DE102012017345A1 - Haushalts-Kühlschrank oder -Gefrierschrank - Google Patents

Abstract

Für einen Kühlmittelkreislauf – bestehend aus Verdampfer (3), Verdichter (4), Kondensator (5) und Expansionsorgan (6) wird vorgeschlagen, dass Verdampfer und Kondensator jeweils in einem mit Wasser gefüllten Behälter (8 bzw. 9) angeordnet sind. Die Wärmeaufnahme des inneren Wasserspeichers und die Wärmeabgabe des äußeren Wasserspeichers erfolgt unabhängig von der Laufzeit des Verdichters. Damit verringert sich die Temperaturspanne zwischen Wärmequelle und Wärmesenke und der Stromverbrauch des Kältegerätes.

Description

• Die Erfindung betrifft einen Haushalts-Kühlschrank oder -Gefrierschrank, nachfolgend als Kältegerät bezeichnet.
• Kältegeräte sind in nahezu allen Haushalten – oft mehrfach – zu finden. In den vergangenen Jahren sind erfolgreich große Anstrengungen unternommen worden, um den Stromverbrauch der Kältegeräte zu senken.
• Vom Niedrig-Energie-Institut (NEI) Detmold (www.NEI-DT.de) wird im Auftrag der Verbraucherzentralen (www.verbraucherzentraleenergieberatung.de) und der Arbeitsgemeinschaft für sparsamen und umweltfreundlichen Energieverbrauch ASUE (ww.asue.de) jährlich eine Übersicht über besonders sparsame Haushaltsgeräte herausgegeben. Aus diesen Übersichten ist nachfolgend jeweils für die Gruppe Tisch-/Unterbaugeräte (mit den Abmessungen H/B/T gleich 85 cm/60 cm/60 cm) für die Kältegerätetypen
• – Kühlschränke ohne Sternefach – Block A
• – Kühlschränke mit (*/***)-Fach(–18°C) – Block B
• – Gefrierschränke – Block C
beispielhaft die Entwicklung des jährlichen Stromverbrauches in den letzten Jahren dargestellt:

	A		B		C
	L	R	L	R	L	R
2005/06	60	150	76	204	79	215
2006/07	67	144	73	206	59	209
2007/08	70	140	64	203	61	206
2008/09	76	135	75	195	70	196
2009/10	83	129	87	195	74	196
2010/11	63	121	71	170	50	178
2011/12	64	116	86	165	56	178

• Die linke Spalte gibt jeweils die Zahl der untersuchten Geräte und die rechte Spalte den mittleren Stromverbrauch dieser Geräte in kWh/a an.
• Häufig werden Kühlgerät und Gefriergerät auch in einem Gehäuse als Kühl-Gefrier-Kombination gebaut und eingesetzt. Unabhängig davon, ob diese Kühl-Gefrier-Kombinationen mit einem oder mit zwei Verdichtern betrieben werden, ist infolge der erheblich unterschiedlichen Temperaturniveaus in einem Gehäuse aus thermodynamischer Sicht ein optimales Ergebnis nicht zu erreichen. Die nachfolgende Erfindung bezieht sich deshalb ausdrücklich nicht auf diese Kühl-Gefrier-Kombinationen, zu denen auch die in Block B aufgeführten Kühlschränke mit (*/***)-Fach zählen.
• Aufgabe der Erfindung ist es, gegenüber dem gegenwärtigen Stand mit einfachen Mitteln eine weitere Senkung des Stromverbrauchs bei Kältegeräten zu erreichen.
• Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Gemäß Bild 1 sind der Verdampfer 4 innen und der Verdichter 5, der Kondensator 6 und das Expansionsorgan 7 außen vor der Rückwand 10 des Kühlgehäuses 1 angeordnet. Sowohl der Verdampfer als auch der Kondensator sind in einem quaderförmigen Wasserbehälter 8 bzw. 9 mit einer großen Wärmeübertragungsfläche zur umgebenden Luft bzw. zum Kühlgut und einer verhältnismäßig geringen Tiefe (ca. 5 bis 10 cm) angeordnet, wobei dem innen angeordneten Wasserbehälter 8 ein Frostschutzmittel zugesetzt ist, so dass das Wasser auch bei tiefen Außentemperaturen stets flüssig bleibt.
• Diese Lösung hat folgenden Vorteil:
  Wärmeaufnahme des inneren Wasserspeichers und Wärmeabgabe des äußeren Wasserspeichers erfolgen vollkommen unabhängig von der Laufzeit des Verdichters, an den die Wärmeaufnahme des Verdampfers und Wärmeabgabe des Kondensators unmittelbar gekoppelt ist. Dadurch ergibt sich gegenüber dem bisherigen Stand der Technik eine deutlich kleinere Temperaturdifferenz zwischen der Verdampfungstemperatur t_V und der Kondensationstemperatur t_K.
• Für die Auslegung des vorgeschlagenen Kühlkreislaufes gelten folgende Berechnungsgleichungen Q_V = f(t_K, t_V) N = f(t_K, t_V) Q_K = Q_V + N Q_i = Q_Kühl = k_i·A_i·(t_i – t_spV) Q_a = Q_Kühl + N = k_a·A_a·(t_spK – t_R) dt_V = 0,06·(Q_i – Q_V)/(c_w·m_SpV) dt_i = 0,06·(Q_Kühl – Q_i)/(c_W·m_KF) dt_K = 0,06·(Q_K – Q_a)/(c_W·m_SpK)
• Dabei bedeuten (siehe auch Bild 2)

A_a

Oberfläche Außenspeicher

A_i

Oberfläche Innenspeicher

c_W

Spezifische Wärme von Wasser (4,19 kJ/(kJ·grd)

k_a

Wärmedurchgangszahl Außenspeicher

k_i

Wärmedurchgangszahl Innenspeicher

m_KF

Masse des Kühlfachs

m_SpK

Masse des Kondensator-Wasserspeichers

m_SpV

Masse des Verdampfer-Wasserspeichers

N

Verdichterleistung

Q_Kühl

Kühlleistung

Q_a

Wärmeabgabe Kondensator-Wasserspeicher

Q_i

Wärmeaufnahme Verdampfer-Wasserspeicher

Q_K

Kondensationswärme

Q_V

Verdampfungswärme

t_i

Kühlfachtemperatur

t_R

Raumtemperatur

t_K

Kondensationstemperatur

t_V

Verdampfungstemperatur

t_spK

Wassertemperatur Kondensator-Speicher

t_spV

Wassertemperatur Verdampfer-Speicher (Die Wärmedurchgangszahl zwischen Wasser und dem verdampfenden bzw. kondensierenden Kältemittel liegt im Bereich von 1000 W/(m²·grd). Damit ist die Temperaturdifferenz zwischen t_spK und t_K einerseits sowie zwischen t_spV und t_V anderseits vernachlässigbar im Vergleich zur Temperaturdifferenz zwischen t_spK und t_R sowie t_spV und t_a.)

• Eingesetzt werden in Kältegeräten üblicherweise vollhermetische Hubkolbenverdichter, die von wenigen Herstellern in sehr großen Stückzahlen produziert werden und die vollkommen wartungsfrei sind und über 10 und mehr Jahre störungsfrei arbeiten.
• Für ein Berechnungsbeispiel wird der Verdichter TLES 5 K des Danfoss-Konzerns gewählt, der folgende Kennwerte hat

  Verdampfungstemperatur	tV = –35 bis 0°C
  Kondensationstemperatur	tK = 30 bis 60°C
  Kältemittel	R 600 a
  Hubvolumen	VHub = 5,08 cm3
  Motorleistung	N = 70 W

• Von Danfoss wird auf seiner Internetseite www.danfoss.de das Berechnungsprogramm „RS + 3” bereitgestellt, mit dem die Abhängigkeit der Kälteleistung Q_K und der Leistungsaufnahme N in Abhängigkeit von t_V und t_K berechnet werden kann.
• Diese Werte können in Form einer Potenzreihe wiedergegeben werden N = 48,6 – 0,705·t_V + 0,94·t_K – 0,0115·t_V ² + 0,042·t_V·t_K in W Q_K = 309 + 9,9125·t_V – 2,2·t_K + 0,08825·t_V ² – 0,03825·t_V·t_K in W
• Beispielsweise ergibt sich für t_V = 0°C und t_K = 30°C
  N = 76,8 W und Q_K =243 W.
• Als weitere Werte für das Berechnungsbeispiel werden gewählt
  Q_Kühl = 15 W
  t_R = 20°C
  m_KF = 10 kg
  m_SpV = m_SpK = 5 kg
  A_a = A_i = 0,5 m²
  k_a = k_i = 10 W/(m²·grd)
• Für den Startzeitpunkt wird angenommen
  t_V = t_i = 6,50°C und t_K = t_R = 20,00°C
• Mit einer Zweipunktregelung wird der Verdichter eingeschaltet, wenn t_i den Wert von 6,50°C erreicht oder überschreitet, und ausgeschaltet, wenn t_i den Wert von 6,00°C erreicht oder unterschreitet.
• Die Berechnung erfolgt in Zeitschritten von einer Minute. Bei diesen kleinen Zeitschritten können ohne Einbuße an Genauigkeit die differentiellen Größen dt und dτ durch Differenzwerte Δt und Δτ ersetzt werden.
• In Tabelle 1 sind für die ersten 30 Minuten die Veränderung der wesentlichen Werte angegeben.
• Durch Aufsummierung dieser Werte können die Energieströme im Verlauf des Tages und die Gesamtwerte bestimmt werden. In Tabelle 2 sind auf der linken Seite die Momentanwerte zum Stundenbeginn für t_V, t_i und t_K und auf der rechten Seite die Energieströme in kWh angegeben. Beispielsweise schaltet der Verdichter im Verlauf der 24 Stunden fünfmal ein und aus und verbraucht 0,1123 kWh Strom. Dieser Verbrauch kann nicht unmittelbar auf den Jahresverbrauch hochgerechnet werden, da sich die letzte Periode über 0.00 Uhr in den Folgetag erstreckt. Von diesem Periodenverbrauch in Höhe von 0,0222 kWh entfallen 0,0030 kWh auf den Folgetag. Der zeitechte Verbrauch beträgt damit 0,1093 kWh/d bzw. 39,9 kWh/a.
• Bei der Gestaltung der Wasserspeicher hinsichtlich Oberfläche und Masse gibt es Freiheitsgrade. In Tabelle 3 sind die Ergebnisse einiger Auslegungsvarianten dargestellt. Sie zeigen
• – Der Stromverbrauch des Verdichters wird – nicht überraschend – entscheidend von der Höhe der Kühlleistung, also des Wärmeeintrags in den Kühlschrank bestimmt.
• – Die Füllung des Kühlschranks hat demgegenüber einen deutlich kleineren Einfluss, wobei ein weniger gefüllter Kühlschrank einen niedrigeren Verbrauch hat
• – Bei den vier untersuchten Varianten hinsichtlich der Speichergestaltung ergeben sich beim Stromverbrauch jeweils deutliche Unterschiede zwischen der besten und der schlechtesten Variante.
• – Alle ausgewiesenen Jahresstromverbräuche liegen mehr oder weiniger deutlich über den vorn genanten Stromverbrauchswerten.

Claims (1)

1. Haushalts-Kühlschrank oder -Gefrierschrank bestehend aus dem Gehäuse (1) und der Tür (2), die den Kühlraum (3) umschließen – nachfolgend als Kältegerät bezeichnet –, mit einem Kühlmittelkreislauf – bestehend aus Verdampfer (4), Verdichter (5), Kondensator (6) und Expansionsorgan (7) –, dadurch gekennzeichnet, dass – der Verdampfer innen vor der Rückwand (10) des Kältegerätes in einem quaderförmigen, mit Wasser gefüllten Behälter (8) mit einer im Verhältnis zu Breite und Höhe geringen Tiefe angeordnet ist, wobei dem Wasser ein Frostschutzmittel zugesetzt ist, so dass das Wasser auch bei tiefen Verdampfungstemperaturen flüssig bleibt – der Kondensator außen vor der Rückwand des Kältegerätes in einem mit Wasser gefüllten Behälter (9) mit einer im Verhältnis zu Breite und Höhe geringen Tiefe angeordnet ist.

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