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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Betrieb eines zwei oder mehr Kühlkammern aufweisenden Kühlsystems.
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Im Stand der Technik sind Vorrichtungen und Verfahren zur Kühlung von Kühlkammern, insbesondere von Lagerräumen und von Transporträumen in Kühlfahrzeugen, bekannt, die Kompressionskältemaschinen, die wärmetauschergebundene Verdampfung und/oder direkte Einspritzung eines tiefkalt verflüssigten Gases, insbesondere von flüssigem Stickstoff, zur Kühlung einsetzen. Diese Kühlsysteme können an viele verschiedene Situationen angepasst werden, so dass es viele verschiedene Ansätze zur Kühlung von Kühlgut in Lagerräumen, Langstreckentransportern und im Lieferverkehr mit häufigen Be- oder Entladevorgängen gibt.
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Ein sehr flexibles System mit mehreren Kühlkammern, die auf unterschiedlichen Temperaturen gehalten werden können, ist beispielsweise in der
WO 2009/156384 A3 beschrieben. Dort ist auch bereits das Problem des Heizens von Kühlkammern und des Abtauens angesprochen.
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Eine besondere Herausforderung entsteht nämlich, wenn die Umgebungsbedingungen des Kühlraums und/oder die Anforderungen an die Lagertemperaturen des Kühlgutes und/oder die Transportbedingungen bei Kühltransporten nicht nur ein kontinuierliches Kühlen, sondern auch ein gelegentliches Heizen der Kühlkammern erfordern. Das Heizen der Kühlkammern kann unter anderem dann nötig sein, wenn sich der Kühlraum in einer Umgebung befindet, welche eine niedrigere Temperatur aufweist als die Solltemperatur des Kühlraumes oder Kühlgüter mit unterschiedlichen Solltemperaturen in einem Fahrzeug mit mehreren Kühlkammern transportiert werden und eine ausreichende Isolierung zwischen den Kühlkammern nicht gewährleistet werden kann. Diese Schwierigkeit tritt insbesondere beim Einsatz von in Längsrichtung unterteilten Transportern auf, so dass eine unerwünschte Wärmeübertragung zwischen den Kammern unterschiedlicher Solltemperatur vorliegen kann. Die Notwendigkeit unterschiedlicher Solltemperaturen tritt beispielsweise dann auf, wenn in einer Kammer tiefgekühlte Waren bei Temperaturen von z. B. –20°C, in einer anderen, angrenzenden Kammer aber Frischware mit einer Solltemperatur von wenigen Grad Celsius über dem Gefrierpunkt transportiert werden sollen.
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Im Fall der Feindistribution von Kühlgütern in der Großverbraucherversorgung ist außerdem das häufige Öffnen und Schließen der Kühlkammern bei Be- und Entladevorgängen mit einem Kälteverlust verbunden, welcher möglichst schnell ausgeglichen werden muss, um negative Einwirkungen der eintretenden Wärme auf das Kühlgut zu verhindern. Dazu ist es bekannt, die benötigte kurzzeitige Starkkühlung des Kühlraums mit der hohen Kühlleistung der wärmetauschergebundenen Verdampfung von tiefkalt verflüssigtem Gas oder dessen direkter Einspritzung in den Kühlraum zu realisieren. Eine bewusste Überdimensionierung von Kompressionskältemaschinen, um auf diese Weise eine Starkkühlung zu erreichen, wird ebenfalls durchgeführt, wodurch allerdings eine optimaler Wirkungsgrad dieser Aggregate im Dauerbetrieb mehr erreicht werden kann.
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Darüber hinaus entsteht bei intensiver und/oder längerer, ununterbrochener Verwendung von Kühlkreisen regelmäßig die Notwendigkeit die zur Wärmeübertragung eingesetzten Wärmetauscher in den Kühlkammern zu enteisen, wodurch die Kühlung zeitweise Unterbrochen werden muss und somit wiederum Kosten und Kühlzeitverluste für die Betreiber dieser Kühlsysteme entstehen.
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Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Vorrichtung zum sparsamen, simultanen Kühlen und/oder Heizen und/oder Abtauen von mindestens zwei Kühlkammern anzugeben, welche unterschiedliche Anforderungen an Kühlung und/oder Beheizung stellen. Ebenso soll ein Kühlverfahren angegeben werden, mit dem die beschriebenen Probleme gelöst werden können. Insbesondere soll der Verbrauch an Energie bei Kühlfahrzeugen verringert und damit deren Reichweite und/oder Einsatzzeit auch unter ungünstigen Betriebsbedingungen erhöht werden. Benötigt wird dazu eine Steuerung, welche die Kältequellen derart schaltet, dass sowohl immer in jeder Kammer hinreichende Kühl- bzw. Heizleistung ansteht, als auch das diese gleichzeitig mit jeweils minimalem Einsatz an Primärenergie bereitgestellt wird, und ohne das es auf der Entspannungsseite von Wärmetauschern zum Druckausgleich zwischen den Wärmetauschern kommen kann.
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Zur Lösung dieser Aufgabe dienen eine Kühleinrichtung nach Anspruch 1 und ein Kühlverfahren nach Anspruch 10. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung, die einzeln und in sinnvollen Kombinationen miteinander eingesetzt werden könne sind in den jeweiligen abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Eine erfindungsgemäße Kühleinrichtung zur Kühlung von mindestens einer ersten und einer zweiten Kühlkammer, weist in jeder Kühlkammer einen ersten Wärmetauscher zum Kühlen mittels eines Wärmetransportmediums und einen zweiten Wärmetauscher zum Heizen auf. Dabei wird das Wärmetransportmedium für alle Kühlkammern in einem gemeinsamen, geschlossenen Wärmetransportkreislauf geführt, welcher mindestens einen ersten Kompressor zur Verdichtung und Aufheizung des Wärmetransportmediums sowie ein Vorlagebehälter zur Entspannung und weiteren Abkühlung des Wärmetransportmediums aufweist und in welchen die ersten Wärmetauscher jeweils parallel zueinander und jeweils mit einem Kühlkreisventil versehen zwischen Vorlagebehälter und Kompressor in den Wärmetransportkreislauf eingebunden sind. Erfindungsgemäß sind die zweiten Wärmetauscher jeweils parallel zueinander und jeweils mit einem Absperrventil versehen zwischen Kompressor und Kühler in den Wärmetransportkreislauf eingebunden sind und eine mit einem Hauptventil ausgestattete Hauptleitung ist vorhanden, die die zweiten Wärmetauscher überbrückt. Dies erlaubt, bei Bedarf komprimiertes warmes Wärmetransportmedium durch den zweiten Wärmetauscher einer der Kühlkammern zu leiten, wenn dort Wärme zur Erhöhung der Temperatur oder zum Abtauen eines der Wärmetauscher benötigt wird. Durch vollständiges oder teilweises Schließen des Hauptventils und Öffnen des Absperrventils mindestens eines zweiten Wärmetauschers kann komprimiertes warmes Wärmetransportmedium durch diesen Wärmetauscher fließen. Sinnvollerweise wird man im Allgemeinen nicht gleichzeitig den ersten Wärmetauscher derselben Kühlkammer kühlen, also sollte das zugehörige Kühlkreisventil dabei geschlossen sein. So werden die Kühlkammer geheizt und/oder die Wärmetauscher dort abgetaut. Durch angepasstes Schalten der Ventile können unterschiedliche Zustände in den verschiedenen Kühlkammern eingestellt oder bestimmte Solltemperaturen aufrechterhalten werden. Besonderer Vorteil ist, dass beim Heizen einer Kühlkammer nicht zusätzliche Energie eingesetzt werden muss, sondern die über den Kompressor eingebrachte Energie genutzt werden kann, wobei gleichzeitig die später ohnehin erforderliche Kühlung des komprimierten Wärmetransportmediums teilweise von der zu heizenden Kühlkammer geleistet wird, was energetisch sehr günstig ist.
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Die Verwendung von zwei Wärmetauschern in jeder Kühlkammer in Verbindung mit einem einzelnen Hauptventil sowie einem Kühlkreisventil und einem Absperrventil pro Kühlkammer in einem gemeinsamen geschlossenen Wärmetransportkreislaufs zur Auswahl verschiedener Betriebszustände des Systems, ermöglicht eine in Bezug auf den Regelungsaufwand sehr effiziente Methode um das Kühlsystem an unterschiedliche Erfordernisse in den Kammern anzupassen.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind eine Temperatursensoreinheit in jeder Kühlkammer und das Hauptventil sowie die Absperrventile und die Kühlkreisventile mit einer Regelungseinheit über Steuerleitungen verbunden, wobei die Regelungseinheit ein Umschalten zwischen den verschiedenen Betriebszuständen des Wärmetransportkreislaufs ermöglicht. Insbesondere vorteilhaft ist das Umschalten zwischen einem ersten Zustand, bei dem die ersten Wärmetauscher aller Kühlkammern von dem Wärmetransportmedium nach dessen Abkühlung und Entspannung durchströmbar sind, während die zweiten Wärmetauscher aller Kühlkammern nicht durchströmbar sind, und einem zweiten Zustand, bei dem der erste Wärmetauscher mindestens einer der Kühlkammern nicht von dem Wärmetransportmedium nach dessen Abkühlung und Entspannung durchströmbar ist, aber der zweite Wärmetauscher von dem komprimierten Wärmetransportmedium vor dessen Abkühlung und Entspannung durchströmbar ist.
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Das durch die Regelungseinheit koordinierte Umschalten zwischen den Zuständen erfolgt aufgrund der durch die Temperatursensoreinheit aufgenommenen Systeminformationen und Außenbedingungen in Kombination mit vorgegebenen Solltemperaturen in den Kammern und dem daraus berechneten Kühl- beziehungsweise Heizbedarf in den Kammern. Zwischen dem ersten Zustand, in dem alle Kühlkammern simultan gekühlt werden, und dem zweiten Zustand, in dem mindestens eine Kühlkammer beheizt wird, wird durch das Hauptventil auf besonders einfache Art und Weise eine Anpassung des Systems an die aktuellen Umstände des Systems ermöglicht. Die Umstände des Systems werden hierbei im Wesentlichen durch zwei Aspekte definiert. Zum Einen durch die äußeren Bedingungen, insbesondere die Außentemperatur, und zum Anderen durch die Eigenschaften und Erfordernisse des Kühlgutes. Liegt die Außentemperatur beispielsweise in etwa auf dem Niveau der Solltemperatur einer der Kammern, so ist der Kühlbedarf dieser Kammer nahezu Null, in einer anderen Kammer in der die Solltemperatur deutlich unter der Außentemperatur liegt ist eine Kühlung notwendig und eine Kammer, welche eine Solltemperatur aufweist, welche oberhalb der Außentemperatur liegt, muss beheizt werden, um schädigende Untertemperaturen zu vermeiden. Liegt die Außentemperatur beispielsweise bei 0°C, so muss eine Frischdienstkammer mit einer Solltemperatur von etwa 7°C beheizt, eine eventuell angrenzende, Tiefkühlkammer mit einer Solltemperatur von etwa –18°C hingegen gleichzeitig gekühlt werden.
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Durch die Verwendung eines gemeinsamen Wärmetransportkreislaufs für das Kühlen und Beheizen unterschiedlicher Kammern wird die zum Betrieb der Kompressoren benötigte Energie besonders gut genutzt, da die zwangsläufig auftretende Abwärme nicht notwendigerweise an die Umwelt abgegeben werden muss, sondern zum Heizen eines Kühlraums einsetzbar wird.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung, weist jede Kühlkammer der Kühleinrichtung darüber hinaus Mittel zum Kühlen mit flüssigem Stickstoff auf, insbesondere einen von tiefkaltem Stickstoff durchströmbaren dritten Wärmetauscher. Der dritte Wärmetauscher jeder Kühlkammer wird vorzugsweise zur Starkkühlung eingesetzt, wobei flüssiger Stickstoff aus einem Stickstofftank einer Kühlkammer zugeleitet und dort verdampft wird, wobei die zur Verdampfung benötigte Wärme der entsprechenden Kühlkammer entzogen wird. Unter Starkkühlung wird in Verbindung mit der vorliegenden Erfindung eine Kühlung verstanden, welche sich insbesondere durch einen großen Kälteeintrag pro Zeiteinheit in eine Kammer für eine kurze Zeit, also eine hohe kurzzeitigen Kühlleistung, auszeichnet und somit die Temperatur in der Kammer sehr schnell erniedrigt.
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Der Einsatz von tiefkalt verflüssigtem Stickstoff in dem Kühlsystem ermöglicht die effiziente Umsetzung der insbesondere in der Feindistribution häufig benötigten Starkkühlung der Kühlkammern, die insbesondere durch den Wärmeeintritt von außen in die Kammer bei häufigem Öffnen auftritt. Die Starkkühlung oder auch die ständige Kühlung mit flüssigem Stickstoff ist im Stand der Technik bekannt. Bei der vorliegenden Erfindung erlaubt das gleichzeitige Vorhandensein mehrerer Kühlsysteme einen besonders flexiblen Einsatz unter verschiedenen Bedingungen und bei verschiedenen Kosten einzelner Energiearten. Die Regelung der Temperatur in den Kammern kann dabei für alle Systeme durch die Regelungseinheit übernommen werden, welche einerseits die Stickstoffverteilung auf die dritten Wärmetauscher der Kammern mit Hilfe von Stickstoffventilen, welche am jeweiligen Ein- oder Austritt angeordnet sind, regeln kann, und gleichzeitig die Kühlung derselben und/oder die Kühlung und/oder Beheizung anderer Kühlkammern des Kühlsystems über den Wärmetransportmittelkreislauf koordinieren kann. Durch die Ausnutzung der verschiedenen Betriebszustände des Wärmemittelkreislaufs und deren Auswahl über das Hauptventil, kann das Kühlsystem auf verschiedene Umgebungsbedingungen reagieren und die geforderten Solltemperaturen für jede Kühlkammer unter der effizienten Nutzung der zur Verfügung stehenden Energieressourcen einstellen. Dabei wird die Energiebereitstellung derart zwischen dem Wärmetransportkreislauf und dem Stickstoffsystem aufgeteilt, dass der Verbrauch an Primärenergie minimiert und die Kühlleistung zu jedem Zeitpunkt an den Kühlbedarf angepasst wird. Vorteilhaft ist darüber hinaus, wenn das Regelungssystem in regelmäßigen Abständen einen Selbsttest durchführt, in welchem die Funktionstüchtigkeit der Systemkomponenten überprüft wird, und gegebenenfalls Not-Betriebszustände vorsieht, welche die Kühlung und/oder Heizung bei Ausfall einer oder mehrerer Systemkomponenten durch Nutzung einer anderen zumindest für einen Überbrückungszeitraum ohne Sicherheitsrisiken in Betrieb hält.
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Besonders vorteilhaft ist es, wenn in jeder Kühlkammer die Wärmetauscher in einer gemeinsamen Wärmetauschersäule angeordnet sind, vorzugsweise übereinander. Hierdurch können die Wärmetauscher in ein gemeinsames Kühlmodul integriert werden, welches derart gestaltet ist, dass der dritte Wärmetauscher für die Stickstoffkühlung die höchste Position in der Kühlkammer einnimmt, der erste Wärmetauscher für die Kühlung mittels des Wärmetransportkreislaufs darunter angeordnet wird und der zweite Wärmetauscher für die Beheizung der Kammer die niedrigste Position einnimmt.
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In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist das Hauptventil in dem Wärmetransportkreislauf des Wärmetransportmediums zwischen dem ersten Kompressor und dem Kühler angeordnet. Zwischen dem Kompressor und dem Hauptventil zweigt eine Abzweigleitung ab, die parallel mit dem zweiten Wärmetauscher jeder Kühlkammer verbunden ist. Von dem zweiten Wärmetauscher jeder Kühlkammer führt eine Rücklaufleitung zu dem Kreislauf, der zwischen dem Hauptventil und dem Kühler endet, wobei jedem zweiten Wärmetauscher ein Absperrventil in der Abzweigleitung oder der Rücklaufleitung zugeordnet ist. Durch das Schließen des Hauptventils kann das Wärmetransportmedium also vor dem Durchfließen des Kühlers durch die zweiten Wärmetauscher der Kühlkammern geleitet werden, falls die zugehörigen Absperrventile geöffnet sind. Ein Schließen des Absperrventils eines Wärmetauschers verhindert natürlich, dass die Kühlkammer von dem Wärmetransportmedium durchflossen wird. Es sei aber darauf hingewiesen, dass zu einer Regelung auch das teilweise Öffnen oder Schließen von Ventilen gehören kann. Es können daher nicht nur Schaltventile, sondern auch Regelventile eingesetzt werden.
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In Verbindung mit Kühlkreisventilen vor jeder Kühlkammer, deren Schließen durch die Regelungseinheit den Zustrom des Wärmetransportmediums zu den der jeweiligen Kühlkammer zugeordneten ersten Wärmetauschern verhindert, ist es also möglich eine Vielzahl von Betriebszuständen einzustellen, um das System an die unterschiedlichen Bedingungen zu adaptieren. Wird darüber hinaus der Stickstoffzustrom zu den ersten Wärmetauschern der Kühlkammern durch das Öffnen beziehungsweise Schließen von Stickstoffventilen über die Regelungseinheit gesteuert, so wird die Anzahl der Betriebszustände des Kühlsystems weiter erhöht und dessen Einsatzmöglichkeiten vergrößert. Die möglichen Betriebszustände umfassen somit insbesondere die Kühlung und/oder Starkkühlung einer Kühlkammer bei gleichzeitigem Abtauen des ersten Wärmetauschers einer anderen Kühlkammer und/oder die Beheizung einer andern Kammer. Die Energiebereitstellung und -Verwendung kann somit sehr flexibel geregelt und auf die im Betrieb des Kühlsystems auftretenden unterschiedlichen Solltemperaturen angepasst werden. Die hier anhand von zwei Kühlkammern beschriebenen Eigenschaften sind ohne Weiteres auf drei oder mehr Kammern übertragbar, wenn deren erste und zweite Wärmetauscher jeweils parallel zueinander geschaltet sind. Die Flexibilität des Systems nimmt sogar mit der Zahl der Kühlkammern zu. Als Energiequelle kann jeweils die günstigste zur Verfügung stehende Energie eingesetzt werden, was nicht nur vom Preis, sondern auch von der Verfügbarkeit abhängen kann. Steht z. B. für ein Kühlfahrzeug mit einer erfindungsgemäßen Kühleinrichtung an einer Parkposition ein Anschluss an ein elektrisches Netz zur Verfügung, so kann dieses zum Betrieb des Kompressors genutzt werden. Nachrangig und nur vorübergehend kommt das elektrische Bordnetz in Betracht, wenn das Fahrzeug steht, beim Fahren der mechanische Antrieb des Kompressors über einen Fahrzeugmotor und schließlich der Einsatz von flüssigem Stickstoff.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind der erste Wärmetauscher und der zweite Wärmetauscher jeder Kühlkammer wärmeleitend miteinander verbunden. Dadurch kann dem ersten Wärmetauscher Wärme aus dem zweiten Wärmetauscher so zugeführt werden, dass der erste Wärmetauscher enteist wird. So kann ein wartungsarmer Betrieb der Kühlanlage gewährleistet werden, insbesondere wenn die Enteisungsintervalle für den ersten Wärmetauscher, abhängig von der Dauer, der Intensität und der Häufigkeit von dessen Nutzung, über die Regelungseinheit automatisch gesteuert werden und der Anwender der Kühlanlage die Enteisung der Wärmetauscher somit nicht mehr manuell durchzuführen braucht.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist in jeder Kühlkammer ein Umluftventilator so angebracht, dass die Luft in der zugehörigen Kühlkammer als Umluft durch die Wärmetauscher geleitet werden kann. Die durch den Ventilator bewirkte Zirkulation der Luft in der Kühlkammer ermöglicht eine effiziente Nutzung der Kühl- beziehungsweise Heizleistung der Wärmetauscher sowie eine gleichmäßige Verteilung der Kälte beziehungsweise Wärme in einer Kühlkammer. Dabei erzeugt die Durchströmung der Wärmetauscher mit Luft einen verbesserten Wärmeübergang an den Wärmetauschern. Die Kühl- beziehungsweise Heizleistung wird erhöht, wenn der Ventilator stark bläst, bläst dieser hingegen schwach, so ist die Kühl- beziehungsweise Heizleistung geringer. Über eine Rückkopplung zur Regelungseinheit kann die Ventilatorleistung in die Regelung einbezogen und individuell an die Erfordernisse jeder Kammer angepasst werden. Der Umluftventilator kann ebenfalls in das Kühlmodul mit den Wärmetauschern integriert werden, wodurch die zur Kühlung einer Kammer benötigten Bauelemente in einer kompakten, wartungsfreundlichen und gegebenenfalls leicht austauschbaren Einheit angeordnet sind.
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Besonders vorteilhaft ist es, wenn ein Fahrzeug mit der erfindungsgemäßen Kühleinrichtung ausgerüstet wird und insbesondere der Fahrzeugmotor einen zweiten Kompressor mechanisch antreibt. Die Verwendung von zwei wahlweise einsetzbaren Kompressoren oder einem Kompressor mit unterschiedlichen Antrieben erhöht die Betriebssicherheit und Verfügbarkeit des Gesamtsystems.
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Die für die erfindungsgemäße Kühleinrichtung offenbarten Details und Vorteile lassen sich auf ein erfindungsgemäßes Verfahren übertragen und anwenden und umgekehrt. Das erfindungsgemäße Kühlverfahren zur Einstellung von Solltemperaturen in mindestens einer ersten und einer zweiten Kühlkammer mittels eines Wärmetransportmediums, wobei das Wärmetransportmedium in einem gemeinsamen, geschlossenen Wärmetransportkreislauf zirkuliert und in einem Kompressor verdichtet und aufgeheizt wird, in mindestens einem Kühler gekühlt wird und zur Entspannung und weiteren Kühlung einer Entspannungsvorrichtung zugeführt wird, zeichnet sich dadurch aus, dass mittels Ventilen zwischen verschiedenen Betriebszuständen des Wärmetransportkreislaufs umgeschaltet werden kann, wodurch das Wärmetransportmedium den Kühlkammern wahlweise komprimiert und warm oder nach Abkühlung und Entspannung kalt zugeführt werden kann. Auf diese Weise kann die Wärme, die durch den Kompressor dem Wärmetransportmedium zugeführt wird, um den Kühlkreislauf in Gang zu halten, nutzbringend zum Heizen oder Abtauen einer Kühlkammer eingesetzt werden, statt in dem Kühler an die Umwelt abgegeben zu werden. Dies spart Energie und apparativen Aufwand.
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Bevorzugt wird ein Kühlverfahren, bei dem eine Regelungseinheit die Ventile derart steuert, dass zumindest zwischen einem ersten Betriebszustand des Wärmetransportkreislaufs, bei dem alle Kühlkammern von dem Wärmetransportmedium nach dessen Abkühlung und Entspannung durchströmt werden und einen zweiten Betriebszustand des Wärmetransportkreislaufs, bei dem mindestens eine der Kühlkammern nicht von dem Wärmetransportmedium nach dessen Abkühlung und Entspannung, sondern von dem komprimierten Wärmetransportmedium vor dessen Abkühlung und Entspannung durchströmt wird, umgeschaltet werden kann.
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Eine vorteilhafte Ausgestaltung des Kühlverfahrens ergibt sich, wenn jede Kühlkammer mindestens einen ersten Wärmetauscher zum Kühlen und einen zweiten Wärmetauscher zum Heizen oder Abtauen aufweist, wobei über ein zwischen dem Kompressor und dem Kühler angebrachtes Hauptventil das Wärmetransportmedium zumindest teilweise in eine Abzweigleitung geleitet wird, über die Abzweigleitung dem zweiten Wärmetauscher mindestens einer der Kühlkammern zugeführt wird und von den zweiten Wärmetauschern jeder Kühlkammer über eine Rücklaufleitung in die Leitung zwischen dem Hauptventil und dem Kühler geführt wird und wobei die Zufuhr des Wärmetransportmediums zu einem der zweiten Wärmetauscher durch das Schließen eines dem zweiten Wärmetauscher zugeordneten Absperrventils in der Abzweigleitung oder der Rücklaufleitung verhindert werden kann. Zur Aufrechterhaltung des Wärmetransportkreislaufes ist es erforderlich, dass dieser nicht vollständig unterbrochen wird. Es muss daher entweder das Hauptventil ganz oder teilweise geöffnet sein oder mindestens ein zweiter Wärmetauscher muss für das Durchströmen von Wärmetransportmedium geschaltet werden. Sinnvollerweise wird man eine Kühlkammer nicht gleichzeitig heizen und kühlen, so dass von regeltechnisch begründeten Ausnahmen abgesehen nur entweder der erste oder der zweite Wärmetauscher derselben Kühlkammer durchströmbar geschaltet werden sollten.
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Zusätzlich zu den beschriebenen Maßnahmen kann jede Kühlkammer bei Bedarf in an sich bekannter Weise auch mit flüssigem tiefkaltem Stickstoff gekühlt werden, was insbesondere nach Be- und Entladevorgängen vorteilhaft ist. Die Kombination mit den anderen Verfahrensschritten erlaubt eine besonders sparsame Betriebsweise eines Kühltransporters und erhöht dessen Reichweite bzw. Einsatzzeit.
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Die Erfindung sowie das technische Umfeld werden nachfolgend anhand der Zeichnung beispielhaft näher erläutert. Es ist darauf hinzuweisen, dass die Figuren besonders bevorzugte Ausführungsvarianten der Erfindung zeigen, auf die die Erfindung jedoch nicht darauf beschränkt ist. Es zeigen:
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1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Kühleinrichtung
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2 schematisch ein Kühlfahrzeug mit einer erfindungsgemäße Kühleinrichtung.
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1 zeigt schematisch ein Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem die Bereitstellung von Kälte oder Wärme für eine erste 1 und eine zweite 2 Kühlkammer gemäß der vorliegenden Erfindung dargestellt wird. Das hier mit zwei Kühlkammern 1, 2 beschriebene Prinzip lässt sich analog durch Parallelschaltung der entsprechenden Komponenten auf drei oder mehr Kühlkammern erweitern. Die erforderliche Kälte beziehungsweise Wärme wird durch einen geschlossenen Wärmetransportkreislauf 3 oder eine separate Stickstoffkühlung bereitgestellt. Ein Wärmetransportmittel, wie es typischerweise in Kühlkreiskäufen eingesetzt wird, wird in dem Wärmetransportkreislauf 3 wird von einem ersten Kompressor 4 und gegebenenfalls von einer Pumpe 17 in Bewegung gehalten. Der erste Kompressor 4, der über einen Kompressorantrieb 6 angetrieben wird, komprimiert und erwärmt das Wärmetransportmittel. Dieses gelangt dann, wie für typische Kühlkreisläufe bekannt, über eine Hauptleitung 20 zu einem Kühler 7, welchem ein Ventilator 8 für die Wärmeabfuhr zugeordnet ist. Hier wird das komprimierte Wärmetransportmittel durch Wärmeabgabe an die Umgebung abgekühlt und gelangt in flüssiger Phase in ein Vorlagebehälter 9, in der es sich durch Entspannung weiter abkühlt. Nachfolgend wird die Hauptleitung 20 in zwei Leitungen aufgeteilt, welche das Wärmetransportmedium den Kühlkammern 1, 2 zuführen. Die Kühlung der Kühlkammern 1, 2 durch das Wärmetransportmedium erfolgt in einem ersten Wärmetauscher 21 in jeder Kühlkammer 1, 2, welchem jeweils zur Regulation des Wärmetransportmittelzustroms ein Kühlkreisventil 14 zugeordnet ist. Anschließend wird das Wärmetransportmedium wieder in die Hauptleitung 20 zurückgeleitet und erneut dem ersten Kompressor 4 zugeführt. In der Hauptleitung 20 ist zwischen dem Kompressor 4 und dem Kühler 7 zusätzlich ein Hauptventil 12 angebracht, durch dessen Schließen der direkte Zustrom des Wärmetransportmediums zum Kühler 7 verhindert werden kann. Stattdessen durchströmt das Wärmetransportmedium bei ganz oder teilweise geschlossenem Hauptventil 12 in eine Abzweigleitung 10, welche zwischen erstem Kompressor 4 und Hauptventil 12 von der Hauptleitung 20 abzweigt. Die Abzweigleitung 10 teilt sich in zwei Leitungen, welche das Wärmetransportmedium einem zweiten Wärmetauscher 22 in jeder der Kühlkammern 1, 2 zuführen können. Von dem zweiten Wärmetauscher 22 jeder Kühlkammer 1, 2 gelangt das Wärmetransportmedium zu einer Rücklaufleitung 11, die zwischen dem Hauptventil 12 und dem Kühler 7 in die Hauptleitung 20 mündet. Darüber hinaus ist zur Regulation des Wärmemittelzustroms jedem zweiten Wärmetauscher 22 ein Absperrventil zugeordnet, welches sich vor oder hinter dem zweiten Wärmetauscher 22 befinden kann und in diesem Ausführungsbeispiel der Erfindung hinter diesem angeordnet ist. Durch das Schließen des Hauptventils 12 wird das Wärmetransportmedium also noch vor dessen Abkühlung einer der Kühlkammern 1, 2 zugeführt und kann damit über den zweiten Wärmetauscher 22 Wärme an die betreffende Kühlkammern 1, 2 abgeben um diese zu Heizen. Dadurch, dass die ersten Wärmetauscher 21 und die zweiten Wärmetauscher 22 in jeder Kühlkammer 1, 2 durch eine wärmeleitende Verbindung 27 verbunden sind, kann der Zustrom des Wärmemittels in die zweiten Wärmetauscher 22 auch dazu benutzt werden, den ersten Wärmetauscher 21 der Kühlkammern 1, 2 zu enteisen.
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Für den Fall, dass die Kühlleistung des Wärmetransportkreislaufs 3 nicht ausreicht um die Solltemperaturen in den Kühlkammern 1, 2 zu erreichen, verfügt das Kühlsystem zusätzlich über eine separate Stickstoffkühlung, die aus einem Stickstofftank 34 mit flüssigem tiefkaltem Stickstoff versorgt wird. Mit Hilfe einer Stickstoffpumpe 35 wird flüssiger Stickstoff aus dem Stickstofftank 34 entnommen und über Stickstoffleitungen den Kühlkammern 1, 2, nach einer Aufteilung der Stickstoffleitungen, zugeführt, wobei der Zufluss des Stickstoffs mit Hilfe von jeder der Kühlkammern 1, 2 zugeordneten Stickstoffventilen 31 reguliert werden kann. In den Kühlkammern 1, 2 ist in an sich bekannter Weise ein dritter Wärmetauscher 23 zur Verdampfung des flüssigen Stickstoff installiert, wodurch den Kühlkammern 1, 2 Wärme entzogen und diese somit indirekt gekühlt werden. Im Anschluss an die Verdampfung wird der nun gasförmige Stickstoff über eine Stickstoffabblasung 33 an die Umgebung abgegeben.
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Die ersten, zweiten und dritten Wärmetauscher 21, 22, 23 jeder Kühlkammer 1, 2 sind in einer Wärmetauschersäule 25 übereinander angeordnet, wobei der dritte Wärmetauscher 23 die oberste, der erste Wärmetauscher 21 die mittlere und der zweite Wärmetauscher 22 die unterste Position einnimmt. Über der Wärmetauschersäule 25 ist ein Umluftventilator 24 installiert, welcher eine Zirkulation der Luft in der jeweiligen Kühlkammer 1, 2 und somit eine Verteilung der übertragenen Kälte beziehungsweise Wärme bewirkt. Darüber hinaus erzeugt der Umluftventilator 24 eine Durchströmung der Wärmetauschersäule 25 mit Luft, was zum Einen zu einer verbesserten Wärmeübertragung führt, zum Anderen aber auch durch die Stärke der Ventilation die Kühl- beziehungsweise Heizleistung mit beeinflusst. Diese wird dabei durch eine Regelungseinheit 15 gesteuert, welche Informationsdaten über die aktuellen Temperaturen in den Kammern einer Sensoreinheit 26 über Steuerleitungen 16 erhält und diese mit vorgegebenen Solltemperaturen abgleicht. Darüber hinaus ist die Regelungseinheit 15 über die Steuerleitungen 16 mit dem Hauptventil 12, den Absperrventilen 13, den Kühlkreisventilen 14 und den Stickstoffventilen 31 verbunden und kann diese derart öffnen und schließen, dass das Kühlsystem verschiedene Betriebszustände zum Kühlen und/oder Heizen der Kühlkammern 1, 2 annehmen kann, wobei in den beiden Kühlkammern 1, 2 unterschiedliche Solltemperaturen eingestellt werden können.
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Beispielsweise kann durch das Schließen des Hauptventils 12, das Wärmetransportmedium in die Abzweigleitung 10 geführt und von dieser weiter in den zweiten Wärmetauscher 22 der ersten Kühlkammer 1, indem das der ersten Kühlkammer zugeordnete Absperrventil 13 geöffnet wird, wobei zeitgleich das Absperrventil 13 der zweiten Kühlkammer 2 geschlossen wird. Der zweite Wärmetauscher 22 der zweiten Kühlkammer 2 wird dabei also nicht von dem Wärmetransportmedium durchflossen, und das Wärmetransportmedium wird nach der Rückführung in die Rücklaufleitung 11 und nach dem Abkühlen im Kühler 7 nur dem ersten Wärmetauscher 21 der zweiten Kühlkammer 2 zugeführt, indem das der zweiten Kühlkammer 2 zugeordnete Kühlkreisventil 14 geöffnet bleibt, dasjenige der ersten Kühlkammer 1 aber geschlossen wird. So wird die erste Kühlkammer 1 geheizt und die zweite Kühlkammer 2 wird gleichzeitig gekühlt. Wichtig ist hierbei, dass der Kühlkreis durch die Abgabe von Heizenergie gekühlt wird, ohne das es zur Entspannung des Kältemediums kommt. Somit wird ein sehr effizienter Einsatz der Energieressourcen ermöglicht wird. Ein gleichzeitiger Bedarf zur Kühlung einer Kühlkammer und zur Beheizung einer anderen Kühlkammer kann z. B. auftreten, wenn die Solltemperatur der einen Kühlkammer unter der Außentemperatur liegt, die der anderen aber über der Außentemperatur.
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2 zeigt schematisch ein Kühlfahrzeug 18 mit einer erfindungsgemäßen Kühleinrichtung zur Kühlung beziehungsweise zum Heizen von zwei Kühlkammern 1, 2, wie sie anhand von 1 beschrieben wurde. Gleiche Komponenten sind mit gleichen Bezugszeichen versehen. Das Kühlsystem für das Kühlfahrzeug 18 enthält wiederum ein Hauptventil 12 in einer Hauptleitung 20, einen Kühler 7, einen Ventilator 8, ein Vorlagebehälter 9, eine Pumpe 17, Absperrventile 13, Kühlkreisventile 14, eine Abzweigleitung 10, eine Rücklaufleitung 11, einen Stickstofftank 34, eine Stickstoffpumpe 35, Stickstoffventile 31 und eine Stickstoffabblasung 33. In jedem der Kühlräume 1, 2 ist eine Wärmetauschersäulen 25 eingebaut, welche aus einem ersten Wärmetauscher 21, einem zweiten Wärmetauscher 22 und einem dritten Wärmetauscher 23 besteht, welche übereinander angeordnet sind, wobei der dritte Wärmetauscher 23 die oberste, der erste Wärmetauscher 21 die mittlere und der zweite Wärmetauscher 22 die unterste Position einnimmt. Über der Wärmetauschersäule 25 ist in jeder Kühlkammer ein Umluftventilator 24 installiert.
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Das Kühlfahrzeug 18 verfügt darüber hinaus über einen ersten Kompressor 4 der über einen elektrischen Kompressorantrieb 6 betrieben wird und über einen parallel zu dem ersten Kompressor 4 geschalteten zweiten Kompressor 5, welcher über eine mechanische Verbindung 40 von einem Motor 19 des Fahrzeugs 18 angetrieben wird. Der Strom des Wärmetransportmittels wird dabei mit Hilfe von Kompressorventilen 41 reguliert und entweder von dem ersten 4 oder dem zweiten 5 Kompressor komprimiert. Während des Betriebes des Motors 19, also insbesondere während der Fahrt des Kühlfahrzeugs 18, wird dabei primär der über die mechanische Verbindung 40 vom Motor 19 betriebene zweite Kompressor 5 verwendet und das zugeordnete Kompressorventil 41 geöffnet, wobei das dem ersten Kompressor 4 zugeordnete Kompressorventil 41 geschlossen ist. Ist der Motor 19 ausgeschaltet, so wird der Betrieb des Wärmetransportkreislaufs 3 über den ersten Kompressor 4 gewährleistet und die Kompressorventile 41 werden entsprechend geöffnet beziehungsweise geschlossen. Der elektrische Kompressorantrieb 6 wird dabei bevorzugt durch eine externe Spannungsquelle mit 24 V, 230 V oder 400 V betrieben, alternativ kann aber auch die Bordspannung oder eine von einem Generator generierte Spannung für den Kompressorantrieb 6 genutzt werden.
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Für die Regelung des erfindungsgemäßen Kühlsystems in dem Kühlfahrzeug 18 ist wiederum eine Regelungseinheit 15 vorgesehen, welche über Steuerleitungen 16 mit den zu regelnden Komponenten verbunden ist. Des Weiteren ist die Regelungseinheit mit einer Sensoreinheit 26 und dem Umluftventilator 24 in jeder Kühlkammer 1, 2 über die Steuerleitungen 16 verbunden.
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Bei einem Ausführungsbeispiel wird die erste Kühlkammer 1 zur Kühlung von Frischware mit einer Solltemperatur oberhalb des Gefrierpunktes, besonders bevorzugt +7°C, betrieben und die zweite Kühlkammer 2 als Tiefkühlkammer mit einer Solltemperatur unterhalb des Gefrierpunkts, besonders bevorzugt von –18°C. Dadurch ergeben sich für die beiden Kühlkammern 1, 2 unterschiedliche Kühlerfordernisse, welche durch das erfindungsgemäße Kühlsystem besonders effizient erfüllt werden können. Eine Außentemperatur oberhalb von +7°C beispielsweise erfordert eine Kühlung beider Kühlkammern 1, 2, was dadurch erreicht werden kann, dass das Hauptventil 12 geöffnet ist und das Wärmetransportmedium somit nicht durch die zweiten Wärmetauscher 22 der Kühlkammern 1, 2 fließt und keine Wärme an die Kühlkammern 1, 2 abgegeben wird. Durch das Öffnen beider Kühlkreisventile 14 werden beide ersten Wärmetauscher 21 durchströmt, wodurch beide Kammern 1, 2 gekühlt werden. Der höhere Kühlbedarf der zweiten Kühlkammer 2 kann durch die Regelungseinheit 15 dadurch gedeckt werden, dass der Umluftventilator 24 der zweiten Kühlkammer 2 stärker bläst als derjenige der ersten Kühlkammer 1 und dadurch für einen größeren Wärmeübertrag in dem ersten Wärmetauscher 21 der zweiten Kühlkammer 2 als in dem ersten Wärmetauscher 21 der ersten Kühlkammer 1 sorgt und somit in der zweiten Kühlkammer 2 eine größere Kühlleistung vorliegt. Zusätzlich kann bei erhöhtem Kühlbedarf durch das Öffnen des entsprechenden Stickstoffventils 31 die Kühlleistung in der zweiten Kühlkammer 2 erhöht werden, um die notwendige Solltemperatur zu erreichen. In einer weiteren bevorzugten Variante sind die Kühlkreisventile 14 regelbar ausgebildet, so dass der Wärmetransportmittelstrom und damit die Kühlleistung in unterschiedlichen Anteilen auf die ersten Wärmetauscher 21 der Kühlkammern 1, 2 aufgeteilt werden kann. Im vorliegenden Beispiel würde also ein größerer Anteil des Wärmetransportmediums in den ersten Wärmetauscher 21 der zweiten Kühlkamer 2 geleitet werden und somit in dieser die Kühlleistung erhöhen.
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Die vorliegende Erfindung eignet sich besonders für Kühlfahrzeuge, die zur Belieferung von Lebensmittelmärkten und dergleichen eingesetzt werden und zwei oder mehr Kühlkammern mit unterschiedlichen Solltemperaturen aufweisen. Dabei ist besonders die Kombination mit einer Stickstoffkühlung mittels flüssigem Stickstoff von Vorteil, weil andere Kühlkomponenten nicht für besonders hohe Spitzenleistungen ausgelegt werden müssen und daher besonders gut an die erfindungsgemäßen Energie sparenden Doppelfunktionen angepasst werden können.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- erste Kühlkammer
- 2
- zweite Kühlkammer
- 3
- Wärmetransportkreislauf
- 4
- erster Kompressor
- 5
- zweiter Kompressor
- 6
- Kompressorantrieb
- 7
- Kühler
- 8
- Ventilator
- 9
- Vorlagebehälter
- 10
- Abzweigleitung
- 11
- Rücklaufleitung
- 12
- Hauptventil
- 13
- Absperrventil
- 14
- Kühlkreisventil
- 15
- Regelungseinheit
- 16
- Steuerleitungen
- 17
- Pumpe
- 18
- Fahrzeug
- 19
- Fahrzeugmotor
- 20
- Hauptleitung
- 21
- erster Wärmetauscher
- 22
- zweiter Wärmetauscher
- 23
- dritter Wärmetauscher
- 24
- Umluftventilator
- 25
- Wärmetauschersäule
- 26
- Temperatursensoreinheit
- 27
- wärmeleitende Verbindung
- 31
- Stickstoffventil
- 32
- Stickstoffauslassventil
- 33
- Stickstoffabblasung
- 34
- Stickstofftank
- 35
- Stickstoffpumpe
- 40
- mechanische Verbindung
- 41
- Kompressorventil
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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