir 30 für flüssiges Kältemittel umfaßt, in welchem stets ein Volumen 32 von flüssigem Kältemittel vorhanden ist, welches – wie nachfolgend im einzelnen beschrieben – ein Puffervolumen für flüssiges Kältemittel im Kältemittelkreislauf 10 darstellt.
Von dem Reservoir 30 führt eine Leitung 34 zu Expansionseinheiten 40, beispielsweise vier parallel geschalteten Expansionseinheiten 40a bis 40d.
Die Leitung 34 ist dabei derart mit dem Reservoir 30 verbunden, daß diese im wesentlichen nur flüssiges Kältemittel zu den Expansionseinheiten 40 führt und diese somit in bekannter Art und Weise betrieben und insbesondere geregelt werden können, da stets eine Expansion von flüssigem Kältemittel, im wesentlichen ohne Gasanteil, erfolgt.
Die Regelung von Expansionseinheiten 40, die mit flüssigem Kältemittel versorgt werden, entspricht der Art der Regelung bei bekannten Kälteanlagen.
Jede der Expansionseinheiten 40 umfaßt ein Absperrventil 42, ein Expansionsventil 44, welches das flüssige Kältemittel expandiert, und einen niederdruckseitigen Wärmetauscher 46, welcher aufgrund des expandierten Kältemittels in der Lage ist, wie durch den Pfeil 48 gekennzeichnet, Kälteleistung abzugeben.
Die Wärmetauscher 46 der parallel geschalteten Expansionseinheiten 40 sind mit einer gemeinsamen Niederdruckleitung 50 verbunden, welche zu Niederdruckanschlüssen 52a bis 52c der Kältemittelverdichter 12a bis 12c führt.
Die Summe aller die Expansionseinheiten 40 durchsetzenden Teilmassenströme 54a, 54b, 54c und 54d des Kältemittels, die von der Niederdruckleitung 50 gesammelt werden, bilden einen Hauptmassenstrom 56 des Kältemittelkreislaufes 10, der seinerseits wieder in Teilmassenströme 58a, 58b und 58c aufgeteilt wird, welche von den Kältemittelverdichtern 12a bis 12c über die Niederdruckanschlüsse 52a bis 52c angesaugt und auf Hochdruck PH verdichtet werden, um durch die Hochdruckanschlüsse 14a bis 14c der Kältemittelverdichter 12 wieder auszutreten.
Da die Teilmassenströme 54a bis 54d aus der Leitung 34 entnommen wurden, wird auch die Leitung 34 im Anschluß an das Reservoir 30 von dem Hauptmassenstrom 56 durchströmt, der sich dann wieder auf die Teilmassenströme 54a bis 54d aufteilt.
Wie in 2 dargestellt, ist beispielsweise jeder der Kältemittelverdichter 12 als Hubkolbenverdichter ausgebildet und umfaßt ein Zylindergehäuse 60, in welchem insgesamt beispielsweise vier Zylinder 62a bis 62d vorgesehen sind, in welchen Kältemittel durch oszillierend bewegte Kolben 64a bis d verdichtet werden kann.
Bei einem derart erfindungsgemäß ausgebildeten Kältemittelverdichter 12 arbeiten nun nicht alle Zylinder 62a bis 62d als einheitliche Verdichterstufe, sondern es sind beispielsweise die Zylinder 62a bis 62c zu einer Hauptverdichterstufe 66 zusammengefaßt, in welcher diese drei Zylinder 62a bis 62c parallel arbeiten, das heißt alle drei Zylinder 62a bis 62c saugen Kältemittel über den jeweiligen Niederdruckanschluß 52 an und geben auf Hochdruck PH verdichtetes Kältemittel an den jeweiligen Hochdruckanschluß 14 ab.
Ferner ist der Zylinder 62d, der gemeinsam mit den übrigen Zylindern der Hauptverdichterstufe 66 und in gleicher Weise wie diese von einem Antriebsmotor 68 angetrieben ist, als separate Zusatzverdichterstufe 70 betrieben, welche ausgangsseitig ebenfalls mit dem Hochdruckanschluß 14 verbunden ist, jedoch in der Lage ist, entweder Kältemittel über einen Zusatzanschluß 72 anzusaugen oder über den Niederdruckanschluß 52.
Im einfachsten Fall ist in dem zwischen dem Zusatzanschluß 72 und dem Niederdruckanschluß 52 verlaufenden Verbindungskanal 74 ein Rückschlagventil 76 vorgesehen, welches den Verbindungskanal 74 dann sperrt, wenn der Druck am Zusatzanschluß 72 höher ist als der am Niederdruckanschluß 52, so daß stets dann, wenn am Zusatzanschluß 72 Kältemittel unter einem höheren Druck als am Niederdruckanschluß 52 vorliegt, der Verbindungskanal 74 gesperrt ist und somit die Zusatzverdichterstufe 70 Kältemittel über den Zusatzanschluß 72 ansaugt. Es kann aber auch ein gesteuertes Ventil vorgesehen sein.
Ist jedoch der Zusatzanschluß 72 abgesperrt oder blockiert, so daß über diesen kein Kältemittel angesaugt werden kann, so öffnet das Rückschlagventil 76 und die Zusatzverdichterstufe 70 saugt Kältemittel über den Niederdruckanschluß 52 an und verdichtet dieses auf Hochdruck PH, in gleicher Weise wie die Hauptverdichterstufe 66.
Wie in 1 dargestellt, sind die Zusatzanschlüsse 72a bis 72c der Kältemittelverdichter 12a bis 12c jeweils über Absperrventile 80a bis 80c mit einer Verteilleitung 82 verbunden, welche in den Behälter 28 münden, und zwar so, daß sie in der Lage ist, aus einem Dampfraum 84 des Behälters 28 verdampftes Kältemittel abzuführen.
Das von der Verteilleitung 82 aus dem Behälter 28 abgeführte verdampfte Kältemittel bildet dabei einen Zusatzmassenstrom 86, welcher von der Verteilleitung 82 auf die Zusatzverdichterstufen 70 verteilt werden kann, um von diesen auf Hochdruck PH verdichtet zu werden.
Der Zusatzmassenstrom 86 ist somit dadurch steuerbar, daß einzelne der Absperrventile 80a bis 80c geöffnet oder geschlossen werden.
Zur Steuerung der Kälteanlage ist insgesamt eine mit 90 bezeichnete Steuerung vorgesehen, welche in der Lage ist, die einzelnen Absperrventile 80a bis 80c einzeln anzusteuern.
Sind alle Absperrventile 80a bis 80c geschlossen, so strömt durch die Verteilleitung 82 kein Zusatzmassenstrom 86 und es erfolgt auch in den Zusatzverdichterstufen 70 keine Verdichtung eines Zusatzmassenstroms 86, so daß insgesamt in dem Kältemittelkreislauf 10 lediglich der Hauptmassenstrom 56 mit allen Zylindern 62 verdichtet und expandiert wird.
Ist jedoch eines der Absperrventile 80a bis 80c oder sind alle Absperrventile 80a bis 80c geöffnet, so fließt der Zusatzmassenstrom 86 durch die Verteilleitung 82, wird den Zusatzverdichterstufen 70 zugeführt, die über die geöffneten Absperrventile 80a bis 80c mit der Verteilleitung 82 verbunden sind, und somit von den entsprechenden Zusatzverdichterstufen 70 der jeweiligen Kältemittelverdichter 12 verdichtet, so daß sowohl durch die Hochdruckleitung 16 als auch durch den hochdruckseitigen Wärmetauscher 18 zusätzlich zum Hauptmassenstrom 56 der Zusatzmassenstrom 86 fließt und über die weitere Hochdruckleitung 22 dem Behälter 28 zugeführt wird, wobei in dem Behälter 28 eine Trennung zwischen dem Hauptmassenstrom 56 und dem Zusatzmassenstrom 86 dahingehend erfolgt, daß der Hauptmassenstrom 56 über die Leitung 34 den Expansionseinheiten 40 zugeführt wird, während der Zusatzmassenstrom 86 über die Verteilleitung 82 den entsprechenden Zusatzverdichterstufen 70 zugeführt wird und somit nicht durch die Expansionseinheiten 40 hindurchströmt.
Eine derart ausgebildete Kälteanlage läßt sich insbesondere bei Kohlendioxid (CO₂) als Kältemittel wie folgt betreiben:
Ist eine ausreichend starke Kühlung des auf Hochdruck PH verdichteten Kältemittels im hochdruckseitigen Wärmetauscher 18 möglich, so läßt sich die Kälteanlage im sogenannten unterkritischen Kreisprozeß betreiben. Bei Kohlendioxid als Kältemittel setzt dies voraus, daß die Temperatur des dem hochdruckseitigen Wärmetauscher 18 zugeführten Kühlmediums 20 in der Größenordnung von ungefähr 23°C oder darunter liegt. In diesem Fall führt die Abkühlung des auf Hochdruck PH verdichteten Kältemittels zu einer Verflüssigung desselben, so daß das Bypassventil 26 von der Steuerung 90 geöffnet wird und das flüssige Kältemittel von der weiteren Hochdruckleitung 22 unmittelbar dem Reservoir 30 für flüssiges Kältemittel zugeführt wird.
Dieses flüssige Kältemittel bildet dann den Hauptmassenstrom 56, der über die Leitung 34 auf die einzelnen Expansionseinheiten 40 verteilt wird, sofern diese von der Steuerung 90 zugeschaltet sind, das heißt die Absperrventile 42a bis d geöffnet sind.
Die Aktivierung der einzelnen Expansionseinheiten 40a bis d erfolgt abhängig davon, ob im Bereich des jeweiligen niederdruckseitigen Wärmetauschers 46 Kälteleistung 48 zur Verfügung gestellt werden soll oder nicht.
Das in den einzelnen Expansionseinheiten 40a bis 40d expandierte Kältemittel wird dann über die Niederdruckleitung 50 den einzelnen Niederdruckanschlüssen 52a bis 52c der einzelnen Kältemittelverdichter 12a bis c zugeführt.
Die Steuerung 90 betreibt dabei nicht zwingend sämtliche Kältemittelverdichter 12a bis 12c im Volllastbereich, sondern kann entweder einzelne der Kältemittelverdichter 12a bis 12c im Volllastbereich oder einzelne oder alle Kältemittelverdichter 12a bis 12c im Teillastbereich, das heißt mit reduzierter Drehzahl des jeweiligen Antriebsmotors 68 betreiben. Es ist aber auch möglich, seitens der Steuerung 90 einzelne der Kältemittelverdichter 12a bis 12c vollständig abzuschalten, beispielsweise dann, wenn nur ein Teil der Expansionseinheiten 40a bis 40d an ihrem jeweiligen Wärmetauscher 46 Kälteleistung zur Verfügung gestellt werden soll.
Außerdem schließt die Steuerung 90 im unterkritischen Betrieb die Absperrventile 80a bis 80c, so daß bei allen Kältemittelverdichtern 12a bis 12c die Zusatzverdichterstufen 70 Kältemittel aus dem Hauptmassenstrom 56 über das jeweilige Rückschlagventil 76 ansaugen und auf Hochdruck PH verdichten.
Ein derartiger Kreisprozeß für den unterkritischen Betrieb ist in 3 durch die gestrichelten Linien dargestellt, wobei der Zustand in Punkt A die beginnende Verdichtung von Kältemittel aus dem Hauptmassenstrom 56 durch den jeweiligen Kältemittelverdichter 12 darstellt, die bei dem Zustand in Punkt B beendet ist.
Ausgehend von dem Zustand in Punkt B erfolgt ein Abkühlen des unter Hochdruck PH verdichteten Kältemittels bis zu einem Zustand in Punkt C, der ungefähr auf der Sättigungskurve oder Siedelinie 96 für Kohlendioxid als Kältemittel liegt.
Dieses nunmehr abgekühlte, jedoch im Wärmetauscher 18 verflüssigte Kältemittel kann nun in diesem Zustand den einzelnen Expansionseinheiten 40 zugeführt werden, wobei durch das Expansionsventil 44 jeder der Expansionseinheiten 40 eine Isenthalpe Entspannung des Kältemittels erfolgt, was zu einer Reduzierung des Drucks verbunden mit einer Reduzierung der Temperatur führt, so daß der Zustand in Punkt D in 3 erreicht wird.
Ausgehend vom Zustand in Punkt D kann nun in dem jeweiligen niederdruckseitigen Wärmetauscher 46 durch Enthalpiezunahme die Kälteleistung 48 zur Verfügung gestellt werden, bis wiederum der Zustand in Punkt A erreicht ist, der hinsichtlich Enthalpie und Druck das Kältemittel repräsentiert, welches über die Niederdruckleitung 50 den Niederdruckanschlüssen 52 der Kältemittelverdichter 12 zugeführt wird.
Steht jedoch kein Kühlmedium zur Verfügung, welches in der Lage ist, das Kältemittel auf eine Temperatur von in der Größenordnung 23°C abzukühlen, sondern steht nur ein Kühlmedium zur Verfügung, das lediglich eine Abkühlung auf höhere Temperaturen des Kältemittels, beispielsweise über 31°, erlaubt, so wäre bei geöffnetem Bypassventil 26 und unwirksamem Expansionsventil 24 mit der Kälteanlage gemäß 1 lediglich ein sogenannter überkritischer Kreisprozeß (in 3 durchgezogen gezeichnet) möglich, bei welchem man das Kältemittel auf einen höheren Druck entsprechend dem Zustand in Punkt B' in 3 verdichten hätte müssen, wobei eine nachfolgende Abkühlung im hochdruckseitigen Wärmetauscher 18 zu einem Zustand in Punkt C' in 3 führt, der außerhalb der Sättigungskurve 96 liegt.
Das Kältemittel im Zustand in Punkt C' in 3 ist dabei nach wie vor gasförmig. Eine nachfolgende isenthalpe Entspannung des Kältemittels in den einzelnen Expansionseinheiten 40 würde dann zum Zustand in Punkt D' in 3 führen, wobei die Folge davon wäre, daß den Expansionsventilen 44 der Expansionseinheiten 40 gasförmiges Kältemittel zugeführt würde und gasförmiges Kältemittel expandiert werden müßte. Eine derartige Expansion eines gasförmigen Kältemittels unterliegt anderen Regelcharakteristika, so daß damit die bislang bekannten Regelcharakteristika für die Expansionsventile 44 nicht geeignet sind.
Aus diesem Grund erfolgt bei überkritischem Betrieb der Kälteanlage kein in 3 dargestellter überkritischer Kreisprozeß von Punkt A zu B' zu C' und D' und dann wieder zu A, sondern das Bypassventil 26 wird von der Steuerung 90 geschlossen und es wird das Expansionsventil 24 aktiviert, so daß das von der weiteren Hochdruckleitung 22 in den Behälter 28 eintretende Kältemittel durch das Expansionsventil 24 auf einen Zwischendruck PZ entsprechend dem Zustand Z in 4 expandiert werden kann. Dabei läßt sich außerdem bei dem Zwischendruck PZ durch Verdampfen von Kältemittel die Temperatur so weit absenken und somit auch die Enthalpie reduzieren, daß in dem Behälter 28 flüssiges Kältemittel des Hauptstroms 56 vorliegt, dessen Zustand dem Zustand in Punkt C auf der Siedelinie 96 in 4 entspricht.
Um vom Zustand in Punkt C' zum Zustand in Punkt C der 4 kommen zu können, ist es dabei erforderlich, in dem Behälter 28 den Zwischendruck PZ vorzugeben und durch Absaugen des verdampften Kältemittels diesen Zwischendruck PZ zu stabilisieren, wobei das verdampfte Kältemittel den Zusatzmassenstrom 86 ergibt, der aus dem Dampfraum 84 des Behälters abgeführt werden muß, um den Zwischendruck PZ auf dem gewünschten Niveau halten zu können.
Der Zustand in Punkt C liegt bei einer gegenüber einem Maximum 98 der Siedelinie 96 um mehr als 20% niedrigeren Wert der Enthalpie [h] der durch das Verdampfen des den Zusatzmassenstrom bildenden Kältemittels erreicht wird, wobei der Zustand in Punkt C in 4 entweder im wesentlichen auf der Siedelinie 96 oder gegebenenfalls bei zusätzlicher Kühlung, z.B. über einen vom expandierten Hauptmassenstrom durchsetzten Wärmetauscher, bei etwas niedrigerer Enthalpie als der Enthalpie des Zustandes in Punkt C liegt.
Hierzu muß die Steuerung 90 zumindest einen Teil der Absperrventile 80a bis 80c oder sämtliche Absperrventile 80a bis 80c öffnen, um dadurch zu bewirken, daß von den Zusatzverdichterstufen 70 zur Aufrechterhaltung des Zwischendrucks PZ im Behälter 28 Kältemittel aus dem Zusatzstrom 86 angesaugt und auf Hochdruck PH verdichtet wird.
Somit läßt sich das Kältemittel des Hauptmassenstroms 56 über die Leitung 34 den einzelnen Expansionseinheiten 42a bis 42c zuführen und durch isenthalpe Entspannung in den Expansionseinheiten 40 mittels der Expansionsventile 44 in den in 4 mit Punkt D bezeichneten Zustand überführen, in welchem unter Enthalpiezunahme bis zum Zustand in Punkt A in dem jeweiligen niederdruckseitigen Wärmetauscher 46 die Abgabe von Kälteleistung 48 möglich ist, wobei aus dem Vergleich mit 3 erkennbar ist, daß die zur Verfügung gestellte Kälteleistung größer ist als bei einem überkritischen Kreisprozeß entsprechend den Zuständen in den Punkten A, B', C', D' in 3.
Der Vorteil des erfindungsgemäßen Konzepts ist darin zu sehen, daß sich die Möglichkeit eröffnet, den Hochdruck PH entsprechend dem Verlauf der Isothermen des verwendeten Kältemittels optimal zu wählen, ohne daß Rücksicht auf die nachgeordneten Expansionen genommen werden muß.
Ferner läßt sich der Zwischendruck PZ durch geeignete Variation des Zusatzmassenstroms ebenfalls optimieren, und zwar so, daß die Abnahme der Enthalpie des Hauptmassenstroms prozentual höher ist, als der für den Zusatzmassenstrom erforderliche Anteil vom Fördervolumen am Gesamtfördervolumen der Verdichter, so daß die durch Verdichten des Zusatzmassenstroms bedingte Einbuße an Fördervolumen durch die Abnahme der Enthalpie des Hauptmassenstroms überkompensiert wird.
Der für die Aufrechterhaltung des Zwischendrucks PZ durch Verdichten des Zusatzmassenstroms 86 durchlaufene Kreisprozeß ist in 4 punktiert dargestellt und verläuft ausgehend vom Zustand in Punkt Z durch Enthalpiezunahme des verdampften Kältemittels zum Zustand in Punkt A'' und vom Zustand in Punkt A'' zum Zustand in Punkt B'', der wiederum auf dem Hochdruck PH liegt, und vom Zustand in Punkt B'' zum Zustand in Punkt C' und vom Zustand in Punkt C' zum Zustand in Punkt Z.
Bei einem derartigen überkritischen, in 4 dargestellten Kreisprozeß zwischen den Zuständen in den Punkten A, B', C', C und D ist dann, wenn der Zwischendruck PZ optimiert eingestellt werden soll, der anfallende Zusatzmassenstrom 86 im Verhältnis zum Hauptmassenstrom 56 nicht konstant, sondern variiert je nach dem, wieviel Expansionseinheiten 40 in dem Kältemittelkreislauf 10 aktiviert sind und je nach dem, wie hoch die Temperatur des dem hochdruckseitigen Wärmetauscher 18 zugeführten Kühlmediums 20 ist.
Um jeweils bei unterschiedlichsten Betriebsbedingungen einen optimierten Betriebsbedingungen entsprechenden Zwischendruck PZ und folglich einen diesen Zwischendruck PZ aufrecht erhaltenden Zusatzmassenstrom 86 über die Zusatzverdichterstufen 70 verdichten zu können, werden die Zusatzverdichterstufen 70 der Kältemittelverdichter 12 derart ausgelegt, daß bei maximal abzugebender Kälteleistung durch sämtliche Expansionseinheiten 40 und bei maximaler Temperatur des Kühlmediums 20 noch ein optimierter überkritischer Betrieb möglich ist und der dabei anfallende Zusatzmassenstrom 86 zur Aufrechterhaltung eines geeigneten Niveaus des Zwischendrucks PZ von der Gesamtheit der aktiven Zusatzverdichterstufen 70 auf Hochdruck PH verdichtet werden kann.
Liegen ausgehend von diesem Betriebszustand günstigere Betriebsbedingungen vor, so kann die Steuerung 90 entweder die Drehzahl der Antriebsmotoren 68 von einem oder mehreren der Kältemittelverdichter 12 reduzieren oder einen der Kältemittelverdichter 12 abschalten, wobei dadurch sowohl die Verdichterleistung der Hauptverdichterstufe dieses Kältemittelverdichters 12 entfällt als auch die Verdichterleistung der Zusatzverdichterstufe 70.
Ändern sich jedoch die Betriebsbedingungen dahingehend, daß beispielsweise Kühlmedium 20 bei einer niedrigeren Temperatur zur Verfügung steht, so ändert sich der Zusatzmassenstrom 86, da weniger Kältemittel verdampft werden muß, um flüssiges Kältemittel im Zustand in Punkt C gemäß 4 bei geeignetem Zwischendruck PZ zu erhalten.
In diesem Fall hat die Steuerung 90 die Möglichkeit, durch Schließen von einem oder zweien der Absperrventile 80a bis 80c die Verdichterleistung der Zusatzverdichterstufen 70 an den geringeren erforderlichen Zusatzmassenstrom 86 anzupassen und somit in dem Behälter 28 einen optimierten Zwischendruck PZ aufrecht zu erhalten.
Die Zusatzverdichterstufen 70, bei denen die Absperrventile 80 geschlossen wurden, saugen dann Kältemittel des entsprechenden Niederdruckanschlusses 52 an und verdichten somit Kältemittel aus dem jeweiligen Hauptmassenstrom 56.
Das erfindungsgemäße Konzept erlaubt somit eine optimale Anpassung des Zwischendrucks PZ durch Anpassen der für das Verdichten des Zusatzmassenstroms 86 erforderlichen Verdichterleistung der Zusatzverdichterstufen 70a bis 70c unabhängig von der Verdichterleistung der Hauptverdichterstufen 66.
Grundsätzlich bestünde die Möglichkeit, die Kältemittelverdichter 12a bis 12c identisch auszubilden, so daß jede Hauptverdichterstufe 66 und jede Zusatzverdichterstufe 70 dieselbe Verdichterleistung erbringen kann.
Noch vorteilhafter ist es jedoch, zur Anpassung an unterschiedliche Betriebsbedingungen, wenn die Kältemittelverdichter 12a bis 12c so ausgebildet sind, daß beispielsweise ein zweiter der Kältemittelverdichter 12a bis 12c die doppelte Verdichterleistung des ersten Kältemittelverdichters aufweist und ein dritter Kältemittelverdichter die doppelte Verdichterleistung des zweiten Kältemittelverdichters, wobei sich die Verdopplung der Verdichterleistung sowohl auf die Hauptverdichterstufen 66 als auch die Zusatzverdichterstufen 70 bezieht.
Damit besteht die Möglichkeit, durch unterschiedliche Kombination des ersten, zweiten und dritten Kältemittelverdichters unterschiedliche vielfache der Verdichterleistung des ersten Kältemittelverdichters zu erhalten, beispielsweise die doppelte Verdichterleistung des ersten Kältemittelverdichters allein durch Betrieb des zweiten Kältemittelverdichters, die dreifache Verdichterleistung des ersten Kältemittelverdichters durch Betrieb des ersten und zweiten Kältemittelverdichters, die vierfache Kälteleistung durch Betrieb des dritten Kältemittelverdichters und die fünffache Kälteleistung durch Betrieb des dritten Kältemittelverdichters in Kombination mit dem ersten Kältemittelverdichter sowie die siebenfache Verdichterleistung durch Kombination des ersten, zweiten und dritten Kältemittelverdichters.
Hinsichtlich der Verdichterleistung der Zusatzverdichterstufen 70 sind noch weitere Variationsmöglichkeiten denkbar, nämlich dahingehend, daß beispielsweise dann, wenn alle drei Kältemittelverdichter 12a bis 12c betrieben werden, die maximale Leistung der Zusatzverdichterstufen 70 für den Zusatzmassenstrom 86 zur Verfügung steht, die der siebenfachen Verdichterleistung des ersten Kältemittelverdichters entspricht.
Es ist aber auch denkbar, beliebige ganzzahlige Vielfache der Verdichterleistung der Zusatzverdichterstufe 70 des ersten Kältemittelverdichters unter analoger Anwendung der vorstehend beschriebenen Vorgehensweise durch Öffnen von Absperrventilen 80 und Verbinden der einzelnen Zusatzverdichterstufen 70 der einzelnen Kältemittelverdichter 12 mit der Verteilleitung 82 zum Verdichten des Zusatzmassenstroms 86 heranzuziehen.
Bei einem zweiten Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Kälteanlage, dargestellt in 5, sind die Kältemittelverdichter 12' beispielsweise so ausgebildet, daß diese zwei Zusatzverdichterstufen 70₁ und 70₂ aufweisen, die jeweils eigene Zusatzanschlüsse 70₁ und 70₂ aufweisen.
Beispielsweise bilden der Zylinder 62c die Zusatzverdichterstufe 70₂ und der Zylinder 62d die Zusatzverdichterstufe 70₁ , während die Zylinder 62a und 62b die Hauptverdichterstufe 66 bilden.
Ein derartiger Aufbau eines der Kältemittelverdichter 12 oder sämtlicher Kältemittelverdichter 12 schafft noch eine größere Variabilität hinsichtlich der für das Verdichten des Zusatzmassenstroms 86 zur Verfügung stehenden Verdichterleistung, da die einzelnen Zusatzverdichterstufen 70₁ und 70₂ einzeln oder gemeinsam wahlweise durch Öffnen der entsprechenden Absperrventile 80 mit der Verteilleitung 82 verbunden werden können oder dazu eingesetzt werden können, Kältemittel des Hauptmassenstroms 56 zu verdichten.
Im übrigen entspricht das zweite Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Kälteanlage dem ersten Ausführungsbeispiel, so daß auf die Beschreibung des ersten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Kälteanlage vollinhaltlich Bezug genommen werden kann.
Auch ein drittes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Kälteanlage, dargestellt in 6, basiert auf dem ersten Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Kälteanlage, wobei dieselben Teile mit denselben Bezugszeichen versehen sind, so daß hinsichtlich der Beschreibung derselben vollinhaltlich auf die Ausführungen zum ersten Ausführungsbeispiel Bezug genommen wird.
Bei dem dritten Ausführungsbeispiel sind dem Bypassventil 26 und dem Expansionsventil 24 noch eine Zusatzexpansionseinheit 100 parallelgeschaltet.
Die Zusatzexpansionseinheit 100 umfaßt ihrerseits ein Absperrventil 102, ein Expansionsventil 104 und einen hochdruckseitigen Wärmetauscher 106, aus welchem durch einen Pfeil 108 gekennzeichnet Kälteleistung abgeführt werden kann.
Mit dieser Zusatzexpansionseinheit besteht ebenfalls die Möglichkeit, Kältemittel aus der Hochdruckleitung 22 zu expandieren und damit nach außen zur Verfügung stehende Kälteleistung 108 zu erhalten, wobei das Kältemittel lediglich auf den im Behälter 28 vorliegenden Zwischendruck PZ expandiert wird.
Damit besteht die Möglichkeit, bei überkritischem Betrieb noch zusätzlich einen auf höherem Temperaturniveau arbeitenden Wärmetauscher 106 zu betreiben und dadurch den Wirkungsgrad der Kälteanlage zu erhöhen.
Das dabei in der Zusatzexpansionseinheit 100 expandierte Kältemittel bewirkt damit allerdings keine Kühlwirkung für den Hauptmassenstrom 56 und muß über den Zusatzmassenstrom 86 abgeführt und durch die Zusatzverdichterstufen 70 erneut verdichtet werden.
Im übrigen funktioniert das dritte Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Kälteanlage ähnlich dem ersten Ausführungsbeispiel, so daß auch hinsichtlich der Funktion vollinhaltlich auf das erste Ausführungsbeispiel Bezug genommen wird.
Hinsichtlich des Aufbaus der Kältemittelverdichter wurden bislang keine näheren Angaben gemacht. So sind beispielsweise übliche Hubkolbenverdichter als Kältemittelverdichter einsetzbar.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn bei einer ersten bevorzugten Ausführungsform eines derartigen Kältemittelverdichters ein wie in 7 und 8 dargestellter Zylinderkopf 110 Verwendung findet, welcher in diesem Fall für zwei Zylinder ausgelegt ist und eine Auslaßkammer 112 aufweist, sowie von der Auslaßkammer 112 durch einen Wandbereich 114 getrennt eine erste Einlaßkammer 116 und eine zweite Einlaßkammer 118, die ihrerseits wiederum durch eine Zwischenwand 120 getrennt sind.
Die Einlaßkammer 116 ist dabei einem Zylinder 62 der Hauptverdichterstufe 66 zugeordnet, während die Einlaßkammer 118 den Zylinder 62 der Zusatzverdichterstufe 70 zugeordnet ist.
Aus diesem Grund ist auch die Einlaßkammer 118 direkt mit einem Anschlußflansch 122 für den Zusatzanschluß 72 versehen, während der Einlaßkammer 116 das Kältemittel über die üblichen, in dem Gehäuse vorgesehenen Einlaßkanäle zugeführt wird.
Darüber hinaus ist auch die Auslaßkammer 112 mit einem Anschlußflansch 124 für den Hochdruckanschluß 14 versehen.
Um nun bei einem erfindungsgemäßen Kältemittelkompressor das in den Einlaßkammern 116 und 118 anzusaugende Kältemittel möglichst wenig durch das in die Auslaßkammer 112 einströmende Kältemittel aufzuheizen, ist der Wandbereich 114, welcher die Auslaßkammer 112 von den Einlaßkammern 116 und 118 trennt, durch zwei über wesentliche Bereiche der Höhe des Zylinderkopfes 110 getrennt voneinander verlaufende Wände 126 und 128 gebildet, zwischen denen ein Freiraum 130 vorgesehen ist, der die Wände 126 und 128 relativ zueinander isoliert und somit auch die Auslaßkammer 112 gegenüber den Einlaßkammern 116 und 118 thermisch isoliert.
Die beiden Wände 126 und 128 vereinigen sich lediglich im wesentlichen in einem Wandbereich 132, welcher an eine Grundfläche 134 des Zylinderkopfes 110 unmittelbar angrenzt.
Vorzugsweise läßt sich das Rückschlagventil 76 in der Zwischenwand 120 anordnen und erlaubt somit in einfacher Weise das Ansaugen von Kältemittel aus der Einlaßkammer 116, wenn der Einlaßkammer 118 der Zusatzverdichterstufe 70 über den Zusatzanschluß 72 kein Kältemittel zugeführt wird.
Bei einer zweiten bevorzugten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Kältemittelverdichters, dargestellt in 9 und 10 ist die Zwischenwand 120' des Zylinderkopfs 110' nicht mit dem Rückschlagventil 76 versehen, sondern es ist ein Rückschlagventil 176 auf einer Ventilplatte 140 vorgesehen, welche auf einem Zylindergehäuse 142 aufliegt und ihrerseits den Zylinderkopf 110' trägt.
Hierzu ist in der Ventilplatte 140 eine zusätzliche Öffnung 144 vorgesehen, welche deckungsgleich mit einem in dem Zylindergehäuse 142 vorgesehenen und vom Einlaßkanal 148 abzweigenden Verbindungskanal 174 angeordnet ist, und in die Einlaßkammer 118 für den Zylinder 62 der Zusatzverdichterstufe 70 mündet.
Die Öffnung 144 ist dabei durch eine Ventilzunge 178 des Rückschlagventils 176 verschließbar, welche auf einer der Einlaßkammer 118 zugewandten Seite der Ventilplatte 140 angeordnet ist und zusätzlich noch durch einen Fänger 180 gesichert ist.
Die Einlaßkammer 116 der Hauptverdichterstufe 66 wird über einen Einlaßkanal 148 mit dem Niederdruckanschluß 52 zugeführtem Kältemittel versorgt, wobei in der Ventilplatte 140 eine deckungsgleich mit dem Einlaßkanal 148 angeordnete Öffnung 150 vorgesehen ist, über welche das Kältemittel aus dem Einlaßkanal 148 in die Einlaßkammer 116 übertritt.
Somit besteht, wie in 10 dargestellt, in einfacher Weise die Möglichkeit, an der Ventilplatte 140 nicht nur Einlaßöffnungen 152 der Hauptverdichterstufe 66 und Einlaßöffnungen 154 der Zusatzverdichterstufe 70 zugeordnete, allerdings in 10 nicht direkt sichtbare Einlaßventile zuzuordnen und außerdem auf der Ventilplatte 140 die entsprechenden Auslaßventile 156 und 158 anzuordnen, sondern in gleicher Weise, und vorzugsweise mit demselben Aufbau wie die Auslaßventile 156 und 158, auch das Rückschlagventil 176 vorzusehen, so daß dieses in einfacher Weise montierbar ist und auch hinsichtlich seiner Ventilcharakteristik in gleicher Weise optimiert werden kann, wie die Auslaßventile 156 und 158.

Claims

Kälteanlage umfassend einen Kältemittelkreislauf (10), in welchem ein Hauptmassenstrom (56) eines Kältemittels geführt ist, einen in dem Kältemittelkreislauf (10) angeordneten hochdruckseitigen, kältemittelkühlenden Wärmetauscher (18), eine in dem Kältemittelkreislauf angeordnete Expansionskühleinrichtung (24, 28), die im aktiven Zustand den Hauptmassenstrom (56) des Kältemittels kühlt und dabei einen Zusatzmassenstrom (86) von gasförmigem Kältemittel erzeugt, ein im Kältemittelkreislauf (10) angeordnetes Reservoir (30) für verflüssigtes Kältemittel, mindestens eine im Kältemittelkreislauf angeordnete Expansionseinheit (40) für verflüssigtes Kältemittel des Hauptmassenstroms (56), welche ein Expansionsorgan (44) und einen nachgeordneten niederdruckseitigen, Kälteleistung zur Verfügung stellenden Wärmetauscher (46) aufweist, und mindestens einen in dem Kältemittelkreislauf (10) angeordneten Kältemittelverdichter (12), der eine Hauptverdichterstufe (66) und mindestens eine gemeinsam mit der Hauptverdichterstufe (66) angetriebene Zusatzverdichterstufe (70) aufweist, die beide Kältemittel auf Hochdruck PH verdichten, wobei die Hauptverdichterstufe (66) und die mindestens eine Zusatzverdichterstufe (70) so einsetzbar sind, daß entweder die Hauptverdichterstufe (66) Kältemittel aus dem Hauptmassenstrom (56) und die Zusatzverdichterstufe (70) Kältemittel aus dem Zusatzmassenstrom (86) oder die Hauptverdichterstufe (66) und die Zusatzverdichterstufe (70) Kältemittel aus dem Hauptmassenstrom (56) verdichten, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Kältemittelkreislauf (10) mindestens zwei Kältemittelverdichter (12) angeordnet sind, die zum Verdichten des Hauptmassenstroms (56) einzeln zuschaltbar sind, daß mindestens zwei der Kältemittelverdichter (12) jeweils mindestens eine Zusatzverdichterstufe (70) aufweisen, daß jede der Zusatzverdichterstufen (70) wahlweise zum Verdichten von Kältemittel aus dem Hauptmassenstrom (56) oder zum Verdichten von Kältemittel aus dem Zusatzmassenstrom (86) einsetzbar ist und daß eine Steuerung (90) vorgesehen ist, mit welcher in einem ersten Betriebsmodus in Abhängigkeit von den Betriebsbedingungen eine derartige Anzahl von Zusatzverdichterstufen (70) zum Verdichten von Kältemittel aus dem Zusatzmassenstrom (86) zuschaltbar ist, daß die Expansionskühleinrichtung (24, 28) den Hauptmassenstrom (56) verflüssigt und dessen Enthalpie reduziert.
Kälteanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Expansionskühleinrichtung (24, 28) die Enthalpie des Hauptmassenstroms (56) um mindestens 10% reduziert.
Kälteanlage nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Expansionskühleinrichtung (24, 28) die Enthalpie des Hauptmassenstroms (56) um mindestens 20% reduziert.
Kälteanlage nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Betriebsmodus einem überkritischen Betrieb entspricht.
Kälteanlage nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Expansionskühleinrichtung (24, 28) den Hauptmassenstrom (56) in einen thermodynamischen Zustand überführt, dessen Druck- und Enthalpiewerte niedriger sind als diejenigen eines Maximums (98) der Sättigungskurve (96).
Kälteanlage nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die von der Expansionskühleinrichtung (24, 28) bewirkten Druck- und Enthalpiewerte des Hauptmassenstroms (56) nahe der Sättigungskurve (96) in dem Enthalpie-/Druckdiagramm liegen.
Kälteanlage nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die von der Expansionskühleinrichtung (24, 28) bewirkten Druck- und Enthalpiewerte des Hauptmassenstroms (56) im wesentlichen auf der Sättigungskurve (96) des Enthalpie-/Druckdiagramms liegen.
Kälteanlage nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Expansionskühleinrichtung (24, 28) ein Expansionsventil (24) zur Expansion von Kältemittel auf einen Zwischendruck PZ aufweist und daß der Zwischendruck PZ der Expansionskühleinrichtung (24, 28) durch Zuschaltung der geeigneten Anzahl von Zusatzverdichterstufen (70) einstellbar ist.
Kälteanlage nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Expansionsventil (24) Kältemittel des Hauptmassenstroms (56) und Kältemittel des Zusatzmassenstroms (86) auf den Zwischendruck PZ expandiert.
Kälteanlage nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Expansionskühleinrichtung (24, 28) das Reservoir (30) für das flüssige Kältemittel des Hauptmassenstroms (56) mitumfaßt.
Kälteanlage nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in dem zweiten Betriebsmodus die Expansionskühleinrichtung (24, 28) im inaktiven Zustand ist und keine Kühlung des Hauptmassenstroms (56) bewirkt.
Kälteanlage nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in dem zweiten Betriebsmodus alle Zusatzverdichterstufen (70) Kältemittel des Hauptmassenstroms (56) verdichten.
Kälteanlage nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in dem zweiten Betriebsmodus im Reservoir (30) flüssiges Kältemittel des Hauptmassenstroms (56) unter Hochdruck PH steht.
Kälteanlage nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Betriebsmodus einem unterkritischen Betrieb entspricht.
Kälteanlage nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerung (90) die Kältemittelverdichter (12) entsprechend der geforderten Kälteleistung (48) steuert.
Kälteanlage nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mit der Steuerung (90) entsprechend der geforderten Kälteleistung (48) die Kältemittelverdichter (12) einzeln zu- oder abschaltbar sind.
Kälteanlage nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Kältemittelverdichter (12) mit Zusatzverdichterstufe (70) so dimensioniert ist, daß der von der Zusatzverdichterstufe (70) verdichtete Massenstrom von Kältemittel des Zusatzmassenstroms (86) maximal dem von der Hauptverdichterstufe (66) verdichteten Massenstrom von Kältemittel des Hauptmassenstroms (56) bei diesem Kältemittelverdichter (12) entspricht.
Kälteanlage nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kältemittelverdichter (12) mit Zusatzverdichterstufe (70) so dimensioniert sind, daß die Zusatzverdichterstufen (70) unterschiedlicher Kältemittelverdichter (12) unterschiedliche Massenströme von Kältemittel des Zusatzmassenstroms (86) verdichten.
Kälteanlage nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kältemittelverdichter (12) mit Zusatzverdichterstufe (70) Hubkolbenverdichter sind.
Kälteanlage nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß jeder der Kältemittelverdichter (12) mit Zusatzverdichterstufe (70) mindestens einen Zylinder (62) für die Zusatzverdichterstufe (70) und mindestens einen Zylinder (62) für die Hauptverdichterstufe (66) aufweist.
Kältemittelverdichter nach Anspruch 19 oder 20, dadurch gekennzeichnet, daß bei jedem Kältemittelverdichter (12) mit Zusatzverdichterstufe (70) die Zahl der Zylinder (62) für die Hauptverdichterstufe (66) größer ist als die Zahl der Zylinder (62) für die Zusatzverdichterstufe (70).
Kälteanlage nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 oder nach einem der Ansprüche 19 bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß von den Kältemittelverdichtern (12) mit Zusatzverdichterstufe (70) die Zusatzverdichterstufen (70) unterschiedlicher Kältemittelverdichter (12) ein unterschiedliches Hubvolumen aufweisen.
Kälteanlage nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß bei jedem Kältemittelverdichter (12) mit Zusatzverdichterstufe (70) das Verhältnis des Hubvolumens der Zusatzverdichterstufe (70) zum Hubvolumen der Hauptverdichterstufe (66) gegenüber mindestens einem der anderen Kältemittelverdichter (12) mit Zusatzverdichterstufe (70) unterschiedlich ist.
Kälteanlage nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in dem ersten Betriebsmodus das Reservoir (30) für verflüssigtes Kältemittel auf einem Zwischendruck PZ arbeitet und zwischen dem hochdruckseitigen, das Kältemittel kühlenden Wärmetauscher (18) und dem Reservoir (30) für verflüssigtes Kältemittel eine Zusatzexpansionseinheit (100) mit einem Expansionsorgang (104) unter einem nachgeordneten Kälteleistung (108) abgebenden Wärmetauscher (106) vorgesehen ist.
Kälteanlage nach einem der Ansprüche 19 bis 24, dadurch gekennzeichnet, daß die Kältemittelverdichter (12) Zylinderköpfe (110) aufweisen, bei welchen Auslaßkammern (112) und Einlaßkammern (116, 118) im wesentlichen thermisch entkoppelt ausgebildet sind.
Kältemittel nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Rückschlagventil (76, 176) zur Verbindung einer Einlaßkammer (118) der Zusatzverdichterstufe (70) mit dem Niederdruckanschluß (52) der Hauptverdichterstufe (66) vorgesehen ist.
Kälteanlage nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, daß das Rückschlagventil (176) in einer Ventilplatte (140) des jeweiligen Kältemittelverdichters (12) vorgesehen ist.
Kälteanlage nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, daß in einem Zylindergehäuse (142) der Verbindungskanal (174) zwischen dem Niederdruckanschluß (52) und dem Rückschlagventil (176) verläuft.