DE102010026648A1

DE102010026648A1 - Kälteanlage zur Kühlung eines Conainers

Info

Publication number: DE102010026648A1
Application number: DE102010026648A
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Sandkötter; Dr. Mosemann Dieter
Original assignee: GEA Grasso GmbH
Current assignee: GEA Refrigeration Germany GmbH
Priority date: 2010-07-09
Filing date: 2010-07-09
Publication date: 2012-01-12
Anticipated expiration: 2030-07-10
Also published as: DE102010026648B4; US9945597B2; CN103038146A; US20130104582A1; WO2012003906A3; CN103038146B; EP2590878A2; EP2590878B1; WO2012003906A2

Abstract

Kälteanlage zur Kühlung des Innenraumes eines mobilen Kühlraumes, zum Beispiel eines Kühlcontainers, mit 2 drehzahlgeregelten Verdichtern, die über je eine steuerbare Bypassleitung pro Verdichter und eine steuerbare Ventileinrichtung zwischen Druck- und Saugseite von zwei Verdichtern Verdichters parallel einstufig oder hintereinander zweistufig betrieben werden können. Die Ventileinrichtungen erhalten Signale aus einer Steuerung mit Algorithmen in die Nutz- und Umgebungstemperatur als Soll- beziehungsweise Messwert eingehen. Aus dem Anforderungsprofil der Containerkühlung resultieren die energieeffizientesten Betriebsarten und die Drehzahlen der Verdichter.

Description

Die Erfindung betrifft eine Kälteanlage zur Kühlung des Innenraumes eines mobilen Kühlraumes, zum Beispiel eines Containers, der beispielsweise auf Schiffen universell eingesetzt werden kann, oder eines Lastkraftwagens, eines Kleintransporters, eines Kühlwaggons, die Teil einer Kühlkette zum Transport von Kühl- und Gefriergut ist. Die Erfindung betrifft somit eine Kälteanlage für gekühlten Transport. Für diese Kühlräume werden im folgenden Text die Begriffe Containerinnenraum, Container oder Kühlcontainer verwendet. Dementsprechend wird stellvertretend für diese zu kühlenden mobilen Kühlräume der Begriff Containerkühlung verwendet.
Kühlluftführung und prinzipieller Aufbau von Kühlcontainern für Schiffe sind in DE 202007008764 beschrieben. Der Innenraumes eines Kühlcontainers ist von thermisch isolierten Seitenwänden, Dach und Boden umgeben, wobei der Innenboden im allgemeinen noch mit Luftverteileinrichtungen, zum Beispiel Längsrippen, ausgeführt ist, die Kanäle zur Führung von Kaltluft bilden.
Kühlcontainer müssen außerdem so gebaut sein, dass ihr Transport mit den jeweiligen spezifischen Transportsystemen auf der Straße, auf See oder auf der Schiene (truck-trailer reefers, marine reefers oder trail reefers) möglich ist.
Die Nutztemperatur eines solchen Containerinnenraumes ist dabei von der zu kühlenden Ladung abhängig. Solche Kühlcontainer müssen in der Lage sein, Kühl- oder Gefrierprozesse der Ladung auszuführen und danach auf vorgegebenem Niveau, der Kühllagertemperatur, zu halten.
Je nach Produkteigenschaft und Nutztemperaturniveau im Containerinnenraum unterscheidet sich die Kälteleistung während des Kühl- oder Gefrierprozesses und während der Kühltransportlagerung für die gleiche Containergröße sehr deutlich.
Während des Kühltransportes eines Containers werden in der Regel unterschiedliche klimatische Umgebungsbedingungen an der Außenwand des Containers anliegen, die regional durch Passieren unterschiedlicher Klimazonen oder nur durch den Tagesgang der Temperatur bedingt sind, so dass sich das Temperaturniveau der Wärmesenke ändert und damit die Kondensationstemperatur der Kälteanlage zur Containerkühlung.
Im Ergebnis muss die Kälteanlage für die Containerkühlung effizient betrieben werden können und so variabel sein, dass sich Kälteleistung und Nutztemperatur variieren lassen und bei den unterschiedlichen Kondensationstemperaturen ohne Einschränkung wirtschaftlich und umweltfreundlich betrieben werden kann.
Der Kühlcontainer mit seiner Kälteanlage muss in einem Containerstapel betreibbar sein, sein Betriebsregime muss individuell an das zu kühlende Transportgut anpassbar sein.
Außerdem sollte Platzbedarf und Masse einer mobilen Kälteanlage möglichst klein sein.
In Kälteanlagen zur Containerkühlung werden gemäß dem Stand der Technik einstufige oder zweistufige Kälteanlagen eingesetzt, die Verdichter, Kondensator, Expansionseinrichtungen und Verdampfer aufweisen.
Der Container wird durch zirkulierendes Kältemittel, das am Verdampfer Wärme aus dem zu kühlenden Raum aufnimmt, direkt gekühlt. Dazu wird das Kältemittel in einer oder in mehreren Stufen in einem oder mehreren Verdichtern auf einen höheren Druck und damit auf eine Kondensationstemperatur oberhalb der Wärmesenke (Containerumgebung) verdichtet und danach durch Wärmeabgabe an die Umgebung in einem Gaskühler oder in einem Kondensator abgekühlt und danach wieder in einer oder mehreren Stufen auf den Druck im Verdampfer entspannt, wodurch flüssiges Kältemittel und flash-Dampf bei der tieferen Verdampfungstemperatur des Kältemittels entstehen. Diese Anordnung ist jeweils nur einstufig oder nur mehrstufig ausgeführt, so dass diese Kälteanlage entweder in der einstufigen oder in der zweistufigen Ausführung nicht für die gewünschte Anwendungsbreite eines Kühlcontainers geeignet ist.
Das Patent US 4730464 beschreibt ein Kühlsystem zum Kühlen eines Raumes mit Luft mit einem Verdichter und einem Turbolader. Die Variabilität des Kältesystems ist jedoch in Bezug auf Kälteleistung und Verdampfungstemperatur sehr begrenzt.
Das Patent DE 3620847 offenbart eine Absorptionskälteanlage, die durch einen Wärmerohr-Solarkollektor ergänzt wird. Nachteilig ist für den Schiffseinsatz die fehlende Möglichkeit der Stapelbarkeit eines solchen Kühlcontainers.
Bekannt sind auch Containerkühlungen mit Speicherwirkung ohne eigene Kälteerzeugung, mit sogenannter indirekter Kühlung. Der Kälteträger wird dabei abseits vom Container abgekühlt und danach in Hohlräume am Container eingebracht. Gemäß Patent DE 29722052 kühlt Slurry-Eis, auch als Binäreis bezeichnet, die Wandung des Containers. Die Kühltemperatur ist dabei durch das Eis, das aus Wasser und Zusatzstoffen besteht, definiert und damit nicht sehr variabel. Die Kühlung eines individuellen Containers bei einer anderen Temperatur ist nicht möglich und die Kühldauer ist begrenzt.
Außerdem sind in den meist vertikalen Wänden Eis und Flüssigkeit nicht homogen verteilt.
DE 9110982 U1 offenbart eine Containerkühlung und das dazu erforderliche Kanalsystem mittels gekühlten Wassers, das durch eine Kaltwassererzeugungsanlage bereitgestellt wird, ohne dass Wärmeübertrager am Kühlcontainer mit fluorierten Kohlenwasserstoffen in Berührung kommen. Der Container ist nachteilig nicht autark einsetzbar.
Durch Verwendung von Wasser als Kälteträger zielt der Einsatz dieses Patentes auf den Transport von Gütern oberhalb des Gefrierpunktes. Das schränkt auch den Einsatz des Kühlcontainers ein.
In EP0664426 ist die Wandung des Containers mit röhrenförmigen Wärmeübertragerflächen versehen. Durch das ein Wärmeträgerfluid mit Phasenwechsel geführt wird. Der Abkühlprozess ist sehr träge, so dass keine bedarfsgerechte Kühlung erreicht werden kann.
Ziel und Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Kälteanlage zur universellen Kühlung des Innenraumes eines Containers zu schaffen, dessen Nutztemperatur an die Anforderungen des Kühlgutes in weiten Grenzen angepasst werden kann, so dass Kühl- oder Gefrierprozesse und Lagerung des Gutes bei individuell vorgegebenem Temperaturniveau möglich sind.
Ein weiteres Ziel der Erfindung ist eine Kälteanlage zur Kühlung des Innenraumes eines Containers, deren Nutztemperaturniveau und deren Kälteleistung während des Kühl- oder Gefrierprozesses und während der Kühltransportlagerung angepasst werden können.
Ein weiteres Ziel der Erfindung besteht darin, dass die Kälteanlage während des Containertransportes bei unterschiedlichsten klimatischen Bedingungen auch in einem Containerstapel ohne Einschränkungen betrieben werden kann.
Ein weiteres Ziel der Erfindung besteht darin, dass die Kälteanlage für die Containerkühlung so variabel ist, dass Nutztemperatur und Kälteleistung bedarfsgerecht angepasst werden können und bei den unterschiedlichen Kondensationstemperaturen ohne Einschränkung wirtschaftlich und umweltfreundlich betrieben werden kann.
Die Kälteanlage gemäß der Erfindung hat mindestens zwei drehzahlgeregelte Verdichter, einen Gaskühler, mindestens eine Drosselstelle, mindestens einen inneren Wärmeübertrager oder einen Zwischendruck-Flüssigkeitsabscheider, einen Verdampfer und steuerbare Ventileinrichtungen mit Öffnungs- und Schließfunktionen, welche die relative Anordnung der Verdichter zueinander und damit die Zirkulation des Kältemittels in der Kälteanlage durch Öffnen und Schließen verändern.
Gemäß den Merkmalen der Erfindung ist eine erste steuerbare Ventileinrichtung an einem ersten Verdichter als steuerbarer Bypass zwischen Saug- und Druckseite angeordnet, ist eine zweite steuerbare Ventileinrichtung an einem zweiten Verdichter als steuerbarer Bypass zwischen Saug- und Druckseite angeordnet und ist eine dritte steuerbare Ventileinrichtung zwischen Druckseite des ersten und Saugseite des zweiten Verdichters angeordnet.
Gemäß den Merkmalen der Erfindung mündet die kommunizierende Verbindung der ersten steuerbaren Ventileinrichtung auf der Druckseite des ersten Verdichters nach der dritten steuerbaren Ventileinrichtung (stromabwärts) und die kommunizierende Verbindung der zweiten steuerbaren Ventileinrichtung zweigt auf der Saugseite des zweiten Verdichters vor der dritten steuerbaren Ventileinrichtung ab (stromaufwärts).
Durch Änderung der Öffnungs- und Schließstellung der steuerbaren Ventileinrichtungen können die Verdichter wahlweise parallel, das heißt bei gleichem Ansaugdruck und bei gleichem Gegendruck, betrieben werden oder hintereinander, wodurch dabei ein Verdichter als erste Verdichtungsstufe (ND- oder Niederdruckverdichter) und der zweite Verdichter als zweite Verdichtungsstufe bei höherem Druckniveau (HD- oder Hochdruckverdichter) arbeitet.
Im Ergebnis der veränderten Öffnungs- und Schließstellungen der steuerbaren Ventileinrichtungen und durch Änderung der Drehzahl der Verdichter können Nutztemperatur, Kälteleistung und Druckverhältnis der Verdichter in weiten Grenzen an den Bedarf angepasst werden.
Für Containertransport von Frischware, z. B. Obst, Gemüse oder auch Fleisch wird die Kälteerzeugung einstufig realisiert, da die Nutztemperatur noch oberhalb des Gefrierpunktes liegt. Dazu wird einer der beiden Verdichter allein zum Halten der Nutztemperatur oder es werden beide Verdichter für die Temperaturabsenkung von der Einbring- auf eine Nutztemperatur parallel betrieben. Dabei sind die erste und die zweite steuerbare Ventileinrichtung geöffnet und die dritte steuerbare Ventileinrichtung geschlossen. Wenn beide Verdichter parallel arbeiten, arbeiten sie bei gleichen Druckniveaus auf ihrer Saug- und Druckseite. Dieser Betrieb wird hier als Betriebsart NK bezeichnet.
Für Containertransport von Gefriergut, also bei Nutztemperauren deutlich unter dem Gefrierpunkt, wird die Kälteerzeugung zweistufig realisiert. Dazu werden die erste und die zweite steuerbare Ventileinrichtung geschlossen und die dritte steuerbare Ventileinrichtung geöffnet. Dieser Betrieb wird hier als Betriebsart TK bezeichnet.
Bei Betriebsart TK ist Ansaugdruck des ersten Verdichters, der die erste Verdichtungsstufe bildet und als Niederdruckverdichter oder ND-Verdichter bezeichnet wird, in grober Näherung gleich Verdampfungsdruck, und der Gegendruck des ND-Verdichters ist in grober Näherung Ansaugdruck des zweiten Verdichters, der die zweite Verdichtungsstufe bildet und als Hochdruckverdichter oder HD-Verdichter bezeichnet wird. Beide Verdichter arbeiten bei unterschiedlichen Druckniveaus auf ihrer Saug- und Druckseite.
Der Gegendruck des HD-Verdichters ist der höchste Druck der Kälteanlage. Sein Druckniveau korrespondiert bei Drücken, die kleiner sind als der kritische Druck des im Kältekreislauf der Kälteanlage verwendeten Kältemittels direkt zur Kondensationstemperatur, oder der Druck wird bei Drücken oberhalb des kritischen Druckes des verwendeten Kältemittels in Abhängigkeit der Gaskühleraustrittstemperatur geregelt.
Nach Verlassen des Gaskühlers wird das unter hohem Druck stehende Kältemittel im inneren Wärmeübertrager durch einen Kältemittelteilstrom, der auf das Druckniveau nach dem ND-Verdichter entspannt wird, gekühlt, bevor es auf den Saugdruck des ND-Verdichters entspannt wird. Der Kältemittelteilstrom verdampft durch Wärmeaufnahme aus dem unter hohem Druck stehenden Kältemittel. Dieser aus dem inneren Wärmeübertrager austretende dampfförmige Kältemittelteilstrom wird dem ND-Verdichter auf der Druckseite zugeführt. Er wird danach vom HD-Verdichter bei höchstem Druckniveau in den Gaskühler gefördert.
Der Druck nach dem ND-Verdichter bestimmt das Maß der Abkühlung des unter hohem Druck stehenden Kältemittels. Er stellt sich aus der Relation der Volumenströme von ND- und HD-Verdichter ein und kann durch Drehzahlregelung beider Verdichter in Bezug auf wirtschaftlichste Betriebsweise angepasst werden.
Die Betriebsarten NK und TK können vorteilhaft bei Einlagerung ungekühlter Ware kombiniert werden, um die Abkühlgeschwindigkeit durch sehr große Kälteleistung bis zu einer bestimmten Temperatur zu beschleunigen. Dazu wird zunächst die Betriebsart NK realisiert bis eine vorgegebene Temperatur im Kühlcontainer erreicht ist. Die steuerbaren Ventileinrichtungen werden dabei wie oben für die Betriebsart NK beschrieben geöffnet oder geschlossen. Beide Verdichter arbeiten bei gleichen Druckniveaus auf ihrer Saug- und Druckseite. Danach wird auf Betriebsart TK gewechselt, wodurch sich die Druckniveaus beider Verdichter ändern, die Kälteleistung sinkt und die Effizienz der Kälteerzeugung steigt an. Die steuerbaren Ventileinrichtungen werden dabei wie oben für die Betriebsart TK beschrieben geöffnet oder geschlossen. Diese Kombination der beiden Betriebsarten NK und TK soll hier als „cooling-down” Modus bezeichnet werden
Auch in der Startphase für die Betriebsart TK ohne ”cooling down” – Modus werden die drei steuerbaren Ventileinrichtungen gemäß Betriebsart NK geöffnet beziehungsweise geschlossen, obwohl nur einer der beiden Verdichter in Betrieb genommen wird. Die Betriebsart NK bleibt erhalten, bis der Ansaugdruck einen vorgegebene Soll-Größe erreicht hat. Erst danach werden die drei steuerbaren Ventileinrichtungen gemäß Betriebsart TK geöffnet beziehungsweise geschlossen, und der zweite Verdichter wird als ND-Verdichter in Betrieb genommen. Jetzt arbeiten beide Verdichter bei unterschiedlichen Druckniveaus.
Vorteilhaft kann das natürliche Kältemittel CO₂ im Kältekreislauf benutzt werden, dessen direktes Treibhauspotential den Wert 1 hat, und dessen Verdampfungswärme pro Kubikmeter angesaugtes Dampfvolumen ungefähr zehnmal größer ist als das von R134a.
Dadurch können Verdichter und Rohrleitungsquerschnitte sehr klein dimensioniert werden. Die Kälteanlage für mobile Kühlcontainer kann sehr kompakt und platzsparend ausgeführt werden. Innere Wärmeübertrager oder Zwischendruck-Flüssigkeitsabscheider sind wie im Ausführungsbeispiel beschrieben angeordnet, sodass die bekannten Vorteile einer CO₂-Kälteanlage für wirtschaftliche Betriebsweise realisieret werden.
Durch die folgenden Beispiele soll veranschaulicht werden, wie die steuerbaren Ventileinrichtungen die Funktion der Kälteanlage verändern.
Die erfindungsgemäße Anordnung der Verdichter kann mit bekannten Anordnungen weiterer Anlagenkomponenten kombiniert werden Das sind Anlagenausführungen mit Zwischenkühler, Zwischendruck-Flüssigkeitsabscheider, Economiseranschluss am Verdichter oder Zwischendruckeinspeisung zwischen den Verdichtern. Durch die folgenden Beispiele soll veranschaulicht werden, dass die Lehre der Erfindung für unterschiedlichste Anlagenkonfigurationen uneingeschränkt anwendbar ist.
1 zeigt sehr vereinfacht einen bekannten einstufigen Kältekreisprozess mit dem Kältemittel R134a dargestellt in einem Ausschnitt eines Druck-Enthalpie-Diagramm (lg p, h-Diagramm) mit den vier Kreislaufkomponenten einer Kälteanlage. In 2 ist die Anordnung der Verdichter in Betriebsart NK gemäß der Erfindung dargestellt. Die Verdichter arbeiten hier in einer Kälteanlage mit Flüssigkeitsunterkühler. Diese Verdichter haben neben dem Ansaugstutzen einen zweiten Anschluss, einen Economiseranschluss, über den Fluid in die Arbeitskammern eingespeist werden kann, wenn der Druck ausreichend groß ist. Das erlaubt mehrstufigen Kälteanlagenbetrieb.
In 3 ist die Anordnung der Verdichter in Betriebsart TK gemäß der Erfindung dargestellt, was der zweistufigen Anordnung gemäß der Erfindung entspricht. Die Kälteanlage hat einen Zwischendruck-Flüssigkeitsabscheider.
In 4 ist die Anordnung der Verdichter in Betriebsart TK gemäß der Erfindung in einer Kälteanlage mit innerem Wärmeübertrager dargestellt.
5 zeigt den einstufigen Kältekreisprozess für die Betriebsart NK bei kleiner Temperaturdifferenz zwischen Wärmesenke und Nutztemperatur (beide Verdichter arbeiten einstufig im Parallelbetrieb).
6 zeigt den zweistufigen Kältekreisprozess für die Betriebsart TK bei großer Temperaturdifferenz zwischen Wärmesenke und Nutztemperatur (ein Verdichter ist ND- und ein Verdichter ist HD-Verdichter).
7 zeigt eine Anordnung gemäß der Erfindung mit einer Steuerung, dargestellt ist eine der beiden möglichen Betriebsarten (Betriebsart NK).
Gemäß 1 hebt der Verdichter 1 (Bauart Kolbenverdichter, Scrollverdichter oder Rollkolbenverdichter) den Druck von Verdampfungsdruck auf Kondensationsdruck, der durch die Temperatur der Wärmesenke und durch das Kältemittel bestimmt ist, an. Durch Wärmeabfuhr zur Wärmesenke, zum Beispiel an die Umgebung, wird das Kältemittel im Wärmeübertrager 2 verflüssigt und danach an der Drosselstelle 3 in den Verdampfer 4 entspannt. Dabei entstehen Flash-Dampf und Flüssigkeit. Die Flüssigkeit verdampft durch Wärmeaufnahme aus dem Containerinnenraum und kühlt damit den Containerinnenraum.
Die weiten Bedarfsanforderungen an eine Containerkühlung lassen sich durch diese einstufige Ausführung nicht erfüllen. Die zweistufige Ausführung würde diesen Nachteil nicht beseitigen, da sie davon abweichende Einsatzgrenzen hat.
In 2 ist eine Kälteanlage mit ihren Komponenten dargestellt, die gemäß der Erfindung wechselweisen ein- und zweistufigen Betrieb der Kälteanlage zur Containerkühlung ermöglichen, also wahlweise in der Betriebsart NK oder TK betrieben werden können. Hervorgehoben durch dicke Linien ist die Betriebsart NK.
Neben dem Wärmeübertrager 2 der je nach Temperaturniveau in Relation zur kritischen Temperatur des Kältemittels als Kondensator oder Gaskühler arbeitet, sind Verdampfer 4, Verdichter 11 und 21, die je nach Leistungsanforderung oder je nach Betriebsbedingung mit höherer oder niedrigerer Drehzahl betrieben werden, ein erster steuerbarer Bypass 13 und ein zweiter steuerbarer Bypass 23 sowie die erste steuerbare Ventileinrichtung 12, die zweite steuerbare Ventileinrichtung 22 und die dritte steuerbare Ventileinrichtung 30 dargestellt.
Die erste steuerbare Ventileinrichtung 12 ist am ersten Verdichter 11 als steuerbarer Bypass 13 zwischen dessen Saug- und Druckseite angeordnet, die zweite steuerbare Ventileinrichtung 22 ist am zweiten Verdichter 21 als steuerbarer Bypass 23 zwischen dessen Saug- und Druckseite angeordnet und ist eine dritte steuerbare Ventileinrichtung 30 ist zwischen Druckseite des ersten Verdichters 11 und Saugseite des zweiten Verdichters 21 angeordnet.
Die kommunizierende Verbindung des ersten steuerbaren Bypass 13 mündet auf der Druckseite des ersten Verdichters 11 nach der dritten steuerbaren Ventileinrichtung 30 (stromabwärts) und die kommunizierende Verbindung des zweiten steuerbaren Bypass 23 zweigt auf der Saugseite des zweiten Verdichters 21 vor der dritten steuerbaren Ventileinrichtung 30 ab (stromaufwärts).
Durch Änderung der Öffnungs- und Schließstellungen der steuerbaren Ventileinrichtungen 12, 22, 30 können die Verdichter 11, 21 wahlweise parallel, das heißt bei gleichem Ansaugdruck und bei gleichem Gegendruck, betrieben werden oder hintereinander, wodurch dabei der erste Verdichter 11 als erste Verdichtungsstufe (ND- oder Niederdruckverdichter) und der zweite Verdichter 21 als zweite Verdichtungsstufe bei höherem Druckniveau (HD- oder Hochdruckverdichter) arbeitet.
In 2 sind die steuerbaren Ventileinrichtungen 12 und 22 geöffnet, und die steuerbare Ventileinrichtung 30 ist geschlossen. In dieser Betriebsart, die als NK bezeichnet wird, werden die beiden Verdichter 11 und 21 parallel betrieben. Beide Verdichter arbeiten bei gleichem Ansaugdruck und bei gleichem Gegendruck mit einstufiger Verdichtung.
Das Beispiel bezieht sich auf den Einsatz von Scrollverdichtern mit einem Zwischendruckanschluss, einem sogenannten Economiseranschluss. Beide Verdichter sind gleichen Typs und gleicher Baugröße mit gleichen Einsatzgrenzen. Sie werden hier in der Betriebsart NK gezeigt und damit bei einstufiger Verdichtung mit einer Zwischendruckeinspeisung betrieben, so dass das Kältemittel nach Verlassen des Wärmeübertragers 2 im inneren Wärmeübertrager 50 gekühlt wird, bevor es in der ersten Drosselstelle 52 entspannt wird. Die Kühlung wird durch einen Kältemittelteilstrom realisiert, der in der Drosselstelle 51 auf Zwischendruckniveau entspannt wird. Dadurch wird der Wirkungsgrad der Kälteanlage auch bei einstufigem Verdichterbetrieb vergrößert. Notwendige Ventileinrichtungen vor den Economiseranschlüssen der beiden Verdichter 11 und 21 sind in der Figur nicht dargestellt.
Diese Verdichter werden in der gleichen Kälteanlage für einen anderen Containereinsatzfall zum Transport von Tiefkühlware in der Betriebsart TK betrieben.
In 3 ist eine Kälteanlage mit ihren Komponenten dargestellt, die gemäß der Erfindung wechselweisen ein- und zweistufigen Betrieb der Kälteanlage zur Containerkühlung ermöglichen, also wahlweise in der Betriebsart NK oder TK betrieben werden können. Hervorgehoben durch dicke Linien ist die Betriebsart TK für Containertransport von Gefriergut.
Hier wird die Kälteerzeugung zweistufig realisiert. Dazu werden die erste steuerbare Ventileinrichtung 12 und die zweite steuerbare Ventileinrichtung 22 geschlossen und die dritte steuerbare Ventileinrichtung 30 geöffnet. Bei Betriebsart TK liegt der Ansaugdruck des ersten Verdichters 11 in grober Näherung bei Verdampfungsdruck, und sein Gegendruck ist in grober Näherung Ansaugdruck des zweiten Verdichters 21. Beide Verdichter arbeiten bei unterschiedlichen Druckniveaus auf ihrer Saug- und Druckseite.
Der Gegendruck des Verdichters 21 ist der höchste Druck der Kälteanlage. Sein Druckniveau korrespondiert bei Drücken, die kleiner sind als der kritische Druck des im Kältekreislauf der Kälteanlage verwendeten Kältemittels direkt zur Kondensationstemperatur, oder er wird bei Drücken oberhalb des kritischen Druckes des verwendeten Kältemittels in Abhängigkeit der Gaskühleraustrittstemperatur geregelt.
Die Kälteanlage in 3 zeigt einen Zwischendruck-Flüssigkeitsabscheider 60, der eine zweistufige Entspannung an den Drosselstellen 61 und 62 ermöglicht. Flüssigkeit und Flash-Dampf nach der ersten Entspannungsstufe werden zwischen den Verdichtern 11 und 21 bei Zwischendruck, dessen Sollwert durch Drehzahländerung des Verdichters 21 angestrebt wird, eingespeist. Dadurch wird der Wirkungsgrad der Kälteerzeugung vergrößert.
In 4 ist eine andere Kälteanlage mit ihren Komponenten dargestellt, die gemäß der Erfindung wechselweisen ein- und zweistufigen Betrieb zur Containerkühlung ermöglicht, also wahlweise in der Betriebsart NK oder TK betrieben werden kann. Hervorgehoben durch dicke Linien ist die Betriebsart TK.
Die Kälteanlage gemäß 4 zeigt nach dem Wärmeübertrager 2, der je nach Temperaturniveau in Relation zur kritischen Temperatur des Kältemittels als Kondensator oder Gaskühler arbeitet, den inneren Wärmeübertrager 50, in dem das Kältemittel auf eine Zwischentemperatur gekühlt wird, bevor es an der Drosselstelle 52 entspannt wird. Dazu wird ein Kältemittelteilstrom an der Drosselstelle 51 auf einen Zwischendruck entspannt, dessen Sollwert durch die Drehzahl des Verdichters 21 geregelt wird. Der Wirkungsgrad der Kälteerzeugung vergrößert sich.
5 zeigt den einstufigen Kältekreisprozess in einem Druck-Enthalpie-Diagramm für das Kältemittel CO₂ in der Betriebsart NK bei einer Wärmesenken-Temperatur kleiner als 32°C und einer Nutztemperatur größer als 0°C. Diese Darstellung entspricht dem Betrieb der Verdichter in Betriebsart NK. Verdichtung längs der Linie 72, Wärmeentzug mit folgender Verflüssigung des CO₂ längs der Linie 73, Drosselentspannung längs der Linie 74 und Verdampfung durch Wärmeaufnahme aus dem Containerinnenraum längs der Linie 71 bei 0°C. Damit könnte die Nutztemperatur von beispielweise 12°C für Bananentransport realisiert werden. Die Linie 76 veranschaulicht die Isotherme der kritischen Temperatur für CO₂.
6 zeigt den zweistufigen Kältekreisprozess gemäß 3 in einem Druck-Enthalpie-Diagramm für das Kältemittel CO₂ in der Betriebsart TK bei einer Wärmesenken-Temperatur größer als 32°C und einer Nutztemperatur größer als – 32°C. Diese Darstellung entspricht dem Betrieb der Verdichter in Betriebsart TK. Verdichtung längs der Linie 72.1 im Verdichter 11 und Verdichtung längs der Linie 72.2 im Verdichter 21, Wärmeentzug im Wärmeübertrager 2 längs der Linie 73.1, erste Stufe Drosselentspannung längs der Linie 74.1 auf das Temperaturniveau von 25°C mit Zwischenkühleffekt längs der Linie 73.2 und zweite Stufe der Drosselentspannung längs der Linie 74.2, Verdampfung durch Wärmeaufnahme aus dem Containerinnenraum längs der Linie 71 bei –30°C. Damit könnte die Nutztemperatur von beispielweise –22°C für Gefrierfleisch realisiert werden. Die Linie 76 veranschaulicht die Isotherme der kritischen Temperatur für CO₂.
7 zeigt eine Anordnung gemäß der Erfindung mit Steuerung 80 und den wichtigsten Steuerleitungen zur Ansteuerung der absperrbaren Ventileinrichtungen 12, 22, 30 und zur Drehzahlregelung der Antriebsmotoren 86, 88 für die beiden Verdichter 11, 21 und den Punkten zur Messung der Temperatur im Containerinnenraum am Temperatur-Messpunkt 92 und zur Messung der Umgebungstemperatur am Temperatur-Messpunkt 94, sowie zur Messung der Drücke an einem Druck-Messpunkt 81 vor den Verdichtern und einem Druck-Messpunkt 97 nach den beiden Verdichtern und einem Druck-Messpunkt 96 nach der steuerbaren Ventileinrichtung, der in Betriebsart NK gleich dem Ansaugdruck des zweiten Verdichters ist, während dieser Druck in der Betriebsart TK Zwischendruck zwischen dem ersten und dem zweiten Verdichter ist.
Die genannten Messgrößen sind Eingangsgröße an der Steuerung 80. Aus dem Container 91 wird die Innenraumtemperatur am Temperatur-Messpunkt 92 als singuläre Größe oder als Mittelwert aus mehreren nicht dargestellten Messstellen ermittelt und ist Eingangsgröße am Eingang 93 der Steuerung 80.
Die Entscheidung über die Betriebsart NK oder TK fällt ein Algorithmus in der Steuerung, der die Temperatur im Containerinnenraum an der Temperaturmessstelle 92 und die Temperatur für Kühlluft an der Temperaturmessstelle 94, deren Signal über Messleitung 95 zur Steuerung gelangt, auswertet.
Dargestellt ist die Betriebsart NK, in der die beiden Verdichter 11 und 21 parallel betrieben werden. Die steuerbaren Ventileinrichtungen 12 und 22, deren Signale von Steuerung 80 abgegeben werden, werden über die Steuerleitungen 83 und 84 geöffnet, während die steuerbare Ventileinrichtung 30 über Steuerleitung 85 von der Steuerung 80 kein Signal erhält und stromlos geschlossen bleibt.
Die Drehzahl der beiden Antriebsmotoren 86, 88 des ersten und zweiten Verdichters 11, 22 ändert die Steuerung 80 über die Steuerleitungen 87 für den ersten Verdichter und 89 für den zweiten Verdichter in Abhängigkeit eines Soll-Ist-Vergleiches des Druckes an der Druck-Messstelle 81, der am Eingang 82 in die Steuerung geführt wird, und einem in der Steuerung 80 voreingestellten Sollwert. Die Steuerung kann auch mit einem zweiten Algorithmus die Innentemperatur des Containers über Soll-Ist-Vergleich regeln.
Die Steuerung der Kälteanlage ist so ausgeführt, dass die Betriebsarten NK und TK während des Betriebs geändert werden können. Das ist besonders vorteilhaft bei Einlagerung ungekühlter Ware, um die Abkühlzeit durch sehr große Kälteleistung bis zu einer bestimmten Temperatur zu verkürzen und die Qualität des zu kühlenden Produktes zu erhalten.
Dazu wird zunächst die Betriebsart NK realisiert, bis eine Solltemperatur im Kühlcontainer erreicht ist. Die steuerbaren Ventileinrichtungen 12, 22, 30 werden dabei, wie oben für die Betriebsart NK beschrieben, geöffnet oder geschlossen. Die Verdichter 11, 21 arbeiten bei gleichen Druckniveaus auf ihrer Saug- und Druckseite.
Danach wird auf Betriebsart TK gewechselt, wodurch sich die Druckniveaus der Verdichter 11, 21 ändern, die Kälteleistung sinkt und die Effizienz der Kälteerzeugung ansteigt. Die steuerbaren Ventileinrichtungen 12, 22, 30 werden dabei für die Betriebsart TK geöffnet oder geschlossen. Regelgröße für den ersten Verdichter ist der Druck an der Druck-Messstelle 81, wie oben für Betriebsart NK beschrieben. Die Drehzahl des zweiten Verdichters wird durch die Steuerung 80 vergrößert oder verkleinert, damit der Druck an der Druck-Messstelle 96 mit einem rechnerischen Druck aus den aktuellen Betriebsbedingungen an den beiden Druck-Messstellen nach der Beziehung „Quadratwurzel aus dem Produkt Druck an der Druck-Messstelle 81 und Druck an der Druck-Messstelle 97” weitestgehend übereinstimmt.
Die Kombination der beiden Betriebsarten NK und TK kann als Schnellabkühlung unmittelbar nach Einlagerung in den Container betrieben werden, als „cooling-down” Modus bezeichnet. Dieser Abkühlmodus startet mit der Betriebsart NK bis ein vorgegebener Sollwert an der Druck-Messstelle erreicht ist und schaltet danach auf die Betriebsart TK um.
Vorteilhaft startet der Algorithmus der Steuerung 80 auch für Tiefkühllagerung ohne Schnellabkühlung beide Verdichter der Kälteanlage mit der Betriebsart NK und schaltet wie vorher beschrieben auf Betriebsart TK um.
Je nach Sollwert der Nutztemperatur bleibt die Betriebsart NK erhalten, bis ein Soll-Ansaugdruck erreicht ist. Erst danach werden die steuerbaren Ventileinrichtungen 12, 22, 30 gemäß Betriebsart TK geöffnet beziehungsweise geschlossen, und die Verdichter 11, 21 arbeiten bei unterschiedlichen Druckniveaus.
Im Ergebnis der veränderten Öffnungs- und Schließstellungen der steuerbaren Ventileinrichtungen und der damit verbundenen Änderung der Betriebsart von NK zu TK und zurück und durch Änderung der Drehzahl der Verdichter kann die Nutztemperatur im Innenraumes eines Containers an die Anforderungen des Kühlgutes in weiten Grenzen bedarfsgerecht angepasst werden, so dass sowohl Abkühlprozesse als auch Kühl- und Gefrierlagerung bei individuell vorgegebenem Temperaturniveau möglich sind. Betriebsart und Nutztemperaturniveau innerhalb des Kühlraumes des Containers werden während der Kühltransportlagerung und nach Wechsel des Kühlgutes bedarfsgerecht gewählt, so dass der Kühlcontainer effizient eingesetzt werden kann. Aber auch Containertransport bei unterschiedlichsten klimatischen Bedingungen durch verschiedene Klimazonen in einem Containerstapel ist ohne Einschränkungen möglich, da die Wahl der Betriebsart die zu überwindende Temperaturdifferenz zwischen Nutztemperatur und Temperatur der Wärmesenke berücksichtigt. Die Kälteanlage kann damit in Bezug auf Kälteleistung und Energieeffizienz durch die Wahl der besten Betriebsart in weiten Grenzen optimal betrieben werden, so dass Betriebskosten reduziert werden können. Damit ist der Kühlcontainer in weiten Einsatzgrenzen sehr variabel einsetzbar. Die Kälteleistung kann mit geringstem Energiebedarf erbracht werden. Die eingangs erwähnten Nachteile bekannter Lösungen sind beseitigt.
Bezugszeichenliste

1: Verdichter
2: Wärmeübertrager
3: Drosselstelle
4: Verdampfer
11: erster Verdichter
12: erste steuerbare Ventileinrichtung
13: erster steuerbarer Bypass
21: zweiter Verdichter
22: zweite steuerbare Ventileinrichtung
23: zweiter steuerbarer Bypass
30: dritte steuerbare Ventileinrichtung
50: innerer Wärmeübertrager
51: Drosselstelle
52: Drosselstelle
60: Zwischendruck-Flüssigkeitsabscheider
61: Drosselstelle
62: Drosselstelle
71: Linie der Verdampfung
72: Linie der einstufigen Verdichtung
72.1: Linie der ersten Verdichtungsstufe
72.2: Linie der zweiten Verdichtungsstufe
73: Linie der Wärmeabfuhr
73.1: Linie der Wärmeabfuhr
74: Linie der einstufigen Drosselentspannung
74.1: Linie der ersten Drosselentspannung
74.2: Linie der zweiten Drosselentspannung
76: Isotherme der kritischen Temperatur
80: Steuerung
81: Druck-Messpunkt
82: Eingang
83: Steuerleitung
84: Steuerleitung
85: Steuerleitung
86: Antriebsmotor erster Verdichter
87: Steuerleitungen erster Verdichter
88: Antriebsmotor zweiter Verdichter
89: Steuerleitung zweiter Verdichter
91: Container
92: Temperatur-Messpunkt
93: Eingang
94: Temperatur-Messpunkt
95: Messleitung
96: Druck-Messpunkt
97: Druck-Messpunkt

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 202007008764 [0002]
US 4730464 [0012]
DE 3620847 [0013]
DE 29722052 [0014]
DE 9110982 U1 [0016]
EP 0664426 [0018]

Claims

Kälteanlage zur Kühlung des Innenraumes eines mobilen Kühlraumes, zum Beispiel eines Kühlcontainers, durch Temperaturabsenkung bis auf eine Nutztemperatur und Wärmeabfuhr zu einer Wärmesenke mit einem ersten und einem zweiten drehzahlgeregelten Verdichter, einem Gaskühler, mindestens einer Drosselstelle, mindestens einem inneren Wärmeübertrager oder einem Zwischendruck-Flüssigkeitsabscheider, einem Verdampfer und steuerbaren Ventileinrichtungen, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Verdichter eine erste Bypassleitung, die eine Strömungsverbindung von seiner Druckseite zu seiner Saugseite herstellt, aufweist, in der eine erste steuerbare Ventileinrichtung mit Öffnungs- und Schließfunktionen angeordnet ist, dass der zweite Verdichter eine zweite Bypassleitung, die eine Strömungsverbindung von seiner Druckseite zu seiner Saugseite herstellt, aufweist, in der eine zweite steuerbare Ventileinrichtung mit Öffnungs- und Schließfunktionen angeordnet ist, und dass in einer Strömungsverbindung zwischen der Druckseite des ersten Verdichters und der Saugseite des zweiten Verdichters eine dritte steuerbare Ventileinrichtung mit Öffnungs- und Schließfunktionen angeordnet ist, dass Mittel zur Ansteuerung der genannten Ventileinrichtungen vorhanden sind und dass eine Steuerung vorhanden ist, die zumindest Eingänge für Nutz- und Umgebungstemperatur und Ausgänge zur Ansteuerung der genannten Ventileinrichtungen und zur separaten Änderung der Drehzahl der beiden Verdichter aufweist, und die Steuerung Algorithmen zur unterschiedlichen Ansteuerung der drei Ventileinrichtungen für unterschiedliche Betriebsarten der Kälteanlage und zur Änderung der Drehzahl des ersten und des zweiten Verdichters in Abhängigkeit von Nutz- und Umgebungstemperatur besitzt.
Kälteanlage zur Kühlung des Innenraumes eines Kühlcontainers nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die kommunizierende Verbindung der ersten Bypassleitung auf der Druckseite des ersten Verdichters nach der dritten steuerbaren Ventileinrichtung (stromabwärts) und die kommunizierende Verbindung der zweiten Bypassleitung auf der Saugseite des zweiten Verdichters vor der dritten steuerbaren Ventileinrichtung abzweigt (stromaufwärts).
Kälteanlage zur Kühlung des Innenraumes eines Kühlcontainers für einstufige Betriebsweise, als Betriebsart NK bezeichnet, nach Anspruch 1, 2, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Kombination der Öffnungs- und Schließstellungen so darstellt, dass die Ventileinrichtungen in der ersten und in der zweiten steuerbaren Bypassleitung geöffnet sind und dass die dritte steuerbare Ventileinrichtung geschlossen ist.
Kälteanlage zur Kühlung des Innenraumes eines Kühlcontainers für zweistufige Betriebsweise, als Betriebsart TK bezeichnet, nach Anspruch 1, 2, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Kombination der Öffnungs- und Schließstellungen der drei Ventileinrichtungen so darstellt, dass die Ventileinrichtungen in der ersten und in der zweiten steuerbaren Bypassleitung geschlossen sind und dass die dritte steuerbare Ventileinrichtung geöffnet ist.
Kälteanlage zur Kühlung des Innenraumes eines Kühlcontainers nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der erste und der zweite Verdichter den gleichen Typ und gleiche Baugröße aufweisen.
Kälteanlage zur Kühlung des Innenraumes eines Kühlcontainers nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass im Kältekreislauf das Kältemittel CO2 vorhanden ist.
Kälteanlage zur Kühlung des Innenraumes eines Kühlcontainers nach Anspruch 1 bis 3 und 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Merkmale der Betriebsart NK und TK nacheinander beim Start der Kälteanlage und zur Schnellabkühlung eine Sequenz bilden.
Kälteanlage zur Kühlung des Innenraumes eines Kühlcontainers nach Anspruch 4 und 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Druck bei Betriebsart TK zwischen dem ersten und dem zweiten Verdichter durch Änderung der Drehzahl des zweiten Verdichters auf einem Sollwert gehalten wird.
Kälteanlage zur Kühlung des Innenraumes eines Kühlcontainers nach Anspruch 1 bis 4 dadurch gekennzeichnet, dass im Algorithmus die Betriebsart NK für kleinere Differenzwerte zwischen der Temperatur der Wärmesenke und der Nutztemperatur und die Betriebsart TK für größere Differenzwerte zwischen der Temperatur der Wärmesenke und der Nutztemperatur abgelegt ist.