DE102011012644A1

DE102011012644A1 - Kälteanlage

Info

Publication number: DE102011012644A1
Application number: DE102011012644A
Authority: DE
Inventors: Manuel Fröschle
Original assignee: GEA Bock GmbH
Current assignee: Bock GmbH
Priority date: 2011-02-28
Filing date: 2011-02-28
Publication date: 2012-08-30

Abstract

Kälteanlage (10) mit einem Kältemittelkreislauf, welcher für eine Zirkulation von Kältemittel, insbesondere R744, in einer Betriebs-Strömungsrichtung vorgesehen ist, aufweisend: eine Gesamtmassenstrom-Führungsvorrichtung (12, 14, 16, 18, 20) zum Führen eines Kältemittel-Gesamtmassenstroms, eine erste Teilmassenstrom-Führungsvorrichtung (22, 24, 26) zum Führen eines ersten Kältemittel-Teilmassenstroms, eine zweite Teilmassenstrom-Führungsvorrichtung (30, 32 34) zum Führen eines zweiten Kältemittel-Teilmassenstroms, eine erste Expansionsvorrichtung (60), welche in der ersten Teilmassenstrom-Führungsvorrichtung (22, 24, 26) angeordnet ist, und eine zweite Expansionsvorrichtung (64), welche in der zweiten Teilmassenstrom-Führungsvorrichtung (30, 32, 34) angeordnet ist, eine erste Verdichterstufe und eine zweite Verdichterstufe, wobei die erste Verdichterstufe in Betriebs-Strömungsrichtung stromaufwärts zu der zweiten Verdichterstufe angeordnet ist, und wobei der ersten Verdichterstufe der erste Kältemittel-Teilmassenstrom zugeführt wird und der zweiten Verdichterstufe der Kältemittel-Gesamtmassenstrom zugeführt wird, wobei die erste Verdichterstufe eine luftgekühlte Verdichterstufe ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Kälteanlage gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Derartige Kälteanlagen finden beispielsweise in Bereichen, in denen zwei unterschiedliche Kühlanwendungen zum Einsatz kommen (z. B. Normalkühlung und Tiefkühlung von Lebensmitteln in Warenlagern, Supermärkten oder dgl.), Verwendung.
Aus der DE 10 2004 038 640 A1 sind eine Kälteanlage mit einem Kältekreislauf und ein Verfahren zum Betreiben eines Kältekreislaufes bekannt, wobei der Kältekreislauf eine Verdichtereinheit aufweist, in der ein Kältemittel-Gesamtmassenstrom verdichtet und dann einem Verflüssiger bzw. Gaskühler zugeführt und dort kondensiert bzw. enthitzt wird. Das Kältemittel wird danach in einem Sammler gesammelt. Aus dem Sammler wird flüssiges Kältemittel abgezogen. Dieses wird in einen ersten Kältemittel-Teilmassenstrom und einen zweiten Kältemittel-Teilmassenstrom aufgeteilt.
Der erste Kältemittel-Teilmassenstrom durchläuft eine ihm zugeordnete Expansionsvorrichtung und danach einen ihm zugeordneten Wärmetauscher, von welchem Kälte für eine Tiefkühlanwendung bereitgestellt wird. Der zweite Kältemittel-Teilmassenstrom durchläuft ebenfalls eine ihm zugeordnete Expansionsvorrichtung und danach einen ihm zugeordneten Wärmetauscher, von welchem Kälte für eine Kühlanwendung (Normalkühlung) bereitgestellt wird. Vor der Zusammenführung des ersten Kältemittel-Teilmassenstroms mit dem zweiten Kältemittel-Teilmassenstrom wird der erste Kältemittel-Teilmassenstrom mittels einer weiteren Verdichtereinheit auf den Druck des zweiten Kältemittel-Teilmassenstroms gebracht. Der derart vereinigte Kältemittel-Gesamtmassenstrom wird dann wieder der eingangs erwähnten Verdichtereinheit zugeführt, welche den Kältemittel-Gesamtmassenstrom verdichtet.
Der obenstehend erläuterte Kältekreislauf wird, je nach Kältemittel, in zweierlei Varianten realisiert. In der ersten Variante sind beide Verdichtereinheiten Verdichtereinheiten in subkritischer, sauggasgekühlter Bauweise. Findet jedoch beispielsweise R744 (CO₂) als Kältemittel Verwendung, so kommt als Verdichtereinheit für den ersten Kältemittel-Teilmassenstrom eine Verdichtereinheit in subkritischer, sauggasgekühlter Bauweise zum Einsatz, während als Verdichtereinheit für den Kältemittel-Gesamtmassenstrom eine Verdichtereinheit in transkritischer Bauweise zum Einsatz kommt. Die Verdichtung des ersten Kältemittel-Teilmassenstroms geht dabei mit einer Aufnahme eines großen Teils der Motorwärme der zugeordeneten Verdichtereinheit durch das Kältemittel einher, was eine negative Auswirkung auf den Verdichter-Güte- und Liefergrad hat und damit zu einem hohen Energieverbrauch führt.
Eine ähnliche Kälteanlage ist weiterhin aus der DE 10 2006 050 232 B3 bekannt. Gemäß der DE 10 2006 050 232 B3 wird der erste Kältemittel-Teilmassenstrom einer Tiefkühlexpansionskühleinrichtung zugeführt, die im aktiven Zustand den ersten Kältemittel-Teilmassenstrom (Tiefkühlgesamtmassenstrom) abkühlt und dabei einen Tiefkühlhauptmassenstrom und einen Tiefkühlzusatzmassenstrom erzeugt. Hinsichtlich weiterer Bauelemente, insbesondere hinsichtlich der Verdichterstufen weist die Kälteanlage gemäß der DE 10 2006 050 232 B3 keine Unterschiede zu derjenigen gemäß der DE 10 2004 038 640 A1 auf. Auch bei dieser Anlage geht die Verdichtung des ersten Kältemittel-Teilmassenstroms (welcher dem Tiefkühlgesamtmassenstrom entspricht) mit einer Aufnahme eines großen Teils der Motorwärme der zugeordeneten Verdichtereinheit durch das Kältemittel einher.
Aufgrund der zunehmenden Verteuerung von Energie und aufgrund der nachhaltigen Bemühungen, Energie zu sparen, unter anderem bedingt durch die Bestrebungen, den Ausstoß von CO₂ in die Atmosphäre zu reduzieren, ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Kälteanlage mit einem Kältekreislauf anzugeben, die eine im Vergleich zum Stand der Technik erhöhte Energieeffizienz hat.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Kälteanlage gemäß dem Patentanspruch 1 gelöst.
Weitere Merkmale der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Die Erfindung wird im Folgenden mit Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen anhand von beispielhaften Ausführungsformen beispielhaft beschrieben. In den Zeichnungen zeigen
1 eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Kälteanlage in schematischer Darstellung; und
2 eine schematische Darstellung des Drucks (p) über der Enthalpie (h) des Kältemittels beim Durchlaufen eines Zyklus der Ausführungsform gemäß 1;
Die in 1 dargestellte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Kälteanlage 10 weist mehrere Kältemittel-Führungsvorrichtungen in Form von Rohrleitungen bzw. Rohrleitungsabschnitten zum Führen des Kältemmittels zwischen bzw. von und zu den weiteren Bauteilen der Kälteanlage 10 auf. Darunter befinden sich eine Gesamtmassenstrom-Führungsvorrichtung zum Führen eines Kältemittel-Gesamtmassenstroms, die Rohrleitungsabschnitte 12, 14, 16, 18, 20 aufweist, eine erste Teilmassenstrom-Führungsvorrichtung zum Führen eines ersten Kältemittel-Teilmassenstroms, die Rohrleitungsabschnitte 22, 24, 26, 28 aufweist, sowie eine zweite Teilmassenstrom-Führungsvorrichtung zum Führen eines zweiten Kältemittel-Teilmassenstroms, die Rohrleitungsabschnitte 30, 32, 34 aufweist.
Weiterhin weist die beschriebene Ausführungsform eine (optionale) dritte Teilmassenstrom-Führungsvorrichtung zum Führen eines dritten Kältemittel-Teilmassenstroms auf, die Rohrleitungsabschnitte 36, 38 aufweist. Zwei weitere Rohrleitungsabschnitte 40, 42 führen den ersten und den zweiten Kältemittel-Teilmassenstrom, bevor der zweite Kältemittel-Teilmassenstrom vom ersten Kältemittel-Teilmassenstrom abgezweigt wird. Ist die Kälteanlage 10 in Betrieb, so strömt das Kältemittel in einer Betriebs-Strömungsrichtung durch dieselbe.
Ferner hat die Kälteanlage 10 eine erste Verdichterstufe, welche einen ersten Verdichter 44 aufweist, und eine zweite Verdichterstufe, welche einen zweiten Verdichter 46 und einen dritten Verdichter 48 aufweist. Die erste Verdichterstufe ist in Betriebs-Strömungsrichtung stromaufwärts hinsichtlich der zweiten Verdichterstufe angeordnet. Der ersten Verdichterstufe (erster Verdichter 44) wird über den Rohrleitungsabschnitt 26 der erste Kältemittel-Teilmassenstrom zugeführt. Der zweiten Verdichterstufe (zweiter und dritter Verdichter 46, 48) wird über den Rohrleitungsabschnitt 12 der Kältemittel-Gesamtmassenstrom zugeführt.
Der Kältemittel-Gesamtmassenstrom wird in der zweiten Verdichterstufe, welche wie vorstehend erwähnt den zweiten und dritten Verdichter 46, 48 aufweist, auf ein Hochdruckniveau (Verflüssigungs- bzw. Gaskühlerdruck) verdichtet. Der zweite und der dritte Verdichter 46, 48 sind Verdichter transkritischer Bauart, welche in der Ausführungsform gemäß 1 sauggasgekühlt sind. D. h., die Motoren (Elektromotoren) der Verdichter 46, 48 geben die von ihnen erzeugte Abwärme an das vom Verdichter angesaugte Kältemittel (oder Teile hiervon, welche zur Kühlung der Motoren vorgesehen sind) ab.
Der auf das Hochdruckniveau verdichtete Kältemittel-Gesamtmassenstrom wird dann über den Rohrleitungsabschnitt 14 einem Wärmetauscher 50 zugeführt, welcher dem Kältemittel Wärme für beliebige Anwendungen (Warmwasser, Heizung) entzieht. Der Wärmetauscher 50 ist ein in der Ausführungsform gemäß 1 realisierter Bestandteil der Kälteanlage 10, der jedoch in anderen Ausführungsformen der Erfindung nicht notwendigerweise realisiert sein muss (optionale Vorrichtung).
Nach dem Durchströmen des optionalen Wärmetauschers 50 wird der Kältemittel-Gesamtmassenstrom über den Rohrleitungsabschnitt 16 einem Verflüssiger bzw. Gaskühler 52 zugeführt, in welchem der Kältemittel-Gesamtmassenstrom (je nach Art des verwendeten Kältemittels) verflüssigt bzw. enthitzt wird.
Der Kältemittel-Gesamtmassenstrom wird hiernach über den Rohrleitungsabschnitt 18 einer (ebenfalls optionalen) Zwischenentspannungsvorrichtung 54 zugeführt, in welcher er auf ein Zwischendruckniveau entspannt wird. Die Zwischenentspannungsvorrichtung 54 regelt den Durchfluss von transkritischem Gas und/oder subkritischer Flüssigkeit im Gaskühler 52. Der auf das Hochdruckniveau verdichtete Kältemittel-Gesamtmassenstrom kann somit je nach Anforderung entspannt werden, beispielsweise um einen idealen COP (Kälteleistungszahl) oder um eine höhere Kälte- bzw. Wärmeleistung der Kälteanlage 10 zu erhalten. Dis Zwischenentspannungsvorrichtung 54 ist in der beschriebenen Ausführungsform in Form eines Regelventils, welches als Schrittmotorventil ausgelegt ist, realisiert. Die Regelung erfolgt auf Basis des Drucks und der Temperatur, welche vor der Zwischenentspannungsvorrichtung 54 an einem Messpunkt 54a vorherrschen (angedeutet durch eine gestrichelte Linie 54b). Über den weiteren Rohrleitungsabschnitt 20 gelangt der Kältemittel-Gesamtmassenstrom in einen (wiederum optionalen) Kältemittelflüssigkeitsabscheider 56 in dem (abhängig vom verwendeten Kältemittel) Gas und Flüssigkeit oder Dampf mit einem geringen Flüssigkeitsanteil und Dampf mit einem höheren Flüssigkeitsanteil (dies ist bei einer Verwendung von R744 der Fall) voneinander getrennt werden.
Über den Rohrleitungsabschnitt 40 gelangt ein Kältemittel-Teilmassenstrom, welcher hauptsächlich flüssiges Kältemittel oder Kältemitteldampf mit einem hohen Flüssigkeitsanteil enthält zu einem Verbindungspunkt 58 der Rohrleitungsabschnitte 22, 30, wo der Kältemittel-Teilmassenstrom in einen ersten, dem Rohrleitungsabschnitt 22 zugeordneten Kältemittel-Teilmassenstrom und einen zweiten, dem Rohrleitungsabschnitt 30 zugeordneten Kältemittel-Teilmassenstrom aufgeteilt wird.
Der erste Kältemittel-Teilmassenstrom wird über den Rohrleitungsabschnitt 22 einer ersten Entspannungs- bzw. Expansionsvorrichtung 60 zugeführt, die den ersten Kältemittel-Teilmassenstrom auf ein Tiefkühl-Druckniveau (Verdampfungsdruck der Tiefkühlung) entspannt. Hiernach wird der erste Kältemittel-Teilmassenstrom (über den Rohrleitungsabschnitt 24) einer Kälteabgabevorrichtung in Form einer ersten Verdampferkühlstelle 62 zugeführt, in der Kälte für eine erste Kühlanwendung (beispielsweise Tiefkühlung) zur Verfügung gestellt wird.
Der zweite Kältemittel-Teilmassenstrom wird über den Rohrleitungsabschnitt 30 einer zweiten Entspannungs- bzw. Expansionsvorrichtung 64 zugeführt, die den zweiten Kältemittel-Teilmassenstrom auf ein Normalkühl-Druckniveau (Verdampfungsdruck der Normalkühlung, welcher einem höheren Druck entspricht als das Tiefkühl-Druckniveau) entspannt. Hiernach wird der zweite Kältemittel-Teilmassenstrom (über den Rohrleitungsabschnitt 32) einer Kälteabgabevorrichtung in Form einer zweiten Verdampferkühlstelle 66 zugeführt, in der Kälte für eine zweite Kühlanwendung (beispielsweise Normalkühlung) zur Verfügung gestellt wird.
In der beschriebenen Ausführungsform sind die erste Expansionsvorrichtung 60 und die zweite Expansionsvorrichtung 64 als elektrisch betriebene Expansionsventile realisiert. Diese werden jeweils durch eine (nicht dargestellte) Regeleinrichtung temperatur- und druckabhängig geregelt. Die Messdaten bzw. Regelgrößen werden jeweils an einem stromabwärts bzw. nach dem zugehörigen Verdampfer (Verdampferkühlstelle 62, 66) angeordneten Messpunkt 60a, 64a aufgenommen bzw. ermittelt bzw. abgegriffen (angedeutet durch gestrichelte Linien 60b, 64b).
Vor einer Zusammenführung des ersten Kältemittel-Teilmassenstroms und des zweiten Kältemittel-Teilmassenstroms wird der erste Kältemittel-Teilmassenstrom über den Rohrleitungsabschnitt 26 der ersten Verdichterstufe zugeführt, mittels derer er von dem (niedrigen) Tiefkühl-Druckniveau auf das (höhere) Normalkühl-Druckniveau des zweiten Kältemittel-Teilmassenstroms verdichtet wird. Die erwähnte Druckerhöhung wird in der vorliegenden Ausführungsform durch den ersten Verdichter 44 geleistet. Die erste Verdichterstufe ist eine luftgekühlte Verdichterstufe, d. h. in der beschriebenen Ausführungsform handelt es sich bei dem ersten Verdichter 44 um einen luftgekühlten Verdichter. Dadurch wird verhindert, dass die vom Motor des Verdichters 44 erzeugte Abwärme vom ersten Kältemittel-Teilmassenstrom aufgenommen wird und dieser dadurch überhitzt. Dies verbessert den Güte- und Liefergrad der ersten Verdichterstufe bzw. des ersten Verdichters 44 im Gegensatz zu Kälteanlagen gemäß dem Stand der Technik, in welchen ausschließlich sauggasgekühlte Verdichter zum Einsatz kommen.
Bei der ersten Verdichterstufe handelt es sich in der Ausführungsform gemäß 1 um eine Verdichterstufe subkritischer Bauart (Verdichter 44 subkritischer Bauart), da auch bei einer Verwendung von R744 als Kältemittel ein subkritischer Verdichtungsvorgang bei der Verdichtung des Kältemittels von Tiefkühl-Druckniveau auf Normalkühl-Druckniveau vorliegt. In einer alternativen Ausführungsform ist die erste Verdichterstufe als Verdichterstufe transkritischer Bauart (Verdichter 44 transkritischer Bauart) ausgelegt.
Dadurch kann die Kälteanlage 10 mit einem erhöhten Stillstandsdruck betrieben werden, wobei in diesem Falle die weiteren Komponenten der Kälteanlage 10 derart ausgelegt bzw. aufgebaut sind, dass sie an den erhöhten Stillstandsdruck angepasst sind und diesem insbesondere im Stillstand der Anlage standhalten. Es sei an dieser Stelle angemerkt, dass die erste Verdichterstufe auch mehr als einen Verdichter aufweisen kann, wobei jeder Verdichter in einer subkritischen oder einer transkritischen Bauweise ausgelegt sein kann. Auch eine Kombination subkritischer und transkritischer Verdichter wäre denkbar.
Nach Durchlaufen des ersten Verdichters 44 wird der erste Kältemittel-Teilmassenstrom an einem Verbindungspunkt 68 der Rohrleitungsabschnitte 28, 34 mit dem zweiten Kältemittel-Teilmassenstrom zusammengeführt und über den Rohrleitungsabschnitt 42 in Richtung der zweiten Verdichterstufe geführt.
In der vorliegend beschriebenen Ausführungsform weist die Kälteanlage 10 zusätzlich die Rohrleitungsabschnitte 36, 38 zum Führen eines dritten Kältemittel-Teilmassenstroms auf. Der dritte Kältemittel-Teilmassenstrom wird aus dem Kältemittelflüssigkeitsabscheider 56 entnommen und besteht (je nach Kältemittel) aus gasförmigem Kältemittel oder aus Kältemitteldampf mit einem geringen Flüssigkeitsanteil. Der dritte Kältemittel-Teilmassenstrom wird vom Kältemittelflüssigkeitsabscheider 56 aus über den Rohrleitungsabschnitt 36 einer dritten Expansions- bzw. Entspannungssvorrichtung 69 zugeführt, welche denselben auf das Normalkühl-Druckniveau entspannt. Die dritte Expansionsvorrichtung 69 ist in der beschriebenen in 1 dargestellten Ausführungsform als Regelventil (Mitteldruckregelventil), genauer gesagt als Schrittmotorventil realisiert, welches nach dem im Kältemittelflüssigkeitsabscheider 56 vorherrschenden Druck (angedeutet durch Linie 69a) geregelt wird, so dass der im Kältemittelflüssigkeitsabscheider 56 vorherrschende Druck in etwa konstant gehalten werden kann. Alternativ hierzu kann die Expansionsvorrichtung 69 auch als ein fest eingestelltes Pilotventil ausgeführt sein. An einem Verbindungspunkt 70 der Rohrleitungsabschnitte 38, 42 wird der dritte Kältemittel-Teilmassenstrom mit dem in dem Rohrleitungsabschnitt strömenden Kältemittel-Teilmassenstrom, welcher sich aus dem ersten Kältemittel-Teilmassenstrom und dem zweiten Kältemittel-Teilmassenstrom zusammensetzt, zusammengeführt und der daraus resultierende Kühlmittel-Gesamtmassenstrom wird dann über den Rohrleitungsabschnitt 12 der zweiten Verdichterstufe zugeführt. In einer hierzu alternativen Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Kälteanlage 10 wird der dritte Kältemittel-Teilmassenstrom vom Flüssigkeitsabscheider 56 einer weiteren (dritten) Verdichterstufe (welche einen oder mehrere Verdichter aufweisen kann) zugeführt und auf Hochdruckniveau verdichtet. Das auf Hochdruckniveau verdichtete Kältemittel wird dann nicht über den Rohrleitungsabschnitt 38 an einem Verbindungspunkt 70 (vor der zweiten Verdichterstufe) mit dem ersten und dem zweiten Kältemittel-Teilmassenstrom vereinigt, sondern nach der zweiten Verdichterstufe in den Rohrleitungsabschnitt 14 eingespeist. Dadurch kann eine weitere Effizienzsteigerung erzielt werden.
Die zweite Verdichterstufe weist in der Ausführungsform gemäß 1 den zweiten und den dritten Verdichter 46, 48 auf, welche parallel betrieben werden. Bei der zweiten Verdichterstufe handelt es sich um eine Verdichterstufe transkritischer Bauart (Verdichter 46, 48 transkritischer Bauart), da es sich bei dem Verdichtungsvorgang von Normalkühl-Druckniveau auf Hochdruckniveau bei einer Verwendung von R744 als Kältemittel um einen transkritischen Prozess handelt. Alternativ hierzu wäre für eine Verwendung anderer Kältemittel auch eine subkritische Verdichterstufe (Verdichter 46, 48 subkritischer Bauart) oder einen Kombination von Verdichtern subkritischer und transkritischer Bauart in Frage.
Alternativ zur Verwendung von mehreren Verdichtern wäre es auch denkbar, die erste und die zweite Verdichterstufe in einem einzigen Verdichter zu realisieren (beispielsweise einem mehrstufigen Verdichter).
In einer weiteren alternativen Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Kälteanlage 10 weist die zweite Verdichterstufe zwar auch zwei Verdichter 46, 48 auf, wobei diese jedoch nicht parallel miteinander betrieben werden werden, sondern wahlweise betrieben werden können. Der zweite Verdichter 46 ist wie in der Ausführungsform gemäß 1 ein sauggasgekühlter Verdichter transkritischer Bauart. Der dritte Verdichter 48 hingegen ist in der hier beschriebenen alternativen Ausführungsform ein luftgekühlter Verdichter transkritischer Bauart. Wenn eine Wärmerückgewinnung gewünscht ist (beispielsweise Winterbetrieb), kommt der sauggasgekühlte zweite Verdichter 46 zum Einsatz, welcher überhitztes Kältemittel an den Wärmetauscher 50 abgibt. Die Wärme kann dem Kältemittel analog zu der Ausführungsform gemäß 1 entzogen und einer weiteren Verwendung zugeführt werden.
Ist der Wärmebedarf nicht vorhanden (beispielsweise Sommerbetrieb), so findet der luftgekühlte dritte Verdichter 48 Verwendung, welcher Kältemittel mit einer niedrigeren Temperatur abgibt. Der Wärmetauscher 50 kann in diesem Falle abgeschaltet bleiben. Damit ist für jede Bedarfslage eine optimale Energieeffizienz der Kälteanlage 10 gewährleistet. Alternativ zu der Verwendung eines Verdichters jeder Bauart können auch mehrere Verdichter jeder Bauart in jeglicher zahlenmäßigen Kombination Verwendung finden. Als Abwandlung ist es auch denkbar, einen oder mehrere luftgekühlte Verdichter und einen oder mehrere sauggasgekühlte Verdichter parallel zu betreiben, wobei in diesem Falle vorzugsweise der/die Verdichterausgang/Verdichterausgänge des/der sauggasgekühlten Verdichter(s) das Kältemittel dem Wärmetauscher 50 zuführen, während das Kältemittel, das in dem/den luftgekühlten Verdichter(n) verdichtet wird, stromabwärts des Wärmetauschers 50 (jedoch vor dem Verflüssiger bzw. Gaskühler 52) in den Kreislauf zurückgespeist wird. Dadurch wird eine hohe Flexibilität hinsichtlich eines energieeffizienten Einsatzes erreicht.
Sämtliche Komponenten der Kälteanlage 10, welche einer Regelung oder Steuerung unterliegen, insbesondere die Expansionsvorrichtungen 60, 64, 69 und 54, werden in der Ausführungsform gemäß 1 durch verschiedene bzw. getrennte Regler angesteuert. Die Regler verarbeiten entsprechende Regelgrößen, insbesondere Drücke und/oder Temperaturen und regeln danach die Ventile der Kälteanlage 10.
In der Ausführungsform gemäß 1 handelt es sich bei der ersten und der zweiten Expansionsvorrichtung 60, 64 um elektrisch betriebene Expansionsventile und bei der dritten Expansionsvorrichtung 69, sowie der Zwischenexpansionsvorrichtung 54 um Schrittmotorventile, die wie vorstehend erläutert geregelt sind. Eine Kälteanlage 10 muß jedoch nicht zwingend derartige Expansionsvorrichtungen aufweisen. In alternativen Ausführungsformen ist für jede einzelne Expansionsvorrichtung jede mögliche Expansionsvorrichtung denkbar, die dem Fachmann geläufig ist oder auch Resultat einer zukünftigen Entwicklung sein mag. Diese kann gesteuert, geregelt oder auch ohne Regelung oder Steuerung ausgelegt sein. Dasselbe gilt für die weiteren Komponenten der Kälteanlage 10, welche in der beschriebenen Ausführungsform einer Regelung unterliegen.
In 2 ist schematisch ein Druck-Enthalpie-Diagramm (log p-h-Diagramm) für einen Zyklus einer Kälteanlage 10 der Ausführungsform gemäß 1 bei einer Verwendung von R744 als Kältemittel dargestellt. Die Bezugszeichen an den jeweiligen Zustandspunkten, welche in lateinischen Großbuchstaben angegeben sind, entsprechen den Zuständen des Kältemittels an den mit denselben Bezugszeichen bezeichneten Stellen der Kälteanlage 10 gemäß 1.
Ausgehend von einem Zustand A, welcher vor der ersten Verdichterstufe vorliegt (hier weist das Kältemittel des Tiefkühl-Druckniveau auf), wird der erste Kältemittel-Teilmassenstrom durch die erste Verdichterstufe verdichtet und gelangt somit in einen Zustand B mit erhöhtem Druck und erhöhter Enthalpie (Normalkühl-Druckniveau). Nach der Zuführung des zweiten und des dritten Kältemittel-Teilmassenstroms (welche ebenfalls Normalkühl-Druckniveau aufweisen) befindet sich der Kältemittel-Gesamtmassenstrom im Zustand C (geringfügige Reduzierung der Enthalpie bei der Zusammenführung der Kältemittel-Teilmassenströme bei gleichbleibendem Druck). Der Kältemittel-Gesamtmassenstrom wird dann der zweiten Verdichterstufe zugeführt und in einem transkritischen Prozess unter Erhöhung des Drucks und der Enthalpie in den Zustand D (Hochdruckniveau) verbracht. Beim Durchströmen des Verflüssigers bzw. Gaskühlers 52 nimmt die Enthalpie bei gleichbleibendem Druck ab, so dass nach Durchströmen des Verflüssigers bzw. Gaskühlers 52 der Zustand E erreicht wird.
Beim Durchströmen der darauf folgenden Zwischenentspannungsvorrichtung 54 wird der Kältemittel-Gesamtmassenstrom entspannt, so dass man unter gleichbleibender Enthalpie zum Zustand F (Zwischendruckniveau) gelangt. In dem darauf folgenden Kältemittelflüssigkeitsabscheider 56 wird der Kältemittel-Gesamtmassenstrom aufgeteilt in die Teile, die danach den ersten und den zweiten Kältemittel-Teilmassenstrom bilden, und in den Teil, der danach den dritten Kältemittel-Teilmassenstrom bildet. Die Teile des Kältemittel-Gesamtmassenstroms, die danach den ersten und den zweiten Kältemittel-Teilmassenstrom bilden (hoher Flüssigkeitsanteil), weisen den Zustand G (mit einer dem Zustand F gegenüber verringerten Enthalpie) auf, während die Teile des Kältemittel-Gesamtmassenstroms, die danach den dritten Kältemittel-Teilmassenstrom bilden (niedrigerer Flüssigkeitsanteil), den Zustand L, welcher eine höhere Enthalpie als die Zustände G und F hat, aufweisen.
Der erste Kältemittel-Teilmassenstrom wird hierauf unter Beibehaltung der Enthalpie durch die erste Entspannungsvorrichtung 60 auf Tiefkühl-Druckniveau entspannt und somit in den Zustand J und nach Durchströmen der ersten Verdampferkühlstelle 62 (Enthalpiezunahme bei gleichbleibendem Druck) in den Zustand K verbracht. Der zweite Kältemittel-Teilmassenstrom wird durch die zweite Entspannungsvorrichtung 64 unter Beibehaltung der Enthalpie auf Normalkühl-Druckniveau entspannt und somit in den Zustand H und nach Durchströmen der zweiten Verdampferkühlstelle 66 (Enthalpiezunahme bei gleichbleibendem Druck) in den Zustand N verbracht. Der dritte Kältemittel-Teilmassenstrom wird durch die dritte Entspannungsvorrichtung 69 ebenfalls unter Beibehaltung der Enthalpie auf Normalkühl-Druckniveau entspannt und dadurch in den Zustand M überführt. Im Ansaugbereich der ersten Verdichterstufe nimmt die Enthalpie des ersten Kältemittel-Teilmassenstroms nochmals geringfügig zu, so dass dieser in den Zustand A gelangt, in welchem er in die erste Verdichterstufe gelangt. Nach dem Verdichten auf Normalkühl-Druckniveau (Zustand B) wird er wiederum mit den beiden anderen Kältemittel-Teilmassenströmen vereinigt und der Kreisprozess beginnt von Neuem.
Zusammenfassend lässt sich festhalten, dass die Erfindung eine Kälteanlage 10 (ein sogenanntes Booster-System), welche in einer möglichen Ausführungsform mit dem Kältemittel R744 (CO₂) betrieben wird, betrifft. Es bietet sich optional die Möglichkeit einer Wärmerückgewinnung zwischen der zweiten Verdichterstufe und dem Verflüssiger bzw. Gaskühler 52. Darüber hinaus enthält der Kältekreislauf eine optionale Zwischenentspannungsvorrichtung 54, einen ebenfalls optionalen Kältemittelflüssigkeitsabscheider 56 und den Verdampferkühlstellen 62, 66, welche jeweils einen oder mehrere Verdampfer aufweisen, vorgeschaltete Entspannungsvorrichtungen 60, 64.
Die beiden Verdampferkühlstellen 62, 66 weisen unterschiedliche Druckniveaus für die Normalkühlung und die Tiefkühlung auf. Die Anlage verfügt somit über zwei Verdampfungstemperaturen, nämlich eine Verdampfungstemperatur für die Normalkühlung und eine Verdampfungstemperatur für die Tiefkühlung, wobei die beiden Verdampferstellen im Kältemittelkreislauf realisiert sind. Die Druckerhöhung wird durch zwei Verdichterstufen realisiert. Die erste Verdichterstufe (Niederdruckstufe) ist mit einem oder mehreren luftgekühlten Verdichtern (erster Verdichter 44) ausgestattet, während die zweite Verdichterstufe (Hochdruckstufe) vorzugsweise mit sauggasgekühlten bzw. umschaltbaren luft-/sauggasgekühlten Verdichtern (zweiter und dritter Verdichter 46, 48) ausgestattet ist.
Die gesamte Kälteanlage 10, also auch die Niederdruckstufe, kann mit transkritischen Verdichtern ausgestattet werden. Dadurch ergibt sich der Vorteil, dass die Verdichter mit einem maximalen Stillstanddruck von beispielsweise bis zu 100 bar betrieben werden können. Herkömmliche Anlagen dieser Art gemäß dem Stand der Technik hingegen werden mit sauggasgekühlten subkritischen Verdichtern in der Niederdruckstufe und mit sauggasgekühlten oder luftgekühlten transkritischen Verdichtern in der Hochdruckstufe betrieben. Die gesamte Anlage ist somit für einen maximalen Stillstandsdruck von maximal 40 bar ausgelegt. Bei Stillstand, durch zum Beispiel Ausfall von Komponenten, muss bei steigender Temperatur das Kältemittel aus der Anlage abgelassen werden, oder die Anlage muss durch eine zusätzliche Kälteanlage gekühlt werden, um die zulässigen maximalen Drücke nicht zu überschreiten.
Die Niederdruckverdichter nehmen in Anlagen gemäß dem Stand der Technik durch die Sauggaskühlung einen großen Anteil der Abwärme des Motors im Kältemittel auf. Dies hat besonders beim Kältemittel R744 (CO₂) eine negative Auswirkung auf den Verdichter Güte- und Liefergrad. Luftgekühlte Hochdruckverdichter geben nahezu die gesamte Wärmeenergie des Motors an die Umgebung ab. Dadurch geht in Anlagen gemäß dem Stand der Technik, insbesondere bei einer Verwendung des Kältemittels R744 (CO₂), Wärmeenergie verloren, da diese bei einer Verwendung luftgekühlter Hochdruckverdichter nicht für die Wärmerückgewinnung genutzt werden kann.
Der Einsatz des luftgekühlten Verdichters (ggf. mehrerer luftgekühlter Verdichter) in der Niederdruckstufe der erfindungsgemäßen Anlage nach 1 ergibt durch eine Reduzierung der Sauggasüberhitzung einen einen höheren Wirkungsgrad (Güte- und Liefergrad) durch eine geringe Überhitzung des Sauggases vor bzw. im Niederdruckverdichter. Dadurch wird die Temperatur am Verdichteraustritt begrenzt. Darüber hinaus kann der luftgekühlte Verdichter bei Verdampfungstemperaturen von bis zu –50°C eingesetzt werden. Der Einsatz eines luftgekühlten Verdichters in der Niederdruckstufe hat demnach gegenüber der Verwendung eines sauggasgekühlten Verdichters ein stark erweitertes Einsatzgrenzendiagramm bei tiefen Verdampfungstemperaturen. Der Einsatz eines sauggasgekühlten Verdichters in der Hochdruckstufe bewirkt eine stärkere Erwärmung des Kältemittels und eine höhere Temperatur am Verdichteraustritt. Dadurch kann die Wärmerückgewinnung optimal genutzt werden, da mehr Energie und eine höhere Endtemperatur an das Wärmerückgewinnungsmedium übertragen werden können.
Obwohl die Erfindung anhand von Ausführungsformen mit festen Merkmalskombinationen beschrieben wird, umfasst sie jedoch auch die denkbaren weiteren vorteilhaften Kombinationen, wie sie insbesondere, aber nicht erschöpfend, durch die Unteransprüche angegeben sind. Sämtliche in den Anmeldungsunterlagen offenbarten Merkmale werden als erfindungswesentlich beansprucht, soweit sie einzeln oder in Kombination gegenüber dem Stand der Technik neu sind.
Bezugszeichenliste

10: Kälteanlage
12, 14, ..., 42: Rohrleitungsabschnitt
44: erster Verdichter
46: zweiter Verdichter
48: dritter Verdichter
50: Wärmetauscher
52: Verflüssiger bzw. Gaskühler
54: Zwischenexpansionsvorrichtung
54a: Messpunkt
54b: Linie
56: Kältemittelflüssigkeitsabscheider
58: Verbindungspunkt
60: erste Expansionsvorrichtung
60a: Messpunkt
60b: Linie
62: erste Verdampferkühlstelle
64: zweite Expansionsvorrichtung
64a: Messpunkt
64b: Linie
66: zweite Verdampferkühlstelle
68: Verbindungspunkt
69: dritte Expansionsvorrichtung
69a: Linie
70: Verbindungspunkt

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102004038640 A1 [0003, 0006]
DE 102006050232 B3 [0006]

Claims

Kälteanlage (10) mit einem Kältemittelkreislauf, welcher für eine Zirkulation von Kältemittel, insbesondere R744, in einer Betriebs-Strömungsrichtung vorgesehen ist, aufweisend: – eine Gesamtmassenstrom-Führungsvorrichtung (12, 14, 16, 18, 20) zum Führen eines Kältemittel-Gesamtmassenstroms, – eine erste Teilmassenstrom-Führungsvorrichtung (22, 24, 26) zum Führen eines ersten Kältemittel-Teilmassenstroms, – eine zweite Teilmassenstrom-Führungsvorrichtung (30, 32 34) zum Führen eines zweiten Kältemittel-Teilmassenstroms, eine erste Expansionsvorrichtung (60), welche in der ersten Teilmassenstrom-Führungsvorrichtung (22, 24, 26) angeordnet ist, und eine zweite Expansionsvorrichtung (64), welche in der zweiten Teilmassenstrom-Führungsvorrichtung (30, 32, 34) angeordnet ist, – eine erste Verdichterstufe und eine zweite Verdichterstufe, wobei die erste Verdichterstufe in Betriebs-Strömungsrichtung stromaufwärts zu der zweiten Verdichterstufe angeordnet ist, und wobei der ersten Verdichterstufe der erste Kältemittel-Teilmassenstrom zugeführt wird und der zweiten Verdichterstufe der Kältemittel-Gesamtmassenstrom zugeführt wird dadurch gekennzeichnet, dass die erste Verdichterstufe eine luftgekühlte Verdichterstufe ist.
Kälteanlage (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Verdichterstufe wenigstens einen Verdichter (44) aufweist.
Kälteanlage (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Verdichterstufe eine Verdichterstufe transkritischer Bauart ist und/oder wenigstens einen Verdichter (44) transkritischer Bauart aufweist.
Kälteanlage (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Verdichterstufe eine sauggasgekühlte Verdichterstufe ist.
Kälteanlage (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Verdichterstufe eine Verdichterstufe ist, welche wahlweise luftgekühlt oder sauggasgekühlt betreibbar ist.
Kälteanlage (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Verdichterstufe wenigstens einen, insbesondere zwei Verdichter (46, 48) aufweist.
Kälteanlage (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Verdichterstufe eine Verdichterstufe transkritischer Bauart ist und/oder wenigstens einen, insbesondere zwei Verdichter (46, 48) transkritischer Bauart aufweist.
Kälteanlage (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kälteanlage (10) eine dritte Teilmassenstrom-Führungsvorrichtung (36, 38) zum Führen eines dritten Kältemittel-Teilmassenstroms aufweist, in welcher eine dritte Expansionsvorrichtung (69) oder eine dritte Verdichterstufe angeordnet ist.
Kälteanlage (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kälteanlage (10) eine Zwischenentspannungsvorrichtung (54) und/oder einen Kühlmittel-Flüssigkeitsabscheider (56) aufweist.
Kälteanlage (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in der ersten Teilmassenstrom-Führungsvorrichtung (22, 24, 26) eine erste Verdampferkühlstelle (62) angeordnet ist und/oder in der zweiten Teilmassenstrom-Führungsvorrichtung (30, 32, 34) eine zweite Verdampferkühlstelle (68) angeordnet ist.
Kälteanlage (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kälteanlage (10) einen in Betriebs-Strömungsrichtung stromabwäts der zweiten Verdichterstufe angeordneten Wärmetauscher (50) aufweist.
Kälteanlage (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kälteanlage (10) einen in Betriebs-Strömungsrichtung stromabwäts der zweiten Verdichterstufe angeordneten Verflüssiger bzw. Gaskühler (52) aufweist.