DE102006050232B3

DE102006050232B3 - Kälteanlage

Info

Publication number: DE102006050232B3
Application number: DE102006050232A
Authority: DE
Inventors: Oliver Javerschek
Original assignee: Bitzer Kuehlmaschinenbau GmbH and Co KG
Current assignee: Bitzer Kuehlmaschinenbau GmbH and Co KG
Priority date: 2006-10-17
Filing date: 2006-10-17
Publication date: 2008-02-07
Anticipated expiration: 2026-10-18
Also published as: DE102006050232B9; US20080110200A1; EP1914491B1; EP1914491A3; US8056356B2; EP1914491A2; CN101165439A; CN101165439B

Abstract

Um eine Kälteanlage umfassend einen Kältemittelkreislauf, mit einem hochdruckseitigen kältemittelkühlenden Wärmetauscher, mit einer Expansionskühleinrichtung, mit einem Reservoir für den Hauptmassenstrom, mit mindestens einer Normalkühlstufe, mit einer einen Tiefkühlgesamtmassenstrom aus dem Reservoir entnehmenden Tiefkühlstufe und mit mindestens einer in dem Kältemittelkreislauf angeordneten Kältemittelverdichtereinheit, derart zu verbessern, dass diese einen besseren Wirkungsgrad aufweist, wird vorgeschlagen, dass die Tiefkühlstufe zur weiteren Abkühlung des Tiefkühlgesamtmassenstroms eine Tiefkühlexpansionskühleinrichtung aufweist, die im aktiven Zustand den Tiefkühlgesamtmassenstrom abkühlt und dabei einen dem Tiefkühlexpansionsorgan zugeführten Tiefkühlhauptmassenstrom sowie einen Tiefkühlzusatzmassenstrom erzeugt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Kälteanlage, umfassend einen Kältemittelkreislauf, in welchem ein Gesamtmassenstrom eines Kältemittels geführt ist, einen in dem Kältemittelkreislauf angeordneten, hochdruckseitigen kältemittelkühlenden Wärmetauscher, eine im Kältemittelkreislauf angeordnete Expansionskühleinrichtung, die im aktiven Zustand den Gesamtmassenstrom des Kältemittels kühlt und dabei einen Hauptmassenstrom von flüssigem Kältemittel und einen Zusatmassenstrom von gasförmigen Kältemittel erzeugt, ein Reservoir für den Hauptmassenstrom, mindestens eine einen Normalkühlmassenstrom aus dem Reservoir entnehmende Normalkühlstufe mit einem Normalkühlexpansionsorgan und einem diesem nachgeordneten, niederdruckseitigen, Kälteleistung zur Normalkühlung zur Verfügung stellenden Normalkühlwärmetauscher, eine einen Tiefkühlgesamtmassenstrom aus dem Reservoir entnehmende Tiefkühlstufe mit einem Tiefkühlexpansionsorgan und einem nachgeordneten, Kälteleistung zur Verfügung stellenden Tiefkühlwärmetauscher sowie mit einer diesem Tiefkühlwärmetauscher nachgeordneten Tiefkühlverdichtereinheit, und mindestens eine in dem Kältemittelkreislauf angeordnete Kältemittelverdichtereinheit, die das Kältemittel des Hauptmassenstroms und des Zusatzmassenstroms auf Hochdruck verdichtet.
Eine derartige Kälteanlage, die insbesondere für Kohlendioxyd als Kältemittel geeignet ist, ist aus der DE 10 2004 038 640 A1 bekannt, wobei bei dieser Kälteanlage der Wirkungsgrad, insbesondere im Zusammenhang mit der betriebenen Tiefkühlstufe, nicht optimal ist.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Kälteanlage der eingangs beschriebenen Art dahingehend zu verbessern, dass diese einen besseren Wirkungsgrad aufweist.
Diese Aufgabe wird bei einer Kälteanlage der eingangs beschriebenen Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Tiefkühlstufe zur weiteren Abkühlung des Tiefkühlgesamtmassenstroms eine Tiefkühlexpansionskühleinrichtung aufweist, die im aktiven Zustand den Tiefkühlgesamtmassenstrom abkühlt und dabei einen dem Tiefkühlexpansionsorgan zugeführten Tiefkühlhauptmassenstrom sowie einen Tiefkühlzusatzmassenstrom erzeugt.
Der Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung ist darin zu sehen, dass durch die Tiefkühlexpansionskühleinrichtung die Möglichkeit geschaffen wurde, die bei Tiefkühltemperatur aufzunehmende Wärmemenge noch zu vergrößern und somit den Wirkungsgrad der erfindungsgemäßen Kälteanlage weiter zu steigern, wobei die bei Tiefkühltemperatur mögliche Enthalpieerhöhung durch Aufnahme von Wärmeenergie in dem Tiefkühlwärmetauscheroptimal an die thermodynamischen Zustände des Kältemittels, insbesondere die thermodynamisch möglichen Zustände von Kohlendioxyd als Kältemittel, angepasst ist.
Insbesondere sieht eine Ausführungsform vor, zur Erhöhung der zur Verfügung stehenden Enthalpiedifferenz im Wärmetauscher bzw. zur weiteren Absenkung der Enthalpie des Tiefkühlhauptmassenstroms eine Tiefkühlexpansionseinrichtung aufweist, die im aktiven Zustand den Tiefkühlgesamtmassenstrom entspannt und dabei im Tiefkühlsammler einen dem Tiefkühlexpansionsorgan zugeführten Tiefkühlhauptmassenstrom sowie den Tiefkühlzusatzmassenstrom erzeugt.
Hinsichtlich des in der Tiefkühlexpansionskühleinrichtung vorliegenden Tiefkühlzwischendrucks wurden dabei keine näheren Angaben gemacht.
Vorzugsweise ist hierbei vorgesehen, dass der Tiefkühlzwischendruck zwischen dem Zwischendruck in der Expansionskühleinrichtung und einem Saugdruck der Tiefkühlverdichtereinheit liegt, um die durch Expansion in der Tiefkühlexpansionskühleinrichtung mögliche Enthalpieerniedrigung optimal an die Verhältnisse der Kälteanlage anzupassen.
Eine zweckmäßige Lösung sieht dabei vor, dass in der Tiefkühlexpansionskühleinrichtung der Tiefkühlzwischendruck mindestens ungefähr 2 bar niedriger liegt als der Zwischendruck der Expansionskühleinrichtung.
Noch besser ist es, wenn der Tiefkühlzwischendruck mindestens ungefähr 4 bar niedriger liegt als der Zwischendruck der Expansionskühleinrichtung.
Ferner sieht eine zweckmäßige Lösung vor, dass in der Tiefkühlexpansionseinrichtung der Tiefkühlzwischendruck mindestens ungefähr 2 bar höher liegt als der Saugdruck der Tiefkühlverdichtereinheit.
Noch besser ist es, wenn der Tiefkühlzwischendruck mindestens ungefähr 4 bar höher liegt als der Saugdruck der Tiefkühlverdichtereinheit.
Besonders günstig ist es dabei, wenn in der Tiefkühlexpansionskühleinrichtung ein Tiefkühlzwischendruck vorliegt, welcher in einem mittleren Bereich der Druckdifferenz zwischen dem Zwischendruck in der Expansionskühleinrichtung und dem Saugdruck der Tiefkühlverdichtereinheit liegt.
Eine besonders zweckmäßige Lösung sieht vor, dass in der Tiefkühlexpansionskühleinrichtung ein Tiefkühlzwischendruck vorliegt, welcher in einem mittleren Drittel einer in drei Drittel aufgeteilten Druckdifferenz zwischen dem Zwischendruck in der Expansionskühleinrichtung und dem Saugdruck der Tiefkühlverdichtereinheit liegt.
Hinsichtlich der Abfuhr des Tiefkühlzusatzmassenstroms wurden bislang ebenfalls keine näheren Angaben gemacht. So wäre beispielsweise denkbar, den Tiefkühlzusatzmassenstrom ebenfalls über die Tiefkühlverdichtereinheit, gegebenenfalls eine Zusatzverdichterstufe der Tiefkühlverdichtereinheit zu verdichten.
Eine besonders einfache Lösung sieht jedoch vor, dass der Tiefkühlzusatzmassenstrom der Kältemittelverdichtereinheit zugeführt wird, so dass kein Verdichten über die Tiefkühlverdichtereinheit erfolgt.
Dabei würde nach wie vor die Möglichkeit bestehen, den Tiefkühlzusatzmassenstrom einer separaten Zusatzverdichterstufe der Kältemittelverdichtereinheit zuzuführen.
Eine vereinfachte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Kälteanlage sieht vor, dass in dieser der Tiefkühlzusatzmassenstrom einem Sauganschluss der Kältemittelverdichtereinheit zugeführt wird und somit eine Zusatzverdichterstufe nicht erforderlich ist.
Dabei wäre es nach wie vor noch denkbar, über ein Drosselorgan den Tiefkühlzwischendruck auf ein gewünschtes Niveau abweichend von dem Druck am Sauganschluss einzustellen.
Eine einfache Ausführungsform der erfindungsgemäßen Kälteanlage sieht jedoch vor, dass in dieser der Tiefkühlzusatzmassenstrom druckregulierungsfrei dem Sauganschluss der Kältemittelverdichtereinheit zugeführt wird und somit keine zusätzlichen Maßnahmen zur Druckregulierung des Tiefkühlzwischendrucks erforderlich sind.
Zweckmäßigerweise wird bei einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lösung der Tiefkühlzwischendruck so gewählt, dass er im Bereich des Niederdrucks am Sauganschluss der Kältemittelverdichtereinheit liegt.
Im einfachsten Fall entspricht der Tiefkühlzwischendruck ungefähr dem Niederdruck am Sauganschluss der Kältemittelverdichtereinheit.
Ferner könnte bei einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lösung die Kältemittelverdichtereinheit so aufgebaut sein, dass sie unterschiedliche Kältemittelverdichter für den Normalkühlmassenstrom und den Tiefkühlzusatzmassenstrom aufweist.
Eine besonders einfache Lösung sieht vor, dass der Tiefkühlzusatzmassenstrom zusammen mit dem auf Niederdruck expandierten Normalkühlmassenstrom der Kältemittelverdichtereinheit zugeführt wird, so dass die Kältemittelverdichtereinheit die Summe beider Massenströme ansaugt und verdichtet.
Hinsichtlich der weiteren Verdichtung des durch die Tiefkühlverdichtereinheit verdichteten Tiefkühlhauptmassenstroms wurden bislang keine näheren Angaben gemacht.
Auch dieser die Tiefkühlverdichtereinheit verlassende Tiefkühlhauptmassenstrom könnte einer separaten Verdichterstufe zugeführt werden.
Eine konstruktiv einfache Lösung sieht vor, dass der durch die Tiefkühlverdichtereinheit verdichtete Tiefkühlhauptmassenstrom der Kältemittelverdichtereinheit zugeführt wird und somit durch die Kältemittelverdichtereinheit eine Verdichtung auf Hochdruck erfährt.
Das weitere Verdichten des Tiefkühlhauptmassenstroms kann dann über eine Zusatzverdichterstufe der Kältemittelverdichtereinheit erfolgen.
Besonders günstig ist es, wenn der durch die Tiefkühlverdichtereinheit verdichtete Tiefkühlhauptmassenstrom mit den expandierten Normalkühlmassenstrom vermischt einem Sauganschluss der Kältemittelverdichtereinheit zugeführt wird. In diesem Fall führt das Vermischen des verdichteten, dabei aber erwärmten Tiefkühlhauptmassenstroms mit dem expandierten, jedoch kühleren Normalkühlmassenstroms dazu, dass die Enthalpie des Tiefkühlhauptmassenstroms erniedrigt wird und somit sich eine Gesamtenthalpie des verdichteten Tiefkühlhauptmassenstroms und des expandierten Normalkühlmassenstroms einstellt.
Insbesondere bewirkt die dabei eintretende Erwärmung des expandierten Normalkühlmassenstroms durch den von der Tiefkühlverdichtereinheit verdichteten Tiefkühlhauptmassenstroms, dass das von der Kältemittelverdichtereinheit zu verdichtende Kältemittel dieser im Wesentlichen frei von Flüssiganteilen, und somit überhitzt zugeführt wird.
Eine besonders vorteilhafte Lösung sieht vor, dass der von der Tiefkühlverdichtereinheit verdichtete Tiefkühlhauptmassenstrom, der Tiefkühlzusatzmassenstrom und der expandierte Normalkühlmassenstrom miteinander vermischt dem Sauganschluss der Kältemittelverdichtereinheit zugeführt werden und somit alle vorstehend genannten Massenströme gemeinsam von der Kältemittelverdichtereinheit verdichtet werden.
Diese Lösung hat insbesondere den Vorteil, dass sich unterschiedliche Betriebsbedingungen, das heißt unterschiedliche Kälteleistungen der Normalkühlstufe und der Tiefkühlstufe zumindest teilweise ausmitteln und sich somit die Regelung der Kältemittelverdichtereinheit vereinfacht.
Hinsichtlich der Arbeitsweise der Tiefkühlexpansionskühleinrichtung wurden bislang keine näheren Angaben gemacht.
So sieht eine vorteilhafte Lösung vor, dass die Tiefkühlexpansionskühleinrichtung die Enthalpie des Tiefkühlhauptmassenstroms um mindestens 10% gegenüber der Enthalpie des Tiefkühlgesamtmassenstroms reduziert.
Noch vorteilhafter ist es, wenn die Tiefkühlexpansionskühleinrichtung die Enthalpie des Tiefkühlhauptmassenstroms um mindestens 20% reduziert.
Ferner lässt sich der thermodynamische Zustand des Tiefkühlhauptmassenstroms bei einer vorteilhaften Ausführungsform dadurch festlegen, dass die Tiefkühlexpansionskühleinrichtung den Tiefkühlhauptmassenstrom in einem thermodynamischen Zustand generiert, dessen Druck- und Enthalpiewerte niedriger sind als diejenigen des Normalkühlmassenstroms.
Um eine optimale Kühlwirkung bei der Tieftemperatur zu erhalten, ist vorzugsweise vorgesehen, dass die von der Tiefkühlexpansionseinrichtung bewirkten Druck- und Enthalpiewerte des Tiefkühlhauptmassenstroms nahe der Sättigungskurve in dem Enthalpie-/Druckdiagramm liegen.
Noch besser ist es, wenn die von der Tiefkühlexpansionseinrichtung bewirkten Druck- und Enthalpiewerte des Tiefkühlhauptmassenstroms im Wesentlichen auf der Sättigungskurve des Enthalpie-/Druckdiagramms liegen.
Hinsichtlich der Funktionsweise der Expansionskühleinrichtung im Zusammenhang mit den bislang beschriebenen Ausführungsbeispielen wurden keine näheren Angaben gemacht. So sieht ein vorteilhaftes Ausführungsbeispiel vor, dass die Expansionskühleinrichtung ein Expansionsorgan zur Expansion des Gesamtmassenstroms auf den Zwischendruck aufweist und dass ein Maximalwert des Zwischendrucks einstellbar ist.
Besonders günstig ist es dabei, wenn der Zwischendruck auf einen Maximalwert von 40 bar oder weniger einstellbar ist, da damit die Verrohrung zumindest der Normalkühlstufe einfach ausführbar ist.
Die Einstellbarkeit ist durch eine Einstellbarkeit des Expansionsorgans erreichbar, so dass üblicherweise bis zu diesem Druck zugelassene Standardkomponenten verwendet werden können.
Alternativ oder ergänzend zur Einstellbarkeit des Expansionsorgans sieht ein weiteres vorteilhaftes Ausführungsbeispiel vor, dass der Zwischendruck durch Zufuhr mindestens eines Teils des Zusatzmassenstroms zu einem Zusatzsauganschluss der Kältemittelverdichtereinheit einstellbar ist.
Eine derartige, mit einem Zusatzsauganschluss versehene Kältemittelverdichtereinheit kann dabei in unterschiedlichster Art und Weise aufgebaut sein. Eine Lösung sieht vor, dass die Kältemittelverdichtereinheit Kältemittelverdichter mit Zusatzverdichterstufen aufweisen.
Es ist aber auch denkbar, die Kältemittelverdichtereinheit aus einer Vielzahl von Kältemittelverdichtern aufzubauen und dabei einen der Kältemittelverdichter für das Verdichten des Zusatzmassenstroms vorzusehen.
Insbesondere ist es dabei vorteilhaft, wenn die an dem Zusatzsauganschluss zur Verfügung stehende Förderleistung der Kältemittelverdichtereinheit einstellbar ist, so dass über die Einstellung der zur Verfügung stehenden Förderleistung auch der Zwischendruck einstellbar ist.
Die Einstellung der Förderleistung am Zusatzsauganschluss kann entweder durch die Zahl der aktiven Zusatzverdichterstufen oder die Zahl der einzelnen zum Verdichten des Zusatzmassenstroms vorgesehenen Kältemittelverdichter und/oder die Drehzahl derselben einstellbar sein.
Alternativ oder ergänzend zum Einstellen des Zwischendrucks durch Zufuhr des Zusatzmassenstroms zu einem Zusatzsauganschluss der Kältemittelverdichtereinheit sieht eine andere Lösung vor, dass der Zwischendruck durch Zufuhr mindestens eines Teils des Zusatzmassenstroms zu einem Sauganschluss der Kältemittelverdichtereinheit einstellbar ist.
Diese Lösung hat den Vorteil, dass es bei dieser nicht notwendig ist, Zusatzverdichterstufen oder spezielle für den Zusatzsauganschluss vorgesehene Kältemittelverdichter zur Verfügung zu stellen, sondern der Zusatzmassenstrom lediglich dem Sauganschluss der Kältemittelverdichtereinheit zugeleitet werden muss, mit welchem ohnehin ein Verdichten des Hauptmassenstroms des Kältemittels erfolgt. Diese Lösung hat allerdings einen geringen Nachteil hinsichtlich einer Reduktion des Wirkungsgrades.
Ferner ist es bei Zufuhr des Zusatzmassenstroms zum Sauganschluss erforderlich, ein einstellbares Drosselorgan vorzusehen, um den Zwischendruck mit diesem einstellen zu können.
Eine besonders günstige Lösung, welche im Wesentlichen in sämtlichen Betriebszuständen und bei sämtlichen Temperaturbedingungen einen optimalen Betrieb der Kälteanlage erlaubt, sieht eine Steuerung vor, welche den Zusatzmassenstrom entweder dem Zusatzsauganschluss oder diesem und in Teilen den Sauganschluss der Kältemittelverdichtereinheit zuführt.
Damit lässt sich ein vorgesehener Zusatzsauganschluss und die an diesem zur Verfügung stehende Verdichterleistung stets ausnutzen, jedoch in den Fällen, in denen ein hoher Zusatzmassenstrom anfällt, der Zwischendruck unterhalb eines einstellbaren Maximalwerts halten, wenn bei einem großen Zusatzmassenstrom noch ein Teil desselben dem Sauganschluss der Kältemittelverdichtereinheit zuführbar ist.
Hinsichtlich der Funktionsweise der Expansionskühleinrichtung selbst wurden im Zusammenhang mit der bisherigen Erläuterung der einzelnen Ausführungsbeispiele keine näheren Angaben gemacht.
So sieht eine vorteilhafte Ausführungsform vor, dass die Expansionskühleinrichtung die Enthalpie des Hauptmassenstroms um mindestens 10% gegenüber der Enthalpie des Gesamtmassenstroms reduziert.
Noch vorteilhafter ist es, wenn die Expansionskühleinrichtung die Enthalpie des Hauptmassenstroms um mindestens 20% reduziert.
Hinsichtlich des Einsatzes der Expansionskühleinrichtung ist insbesondere vorgesehen, dass die Expansionskühleinrichtung bei einem überkritischen Betrieb der Kälteanlage aktiv ist.
Ein derartiger überkritischer Betrieb liegt insbesondere beim Einsatz von Kohlendioxyd als Kältemittel und üblichen Umgebungstemperaturen zur Kühlung des Wärmetauschers vor.
Insbesondere ist bei einer vorteilhaften Ausführungsform vorgesehen, dass die Expansionskühleinrichtung den Hauptmassenstrom in einem thermodynamischen Zustand generiert, dessen Druck- und Enthalpiewerte niedriger sind als diejenigen eines Maximums der Sättigungskurve.
Ferner ist vorzugsweise vorgesehen, dass die von der Expansionskühleinrichtung bewirkten Druck- und Enthalpiewerte des Hauptmassenstroms nahe der Sättigungskurve in dem Enthalpie-/Druckdiagramm liegen.
Noch besser ist es, wenn die von der Expansionskühleinrichtung bewirkten Druck- und Enthalpiewerte des Hauptmassenstroms im Wesentlichen auf der Sättigungskurve des Enthalpie-/Druckdiagramms liegen.
Insbesondere um zu verhindern, dass die Kältemittelverdichtereinheit am Sauganschluss Kältemittel mit Flüssigkeitsanteilen ansaugt, ist vorzugsweise vorgesehen, dass das in den Sauganschluss der Kältemittelverdichtereinheit eintretende Kältemittel durch einen diesem vorgeschalteten Wärmetauscher erwärmbar ist. Durch einen derartigen Wärmetauscher lässt sich das anzusaugende Kältemittel soweit erwärmen, dass im Wesentlichen Flüssiganteile ausgeschlossen sind, so dass dieses Kältemittel als überhitzt bezeichnet werden kann.
Dem Wärmetauscher könnte in unterschiedlichster Art und Weise Wärme zugeführt werden.
Eine vorteilhafte Lösung sieht vor, dass der Wärmetauscher Wärme aus dem aus dem hochdruckseitigen Wärmetauscher austretenden Gesamtmassenstrom entnimmt, so dass der aus dem hochdruckseitigen Wärmetauscher austretende, jedoch noch erhitzte Gesamtmassenstrom dazu eingesetzt werden kann, das in die Kältemittelverdichtereinheit eintretende Kältemittel zu erwärmen, wobei gleichzeitig noch eine Kühlung des Gesamtmassenstroms im Gegenzug dazu erfolgt.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung sind Gegenstand der nachfolgenden Beschreibung sowie der zeichnerischen Darstellung einiger Ausführungsbeispiele.
In der Zeichnung zeigen:
1 eine schematische Darstellung eines Verrohrungsschemas eines ersten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Kälteanlage;
2 eine schematische Darstellung des Drucks [P] über der Enthalpie [h] bei dem ersten Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Lösung für einen erfindungsgemäßen überkritischen Kreisprozess;
3 eine Darstellung ähnlich 1 eines zweiten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Kälteanlage;
4 eine Darstellung ähnlich 1 eines dritten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Kälteanlage und
5 eine Darstellung ähnlich 1 eines vierten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Kälteanlage.
Ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Kälteanlage, dargestellt in 1, umfasst einen als Ganzes mit 10 bezeichneten Kältemittelkreislauf, in welchem eine als Ganzes mit 12 bezeichnete Kältemittelverdichtereinheit angeordnet ist, die im dargestellten Ausführungsbeispiel mehrere einzelne Kältemittelverdichter 14, beispielsweise vier Kältemittelverdichter 14 umfasst.
Jeder der Kältemittelverdichter 14 weist saugseitig einen Anschluss 16 sowie druckseitig einen Anschluss 18 auf, wobei alle saugseitigen Anschlüsse 16 zu einem Sauganschluss 20 der Kältemittelverdichtereinheit 12 zusammengefasst sind und alle druckseitigen Anschlüsse 18 zu einem Druckanschluss 22 der Kältemittelverdichtereinheit 12 zusammengefasst sind.
Damit arbeiten alle Kältemittelverdichter 14 parallel, es besteht jedoch die Möglichkeit, die Verdichterleistung der Kältemittelverdichtereinheit 12 dadurch zu variieren, dass einzelne Kältemittelverdichter 14 arbeiten und einzelne nicht arbeiten.
Ferner besteht die Möglichkeit, die Verdichterleistung der Kältemittelverdichtereinheit 12 durch eine drehzahlvariable Steuerung der einzelnen arbeitenden Kältemittelverdichter 14 zu variieren.
Zusätzlich weist jeder der Kältemittelverdichter 14 noch einen Zusatzanschluss 24 auf, wobei alle Zusatzanschlüsse 24 der Kältemittelverdichter zu einem Zusatzsauganschluss 26 der Kältemittelverdichtereinheit 12 zusammengefasst sind.
Das über den Zusatzsauganschluss 26 von der Kältemittelverdichtereinheit angesaugte Kältemittel wird ebenfalls von dieser auf Hochdruck verdichtet und tritt zusammen mit dem über den Sauganschluss 20 angesaugten und auf Hochdruck verdichteten Kältemittel an dem Druckanschluss 22 der Kältemittelverdichtereinheit 12 aus.
Das an dem Druckanschluss 22 der Kältemittelverdichtereinheit 12 austretende auf Hochdruck verdichtete Kältemittel bildet einen Gesamtmassenstrom G und dieser durchströmt einen hochdruckseitigen Wärmetauscher 30, durch welchen eine Kühlung des auf Hochdruck verdichteten Kältemittels erfolgt.
Je nach dem, ob ein unterkritischer Kreisprozess oder ein überkritischer Kreisprozess vorliegt, erfolgt durch das Abkühlen des auf Hochdruck verdichteten Kältemittels im Wärmetauscher 30 ein Verflüssigen desselben oder lediglich ein Abkühlen auf eine niedrigere Temperatur, wobei das Kältemittel in der Gasphase bleibt.
Wird als Kältemittel Kohlendioxyd, das heißt CO₂, eingesetzt, so liegt bei gängigen Umgebungsbedingungen üblicherweise ein überkritischer Kreisprozess vor, bei welchem lediglich eine Abkühlung auf eine Temperatur erfolgt, die einer außerhalb der Ton- und Siedelinie oder Sättigungskurve verlaufenden Isothermen entspricht, so dass keine Verflüssigung des Kältemittels eintritt.
Im Gegensatz dazu sieht ein unterkritischer Kreisprozess vor, dass durch den Wärmetauscher 30 eine Abkühlung auf eine Temperatur erfolgt, die einer die Ton- und Siedelinie oder Sättigungkurve des Kältemittels durchlaufenden Isothermen entspricht.
Das durch den Wärmetauscher 30 abgekühlte Kältemittel wird über eine Druckleitung 31 nachfolgend durch ein eine Expansionskühleinrichtung darstellendes Expansionsorgan 32, beispielsweise ein Expansionsventil, auf einen Zwischendruck PZ expandiert, welcher einer die Ton- und Siedelinie oder Sättigungskurve des Kältemittels durchlaufenden Isothermen entspricht.
Damit wird der in das Expansionsventil 32 eintretende und vom Wärmetauscher 30 kommende Gesamtmassenstrom G in einen thermodynamischen Zustand versetzt, in welchem ein Hauptmassenstrom H in Form von flüssigem Kältemittel vorliegt und ein Zusatzmassenstrom Z in Form von gasförmigen Kältemittel. Beide Massenströme werden in einem als Sammler 34 bezeichneten Reservoir gesammelt und von einander getrennt, und der Zusatzmassenstrom Z wird über eine vom Sammler 34 zu dem Zusatzsauganschluss 26 verlaufende Saugleitung 36 durch die Kältemittelverdichtereinheit 12 abgesaugt, wobei durch die am Zusatzsauganschluss 26 zur Verfügung stehende Förderleistung der Kältemittelverdichtereinheit 12 der Zwischendruck PZ in dem Sammler 34 einstellbar ist.
Vorzugsweise erfolgt dabei eine Einstellung des Zwischendrucks PZ auf einen Druck von weniger als 40 bar, um das auf dem Sammler 34 folgende Leitungs- und Komponentensystem des Kältemittelkreislaufs 10 auf einen Druck von weniger als 40 bar auslegen zu können.
Zum Aufrechterhalten des Zwischendrucks PZ auf einem Niveau unter 40 bar ist vorzugsweise eine Steuereinheit 40 vorgesehen, welche mit einem Drucksensor 42 den Zwischendruck PZ im Sammler erfasst und außerdem in der Lage ist, die einzelnen Zusatzanschlüsse 24 der einzelnen Kältemittelverdichter 14 auf den Zusatzsauganschluss 26 zuschalten oder nicht zuzuschalten.
Beispielsweise können die Kältemittelverdichter 14 entsprechend denen der deutschen Patentanmeldung 10 2005 009 173.3 ausgebildet sein und beispielsweise als saugseitige Anschlüsse von einem von mehreren Zylindern des jeweiligen Kältemittelverdichters 14 ausgebildet sein, wobei dieser Zylinder dabei entweder zum Ansaugen von Kältemittel aus dem Zusatzmassenstrom Z über den Zusatzsauganschluss 24 eingesetzt werden kann oder zum Ansaugen von Kältemittel aus dem dem Sauganschluss 20 der Kältemittelverdichtereinheit 12 zugeführten expandierten Hauptmassestrom.
Nach dem Sammler 34 erfolgt eine Aufteilung des aus verflüssigtem Kältemittel bestehenden Hauptmassenstroms H in einen Normalkühlmassenstrom N, der mindestens einem Normalkühlexpansionsorgan 50 oder zwei Normalkühlexpansionsorganen 50a, 50b sowie mindestens einen dem jeweiligen Normalkühlexpansionorgan 50 nachgeschalteten Normalkühlwärmetauscher 52 zugeführt wird.
Durch das jeweilige Normalkühlexpansionsorgan 50 erfolgt eine Expansion des Kältemittels des Normalkühlmassenstroms N von dem Zwischendruck PZ auf Niederdruck PN, wobei eine Abkühlung des Kältemittels im Normalkühlmassenstrom N in bekannter Art und Weise durch diese Expansion erfolgt, die die Möglichkeit eröffnet, in dem Normalkühlwärmetauscher 52 Wärme aufzunehmen, wodurch eine Enthalpiezunahme entsteht.
Der auf Niederdruck PN expandierte Normalkühlmassenstrom N wird über eine Saugleitung 54 dem Sauganschluss 20 der Kältemittelverdichtereinheit 12 zugeführt und von dieser auf Hochdruck PH verdichtet.
Aus dem Hauptmassenstrom H wird jedoch nicht nur der Normalkühlmassenstrom N sondern auch ein Tiefkühlgesamtmassenstrom TG gebildet, welcher einer Tiefkühlexpansionskühleinrichtung 62 zugeführt wird.
Durch die Tiefkühlexpansionskühleinrichtung 62 erfolgt eine Expansion des Tiefkühlgesamtmassenstroms TG auf einen Tiefkühlzwischendruck PTZ, so dass aus dem aus flüssigem Kältemittel bestehenden Tiefkühlgesamtmassenstrom TG ein Tiefkühlhauptmassenstrom TH bei einer unterhalb der Temperatur des Tiefkühlgesamtmassenstroms TG liegenden Temperatur sowie ein Tiefkühlzusatzmassenstrom TZ aus dampfförmigem Kältemittel entstehen.
Der Tiefkühlhauptmassenstrom TH und der Tiefkühlzusatzmassenstrom TZ werden in einem der Tiefkühlexpansionskühleinrichtung 62 nachgeschalteten und als Sammler 64 ausgebildeten Reservoir voneinander getrennt, wobei der Tiefkühlzusatzmassenstrom TZ über eine von dem Sammler 64 zu einem Mischer 66 führende Abführleitung 68 abgeführt wird.
Der Mischer 66 ist vorzugsweise in der Saugleitung 54 angeordnet und vermischt den Tiefkühlzusatzmassenstrom TZ mit dem expandierten Normalkühlmassenstrom N aus dem mindestens einen Normalkühlwärmetauscher 52, so dass dann sowohl der Tiefkühlzusatzmassenstrom TZ als auch der expandierte Normalkühlmassenstrom N miteinander vermischt dem Sauganschluss 20 der Kältemittelverdichtereinheit 12 zugeführt werden.
Der sich im Tiefkühlsammler 64 sammelnde Tiefkühlhauptmassenstrom TH wird sodann mindestens einem Tiefkühlexpansionsorgan 70 zugeführt, von diesem auf einen Tiefkühlniederdruck PTN expandiert und einem dem jeweiligen mindestens einen Tiefkühlexpansionsorgan 70 nachgeschalteten Tiefkühlwärmetauscher 72 zugeführt, in welchem der durch die Expansion abgekühlte Tiefkühlhauptmassenstrom TH in der Lage ist, durch Erhöhung der Enthalpie bei Tiefkühltemperaturen Wärme aufzunehmen.
Der auf Tiefkühlniederdruck PTN expandierte Tiefkühlhauptmassenstrom TH wird über eine mit dem mindestens einen Tiefkühlwärmetauscher 72 verbundene Tiefkühlsaugleitung 74 einer Tiefkühlverdichtereinheit 82 zugeführt, welche beispielsweise ebenfalls mehrere Tiefkühlverdichter 84 umfasst, wobei die einzelnen Tiefkühlverdichter 84 je nach erforderlicher Verdichterleistung zuschaltbar sind.
Die Tiefkühlverdichter 84 weisen ebenfalls jeweils einen saugseitigen Anschluss 86 und einen druckseitigen Anschluss 88 auf, wobei die saugseitigen Anschlüsse 86 zu einem Sauganschluss 90 der Tiefkühlverdichtereinheit 82 zusammengefasst sind und die druckseitigen Anschlüsse 88 zu einem Druckanschluss 92 der Tiefkühlverdichtereinheit 82 zusammengefasst sind.
Der Sauganschluss 90 der Tiefkühlverdichtereinheit 82 ist dabei mit der Tiefkühlsaugleitung 74 verbunden, während der Druckanschluss 92 der Tiefkühlverdichtereinheit 82 mit einer Tiefkühlabführungsleitung 94 verbunden ist, welche zu dem Mischer 66 geführt ist.
Der Mischer 66 mischt nicht nur den auf Niederdruck PN expandierten Normalkühlmassenstrom N, den auf den Tiefkühlzwischendruck PTZ expandierten Tiefkühlzusatzmassenstrom TZ, sondern auch noch den auf einen Tiefkühlhochdruck PTH von der Tiefkühlverdichtereinheit 82 verdichteten Tiefkühlhauptmassenstrom TH, so dass alle drei Massenströme N, TZ und TH dem Sauganschluss 20 der Kältemittelverdichtereinheit 12 bei dem Niederdruck PN, welcher dem Saugdruck am Sauganschluss 20 entspricht, zugeführt und von der Kältemittelverdichtereinheit 12 auf Hochdruck PH verdichtet werden.
Der dem ersten Ausführungsbeispiel entsprechende überkritische Kreisprozess ist in 2 dargestellt.
Das am Sauganschluss 20 der Kältemittelverdichtereinheit 12 vorliegende Kältemittel entspricht dem Zustand des Punktes ZA in 2. Ein Verdichten des Kältemittels durch die Kältemittelverdichtereinheit 12 führt zu einer Druckzunahme mit geringer Enthalpiezunahme und somit zum thermodynamischen Zustand ZB in 2.
Nachfolgend erfolgt ausgehend vom Zustand ZB ein Abkühlen des auf Hochdruck PH verdichteten Kältemittels unter Beibehaltung des Hochdrucks PH in dem Wärmetauscher 30, so dass nachfolgend das Kältemittel im thermodynamischen Zustand ZC vorliegt, wobei der thermodynamische Zustand ZC über der Sättigungskurve oder Ton- und Siedelinie 110 für das Kältemittel, in diesem Fall Kohlendioxyd, liegt, so dass im thermodynamischen Zustand ZC das Kältemittel nach wie vor gasförmig ist.
Durch die Expansionskühleinrichtung 32 erfolgt ausgehend vom Zustand ZC eine isenthalpe Entspannung des Kältemittels in einem Expansionsorgan oder die nahezu isentrope Entspannung in einem Expander auf den Zwischendruck PZ und somit in einen dem Punkt ZD entsprechenden thermodynamischen Zustand, welcher eine Mischung aus einer Flüssigphase und einer Gasphase darstellt, wobei in dem Sammler 34 die Flüssigphase den Hauptmassenstrom H bildet, während die Gasphase den Zusatzmassenstrom Z bildet.
Durch Verdampfen von Kältemittel zur Bildung des Zusatzmassenstroms Z, der über die Saugleitung 36 aus dem Sammler 34 abgeführt wird, erreicht der Hauptmassenstrom H einen dem Punkt ZE entsprechenden thermodynamischen Zustand bei Abnahme der Enthalpie h der im Bereich der Sättigungskurve oder Siedelinie liegt, während der Zusatzmassenstrom Z durch Enthalpiezunahme aufgrund von Enthalpieentzug beim Hauptmassenstrom H den thermodynamischen Zustand ZF erreicht, der im Bereich der Sättigungskurve oder Sattdampflinie oder nahe der Sättigungskurve oder Sattdampflinie liegt, von welchem aus wieder ein Verdichten des Zusatzmassenstroms Z auf den Hochdruck PH erfolgt, und zwar dadurch, dass der Zusatzmassenstrom Z über den Zusatzsauganschluss 26 der Kältemittelverdichtereinheit 12 angesaugt und auf den Hochdruck PH verdichtet wird.
Das Kältemittel aus dem Hauptmassenstrom H wird ausgehend vom Zustand ZE durch isenthalpe Entspannung auf den Niederdruck PN entspannt, einmal in Form des Normalkühlmassenstroms N durch das mindestens eine Normalkühlexpansionsorgan 50 und ein andermal durch die Tiefkühlexpansionskühleinrichtung 62, wobei der Tiefkühlzwischendruck PTZ sich automatisch auf das Druckniveau des Niederdrucks PN am Sauganschluss 20 der Kältemittelverdichtereinheit 12 einstellt, sofern keine speziellen Maßnahmen zur Veränderung dieses Druckes getroffen werden.
Damit erreicht das Kältemittel des Hauptmassenstroms H einmal als Normalkühlmassenstrom N und einmal als Tiefkühlgesamtmassenstrom TG den thermodynamischen Zustand entsprechend dem Punkt ZG in 2.
Im Falle des Normalkühlmassenstroms N erfolgt eine Enthalpiezunahme im Normalkühlwärmetauscher, so dass das Kältemittel des Normalkühlmassenstroms N nach Verlassen des mindestens einen Normalkühlwärmetauschers 52 einen vorzugsweise überhitzten Zustand erreicht.
Im Falle des Tiefkühlgesamtmassenstroms TG erfolgt durch die Tiefkühlexpansionskühleinrichtung 62 und den nachfolgenden Tiefkühlsammler 64 eine Aufteilung in eine Flüssigphase, welche den Tiefkühlhauptmassenstrom TH bildet, der durch Enthalpieabgabe in den thermodynamischen Zustand ZH im Bereich der Sättigungskurve oder Siedelinie übergeht, während die Gasphase den Tiefkühlzusatzmassenstrom TZ bildet, der über die Abführungsleitung 68 dem Sauganschluss 20 der Kältemittelverdichtereinheit 12 zugeführt wird, wobei der Tiefkühlzusatzmassenstrom TZ ausgehend von dem thermodynamischen Zustand ZG durch Enthalpieentzug des Tiefkühlhauptmassenstroms TH eine Enthalpiezunahme erfährt, so dass dieser in einen thermodynamischen Zustand im Bereich der Sättigungskurve oder Sattdampflinie oder nahe der Sättigungskurve oder Sattdampflinie in 2 erreicht.
Das mindestens eine Normalkühlexpansionsorgan 50 und der diesem nachfolgende Normalkühlwärmetauscher 52 bilden dabei eine Normalkühlstufe 100, die Tiefkühlexpansionskühleinrichtung 62, der Tiefkühlsammler 64, die Abführungsleitung 68, das mindestens eine Tiefkühlexpansionsorgan 70, der Tiefkühlwärmetauscher 72 und die Tiefkühlverdichtereinheit 82 bilden eine in den Kältemittelkreislauf 10 integrierte Tiefkühlstufe 102, die von einem Teil des Hauptmassenstroms H, nämlich dem Tiefkühlgesamtmassenstrom TG durchströmt wird, während die Normalkühlstufe 100 von dem Normalkühlmassenstrom N durchströmt wird, wobei letztlich sowohl der Normalkühlmassenstrom N als auch der Tiefkühlgesamtmassenstrom TG wiederum bei Niederdruck PN über den Sauganschluss 20 von der Kältemittelverdichtereinheit 12 angesaugt und auf Hochdruck PH verdichtet werden, wobei sich der den Druckanschluss 22 der Kältemittelverdichtereinheit 12 verlassende Gesamtmassenstrom G nicht nur aus dem Normalkühlmassenstrom N und dem Tiefkühlgesamtmassenstrom TG zusammensetzt, sondern noch zusätzlich den Zusatzmassenstrom Z umfasst, welcher von der Kältemittelverdichtereinheit über den Zusatzsauganschluss 26 aufgenommen wird.
Das Kältemittel des Tiefkühlmassenstroms TH wird ausgehend vom Zustand ZH dem mindestens einen Tiefkühlexpansionsorgan 70 zugeführt und erfährt in diesem eine isenthalpe Entspannung auf den Tiefkühlniederdruck PTN und erreicht damit den thermodynamischen Zustand ZI in 2.
In diesem thermodynamischen Zustand ZI in 2 kann der Tiefkühlmassenstrom TH durch Enthalpiezunahme bei Tiefkühltemperatur in dem mindestens einen Tiefkühlwärmetauscher 72 Wärme aufnehmen und dadurch einfachsten Falls den thermodynamischen Zustand ZJ in 2 erreichen.
Im einfachsten Fall wird der Zustand ZJ in 2 durch die Überhitzungsregelung des Tiefkühlexpansionsorgan 70 im Tiefkühlwärmetauscher 72 erreicht. In der realen Anwendung ist ein zusätzlicher Wärmeeintrag in der Saugleitung 74 zu beachten. Eine weitere Möglichkeit sieht einen oder mehrere Wärmetauscher zwischen der Saugleitung 74 und der Flüssigkeitsleitung ausgehend vom Punkt ZI in 2 vor.
Ausgehend von diesem thermodynamischen Zustand ZJ wird der auf Tiefkühlniederdruck PTN expandierte Tiefkühlmassenstrom TH durch die Tiefkühlverdichtereinheit 82 auf dem Saugdruck am Sauganschluss 20 der Kältemittelverdichtereinheit 12 entsprechenden Tiefkühlhochdruck PTH verdichtet, wobei mit diesem Verdichten eine Enthalpiezunahme verbunden ist, so dass der thermodynamische Zustand ZK in 2 erreicht wird.
Durch Vermischen des auf Tiefkühlhochdruck PTH verdichteten Tiefkühlmassenstroms TH im Mischer 66 mit dem einen niedrigere Temperatur aufweisenden Normalkühlmassenstrom N bei Niederdruck PN und dem ebenfalls eine niedrigere Temperatur aufweisenden Tiefkühlzusatzmassenstrom TZ im Mischer 66 erfolgt eine Enthalpieabnahme des auf Tiefkühlhochdruck PTH verdichteten Tiefkühlmassenstroms TH, so dass von allen drei Massenströmen TH, N, TZ der thermodynamische Zustand ZA erreicht wird, ausgehend von welchem ein Verdichten in der Kältemittelverdichtereinheit 12 erfolgt, um den thermodynamischen Zustand ZB in 2 zu erreichen.
Bei einem zweiten Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Kälteanlage, dargestellt in 3, sind diejenigen Teile, die mit denen des ersten Ausführungsbeispiels identisch sind, mit denselben Bezugszeichen versehen, so dass hinsichtlich der Beschreibung derselben vollinhaltlich auf die Ausführungen zum ersten Ausführungsbeispiel Bezug genommen werden kann.
Im Gegensatz zum ersten Ausführungsbeispiel ist bei dem zweiten Ausführungsbeispiel noch zwischen der Saugleitung 36 und dem Sauganschluss 20 der Kältemittelverdichtereinheit 12 eine Verbindungsleitung 120 mit einem in dieser vorgesehenen Drosselorgan 122 vorgesehen, welches über die Steuerung 40' steuerbar ist.
Dadurch besteht die Möglichkeit, von dem Zusatzmassenstrom Z einen Teil über die Verbindungsleitung 120 dem Sauganschluss 20 der Kältemittelverdichtereinheit 12 zuzuführen und zwar vorzugsweise dann, wenn die vorhandene Förderleistung an dem Zusatzsauganschluss 26 ausgeschöpft ist und der durch die Regelung 40 kontrollierte Druck PZ einen eingestellten Grenzwert überschreitet. Dies ist insbesondere in besonderen, jedoch nicht ständig auftretenden Betriebszuständen der Fall, in denen der Zusatzmassenstrom Z sehr stark zunimmt, so dass hierzu eine zusätzliche Verdichterförderleistung in der Kältemittelverdichtereinheit 12 vorzusehen wäre, die üblicherweise nicht benötigt wird. Aus diesem Grund wird zwar unter Einbuße des Gesamtwirkungsgrades und der spezifischen Kälteleistung pro Fördervolumen eine Möglichkeit geschaffen, unter allen Betriebsbedingungen den Zwischendruck PZ unter 40 bar zu halten.
Hinsichtlich der durchlaufenen thermodynamischen Zustände entspricht das zweite Ausführungsbeispiel vollinhaltlich dem ersten Ausführungsbeispiel, so dass vollinhaltlich auf die detaillierten Ausführungen hierzu im ersten Ausführungsbeispiel Bezug genommen wird.
Bei einem dritten Ausführungsbeispiel, dargestellt in 4, ist in Abwandlung zum zweiten Ausführungsbeispiel vorgesehen, dass die Kältemittelverdichter 14 nicht mit Zusatzanschlüssen 24 versehen sind, so dass auch die Kältemittelverdichtereinheit 12 keinen Zusatzsauganschluss 26 aufweist, sondern der gesamte Zusatzmassenstrom Z über die Verbindungsleitung 120 dem Sauganschluss 20 zugeführt wird, wobei das Drosselorgan 122 so einzustellen ist, dass der Zwischendruck PZ höher liegt als der Niederdruck PN, welcher am Sauganschluss 20 der Kältemittelverdichtereinheit 12 vorliegt.
Im Übrigen wird hinsichtlich der Funktionsweise des dritten Ausführungsbeispiels gemäß 4 vollinhaltlich auf die Ausführungen zum ersten und zweiten Ausführungsbeispiel Bezug genommen.
Bei einem vierten Ausführungsbeispiel, dargestellt in 5 ist in Abwandlung des zweiten Ausführungsbeispiels in der Saugleitung 54 zwischen dem Mischer 66 und dem Sauganschluss 20 ein Wärmetauscherelement 130a vorgesehen, welches mit einem Wärmetauscherelement 130b in der Druckleitung 31 gekoppelt ist, das zwischen dem Wärmetauscher 30 und der Expansionskühleinrichtung 32 angeordnet und vom Gesamtmassenstrom G durchströmt ist, so dass in Abhängigkeit von speziellen Situationen durch Umgebungstemperaturen und Teillastbedingungen die Möglichkeit besteht, das dem Sauganschluss 20 zugeführte Kältemittel soweit aufzuheizen, dass dieses frei von Flüssiganteilen ist.
Im Übrigen wird hinsichtlich der Beschreibung des vierten Ausführungsbeispiels vollinhaltlich auf die Ausführungen zum ersten und zum zweiten Ausführungsbeispiel Bezug genommen.

Claims

Kälteanlage umfassend einen Kältemittelkreislauf (10), in welchem ein Gesamtmassenstrom (G) eines Kältemittels geführt ist, einen in dem Kältemittelkreislauf (10) angeordneten, hochdruckseitigen kältemittelkühlenden Wärmetauscher (30), eine im Kältemittelkreislauf (10) angeordnete Expansionskühleinrichtung (32), die im aktiven Zustand den Gesamtmassenstrom (G) des Kältemittels kühlt und dabei einen Hauptmassenstrom (H) von flüssigem Kältemittel und einen Zusatzmassenstrom (Z) von gasförmigem Kältemittel erzeugt, ein Reservoir (34) für den Hauptmassenstrom (H), mindestens eine einen Normalkühlmassenstrom (N) aus dem Reservoir entnehmenden Normalkühlstufe (100) mit einem Normalkühlexpansionsorgan (50) und einem diesen nachgeordneten, niederdruckseitigen, Kälteleistung zur Normalkühlung zur Verfügung stellenden Normalkühlwärmetauscher (52), eine einen Tiefkühlgesamtmassenstrom (TG) aus dem Reservoir (34) entnehmende Tiefkühlstufe (102) mit einem Tiefkühlexpansionsorgan (70) und einen nachgeordneten, Kälteleistung zur Tiefkühlung zur Verfügung stellenden Tiefkühlwärmetauscher (72) sowie mit einer diesem Tiefkühlwärmetauscher (72) nachgeordneten Tiefkühlverdichtereinheit (82), und mindestens eine in dem Kältemittelkreislauf (10) angeordnete Kältemittelverdichtereinheit (12), die das Kältemittel des Hauptmassenstroms (H) des Zusatzmassenstroms (Z) auf Hochdruck (PH) verdichtet, dadurch gekennzeichnet, dass die Tiefkühlstufe (102) zur weiteren Abkühlung des Tiefkühlgesamtmassenstroms (TG) eine Tiefkühlexpansionskühleinrichtung (62) aufweist, die im aktiven Zustand den Tiefkühlgesamtmassenstrom (TG) abkühlt und dabei einen dem Tiefkühlexpansionsorgan (70) zugeführten Tiefkühlhauptmassenstrom (TH) sowie einen Tiefkühlzusatzmassenstrom (TZ) erzeugt.
Kälteanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in der Tiefkühlexpansionskühleinrichtung (62) ein Tiefkühlzwischendruck (PTZ) vorliegt, welcher zwischen dem Zwischdendruck (PZ) der Expansionskühleinrichtung (32) und einem Saugdruck (PTN) der Tiefkühlverdichtereinheit (82) liegt.
Kälteanlage nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass in der Tiefkühlexpansionskühleinrichtung (62) der Tiefkühlzwischendruck (PTZ) mindestens ungefähr 2 bar niedriger liegt als der Zwischdendruck (PZ) der Expansionskühleinrichtung (32).
Kälteanlage nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass in der Tiefkühlexpansionskühleinrichtung (62) der Tiefkühlzwischendruck (PTZ) mindestens ungefähr 2 bar höher liegt als der Saugdruck (PTN) der Tiefkühlverdichtereinheit (82).
Kälteanlage nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass in der Tiefkühlexpansionskühleinrichtung (62) ein Tiefkühlzwischendruck (PTZ) vorliegt, der in einem mittleren Bereich der Druckdifferenz zwischen dem Zwischendruck (PZ) in der Expansionskühleinrichtung und dem Saugdruck (PTN) der Tiefkühlverdichtereinheit (82) liegt.
Kälteanlage nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass in der Tiefkühlexpansionskühleinrichtung (62) ein Tiefkühlzwischendruck (PTZ) vorliegt, welcher in einem mittleren Drittel einer in drei Drittel aufgeteilten Druckdifferenz zwischen dem Zwischendruck (PZ) in der Expansionskühleinrichtung (32) und dem Saugdruck (PTN) der Tiefkühlverdichtereinheit (82) liegt.
Kälteanlage nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in dieser der Tiefkühlzusatzmassenstrom (TZ) der Kältemittelverdichtereinheit (12) zugeführt wird.
Kälteanlage nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass in dieser der Tiefkühlzusatzmassenstrom (TZ) einem Sauganschluss (20) der Kältemittelverdichtereinheit (12) zugeführt wird.
Kälteanlage nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass in dieser der Tiefkühlzusatzmassenstrom (TZ) druckregulierungsfrei dem Sauganschluss (20) zugeführt wird.
Kälteanlage nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Tiefkühlzwischendruck (PTZ) im Bereich des Niederdrucks (PN) am Sauganschluss (20) der Kältemittelverdichtereinheit (12) liegt.
Kälteanlage nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Tiefkühlzusatzmassenstrom (TZ) zusammen mit dem auf Niederdruck (PN) expandierten Normalkühlmassenstrom (N) der Kältemittelverdichtereinheit (12) zugeführt wird.
Kälteanlage nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass von dieser der durch die Tiefkühlverdichtereinheit (82) verdichtete Tiefkühlhauptmassenstrom (TH) der Kältemittelverdichtereinheit (12) zugeführt wird.
Kälteanlage nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass von dieser der durch die Tiefkühlverdichtereinheit (82) verdichtete Tiefkühlhauptmassenstrom (TH) mit dem expandierten Normalkühlmassenstrom (N) vermischt einem Sauganschluss (20) der Kältemittelverdichtereinheit (12) zugeführt wird.
Kälteanlage nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass von dieser der von der Tiefkühlverdichtereineheit (82) verdichtete Tiefkühlhauptmassenstrom (TH), der Tiefkühlzusatzmassenstrom (TZ) und der expandierte Normalkühlmassenstrom (N) miteinander vermischt dem Sauganschluss (20) der Kältemittelverdichtereinheit (12) zugeführt werden.
Kälteanlage nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Tiefkühlexpansionskühleinrichtung (62) die Enthalpie (ZI) des Tiefkühlhauptmassenstroms (TH) um mindestens 10% gegenüber der Enthalpie (ZG) des Tiefkühlgesamtmassenstroms (TG) reduziert.
Kälteanlage nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Tiefkühlexpansionskühleinrichtung (62) die Enthalpie des Tiefkühlhauptmassenstroms (TH) um mindestens 20% reduziert.
Kälteanlage nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Tiefkühlexpansionskühleinrichtung (62) den Tiefkühlhauptmassenstrom (TH) in einem thermodynamischen Zustand (ZI) generiert, dessen Druck- und Enthalpiewerte niedriger sind als diejenigen (ZG) des Normalkühlmassenstroms (N).
Kälteanlage nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die von der Tiefkühlexpansionskühleinrichtung (62) bewirkten Druck- und Enthalpiewerte des Tiefkühlhauptmassenstroms (TH) nahe der Sättigungskurve (110) in dem Enthalpie-/Druckdiagramm liegen.
Kälteanlage nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die von der Tiefkühlexpansionskühleinrichtung (62) bewirkten Druck- und Enthalpiewerte des Tiefkühlhauptmassenstroms (TH) im Wesentlichen auf der Sättigungskurve (110) des Enthalpie-/Druckdiagramms liegen.
Kälteanlage nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Expansionskühleinrichtung (32) ein Expansionsorgan zur Expansion des Gesamtmassenstroms (G) auf einen Zwischendruck (PZ) aufweist und dass ein Maximalwert des Zwischendruck (PZ) einstellbar ist.
Kälteanlage nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Zwischendruck (PZ) auf einen Maximalwert von 40 bar oder weniger einstellbar ist.
Kälteanlage nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Zwischendruck (PZ) durch Zufuhr mindestens eines Teils des Zusatzmassenstroms (Z) zu einem Zusatzsauganschluss (26) der Kältemittelverdichtereinheit (12) einstellbar ist.
Kälteanlage nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Zwischendruck (PZ) durch Zufuhr mindestens eines Teils des Zusatzmassenstroms (Z) zu einem Sauganschluss (20) der Kältemittelverdichtereinheit (12) einstellbar ist.
Kälteanlage nach Anspruch 22 oder 23, dadurch gekennzeichnet, dass eine Steuerung (40) vorgesehen ist, welche den Zusatzmassenstrom (Z) entweder dem Zusatzverdichteranschluss (26) oder diesem und in Teilen dem Sauganschluss (20) der Kältemittelverdichtereinheit (12) zuführt.
Kälteanlage nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Expansionskühleinrichtung (32) die Enthalpie des Hauptmassenstroms (H) um mindestens 10% gegenüber der Enthalpie des Gesamtmassenstroms (G) reduziert.
Kälteanlage nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, dass die Expansionskühleinrichtung (32) die Enthalpie des Hauptmassenstroms (H) um mindestens 20% reduziert.
Kälteanlage nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Expansionskühleinrichtung (32) bei einem überkritischen Betrieb der Kälteanlage aktiv ist.
Kälteanlage nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Expansionskühleinrichtung (32) den Hauptmassenstrom (H) in einen thermodynamischen Zustand generiert, dessen Druck- und Enthalpiewerte niedriger sind als diejenigen eines Maximums der Sättigungskurve (110).
Kälteanlage nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, dass die von der Expansionskühleinrichtung (32) bewirkten Druck- und Enthalpiewerte des Hauptmassenstroms (H) nahe der Sättigungskurve (110) in dem Enthalpie-/Druckdiagramm liegen.
Kälteanlage nach Anspruch 29, dadurch gekennzeichnet, dass die von der Expansionskühleinrichtung (32) bewirkten Druck- und Enthalpiewerte des Hauptmassenstroms (H) im Wesentlichen auf der Sättigungskurve (110) des Enthalpie-/Druckdiagramms liegen.
Kälteanlage nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das in dem Sauganschluss (20) der Kältemittelverdichtereinheit (12) eintretende Kältemittel durch einen diesem vorgeschaltetem Wärmetauscher (130) erwärmbar ist.
Kälteanlage nach Anspruch 31, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher (130) Wärme aus dem aus dem hochdruckseitigen Wärmetauscher (130) austretenden Gesamtmassenstrom (G) entnimmt.