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Die
Erfindung betrifft eine Kälteanlage mit integrierter Wärmepumpenschaltung
zum Kühlen, Klimatisieren und Heizen. Ein Strang des Kältemittelkreislaufes
ist in Verbindung mit Komponenten der Kälteanlage als Wärmepumpenanlage
ausgebildet. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben
einer Kälteanlage mit integrierter Wärmepumpenschaltung.
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Kälteanlagen
mit einer Vielzahl von Verdampfern sind als Verbundkälteanlagen
bekannt. Diese Anlagen kommen beispielsweise in Supermärkten
zur Anwendung, in denen die Verdampfer in sogenannten Verbrauchern,
wie Kühlräumen, Kühl- und Tiefkühlmöbeln,
integriert sind. Dabei werden Kälteleistungen auf verschiedenen
Temperaturniveaus bereitgestellt. Die unterschiedlichen Temperaturniveaus
bedingen unterschiedliche Drücke während der Verdampfung
des Kältemittels. Eine herkömmliche Verbundkälteanlage
wird anhand 1 näher erläutert.
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Die
Kälteanlage 1 besteht als geschlossenes System
im Wesentlichen aus den Komponenten Verdampfer 2, 3,
Verdichter 5, 6, Kondensator 8 und Expansionsorgan 11, 13.
Das im Verdampfer 2, 3 verdampfende Kältemittel
nimmt bei konstanter Temperatur Wärme auf, zum Beispiel
im Falle von Kühlmöbeln aus der Luft, die sich
innerhalb der Möbel befindet. Die Luft kühlt sich
ab, von außen eindringende Wärme wird abgeführt.
Nach Überhitzung des verdampften Kältemittels
wird dieses durch eine Saugleitung 19, 20 als
Verbindung zwischen Verdampfer 2, 3 und Verdichter 5, 6 vom
Verdichter 5, 6 angesaugt und auf einen höheren
Druck verdichtet. Dabei nimmt neben dem Druck auch die Temperatur
des dampfförmigen Kältemittels zu. Das sogenannte Heißgas,
auch als überhitzter Dampf bezeichnet, wird dem Kondensator 8 über
eine Druckleitung 17 zugeführt, im Kondensator 8 auf
Kondensationstemperatur abgekühlt und anschließend
bei konstanter Temperatur verflüssigt. Die Abkühlung
auf Kondensationstemperatur wird auch als Enthitzen bezeichnet.
Die Verflüssigung des Kältemittels beginnt beim Erreichen
der Taulinie.
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Bei
der Verwendung der Kälteanlage 1 innerhalb eines
Supermarktes befindet sich der Kondensator 8 außerhalb
des Marktes von Außenluft umgeben. Das Kältemittel
gibt die im Verdampfer 2, 3 aufgenommene und bei
der Verdichtung zugeführte Wärme an die Umgebungsluft
wieder ab. Nach Austritt aus dem Kondensator 8 wird der
Druck des flüssigen Kältemittels innerhalb eines
Expansionsorgans 11, 13 auf Verdampfungsdruck
abgesenkt. Als Verbindung zwischen Kondensator 8 und Expansionsorgan 11, 13 dient
eine Flüssigkeitsleitung 18, die sich zur Speisung
der einzelnen Verdampfer 2, 3 verzweigt. Der Durchfluss
des Kältemittels zu den einzelnen Verdampfern wird dabei über
Magnetventile 10, 12 gesteuert. Im Anschluss an
den Expansionsvorgang liegt das Kältemittel als Flüssigkeits-Dampfgemisch
vor und wird wiederum dem Verdampfer 2, 3 zugeführt.
Der Kreislauf ist geschlossen.
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Innerhalb
eines derartigen Kältemittelkreislaufes ist ebenfalls die
Anordnung eines Kältemittelsammlers 9 bekannt,
der die Unterschiede an Kältemittelmenge während
des Betriebes innerhalb der Kälteanlage 1 ausgleicht.
Insbesondere bei Verbundkälteanlagen, bei denen eine Vielzahl
von Verdampfern 2, 3 parallel betreibbar sind,
ist der Einsatz des Kältemittelsammlers 9 notwendig.
Innerhalb des Kältemittelkreislaufes einer Verbundkälteanlage
muss hinreichend Kältemittelmenge zur Verfügung
gestellt werden, sodass auch bei maximalen Kältebedarf
alle Verdampfer 2, 3 ausreichend gespeist werden
können. Andererseits muss bei geringem Kältebedarf, bei
dem einzelne Verdampfer 2, 3 nur teilweise befüllt oder
gar nicht mit Kältemittel beaufschlagt sind, überschüssiges
Kältemittel gelagert werden.
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Bei
Verbundkälteanlagen ist vor jedem Verdampfer 2, 3 ein
Expansionsventil 11, 13 vorgeschaltet, in dem
der oben genannte Entspannungs- beziehungsweise Expansionsvorgang
realisiert wird. Die in 1 dargestellten Kombinationen
aus Verdampfer 2, 3 und Expansionsventil 11, 13 stellen lediglich beispielhaft
jeweils eine solche Kombination dar, an deren Stelle jedoch jeweils
eine Vielzahl von Kombinationen parallel betreibbar ist. Die Verdampfung
innerhalb der Verdampfer 2, 3 kann auf unterschiedlichen
Temperaturniveaus beziehungsweise Druckniveaus stattfinden.
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Außerdem
werden anstelle von einzelnen Verdichtern 5, 6 meist
Verdichtereinheiten, bestehend aus mehreren parallel betriebenen
Verdichtern, verwendet. Je nach auf der jeweiligen Saugseite anliegenden
Drücke arbeiten die Verdichter 5, 6 bei
unterschiedlichen Druckverhältnissen. Der Austrittsdruck
der Verdichter 5, 6, der im Wesentlichen dem Kondensationsdruck
entspricht, ist von der Kondensationstemperatur und damit den äußeren
Bedingungen des Kältemittelkreislaufes abhängig
und entspricht damit für alle Verdichter 5, 6 oder
deren Schaltung in Verdichtereinheiten dem gleichen Wert. Aus diesem
Grund verdichten alle Verdichter 5, 6 das Kältemittel
in eine gemeinsame Druckleitung 17.
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Eine ähnlich
der in
1 beschriebene Verbundkälteanlage geht
aus der
DE 10
2004 038 640 A1 hervor. Die Anlage weist neben mehreren
zu Einheiten zusammengefassten Verdichtern parallel betreibbare
Verdampfer auf, die Kälteleistungen auf verschiedenen Temperaturniveaus
bereitstellen. Der Betrieb der Verdampfer auf unterschiedlichen
Temperaturniveaus und damit Druckniveaus wird mittels Kaskadenschaltung
unterschiedlicher Kältemittelkreisläufe oder mittels
mehrstufiger Verdichtungsvorgänge realisiert.
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Zum
Stand der Technik gehören des Weiteren Kälteanlagen
mit einem System zur Wärmerückgewinnung. Dabei
wird nicht die vollständige, bei Hochdruck anfallende Wärme
im Kondensator an die Umgebungsluft übertragen. Vielmehr
ist in Strömungsrichtung des Kältemittels vor
dem ursprünglichen Kondensator ein zusätzlicher
Wärmeübertrager angeordnet. Innerhalb des zusätzlichen
Wärmeübertragers wird das Kältemittel,
das als Heißgas aus dem Verdichter austritt, abgekühlt
beziehungsweise enthitzt. Die dabei abgegebene Wärme wird
an das System der Wärmerückgewinnung übertragen
und in diesem beispielsweise zum Erwärmen eines Mediums
innerhalb eines Heizungssystem genutzt. Je nach übertragener
Wärme kann das Kältemittel im Wärmeübertrager
des Systems der Wärmerückgewinnung vollständig
enthitzt und zumindest zum Teil bereits verflüssigt werden.
Im ursprünglichen Kondensator wird das Kältemittel
je nach Eintrittszustand weiter enthitzt und/oder verflüssigt.
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Aus
der
DE 298 10 584
U1 geht eine temperaturgeführte Regelung einer
kombinierten Wärmepumpe-Kälteanlage hervor. Das
Prinzip der Anlage beruht auf der gleichzeitigen Erzeugung beziehungsweise
Bereitstellung von Kälte auf Niederdruckniveau und der
Abgabe von Nutzwärme an beispielsweise ein Heizsystem auf
Hochdruckniveau eines geschlossenen Kältemittelkreislaufes.
Die Anlage besteht aus mehreren Wärmeübertragern,
die als Verdampfer oder Kondensatoren eingesetzt werden.
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Ein
Verfahren zur Nutzung der Verflüssigungswärme
einer Kälteanlage wird auch in der
DE 34 09 313 C2 beschrieben.
Die Verflüssigungswärme des Kältemittelkreislaufes
wird zur Wärmerückgewinnung in einem ersten Wärmeübertrager
an einen flüssigen Wärmeträger abgegeben.
Besteht kein Bedarf an Heizwärme bei gleichzeitigem Bedarf
an Nutzkälte wird ein zweiter Wärmeübertrager
durch ein Kühlmittel, zum Beispiel Luft, beaufschlagt und
die Verflüssigungswärme an die Umgebungsluft übertragen.
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Abhängig
von der Jahreszeit und/oder Tageszeit werden unterschiedliche Kälteleistungen
der Verbraucher benötigt und innerhalb der Verdampfer an
das Kältemittel übertragen. Die verfügbare
Leistung des Systems der Wärmerückgewinnung ist
folglich von der in den Verdampfern aufgenommenen Gesamtwärme
abhängig und unterliegt damit ebenso den veränderlichen
Kälteleistungen der Verbraucher. In Bezug auf 1 stellen
die Verdampfer 2, 3 die die Wärme aufnehmenden
Komponenten dar, die bei hohem, im Kondensator 8 herrschenden
Druck wieder abgeführt wird.
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Infolge
der veränderlichen Kälteleistungen der Verbraucher
können bestimmte Betriebsbedingungen auftreten, bei denen
die gesamte bei Hochdruck abzugebende Wärmemenge nicht
ausreicht, um den Bedarf an Wärme des Systems der Wärmerückgewinnung
zu decken. Für diesen Fall ist es notwendig, neben der
Kälteanlage, die auch zur Wärmeerzeugung dient,
eine zusätzliche Wärmeerzeugungseinheit, zum Beispiel
einen zu befeuernden Kessel, zu installieren. Diese zusätzliche
Installation bewirkt nachteilig zusätzliche Kosten bei
der Investition und im Betrieb.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, eine Kälteanlage sowie
ein Verfahren zum Betreiben einer Kälteanlage zur Verfügung
zu stellen, mit der zum einen der Bedarf an Kälteleistungen
bei unterschiedlichen Temperaturniveaus und zum anderen der Bedarf
an Wärmeleistung eines Systems der Wärmerückgewinnung
bereitgestellt werden. Die Anlage soll bei der Installation und
beim Betreiben weniger kostenintensiv als die im Stand der Technik
bekannten Anlagen sein.
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Die
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Kälteanlage
mit einem geschlossenen Kältekreislauf gelöst,
die in Strömungsrichtung des Kältemittels mindestens
eine Verdichtereinheit, einen Wärmeübertrager,
der der Wärmerückgewinnung dient, einen luftbeaufschlagten
Kondensator, einen Sammler, ein Expansionsorgan und einen Verdampfer
aufweist. Im Kreislauf der Kälteanlage ist zusätzlich
ein Verdampfer einer integrierten Wärmepumpenschaltung
mit vorgeschaltetem Expansionsorgan integriert, der konzeptionsgemäß luftbeaufschlagt ausgebildet
ist. Der Verdampfer der Wärmepumpenschaltung ist erfindungsgemäß mit
dem Kondensator der Kälteanlage wärmeleitend gekoppelt.
Dieser doppelt wirkende Wärmeübertrager wird im
Weiteren auch als integrierter Kondensator-Verdampfer bezeichnet.
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Nach
einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist der Verdampfer
der Wärmepumpenschaltung so im Kältemittelkreislauf
integriert, dass er parallel zu einem weiteren Verdampfer geschaltet
ist.
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Der
Betrieb der Anlage ist unter anderem von der Umgebungstemperatur
und damit den aufzubringenden Leistungen für Heizung und
Kühlung abhängig. Der Verdampfer der Wärmepumpenschaltung
ist bei den äußeren Bedingungen zu betreiben,
bei denen die gesamte bei Hochdruck abzugebende Wärmemenge
nicht ausreicht, um den Bedarf an Wärme des Systems der
Wärmerückgewinnung zu decken. Die bei Hochdruck
abzugebende Wärmemenge ergibt sich dabei aus der Gesamtheit
der im herkömmlichen Kältemittelkreislauf aufgenommenen
Kälteleistungen zuzüglich der über die
Verdichtungsvorgänge eingebrachten Wärmemengen.
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Die
bei herkömmlichen Anlagen bei den genannten Betriebsbedingungen
extra benötigten Wärmeerzeugungseinheiten, wie
zu befeuernde Kessel, werden erfindungsgemäß durch
lediglich einen in der Kälteanlage zusätzlich
integrierten Wärmeübertrager ersetzt. Da dieser
Wärmeübertrager zudem parallel zu einem zur herkömmlichen
Kälteanlage gehörenden Verdampfer geschaltet ist
und damit kein zusätzlicher Bedarf an weiteren Komponenten,
beispielsweise einem Verdichter, besteht, ist der Aufwand an Kosten
der Erweiterung der Kälteanlage sehr gering.
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Konzeptionsgemäß ist
der integrierte Kondensator-Verdampfer als Rohrbündelwärmeübertrager
mit Lamellen ausgebildet. Die Lamellen umfassen dabei vorteilhaft
sowohl die Rohre des Verdampfers der Wärmepumpenschaltung
als auch die Rohre des Kondensators der Kälteanlage. Durch
die zusätzlich angeordneten Rohre, zum einen des Verdampfers
für den Kondensator und zum anderen des Kondensators für
den Verdampfer und die damit in Verbindung stehenden Lamellen, die
die unterschiedlichen Rohre zudem thermisch kontaktieren, wird die
Fläche zur Wärmeübertragung vergrößert. Die
Lamellen sind mit den Rohren des Verdampfers und des Kondensators
wärmeleitend gekoppelt. Die Außenluft beziehungsweise
Umgebungsluft strömt dabei durch die Zwischenräume
zwischen den Lamellen auf der Außenseite der Rohre. Das
Kältemittel strömt jeweils innerhalb der Rohre
im Falle des Verdampfers der Wärmepumpenschaltung unter
Verdampfungsdruck und im Falle des Kondensators unter Kondensationsdruck
der Kälteanlage. Durch die vergrößerte
Fläche ergeben sich vorteilhaft geringere Temperaturdifferenzen
beim Vorgang der Wärmeübertragung. Der Vorgang
der Verdampfung findet bei höherer Verdampfungstemperatur
und höherem Verdampfungsdruck, als bei Einsatz eines einzelnen Wärmeübertragers
mit geringerer Fläche, statt. Das Druckverhältnis
und damit die zugeführte Leistung am Verdichter sind geringer.
Die Leistungszahl der Anlage wird vorteilhaft größer.
Die Anlage arbeitet effizienter.
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Durch
die Integration von Verdampfer und Kondensator innerhalb einer Komponente
der Anlage ergeben sich neben den geringeren Temperaturdifferenzen
und damit höherer energetischer Effizienz der gesamten
Anlage weitere Vorteile. Da anstelle zweier Wärmeübertrager
lediglich ein integrierter Kondensator-Verdampfer zum Einsatz kommt,
werden sämtliche zu jedem einzelnen Wärmeübertrager gehörenden
peripheren Einrichtungen, wie Ventilatoren und Installationselemente,
eingespart. Dieses Einsparen steht in Verbindung mit wesentlich
geringeren Kosten als beim Einsatz zweier getrennter Wärmeübertrager.
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Sowohl
der Verdampfer der Wärmepumpenschaltung als auch der Kondensator
der Kälteanlage sind luftbeaufschlagte Wärmeübertrager,
die beide jeweils in Kontakt mit der Außenluft stehen,
wobei der Verdampfer Wärme aus der Umgebungsluft aufnimmt
und der Kondensator Wärme an die Umgebungsluft abgibt.
Beim Einsatz der Kälteanlage, beispielsweise in einem Supermarkt,
wären beide Wärmeübertrager unabhängig
voneinander auf der Außenseite des Gebäudes, zum
Beispiel auf dem Dach oder an einer Seite der Außenwand
des Gebäudes, zu platzieren. Durch die konzeptionsgemäße Zusammenführung
der Wärmeübertrager in einem einzelnen integrierten
Kondensator-Verdampfer kann zusätzlich Platz eingespart
werden.
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Bei
Betrieb der Wärmepumpenschaltung und Betriebsbedingungen
mit Temperaturen der Außenluft um 0°C und damit
Verdampfungstemperaturen unterhalb von 0°C kommt es zur
Vereisung der Wärmeübertragerfläche und
einer zunehmenden Verschlechterung des Wärmeüberganges.
Die Flächen müssen in regelmäßigen
Abständen abgetaut werden. Je größer
die Fläche und je höher die Verdampfungstemperatur,
um so langsamer vollzieht sich der Vorgang der Vereisung. Da konzeptionsgemäß beide
Kriterien durch die Erfindung erfüllt sind, wird die Vereisung
der Wärmeübertragfläche verzögert.
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Zudem
liegt das Temperaturniveau des Wärmeübertragers
im Betrieb als Kondensator der Kälteanlage bei Werten oberhalb
der Umgebungstemperatur, sodass die vereisten Flächen ohne
zusätzliche Einrichtungen, wie sie beispielsweise zum Heißgasabtauen
oder elektrischem Abtauen notwendig sind, abgetaut werden können.
Dazu ist der integrierte Wärmeübertrager vorteilhaft
in den Modus als Kondensator umzuschalten. Die bei der Kondensation abgeführte
Wärme dient dabei zum Schmelzen des Eises und Verdunsten
des Wassers. Durch den Verzicht auf zusätzliche Einrichtungen
zum Abtauen der Wärmeübertragerfläche
können weitere Kosten an Material und beim Installationsaufwand
eingespart werden. Auch der Betrieb der Anlage verursacht weniger
Kosten.
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Je
nach Bedarf an Kälteleistungen innerhalb der Gruppe der
Verdampfer auf den jeweiligen Temperaturniveaus wird die Regelung
der Verdichterleistungen dadurch vereinfacht, dass eine erste Gruppe der
Verdampfer über Saugleitungen mit einer ersten Verdichtereinheit
und eine zweite Gruppe der Verdampfer über Saugleitungen
mit einer zweiten Verdichtereinheit verbunden sind. Als Verdichtereinheiten
sind jeweils ein oder mehrere Verdichter zu verstehen, die parallel
miteinander verschaltet sind. Die Parallelschaltung ermöglicht
vorteilhaft das Zu- und Abschalten von Verdichtern, um die Masseströme des
Kältemittels und damit die Kälteleistungen dem Bedarf
der Verbraucher anzupassen. Schadhafte Verdichter können
während des Betriebes der Anlage gewechselt werden.
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Beim
erfindungsgemäßen Verfahren zum Betreiben einer
Kälteanlage, wobei eine erste Verdichtereinheit über
Saugleitungen das Kältemittel aus der ersten Gruppe der
Verdampfer absaugt und eine zweite Verdichtereinheit über
Saugleitungen das Kältemittel aus der zweiten Gruppe der
Verdampfer absaugt, wird das Kältemittel in eine gemeinsame Druckleitung
verdichtet. Der Verdampfer der integrierten Wärmepumpenschaltung
wird dabei parallel zu einem Verdampfer der Kälteanlage
betrieben.
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Die
Verdampfer der ersten Gruppe und die Verdampfer der zweiten Gruppe
weisen vorteilhaft unterschiedlichen Temperaturniveaus beziehungsweise
Druckniveaus auf.
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Konzeptionsgemäß stellt
eine Gruppe der Verdampfer die Kälteleistung für
die Komponenten der Normalkühlung und die zweite Gruppe
der Verdampfer die Kälteleistung für die Komponenten
des Raumluftklimas bereit, wobei der Verdampfer der integrierten
Wärmepumpenschaltung parallel zur Gruppe der Verdichter
geschaltet ist, die die Kälteleistung für die
Komponenten des Raumluftklimas bereitstellt.
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Die
Verdampfer des Teils der Kälteanlage, der der Normalkühlung
dient, erzeugen die Kälteleistung auf einem Temperaturniveau
zwischen –5°C und –15°C. Die
Verdampfer, die die Kälteleistung des Raumluftklimas bereitstellen,
arbeiten auf einem Temperaturniveau zwischen 0°C und 10°C.
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Nach
einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird das Kältemittel
nach der Verdichtung innerhalb eines Wärmeübertragers
des Systems der Wärmerückgewinnung enthitzt und/oder
verflüssigt. Liegt am Austritt des Wärmeübertragers
dampfförmiges Kältemittel vor, wird der dampfförmige
Anteil im Kondensator der Kälteanlage vollständig
verflüssigt.
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Je
nach Wärmebedarf des Systems der Wärmerückgewinnung
und den Betriebsbedingungen der Verdampfer für die Normalkühlung
und des Raumklimas, ist der Verdampfer der integrierten Wärmepumpenschaltung
zuschaltbar.
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Nach
einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der integrierte
Kondensator-Verdampfer nach Bedarf umschaltbar ausgebildet. So ist
der Verdampfer der integrierten Wärmepumpenschaltung durch
Umschalten in den Betrieb als Kondensator der Kälteanlage
vorteilhaft ohne Mehraufwand an Komponenten und damit Kosten abtaubar.
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Die
Kälteanlage mit zusätzlichem Verdampfer einer
Wärmepumpenschaltung kann ebenso als Kaskadenschaltung
ausgeführt werden. Auch in diesem Fall ist der Verdampfer
der Wärmepumpenschaltung innerhalb des Kondensators der
Kälteanlage integrierbar.
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Zusammenfassend
ist für die Anlage mit integrierten Kondensator-Verdampfer
gegenüber den im Stand der Technik bekannten Anlagen vorteilhaft festzustellen,
dass die Anlage
- – weniger kostenintensiv
und energetisch effektiver zu betreiben ist, da
a) der Vorgang
der Wärmeübertragung bei der Verdampfung des Kältemittels
im Verdampfer der Wärmepumpenschaltung bei geringeren Temperaturdifferenzen
und bei höherer Verdampfungstemperatur und höherem
Verdampfungsdruck abläuft, was wiederum ein geringeres
Druckverhältnis und damit eine geringere zuzuführende
Leistung am Verdichter bewirkt,
b) die Vereisung der Wärmeübertragerfläche
im Verdampferbetrieb des integrierten Kondensator-Verdampfers verzögert
wird sowie die vereisten Flächen ohne zusätzliche
Einrichtungen und Energie abgetaut werden können,
- – platzsparend und mit weniger Installationsaufwand
verbunden ist, da auf eine große Anzahl zusätzlicher
Komponenten verzichtet wird.
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Weitere
Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus
der nachfolgenden Beschreibung mit Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen.
Es zeigen:
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2:
Fließbild der Kälteanlage mit integriertem Wärmepumpenkreislauf
und
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3:
Fließbild der Kälteanlage mit integrierten Kondensator-Verdampfer.
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In 2 ist
das Fließbild der Kälteanlage 1 mit integrierter
Wärmepumpenschaltung dargestellt. Bei der Anwendung der
Kälteanlage 1, beispielsweise als Supermarktkälteanlage
mit verschiedenen Verbrauchern auf unterschiedlichen Temperaturniveaus,
weist diese einen oder mehrere Verdichter 5, 6 auf,
wobei die Verdichter 5 des Normalkühlkreislaufes
und der Verdichter 6 des Kreislaufes zur Klimatisierung
sowie der Kreislauf der Wärmepumpe aufgrund unterschiedlicher
Eintrittsdrücke separat angeschlossen sind. Der Wärmepumpenverdichter
arbeitet reversibel und kann bei entsprechender Auslegung den gesamten
Klimabedarf des Gebäudes decken. Die Verdichter 5 des
Normalkühlkreislaufes sind parallel geschaltet und bilden
eine Verdichtereinheit.
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Eine
nicht dargestellte Weiterbildung der Anlage besteht darin, das ein
Tiefkühlkreislauf an den Verbund angeschlossen ist.
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Die
Verdichter 5, 6 komprimieren das Kältemittel
aufgrund einer einheitlichen Kondensationstemperatur beziehungsweise
eines einheitlichen Kondensationsdruckes in eine gemeinsame Druckleitung 17,
die die Verdichtereinheit beziehungsweise Verdichter 5, 6 mit
dem Wärmeübertrager der Wärmerückgewinnung 7 verbindet.
Das überhitzte als Heißgas vorliegende Kältemittel
wird im Wärmeübertrager 7 der Wärmerückgewinnung
abgekühlt beziehungsweise enthitzt und bei großer
abzuführender Wärmeleistung der Wärmerückgewinnung
mindestens teilweise kondensiert. Je nach übertragener Wärme
wird das Kältemittel somit teilweise oder vollständig
enthitzt und/oder zum Teil oder vollständig verflüssigt.
Die an das System der Wärmerückgewinnung übertragene
Wärme kann beispielsweise zum Erwärmen eines Mediums
innerhalb eines Heizungssystem genutzt werden.
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Im
Kondensator 8, der als luftbeaufschlagter Wärmeübertrager
ausgebildet ist, wird das Kältemittel vollständig
kondensiert und anschließend im Sammler 9 gespeichert.
Tritt das Kältemittel aus dem Wärmeübertrager 7 der
Wärmerückgewinnung bereits vollständig
verflüssigt aus, wird die Flüssigkeit über
einen Bypass (nicht dargestellt) um den Kondensator 8 direkt
in den Sammler 9 geleitet.
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Die
Enthitzung endet beim Erreichen der Taulinie, an der der Vorgang
der Kondensation beginnt. Bei vollständiger Kondensation
beziehungsweise Verflüssigung liegt das Kältemittel
am Austritt des jeweiligen Wärmeübertragers vollständig
als Flüssigkeit vor. Findet die Kondensation nur teilweise statt,
tritt das Kältemittel als Flüssigkeits-Dampf-Gemisch
aus.
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Das
flüssige Kältemittel wird über die Flüssigkeitsleitung 18,
die den Sammler 9 mit den Verbrauchern verbindet, auf die
unterschiedlichen Verdampfer 2, 3, 4 verteilt
und vor dem Eintritt in die Verdampfer 2, 3, 4 mit
Hilfe von Expansionsventilen 11, 13, 15 auf
das gewünschte Druckniveau entspannt. Der Vorgang der Verdampfung
zur Bereitstellung der Kälteleistung der Normalkühlung
findet dabei auf einem anderen Druckniveau statt als der Vorgang
der Verdampfung zur Bereitstellung der Kälteleistung zur Klimatisierung
und der Wärmeaufnahme im Wärmepumpenkreislauf.
Die in 2 als einzelne Komponenten dargestellten Verdampfer 2, 3, 4 können ebenso
als Verbunde aus mehreren Verdampfern, die jeweils in Reihe geschaltet
sind, angeordnet sein. Die Kälteleistung der Normalkühlung
wird auf einem Temperaturniveau zwischen –5°C
und –15°C und die Kälteleistung zur Klimatisierung
auf einem Temperaturniveau zwischen 0°C und 10°C
bereitgestellt. Im speziellen Anwendungsfall werden die Verdampfer 2 der
Normalkühlung bei einer Verdampfungstemperatur von –8°C
und die Verdampfer 3, 4 zur Klimatisierung und
der integrierten Wärmepumpenschaltung bei einer Verdampfungstemperatur
von +8°C betrieben. Die einzelnen Verdampfer 2, 3, 4 sind über
Magnetventile 10, 12, 14 zu- und abschaltbar
ausgebildet.
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Das
verdampfte, gasförmige Kältemittel gelangt über
Saugleitungen 19, 20 zu den Verdichtern 5, 6 zurück.
Der Kreislauf ist geschlossen.
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Der
Kreislauf kann zusätzlich mit inneren Wärmeübertragern
als thermische Verbindungen zwischen der Flüssigkeitsleitung 18 und
der Saugleitung 19, 20 ausgestaltet sein (nicht
dargestellt). Die inneren Wärmeübertrager sind
dabei jeweils in Strömungsrichtung auf der Hochdruckseite
beziehungsweise innerhalb der Flüssigkeitsleitung 18 zwischen dem
Magnetventil 10, 12, 14 und dem Expansionsventil 11, 13, 15 und
innerhalb der Saugleitung 19, 20 zwischen dem
Verdampfer 2, 3, 4 und dem Verdichter 5, 6 angeordnet.
Die Wärme wird dabei vom flüssigen Kältemittel
nach dem Austritt des Sammlers 9 an das gasförmige
Kältemittel vor dem Eintritt in den Verdichter 5, 6 übertragen.
Das Kältemittel wird einerseits hochdruckseitig unterkühlt
und andererseits vor dem Eintritt in den Verdichter 5, 6 überhitzt.
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Die
Kälteleistungen der Verdampfer 2, 3, 4 variieren
je nach Tages- und Jahreszeit. Je nach Bedarf an Wärmeleistung
innerhalb des Systems der Wärmerückgewinnung wird
diese durch die in den Verdampfern 2, 3, 4 aufgenommenen
Leistungen zuzüglich der dem Kältemittel während
der Verdichtervorgänge zugeführte Wärme
abgedeckt. Weichen die geforderte Wärmeleistung und die
Summe der zugeführten Leistungen derart voneinander ab,
dass die Wärmeleistung innerhalb des Systems der Wärmerückgewinnung
nicht abgedeckt werden kann, wird der Verdampfer 4 des
Kreislaufes der Wärmepumpe zugeschaltet. Die dabei aufgenommene
Wärme und während des Verdichtungsvorganges zugeführte Wärme
stehen als zusätzliche Leistungen dem System der Wärmerückgewinnung
zur Verfügung. Der Verdampfer 4 des Kreislaufes
der Wärmepumpe ist ebenso wie der Kondensator 8 luftbeaufschlagt.
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Die
Verdampfer 2, 3 können entweder als Direktverdampfer
betrieben werden. In diesem Fall sind die Verdampfer 2, 3 direkt
im Kühlmöbel angeordnet. Es besteht jedoch auch
die Möglichkeit, die Verdampfer mit einem zusätzlichen
Kälteträger zu verwenden. Die Kälteleistungen
werden mit Hilfe eines Kälteträgerkreislaufs an
den einzelnen Verbrauchern zur Verfügung gestellt. Als
Kälteträger werden Kühlsole, wie zum
Beispiel Ethylenglykol, oder auch Kohlendioxid als Fluid eingesetzt.
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3 zeigt
das Fließbild der Kälteanlage mit integrierter
Wärmepumpenschaltung und integriertem Kondensator-Verdampfer 16 als
Wärmeübertrager, der konzeptionsgemäß den
Kondensator 8 der Kälteanlage 1 und den
Verdampfer 4 der integrierten Wärmepumpenschaltung
gegenüber der in 2 dargestellten
Schaltung als integrales Bauteil verbindet.
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Der
integrierte Kondensator-Verdampfer 16 kann beispielsweise
als Rohrbündelwärmeübertrager mit Lamellen
ausgebildet sein, wobei die Lamellen vorteilhaft sowohl mit den
Rohren des Verdampfers 4 der Wärmepumpenschaltung
als auch mit den Rohren des Kondensators 8 der Kälteanlage
wärmeleitend verbunden sind. Dadurch wird die Fläche
zur Wärmeübertragung bei der Kondensation und
bei der Verdampfung vergrößert. Die Umgebungsluft
strömt durch die Zwischenräume der Lamellen und
auf der Außenseite der Rohre. Das Kältemittel
strömt jeweils innerhalb der Rohre im Falle des Verdampfers 4 der Wärmepumpenschaltung
unter Verdampfungsdruck und im Falle des Kondensators 8 unter
Kondensationsdruck der Kälteanlage 1.
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Durch
die Verschachtelung der Kreisläufe des integrierten Kondensator-Verdampfers 16,
auch als Verflüssiger mit integrierter Verdampferschlange bezeichnet,
ineinander ergeben sich wesentliche Vorteile beim Betrieb der Kälteanlage 1.
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Durch
die Doppelnutzung des integrierten Kondensator-Verdampfers 16 ist
der Betrieb auch bei Temperaturen um 0°C möglich,
ohne das ein zusätzliches System zur Abtauung des Verdampfers 4 der Wärmepumpe
benötigt wird.
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Durch
Abschalten des Verdampfers 4 und Zuschalten des Kondensators 8,
bei gegebenenfalls reduzierter Wärmeleistung des Systems
der Wärmerückgewinnung, wird das Abtauen durch
die Wärmeabgabe des Kältemittels während
der Kondensation realisiert.
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Die
Integration des Verdampfers 4 der Wärmepumpenschaltung
und des Kondensators 8 der Kälteanlage ergibt
sich eine große Fläche zur Wärmeübertragung,
was wiederum den Vorgang der Wärmeübertragung
zu geringeren Temperaturdifferenzen vorteilhaft verändert.
Dadurch kann die Verdampfung des Kältemittels im Kreislauf
der Wärmepumpe bei höherer Temperatur und die
Kondensation des Kältemittels bei geringerer Temperatur
erfolgen, was zu einer Verringerung der zuzuführenden Verdichterleistung
führt.
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Des
Weiteren wird der Platzbedarf durch die Integration zweier Wärmeübertrager
in einem Bauelement verringert.
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Die
vorliegende Erfindung kann überall da eingesetzt werden,
wo Kälteanlagen zur Kühlung benötigt
werden und gleichzeitig ein Wärmebedarf vorhanden ist.
Dabei kann jedes herkömmliche, auch brennbare, Kältemittel
genutzt werden. Insbesondere werden halogenierte Fluor-Kohlenwasserstoffe HFKW
und Fluor-Kohlenwasserstoffe FKW wie R134a eingesetzt.
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Gleichfalls
ist auch der Einsatz von natürlichen Kältemitteln,
wie R717, R723, R744 und weiteren Kältemitteln möglich.
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- 1
- Kälteanlage
- 2
- Verdampfer
(Normalkühlung)
- 3
- Verdampfer
(Klimakühlung)
- 4
- Verdampfer
(Wärmepumpe)
- 5
- Verdichter/Verdichtereinheit
(Normalkühlung)
- 6
- Verdichter/Verdichtereinheit
(Klimakühlung/Wärmepumpe)
- 7
- Wärmeübertrager
(Wärmerückgewinnung)
- 8
- Kondensator
- 9
- Sammler
- 10,
12, 14
- Magnetventile
- 11,
13, 15
- Expansionsorgan/Expansionsventil
- 16
- integrierter
Kondensator-Verdampfer
- 17
- Druckleitung
- 18
- Flüssigkeitsleitung
- 19,
20
- Saugleitung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 102004038640
A1 [0008]
- - DE 29810584 U1 [0010]
- - DE 3409313 C2 [0011]