DE102007025319A1 - Refrigerating device comprises a first heat exchanger operating as a gas cooler and a regulating valve connected to the first heat exchanger in the flow direction of the coolant to control the pressure in the first heat exchanger - Google Patents
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Abstract
Description
Hintergrund der ErfindungBackground of the invention
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Kälteanlage, bei der ein Kältemittel in einem Kreislauf zirkuliert, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Sie betrifft außerdem Verfahren zum Betreiben einer Kälteanlage gemäß den Oberbegriffen der Ansprüche 10 und 15. Schließlich betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben einer Kälteanlage gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 16.The The present invention relates to a refrigeration system in which a refrigerant circulated in a circuit, according to the preamble of the claim 1. It also concerns Method for operating a refrigeration system according to the preambles of claims 10 and 15. Finally The invention relates to a method for operating a refrigeration system according to the generic term of claim 16.
Stand der TechnikState of the art
Aus dem Stand der Technik sind Kälteanlagen bekannt, die in einem thermodynamischen Kreisprozess unter Zuführung von Arbeit Kälte erzeugen. Dazu läuft ein Kältemittel in einem Kreislauf um, der einen ersten Wärmeübertrager, ein Expansionsmittel, einen zweiten Wärmeübertrager und einen Verdichter umfasst. In dem ersten Wärmeübertrager wird dem Kältemittel von einer im Vergleich zum Kältemittel kühleren Umgebung Wärme entzogen. Anschließend wird das Kältemittel mit Hilfe eines Expansionsmittels annähernd adiabatisch expandiert und dadurch auf eine niedrigere Temperatur gebracht. Das expandierte Kältemittel durchläuft einen zweiten Wärmeübertrager, in dem es Wärme von einer zu kühlenden Umgebung aufnimmt. Anschließend wird das Kältemittel in einem Verdichter verdichtet und dabei auf eine höhere Temperatur gebracht, um schließlich im ersten Wärmeübertrager die Wärme wieder an die Umgebung dieses Wärmeübertragers abzugeben, die im Vergleich zu der Temperatur des verdichteten Kältemittels kühler ist.Out the prior art are refrigeration systems known in a thermodynamic cycle with supply of Work cold produce. It works a refrigerant in a cycle involving a first heat exchanger, an expansion medium, a second heat exchanger and a compressor. In the first heat exchanger is the refrigerant of one compared to the refrigerant cooler Environment heat withdrawn. Subsequently becomes the refrigerant expanded with the help of an expansion agent approximately adiabatically and thereby brought to a lower temperature. That expanded refrigerant goes through a second heat exchanger, in which there is heat from one to be cooled Environment absorbs. Subsequently becomes the refrigerant compressed in a compressor while at a higher temperature finally brought in the first heat exchanger the Heat again to the environment of this heat exchanger give, compared to the temperature of the compressed refrigerant cooler is.
Bei üblichen Kälteanlagen wird der erste Wärmeübertrager als Verflüssiger betrieben in der Weise, dass das Kältemittel in gasförmigem Zustand in den ersten Wärmeübertrager einströmt und dort durch die Abkühlung verflüssigt wird. Bei der Expansion im Expansionsmittel geht das flüssige Kältemittel teilweise wieder in die Gasphase über. So betriebene Kälteanlagen erreichen einen besonders günstigen thermischen Wirkungsgrad (coefficient of performance, COP), wobei der thermische Wirkungsgrad durch das Verhältnis von Kühlleistung Q .o zu aufgebrachter technischer Leistung W . bestimmt ist: COP = Q .o/W ..In conventional refrigeration systems, the first heat exchanger is operated as a condenser in such a way that the refrigerant flows in the gaseous state in the first heat exchanger and is liquefied there by the cooling. During expansion in the expansion medium, the liquid refrigerant partially reverts to the gas phase. So operated refrigeration systems achieve a particularly favorable thermal efficiency (coefficient of performance, COP), wherein the thermal efficiency by the ratio of cooling capacity Q. o Applied technical power W. is determined: COP = Q. o / w ..
Bei vielen weit verbreiteten Kältemitteln, z. B. den Fluorkohlenwasserstoffen (FKW), kann nachteilig sein, dass sie eine erhebliche Treibhauswirkung (Global Warming Potential, GWP) aufweisen, wenn sie aus der Kälteanlage freigesetzt werden und in die Atmosphäre gelangen, z. B. durch Lecks in der Anlage oder bei ihrer Demontage am Ende ihrer Lebensdauer. Das Kältemittel Kohlendioxid, andererseits, gehört zu den Kältemitteln mit einem vergleichsweise geringen GWP. Jedoch kann bei Kohlendioxid als Kältemittel nachteilig sein, dass es oberhalb einer Temperatur von ca. 31°C (kritische Temperatur) nicht mehr verflüssigt werden kann, sondern stets in der sogenannten fluiden Phase vorliegt. Eine Kälteanlage, bei der Kohlendioxid als Kältemittel zum Einsatz kommt, kann deshalb in Fällen, in denen im ersten Wärmeübertrager eine Kondensationstemperatur unterhalb der kritischen Temperatur nicht zu erreichen ist, z. B. wegen einer hohen Umgebungstemperatur an heißen Sommertagen, nicht mehr im effizienten Verflüssigungsbetrieb betrieben werden.at many widely used refrigerants, z. As the hydrofluorocarbons (HFC), may be disadvantageous that they have a significant greenhouse effect (global warming potential, GWP) when released from the refrigeration system and in the atmosphere arrive, z. B. by leaks in the system or during their dismantling at the end of their life. The refrigerant Carbon dioxide, on the other hand, belongs to the refrigerants with a comparatively low GWP. However, with carbon dioxide as a refrigerant be disadvantageous that it above a temperature of about 31 ° C (critical Temperature) no longer liquefied can be, but always present in the so-called fluid phase. A refrigeration system, at the carbon dioxide as a refrigerant is used, therefore, in cases where in the first heat exchanger a condensation temperature below the critical temperature can not be reached, for. B. because of a high ambient temperature be called Summer days, no longer be operated in efficient liquefaction operation.
Der Erfindung zugrundeliegende AufgabeThe invention is based task
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Kälteanlage bereitzustellen. Außerdem liegt ihr die Aufgabe zugrunde, verbesserte Verfahren zum Betreiben einer Kälteanlage bereitzustellen.Of the Invention is based on the object, an improved refrigeration system provide. Furthermore its task is to improve the way it operates a refrigeration system provide.
Erfindungsgemäße LösungInventive solution
Zur Lösung der Aufgabe lehrt die vorliegende Erfindung eine Kälteanlage mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Sie lehrt außerdem Verfahren zum Betreiben einer Kälteanlage mit den Merkmalen der Ansprüche 10 und 15 und ein Verfahren zum Betreiben einer Kälteanlage mit den Merkmalen des Anspruchs 16.to solution The object of the present invention teaches a refrigeration system with the features of claim 1. It also teaches methods of operation a refrigeration system with the features of the claims 10 and 15 and a method of operating a refrigeration system with the features of claim 16.
Im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung bedeutet „Gaskühlbetrieb", dass der erste Wärmeübertrager als Gaskühler betrieben wird in dem Sinne, dass in dem ersten Wärmeübertrager keine Verflüssigung des Kältemittels stattfindet. Im Gaskühlbetrieb ist das Kältemittel in dem ersten Wärmeübertrager vorzugsweise transkritisch, d. h. in der fluiden Phase. „Verflüssigungsbetrieb" bedeutet, dass der erste Wärmeübertrager als Verflüssiger betrieben wird, d. h., dass das Kältemittel im ersten Wärmeübertrager wenigstens teilweise vom gasförmigen in den flüssigen Aggregatzustand übergeht.in the In the context of the present invention, "gas cooling operation" means that the first heat exchanger as a gas cooler is operated in the sense that in the first heat exchanger no liquefaction of the refrigerant takes place. In gas cooling mode is the refrigerant in the first heat exchanger preferably transcritical, d. H. in the fluid phase. "Liquefaction operation" means that the first heat exchanger as a liquefier is operated, d. h., that the refrigerant in the first heat exchanger at least partially from gaseous in the liquid State of aggregation passes.
Dadurch, dass die erfindungsgemäße Kälteanlage im Gaskühlbetrieb betrieben werden kann, ist erreichbar, dass sie auch in Fällen, in denen im ersten Wärmeübertrager eine Kondensationstemperatur unterhalb der kritischen Temperatur des Kältemittels nicht erreicht werden kann, z. B. an warmen Sommertagen, eingesetzt werden kann. Durch das dem ersten Wärmeübertrager nachgeschaltete Anstauventil kann der Druck p im Gaskühler gesteuert werden. Durch die Steuerung des Druck p in Abhängigkeit von einer Austrittstemperatur TAus des Kältemittels aus dem ersten Wärmeübertrager ist erreichbar, dass die Kälteanlage im Gaskühlbetrieb mit einem günstigen thermischen Wirkungsgrad betrieben wird. Dabei macht sich die Erfindung die Erkenntnis des Erfinders zunutze, dass der thermische Wirkungsgrad eine Funktion sowohl der Austrittstemperatur TAus des Kältemittels am als Gaskühler betriebenen ersten Wärmeübertrager als auch des Drucks p des Kältemittels im ersten Wärmeübertrager ist. Weiter hat der Erfinder festgestellt, dass bei einer gegebenen Austrittstemperatur TAus jeweils ein Druck oder Druckbereich existiert, in dem der thermische Wirkungsgrad besonders günstig ist. Dadurch, dass erfindungsgemäß der Druck p in dem Wärmeübertrager in Abhängigkeit von der vorliegenden Austrittstemperatur TAus gesteuert wird, kann der erste Wärmeübertrager bei einem Druck oder in einem Druckbereich betrieben werden, der sich durch diesen besonders günstigen thermischen Wirkungsgrad auszeichnet.The fact that the refrigeration system according to the invention can be operated in gas cooling operation is achievable that it can not be achieved even in cases where in the first heat exchanger, a condensation temperature below the critical temperature of the refrigerant can not be achieved, for. B. on warm summer days, can be used. The pressure p in the gas cooler can be controlled by the downstream of the first heat exchanger accumulation valve. By controlling the pressure p as a function of an outlet temperature T Aus of the refrigerant from the first heat exchanger can be achieved that the refrigeration system is operated in gas cooling operation with a favorable thermal efficiency. In this case, the invention utilizes the knowledge of the inventor that the thermal effect is a function of both the outlet temperature T off of the refrigerant at the first heat exchanger operated as a gas cooler and the pressure p of the refrigerant in the first heat exchanger. Next, the inventor has found that at a given outlet temperature T out each of a pressure or pressure range exists in which the thermal efficiency is particularly favorable. Characterized in that according to the invention, the pressure p in the heat exchanger in dependence on the existing outlet temperature T off is controlled, the first heat exchanger can be operated at a pressure or in a pressure range, which is characterized by this particularly favorable thermal efficiency.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Betreiben einer Kälteanlage nach Anspruch 11 kann die Kälteanlage je nach der ermittelten Temperatur zwischen dem Gaskühlbetrieb und einem Verflüssigungsbetrieb hin- und hergeschaltet werden. So ist erreichbar, dass vom Gaskühlbetrieb auf den Verflüssigungsbetrieb umgeschaltet werden kann, wenn die Betriebsbedingungen, z. B. die Umgebungstemperatur des ersten Wärmeübertragers, sich so ändern, dass eine Verflüssigungstemperatur unterhalb der kritischen Temperatur des Kältemittels erreichbar ist, und dass umgekehrt auch vom Verflüssigungsbetrieb in den Gaskühlbetrieb umgeschaltet werden kann, wenn eine Verflüssigungstemperatur unterhalb der kritischen Temperatur des Kältemittels nicht mehr oder nur noch bedingt erreicht werden kann. Insbesondere ist erreichbar, dass die Kälteanlage so betrieben wird, dass sie, wenn beide Betriebsarten möglich sind, vorzugsweise im Verflüssigungsbetrieb betrieben wird. Der Verflüssigungsbetrieb ist im allgemeinen im Hinblick auf den thermischen Wirkungsgrad günstiger als der Gaskühlbetrieb.at the method according to the invention for operating a refrigeration system according to claim 11, the refrigeration system depending on the determined temperature between the gas cooling operation and a liquefaction operation be switched back and forth. So is achievable that of the gas cooling operation to the liquefaction plant can be switched if the operating conditions, eg. B. the Ambient temperature of the first heat exchanger, to change so that a liquefaction temperature can be reached below the critical temperature of the refrigerant, and conversely, also from the liquefaction operation in the gas cooling operation can be switched if a condensing temperature below the critical temperature of the refrigerant no longer or only conditionally can be achieved. Especially is achievable that the refrigeration system operated in such a way that, if both modes are possible, preferably operated in liquefaction operation becomes. The liquefaction operation is generally in terms of thermal efficiency better as the gas cooling operation.
Bevorzugte Ausgestaltungen der ErfindungPreferred embodiments of the invention
Vorteilhafte Aus- und Weiterbildungen, welche einzeln und in Kombination miteinander eingesetzt werden können, sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.advantageous Training and further education, which individually and in combination with each other can be used are the subject of the dependent Claims.
In einer bevorzugten Ausführung der Erfindung erfolgt das Steuern des Drucks p des Kältemittels im Gaskühlbetrieb mit Hilfe eines im ersten Wärmeübertrager nachgeschalteten Anstauventils. Das bevorzugte Anstauventil kann den Durchstrom des Kältemittels drosseln, in einer denkbaren Ausführung auch im Wesentlichen ganz unterbinden, um den Druck p des Kältemittels im ersten Wärmeübertrager zu erhöhen, oder es kann den Durchstrom erleichtern, um den Druck p zu senken. Auf diese Weise kann der Druck im ersten Wärmeübertrager auf einen bevorzugten Wert eingestellt werden. Das Anstauventil ist dazu vorzugsweise mit einem Druckfühler ausgestattet, der besonders vorzugsweise in das Anstauventil integriert ist.In a preferred embodiment The invention is the control of the pressure p of the refrigerant in gas cooling mode with the help of one in the first heat exchanger downstream accumulation valve. The preferred damming valve can the flow of the refrigerant throttle, in a conceivable embodiment also essentially Stop completely to the pressure p of the refrigerant in the first heat exchanger increase, or it can facilitate the flow to lower the pressure p. In this way, the pressure in the first heat exchanger on a preferred Value to be set. The damming valve is preferred for this purpose equipped with a pressure sensor, which is particularly preferably integrated in the backup valve.
Vorzugsweise umfasst die Kälteanlage außerdem einen ersten Temperaturfühler, um die Austrittstemperatur des Kältemittels beim Austritt aus dem ersten Wärmeübertrager zu ermitteln. Der erste Temperaturfühler steht vorzugsweise mit dem Anstauventil in Funktionsverbindung, um letzteres abhängig von der Austrittstemperatur TAus anzusteuern. Der erste Temperaturfühler ist vorzugsweise am Ausgang des ersten Wärmeübertragers angeordnet. Es ist aber auch denkbar, einen Temperaturfühler an anderer Stelle anzuordnen und anhand der dort ermittelten Temperatur das Anstauventil anzusteuern, wenn diese Temperatur in einem bekannten Zusammenhang mit der Austrittstemperatur TAus steht. So kann insbesondere statt des ersten Temperaturfühlers (oder auch zusätzlich zu ihm) ein zweiter Temperaturfühler zum Ermitteln der Umgebungstemperatur Taußen vorgesehen sein.Preferably, the refrigeration system also includes a first temperature sensor to determine the outlet temperature of the refrigerant at the exit from the first heat exchanger. The first temperature sensor is preferably in functional connection with the damming valve in order to control the latter depending on the outlet temperature T Aus . The first temperature sensor is preferably arranged at the outlet of the first heat exchanger. However, it is also conceivable to arrange a temperature sensor elsewhere and to control the damming valve on the basis of the temperature determined there, if this temperature is in a known relationship with the outlet temperature T Off . Thus, in particular instead of the first temperature sensor (or in addition to it), a second temperature sensor for determining the ambient temperature T may be provided on the outside .
Um das Anstauventil anhand der ermittelten Temperaturwerte im Gaskühlbetrieb anzusteuern, ist vorzugsweise ein Rechenmittel vorgesehen, zum Beispiel eine elektronische Schaltung mit einem Mikroprozessor. Insbesondere, wenn das Anstauventil nicht anhand der Austrittstemperatur TAus sondern z. B. anhand der Umgebungstemperatur Taußen gesteuert wird, sind in dem Rechenmittel vorzugsweise Wärmeübertragungseigenschaften des ersten Wärmeübertragers als Parameter hinterlegt, um anhand dieser Wärmeübertragungseigenschaften von der/den gemessenen Temperatur(en) auf den einzustellenden Druck p des Kältemittels zu schließen. Das Rechenmittel bildet vorzugsweise eine bauliche Einheit mit dem ersten Wärmeübertrager, besonders vorzugsweise mit dem ersten Wärmeübertrager und dem Anstauventil.In order to control the damming valve on the basis of the determined temperature values in the gas cooling operation, preferably a computing means is provided, for example an electronic circuit with a microprocessor. In particular, if the backup valve is not based on the outlet temperature T Aus but z. B. is externally controlled on the basis of the ambient temperature T, heat transfer properties of the first heat exchanger are preferably stored as parameters in the computing means to close on the basis of these heat transfer properties of the / the measured temperature (s) to the set pressure p of the refrigerant. The computing means preferably forms a structural unit with the first heat exchanger, particularly preferably with the first heat exchanger and the backup valve.
Der erste Wärmeübertrager und das Anstauventil bilden vorzugsweise eine bauliche Einheit. Besonders vorzugsweise sind sie in einem gemeinsamen Gehäuse untergebracht. Besonders vorzugsweise umfasst die gemeinsame bauliche Einheit neben dem ersten Wärmeübertrager und dem Anstauventil auch den ersten Temperaturfühler. Der erste Temperaturfühler ist vorzugsweise zwischen dem ersten Wärmeübertrager und dem Anstauventil im Kreislauf der Kälteanlage angeordnet, besonders vorzugsweise direkt angrenzend an den ersten Wärmeübertrager.Of the first heat exchanger and the backup valve preferably form a structural unit. Particularly preferably they are housed in a common housing. Particularly preferably, the common structural unit includes beside the first heat exchanger and the damming valve also the first temperature sensor. The first temperature sensor is preferably between the first heat exchanger and the back pressure valve in the cycle of the refrigeration system arranged, more preferably directly adjacent to the first Heat exchanger.
In einer bevorzugten Ausführung der Erfindung wird im Gaskühlbetrieb der Druck p des Kältemittels in dem ersten Wärmeübertrager wenigstens innerhalb eines vorgegebenen Bereichs des Drucks p so gesteuert, dass er stetig von der Austrittstemperatur TAus abhängt, vorzugsweise im Wesentlichen linear: p = a × TAus + b. Dabei sind a und b vorbestimmte Größen.In a preferred embodiment of the invention, in the gas cooling operation, the pressure p of the refrigerant in the first heat exchanger is controlled at least within a predetermined range of the pressure p so that it depends continuously on the outlet temperature T Aus , preferably substantially linearly: p = a × T off + b. Here, a and b are predetermined sizes.
Vorzugsweise wird der Druck p des Kältemittels in dem ersten Wärmeübertrager wenigstens innerhalb eines vorgegebenen Bereichs der Austrittstemperatur TAus so gesteuert, dass er oberhalb pmin = 2,775 bar/°C × TAus – 18,2917 bar, besonders vorzugsweise oberhalb pmin = 2,775 bar/°C × TAus – 13,2917 bar; besonders vorzugsweise oberhalb pmin = 2,775 bar/°C × TAus – 10,7917 bar, besonders vorzugsweise oberhalb pmin = 2,775 bar/°C × TAus – 9,5417 bar liegt. Vorzugsweise wird der Druck p des Kältemittels in dem ersten Wärmeübertrager wenigstens innerhalb eines vorgegebenen Bereichs der Austrittstemperatur TAus so gesteuert, dass er unterhalb pmax = 2,775bar/°C × TAus + 12,2917 bar, besonders vorzugsweise unterhalb pmin = 2,775 bar/°C × TAus + 2,2917 bar, besonders vorzugsweise unterhalb pmax = 2,775 bar/°C × TAus – 3,2917 bar besonders vorzugsweise unterhalb pmax = 2,775bar/°C × TAus – 5,7917 bar liegt. Besonders vorzugsweise liegt der Druck innerhalb des vorgegebenen Bereichs in der Nähe von popt = 2,775 bar/°C × TAus – 8,2917 bar.Preferably, the pressure p of the refrigerant in the first heat exchanger at least within a predetermined range of the outlet temperature T out is controlled so that it above p min = 2.775 bar / ° C × T off - 18.2917 bar, more preferably above p min = 2.775 bar / ° C × T off - 13.2917 bar; particularly preferably above p min = 2.775 bar / ° C × T off - 10.7917 bar, more preferably above p min = 2.775 bar / ° C × T off - 9.5417 bar. Preferably, the pressure p of the refrigerant in the first heat exchanger at least within a predetermined range of the outlet temperature T out is controlled to be below p max = 2.775 bar / ° C × T out + 12.2917 bar, more preferably below p min = 2.775 bar / ° C × T off + 2.2917 bar, more preferably below p max = 2.775 bar / ° C × T off - 3.2917 bar particularly preferably below p max = 2.775 bar / ° C × T off - 5.7917 bar is located. Particularly preferably, the pressure is within the predetermined range in the vicinity of p opt = 2.775 bar / ° C × T off - 8.2917 bar.
Der oben erwähnte vorgegebene Bereich des Drucks p ist vorzugsweise ein nach oben offener Bereich, dessen Untergrenze oberhalb des kritischen Drucks des Kältemittels liegt, besonders vorzugsweise über 31°C, z. B. zwischen 31 und 34°C, z. B. bei 32°C. Der Druck p im ersten Wärmetauscher wird im Gaskühlbetrieb vorzugsweise so gesteuert, dass er die Untergrenze nicht unterschreitet, um sicherzustellen, dass das Kältemittel im ersten Wärmeübertrager transkritisch bleibt. Mit dieser Ausführung der Erfindung kann vorteilhaft sichergestellt werden, dass die erfindungsgemäße Kälteanlage stabil im Gaskühlerbetrieb arbeitet.Of the mentioned above predetermined range of the pressure p is preferably an upward open area whose lower limit is above the critical pressure of the refrigerant is, especially preferably over 31 ° C, z. Between 31 and 34 ° C, z. At 32 ° C. The pressure p in the first heat exchanger is in gas cooling mode preferably controlled so that it does not fall below the lower limit, to make sure the refrigerant in the first heat exchanger remains transcritical. With this embodiment of the invention may be advantageous ensure that the refrigeration system according to the invention stable in gas cooler operation is working.
Im Verflüssigungsbetrieb wird der Druck p des Kältemittels in dem ersten Wärmeübertrager mittels eines dem ersten Wärmeübertrager nachgeschalteten Anstauventils vorzugsweise so gesteuert, dass der Druck p einen Mindest-Verflüssigungsdruck pmin verf nicht unterschreitet. Mit dieser Ausführung der Erfindung kann vorteilhaft erreicht werden, dass der Druck p so einstellbar ist, dass eine einwandfreie Funktionsweise der Kälteanlage, insbesondere des Expansionsventils und des Verdichters der Kälteanlage, sichergestellt ist. Diese erfordern gewöhnlich eine Mindestdruckdifferenz zwischen dem Kondensationsdrucke und dem Verdampfungsdruck in einem zweiten Wärmeübertrager, in dem dem Kühlmittel Wärme aus der Umgebung zugeführt wird.In the liquefaction operation, the pressure p of the refrigerant in the first heat exchanger is preferably controlled by means of a surge valve connected downstream of the first heat exchanger so that the pressure p does not fall below a minimum condensing pressure p min . With this embodiment of the invention can be advantageously achieved that the pressure p is adjustable so that proper functioning of the refrigeration system, in particular the expansion valve and the compressor of the refrigeration system is ensured. These usually require a minimum pressure difference between the condensation pressures and the evaporation pressure in a second heat exchanger in which heat is supplied to the coolant from the environment.
Diese Ausführung der Erfindung nutzt aus, dass durch Anstauen des Kältemittels die Wärmeübertragungseigenschaften des ersten Wärmeübertragers verschlechtert werden können, vorzugsweise durch Verkleinern der zu Verfügung stehenden wärmeübertragenden Fläche, wodurch sich die Verflüssigungstemperatur Tverf und damit der Druck p erhöht. Der Mindest-Verflüssigungsdruck Pmin verf wird vorzugsweise so niedrig wie möglich aber so hoch wie nötig gewählt, um die ordnungsgemäße Funktion der Kälteanlage zu gewährleisten. Er liegt vorzugsweise 1 bis 10 bar, besonders vorzugsweise zwischen 2 und 5 bar über dem Verdampfungsdruck.This embodiment of the invention utilizes the fact that the heat transfer characteristics of the first heat exchanger may be deteriorated by damming up of the refrigerant, preferably by reducing the standing to available heat transfer surface, thus increasing the condensing temperature T increases feature and thus the pressure p. The minimum condensing pressure P min is preferably selected as low as possible but as high as necessary to ensure the proper functioning of the refrigeration system. It is preferably 1 to 10 bar, more preferably between 2 and 5 bar above the evaporation pressure.
Der Druck p kann mittels eines Druckfühlers erfolgen oder er kann von der Verflüssigungstemperatur Tverf und/oder mindestens einer Temperatur, die mit der Austrittstemperatur TAus in einem bekannten Zusammenhang steht, abgeleitet werden. So kann insbesondere statt des ersten Temperaturfühlers (oder auch zusätzlich zu ihm) ein zweiter Temperaturfühler zum Ermitteln der Umgebungstemperatur Taußen vorgesehen sein Auch ist denkbar, dass noch ein weiterer Temperaturfühler vorgesehen ist, vorzugsweise zum Messen einer Verdampfungstemperatur in dem zweiten Wärmeübertrager, und die Verdampfungstemperatur ebenfalls zur Steuerung des Anstauventils herangezogen wird.The pressure p can be done using a pressure sensor or it may be features of the condensing temperature T and / or at least a temperature which is related to the outlet temperature T out in a known relationship derived. Thus, instead of the first temperature sensor (or in addition to it), a second temperature sensor for determining the ambient temperature T can be provided externally . It is also conceivable that a further temperature sensor is provided, preferably for measuring an evaporation temperature in the second heat exchanger, and the evaporation temperature also used to control the backup valve.
Das Ansteuern des Anstauventils anhand der ermittelten Temperaturwerte im Verflüssigungsbetreib geschieht vorzugsweise ebenfalls durch das Rechenmittel. Insbesondere, wenn das Anstauventil nicht anhand der Austrittstemperatur TAus sondern z. B. anhand der Umgebungstemperatur Taußen gesteuert wird, sind in dem Rechenmittel vorzugsweise Wärmeübertragungseigenschaften des ersten Wärmeübertragers als Parameter hinterlegt, um anhand dieser Wärmeübertragungseigenschaften von der/den gemessenen Temperatur(en) auf den einzustellenden Druck p des Kältemittels zu schließen.The control of the backup valve on the basis of the determined temperature values in the liquefaction operation is preferably also done by the computing means. In particular, if the backup valve is not based on the outlet temperature T Aus but z. B. is controlled externally on the basis of the ambient temperature T, heat transfer properties of the first heat exchanger are preferably stored as parameters in the computing means to close on the basis of these heat transfer properties of the / the measured temperature (s) to the set pressure p of the refrigerant.
Die bevorzugte Kälteanlage ist sowohl im Gaskühlbetrieb als auch im Verflüssigungsbetrieb betreibbar. Vorzugsweise wird beim Verflüssigungsbetrieb der Kälteanlage die Verflüssigungs- oder Kondensationstemperatur Tverf des Kältemittels ermittelt und die Kälteanlage auf Gaskühlbetrieb umgeschaltet, wenn die Verflüssigungs- oder Kondensationstemperatur Tverf festgelegte Verflüssigungsgrenztemperatur Tswitch verf überschreitet. Das Umschalten vom Verflüssigungsbetrieb zum Gaskühlbetrieb erfolgt vorzugsweise durch Anstauen des Kältemittels am Anstauventil, vorzugsweise um einen Druck p im ersten Wärmeübertrager oberhalb des kritischen Drucks des Kältemittels zu erreichen. Zum Anstauen wird das Anstauventil vorzugsweise wenigstens teilweise geschlossen. In einer Ausführung der Erfindung wird eine Überbrückung des Anstauventils unterbrochen.The preferred refrigeration system is operable both in gas cooling operation and in liquefaction operation. Preferably, in the liquefaction operation of the refrigeration system, the liquefaction or condensation temperature T is determined feature of the refrigerant and the refrigeration system is switched on gas cooling operation, when the liquefaction or condensation temperature T features specified liquefaction limit temperature T exceeds switch feature. The switching from the liquefaction operation to the gas cooling operation is preferably carried out by accumulating the refrigerant at the accumulation valve, preferably in order to achieve a pressure p in the first heat exchanger above the critical pressure of the refrigerant. For damming the damming valve is preferably at least partially closed. In one embodiment of the invention, a bridging of the accumulation valve is interrupted.
Zum Bestimmen der Verflüssigungs- oder Kondensationstemperatur wird vorzugsweise die Temperatur des Kältemittels stromabwärts des ersten Wärmeübertragers, besonders vorzugsweise am Ausgang des ersten Wärmeübertragers, besonders vorzugsweise vor dem Anstauventil gemessen, vorzugsweise mit einem Temperaturfühler, z. B. dem ersten Temperaturfühler. Ein Überschreiten der Verflüssigungsgrenztemperatur ist vorzugsweise ein Überschreiben für die Dauer eines festgelegten Zeitraums, z. B. 5 min. Es sind aber auch Ausführungen der Erfindung denkbar, bei denen die Kälteanlage sofort auf den Gaskühlbetrieb umschaltet, wenn eine Verflüssigungs- oder Kondensationstemperatur Tverf oberhalb der Verflüssigungsgrenztemperatur Tswitch verf festgestellt wird. Die Verflüssigungsgrenztemperatur Tswitch verf liegt vorzugsweise unterhalb der kritischen Temperatur des Kältemittels, besonders vorzugsweise unter 31°C, besonders vorzugsweise unter 30°C, besonders vorzugsweise unter 29°C. Sie liegt außerdem vorzugsweise über 0°C, besonders vorzugsweise über 10°C, besonders vorzugsweise über 20°C, besonders vorzugsweise über 25°C, z. B. bei 27°C.For determining the liquefaction or condensation temperature, preferably the temperature of the refrigerant downstream of the first heat exchanger, particularly preferably at the outlet of the first heat exchanger, particularly preferably measured before the back pressure, preferably with a temperature sensor, for. B. the first temperature sensor. Exceeding the liquefaction limit temperature is preferably an override for the duration of a predetermined period of time, e.g. B. 5 min. However, embodiments of the invention are also conceivable in which the refrigeration system switches immediately to the gas cooling operation when a liquefaction or condensation temperature T verf above the liquefaction limit temperature T switch is detected. The liquefaction limit temperature T switch is preferably below the critical temperature of the refrigerant, particularly preferably below 31 ° C., particularly preferably below 30 ° C., particularly preferably below 29 ° C. It is also preferably above 0 ° C, more preferably above 10 ° C, more preferably above 20 ° C, particularly preferably above 25 ° C, z. At 27 ° C.
Bei einem Betrieb der Kälteanlage im Gaskühlbetrieb wird vorzugsweise eine Außentemperatur Taußen einer Umgebung des ersten Wärmeübertragers ermittelt, besonders vorzugsweise mittels eines zweiten Temperaturfühlers. Der zweite Temperaturfühler bildet vorzugsweise eine bauliche Einheit mit dem ersten Wärmeübertrager, besonders vorzugsweise mit dem ersten Wärmeübertrager und dem Anstauventil. Besonders vorzugsweise ist der zweite Temperaturfühler zum Messen der Außentemperatur Taußen in einem gemeinsamen Gehäuse mit dem ersten Wärmeübertrager, besonders vorzugsweise mit dem ersten Wärmeübertrager und dem Anstauventil untergebracht. Vorzugsweise wird die Kälteanlage vom Gaskühlbetrieb in den Verflüssigungsbetrieb umgeschaltet, wenn die ermittelte Umgebungstemperatur Taußen des ersten Wärmeübertragers eine festgelegte Umgebungsgrenztemperatur Tswitch außen unterschreitet. Die bevorzugte Umgebungsgrenztemperatur Taußen liegt vorzugsweise unterhalb der kritischen Temperatur des Kältemittels, besonders vorzugsweise unter 31°C, besonders vorzugsweise unter 25°C, besonders vorzugsweise unter 20°C, besonders vorzugsweise unter 18°C. Sie liegt vorzugsweise über 0°C, besonders vorzugsweise über 8°C, besonders vorzugsweise über 12°C, besonders vorzugsweise über 14°C, z. B. bei 16°C. Die Umschaltung vom Gaskühlbetrieb zum Verflüssigungsbetrieb erfolgt vorzugsweise durch Öffnen oder Überbrücken des Anstauventils.During operation of the refrigeration system in gas cooling operation, an outside temperature T is preferably determined outside an environment of the first heat exchanger, particularly preferably by means of a second temperature sensor. The second temperature sensor preferably forms a structural unit with the first heat exchanger, particularly preferably with the first heat exchanger and the backup valve. Particularly preferably, the second temperature sensor for measuring the outside temperature T is accommodated outside in a common housing with the first heat exchanger, particularly preferably with the first heat exchanger and the backup valve. Preferably, the refrigeration system is switched from the gas cooling operation in the liquefaction operation when the determined ambient temperature T outside the first heat exchanger falls below a predetermined ambient limit temperature T switch outside . The preferred ambient limit temperature T outside is preferably below the critical temperature of the refrigerant, particularly preferably below 31 ° C., particularly preferably below 25 ° C., particularly preferably below 20 ° C., particularly preferably below 18 ° C. It is preferably above 0 ° C, more preferably above 8 ° C, more preferably above 12 ° C, particularly preferably above 14 ° C, z. At 16 ° C. The switching from the gas cooling operation to the liquefaction operation is preferably carried out by opening or bridging the backup valve.
Das bevorzugte Kältemittel ist Kohlendioxid. Es sind aber auch andere Kältemittel denkbar.The preferred refrigerant is carbon dioxide. But there are also other refrigerants conceivable.
Eine bevorzugte Kälteanlage umfasst außerdem ein dem Anstauventil in Fließrichtung des Kältemittels nachgeschaltetes Expansionsmittel, vorzugsweise ein Expansionsventil, um das Kältemittel zu expandieren, vorzugsweise im wesentlichen adiabatisch. Im Verflüssigungsbetrieb geht das verflüssigte Kältemittel beim Expandieren vorzugsweise wenigstens teilweise in die Gasphase über.A preferred refrigeration system also includes a the damming valve in the flow direction of the refrigerant downstream expansion means, preferably an expansion valve, to the refrigerant to expand, preferably substantially adiabatic. In liquefaction operation goes the liquefied refrigerant during expansion, preferably at least partially into the gas phase.
Vorzugsweise umfasst die erfindungsgemäße Kälteanlage einen dem Expansionsmittel in Fließrichtung des Kältemittels nachgeschalteten zweiten Wärmeübertrager, um dem expandierten Kältemittel Wärme zuzuführen, vorzugsweise aus einer zu kühlenden Umgebung des zweiten Wärmeübertragers, z. B. einen Kühlraum. Im Verflüssigungsbetrieb gehen flüssige Anteile des Kältemittels im zweiten Wärmeübertrager vorzugsweise vollständig in die Gasphase über.Preferably includes the refrigeration system according to the invention a the expansion agent in the flow direction of the refrigerant downstream second heat exchanger, to supply heat to the expanded refrigerant, preferably from a to be cooled Environment of the second heat exchanger, z. B. a refrigerator. In liquefaction operation go liquid Proportions of the refrigerant in the second heat exchanger preferably completely into the gas phase over.
In einer bevorzugten Ausführung der Erfindung umfasst die Kälteanlage außerdem ein in Fließrichtung des Kältemittels dem zweiten Wärmeübertrager nachgeschalteten und dem ersten Wärmeübertrager vorgeschalteten Verdichter, um das Kältemittel zu verdichten. Der bevorzugte Verdichter ist ein Kompressor, z. B. ein Rollkolben, ein Scrollverdichter, ein Hubkolbenverdichter, ein Schraubenverdichter oder ein Turboverdichter. Es sind aber auch Ausführungen der Erfindung denkbar, bei denen der Verdichter ein thermischer Verdichter ist, wie er z. B. aus Absorptionskälteanlagen bekannt ist.In a preferred embodiment The invention includes the refrigeration system Furthermore one in the flow direction of the refrigerant the second heat exchanger downstream and the first heat exchanger upstream compressor, to the refrigerant to condense. The preferred compressor is a compressor, for. B. a rolling piston, a scroll compressor, a reciprocating compressor, a screw compressor or a turbocompressor. But they are too versions the invention conceivable in which the compressor is a thermal Compressor is how he z. B. from absorption refrigeration systems is known.
In einer möglichen Ausführung umfasst die erfindungsgemäße Kälteanlage einen Wärmetauscher, der eine Wärmeübertragung von im ersten Wärmeübertrager abgekühlten komprimierten Kältemittel zum expandierten Kältemittel vor der Kompression. Dazu ist die warme Seite vorzugsweise in Fließrichtung des Kältemittels dem ersten Wärmeübertrager nachgeschaltet und dem Verdichter vorgeschaftet. In dieser Ausführung der Erfindung kann erreicht werden, dass das Kältemittel vor der Expansion weiter abgekühlt wird, um am zweiten Wärmeübertrager noch tiefere Temperaturen zu erreichen. Die Erfindung umfasst auch Ausführungen mit mehreren Wärmeübertragern, Expansionsmitteln und Verdichtern, die zueinander parallel oder in Reihe geschaltet sein können. Bei mehreren hintereinander geschalteten Verdichtern kann die kalte Seite des Wärmetauschers in Kältemittelkreislauf zwischen den beiden Verdichtern angeordnet sein. Die erfindungsgemäße Kälteanlage kann auch mehrere Kältemittelkreisläufe umfassen, die parallel oder kaskadenartig miteinander verbunden sind.In a possible execution includes the refrigeration system according to the invention a heat exchanger, the one heat transfer from in the first heat exchanger cooled compressed refrigerant to the expanded refrigerant before the compression. For this, the warm side is preferably in the flow direction of the refrigerant downstream of the first heat exchanger and the compressor. In this embodiment of the invention can be achieved that the refrigerant Cooled down before expansion is going to be on the second heat exchanger yet to reach lower temperatures. The invention also includes embodiments with several heat exchangers, Expansion means and compressors that are parallel to each other or can be connected in series. For several compressors connected in series, the cold can Side of the heat exchanger in refrigerant circuit be arranged between the two compressors. The refrigeration system according to the invention can also comprise several refrigerant circuits, which are connected in parallel or cascade-like manner.
Kurzbeschreibung der FigurenBrief description of the figures
Die Erfindung wird im folgenden anhand schematischer Zeichnungen an Ausführungsbeispielen in weiteren Einzelheiten näher erläutert.The The invention will be described below with reference to schematic drawings embodiments in more detail explained.
Es zeigen:It demonstrate:
Ausführliche Beschreibung eines AusführungsbeipielsDetailed description of a execution Beipiels
Zur
Erläuterung
der Funktionsweise der Kälteanlage
Der
Kreisprozess beim Verflüssigungsbetrieb
der Kälteanlage
Diesen
Zusammenhang nutzt die in
Steigt
die Verflüssigungstemperatur über Tswitch verf = 26°C, wird die Kälteanlage
auf Gaskühlbetrieb
mit transkritischem Kohlendioxid umgeschaltet. Das geschieht, indem
das Anstauventil
Die in der vorstehenden Beschreibung, den Ansprüchen und den Zeichnungen offenbarten Merkmale können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Verwirklichung der Erfindung in ihren verschiedenen Ausgestaltungen von Bedeutung sein.The in the foregoing description, claims and drawings Features can both individually and in any combination for the realization the invention in its various embodiments of importance be.
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