DE102013004252A1

DE102013004252A1 - Klimaanlage, die Wärme zusätzlich zur Kompression verwendet und dadurch Antriebsenergie für den Kompressor einspart

Info

Publication number: DE102013004252A1
Application number: DE201310004252
Authority: DE
Inventors: wird später genannt werden Erfinder
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2013-03-12
Filing date: 2013-03-12
Publication date: 2014-10-02

Abstract

Die im Betrieb anfallende Wärme von Verbrennungsprozessen, z. B. von Kraftfahrzeugmotoren, Heizkraftwerken oder chemischen Prozessen wird verwendet, um das Kältemittel von Klimaanlagen im Kompressionskreislauf nachzuverdichten und damit die Arbeitslast des Kompressors zu reduzieren. Dadurch lässt sich die für den Betrieb der Klimaanlage notwendige Antriebslast reduzieren, was seinerseits zu einem niedrigeren Energieverbrauch des Verbrennungsprozesses führen kann. Zur Übertragung der Wärme durchfließt das Kältemittel einen Wärmeübertrager, der direkt am Erzeuger des Wärmeprozesses angebracht ist oder mit diesem über Leitungen verbunden ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Klimaanlage, die Wärme zur weiteren Verdichtung des Kältemittels nutzt und damit den vorhandenen Kompressor entlastet und den Energieaufwand zum Betreiben dieses reduziert.
Stand der Technik
Es werden heutzutage hauptsächlich Klimaanlagen eingesetzt, die auf dem Kompressionsprinzip basieren. Gasförmiges Kältemittel wird von einem Kompressor verdichtet und danach in einem Verflüssiger abgekühlt. Das unter Druck stehende Kältemittel wird dabei flüssig, wird durch das Entspannungsventil in den Verdampfer eingespritzt, wo es verdampft. Hierbei entzieht das Kältemittel die Wärme aus am Verdampfer vorbeigeführter Luft oder Flüssigkeiten, die sich ihrerseits abkühlen. Die heruntergekühlte Luft oder Flüssigkeit wird nun in den abzukühlenden Raum geführt, in dem sie ihrerseits die beabsichtigten Personen oder Objekte abkühlen.
Der Kompressor besteht aus einem hydraulischen Teil, der das Kältemittel ansaugt und verdichtet sowie einem Antrieb des hydraulischen Teils, entweder über einen direkt angeflanschten Motor oder indirekt über eine Kraftkopplung, z. B. Riemen von einem Motor angetrieben.
Entwickelte Regelmechanismen steuern den gesamten Kältekreislauf entsprechend der Nutzervorgaben und den im Kältekreislauf vorhandenen Druck und/oder Temperatursensoren. Dadurch kann die Verdichtungsleistung des Kompressors geregelt oder der Kältekreislauf durch entsprechende Bypassventile unterbrochen werden.
Der Kompressor des Kältekreislaufes benötigt sehr viel Energie zu seinem Antrieb. Weit über 60% der für den Betrieb einer Klimaanlage notwendigen Energie werden ausschließlich für den Antrieb des Kompressors benötigt. Bei Klimaanlagen, die beispielsweise in KFZ eingebaut sind, reduziert der Antrieb des Kompressors die zur Verfügung stehende Leistung des Antriebsmotors des KFZ, wodurch der Benzinverbrauch deutlich ansteigt.
Es gibt zwar schon Klimaanlagen, die Abwärme nutzen und nach den Absorptions- oder Adsorptionsmechanismen funktionieren ( DE000010002046A1 ). Sie weisen weder die Verdichter noch die Verfahren des Kompressionsprinzips auf. Am Markt haben sich diese Anlagen nicht durchgesetzt. Der Massenmarkt für Klimaanlagen basiert auf dem Kompressionskältekreislauf.
Es gibt auch Klimaanlagen, die die Abwärme nutzen und den Kompressionskreislauf unterstützen. Diese nutzen die Wärme in einem zweiten Kreislauf, in dem das Kältemittel verdampft wird und stellen dieses über einen komplizierten Ventilmechanismus dem Kompressionskreislauf zur Verfügung. Dieses Verfahren erfordert zwei Kreisläufe, komplizierte Ventilsteuerungen.
Es sind auch Kältekreisläufe mit Nutzung von Wärme im Kreislauf bekannt. Hierbei wird das Kältemittel vor der Kompression elektrisch ( DE102007011024A1 ), mit der Wärme des Innenraumes ( DE102005005430A1 ), mit Wärme vom Motor und Steuerelektronik ( DE000019925744A1 ) oder mit Abwärme des Kompressormotors ( DE000019908043C2 ) aufgeheizt. Dies wird vor allem bei tiefen Außentemperaturen eingesetzt. Eine Reduzierung der Kompressionslast wird damit jedoch kaum erreicht. Teilweise wird eine kontraproduktive Druckreduzierung vorgeschlagen ( DE000019925744A1 ). Allen gemein ist die Erwärmung des Kältemittels vor dem Eintritt in den Kompressor. Der Kompressor hat in diesem Fall annähernd die gleiche Arbeitslast, wodurch der Benzinverbrauch eines KFZ-Motors als Antrieb des Kompressors, kaum reduziert wird.
Von solar gestützten Klimaanlagen im Kompressionsprinzip ist bekannt, daß eine dem Kompressor nachgelagerte Erhitzung des Kältemittels den Energiebedarf des Kompressors um 60% reduzieren kann. ( US 2012/0117986 A1 ) Die Erwärmung erfolgt jedoch ausschließlich in einem Solarpanel und als Wärmequelle wird ausschließlich die Sonne herangezogen.
Klimaanlagen im Kompressionsprinzip haben den Nachteil, daß sie für den Betrieb sehr viel Energie benötigen. Weit über 60% der für den Betrieb einer Klimaanlage aufzuwendenden Energie. wird für den Antrieb des Kompressors benötigt. Dieser hoher Energieverbrauch soll durch die hier vorliegende Erfindung unter Aufrechterhaltung der Höhe der gewünschten Kälteleistungen der Klimaanlage reduziert werden. Dieses ist im Rahmen der heutigen Klimadiskussion und damit verbundenen CO₂ Problematik besonders wünschenswert.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, mit Hilfe vorhandener Wärme die aufzubringende Arbeit zum Antrieb des Kompressors einer Klimaanlage zu reduzieren, ohne die zu erbringende Kälteleistung deutlich zu schmälern.
Die Aufgabe wird gelöst durch die Ausbildung einer Klimaanlage, die wenigstens die Bestandteile Kompressor, Wärmeübertrager, Verflüssiger, Entspannungsventil, Verdampfer, Steuereinheit, Kältemittelleitungen, Signalleitungen aufweist und die in einem Kühlkreislauf miteinander verbunden sind, wobei die Kältemittelleitungen den Kompressor mit dem Wärmeübertrager, den Wärmeübertrager mit dem Verflüssiger, den Verflüssiger mit dem Entspannungsventil, das Entspannungsventil mit dem Verdampfer, den Verdampfer mit dem Kompressor verbindet, wobei der Kompressor mit gesteuert veränderbarer Verdichtungsleistung ausgebildet und mit einer Steuereinheit verbunden ist, die mit Druck und/oder Temperatursensoren an den Kältemittelleitungen oder Bestandteilen des Kältekreislaufes und mit dem Kompressor zu dessen Steuerung in Abhängigkeit der ermittelten Druck- und/oder Temperaturwerten derart verbunden ist, daß bei Erreichen eines vorgegeben Drucks oder Temperaturwertes die Verdichtungsleistung des Kompressors gesteuert verändert werden kann.
Eine Verdichtung mittels Wärmeübertrager, der bei richtiger Dimensionierung den Kompressor entlasten und darüber hinaus einen höheren Druck erzeugen kann, kann eine tiefere Unterkühlung des Kältemittels bei Austritt aus dem Verflüssiger und eine höhere Kälteleistung in dem Verdampfer mit niedrigerem Flash-gas Anteil erbringen. Es kann damit die Energie für die Verdichtung des mechanisch arbeitenden Kompressors reduziert werden und der Wirkungsgrad der Klimaanlage kann ansteigen.
Die gewünschte Kälte einer Klimaanlage wird in dem Verdampfer erzeugt, indem eine Flüssigkeit dort zum Verdampfen gebracht wird. Die zu dem Verdampfen notwendige Wärme wird dabei aus der Umgebung in Form von vorbeigeführter Luft und/oder Flüssigkeiten mit ausreichender innewohnender Wärme und ausreichendem Volumenstrom entnommen und an das Kältemittel übergeben. Je höher der Druck der verdampfenden Flüssigkeit ist, desto höher dessen Dichte, damit der Volumenstrom und damit die erzeugte Kälteleistung. Es wird daher angestrebt, flüssiges Kältemittel in höheren Drücken in dem Verdampfer verdampfen zu lassen.
Das Expansionsventil vor dem Verdampfer läßt nur so viel flüssiges verdichtetes Kältemittel in den Verdampfer ein, wie benötigt wird, um die gewünschte Kälteleistung zu erzeugen.
Hoch verdichtetes flüssiges Kältemittel wird gewonnen, indem gasförmiges Kältemittel im Kompressor verdichtet und in einem Verflüssiger abgekühlt wird. Je höher der erzeugte Verdichtungsdruck, desto tiefer ist die Temperatur des flüssigen Kältemittels bei Austritt aus dem Verflüssiger mit konstanter Wärmeleistung. Dem gegenüber steht ein deutlich höherer Verdichtungs- und damit Energieaufwand für Kompressor, der in der Gesamtbetrachtung aller Energien den Wirkungsgrad senken kann.
Das erfindungsgemäße Verfahren reduziert den Energieaufwand für den mechanisch arbeitenden Kompressor, indem ein bedeutender Anteil der mechanisch erzeugten Kompression von einem in den Kältekreislauf nach dem Kompressor und vor dem Verflüssiger integrierten Wärmeübertrager übernommen wird und kann zudem höhere Drücke des Kältemittels und damit eine höhere Effizienz der Klimaanlage bereitstellen.
Der Wärmeübertrager überträgt vorhandene Wärme aus einer Wärmequelle in das Kältemittel, wobei ein ausreichender Wärmemengenfluß zwischen der Wärmequelle und dem Kältemittel in der Kältemittelleitung des Wärmeübertrager vorliegen muß. Der Wärmemengenfluß ergibt sich aus den Temperaturunterschieden, den Massenströmen, Art der beteiligten Medien, die Gase, Flüssigkeiten und Gemische sein können, und der Oberfläche zwischen den Medien. Da das Kältemittel sich in einem abgeschlossenen Kreislauf mit unveränderlichem Volumen befindet und sich nicht ausdehnen kann, erhöht es seinen Druck. Dieses physikalische Phänomen wird im idealen Gasgesetz beschrieben: p·V = Rs·T
Das Produkt aus Druck und Volumen ist proportional zu seiner Temperatur. Die spezielle Gaskonstante Rs legt die Höhe des Zusammenhanges fest. Erhitzt man ein Gas, das sich nicht ausdehnen kann, so steigt dessen Druck. Die Höhe des Druckes bestimmt sich über die eingebrachte Wärmemenge.
Durch die Einbindung des Wärmeübertragers muß der Kompressor nicht mehr die gesamte Kompressionslast übernehmen, um das Kältemittel auf erforderlichen Druck und/oder Temperatur für die Kälteerzeugung im Entspanndngsventil und Verdampfer zu bringen. Der Kompressor verdichtet das Kältemittel lediglich vor und sorgt für einen ausreichenden Umlauf des Kältemittels.
Der Wärmeübertrager kann das Kältemittel noch höher als der Kompressor einer konventionellen Klimaanlage ohne Wärmeübertrager verdichten, was den Wirkungsgrad und Kälteleistung der Klimaanlage gemäß den Merkmalen nach dem Anspruch 1 noch steigern kann. Ein höherer Druck des gasförmigen Kältemittels nach dem Wärmeübertrager und vor dem Verflüssiger führt bei einem Verflüssiger, dessen Wärmeleistung gegenüber einer konventionellen Klimaanlage ohne Wärmeübertrager unverändert ist, zu einem tiefer abgekühlten flüssigem Kältemittel bei Austritt aus dem Verflüssiger. Dieser erweiterter Unterkühlungseffekt basiert auf der Clausius-Clapeyron Gleichung, die besagt, daß Gase mit höherem Umgebungsdruck bei höheren Temperaturen kondensieren. Die aufzubringende Wärme zur vollständigen Kondensation ist bei höheren Drücken niedriger und die vorhandene Kühlungskapazität des Verflüssigers wird zur weiteren Abkühlung des verflüssigten Kältemittels eingesetzt, wodurch es den Verflüssiger mit einer tieferen Temperatur verläßt.
Je niedriger die Temperatur des Kältemittels bei Eintritt in den Verdampfer ist, desto höher ist der nutzbare Anteil an flüssigem Kältemittel, bzw. desto niedriger der nicht nutzbare Flash-Gas Anteil. Flash-gase sind Kältemittel, die beim Eintritt in den Verdampfer bereits dampfförmig vorliegen und nicht mehr der Kälteerzeugung zur Verfügung stehen. Je weiter der Flash-gas Anteil reduziert werden kann, desto effizienter arbeitet die Klimaanlage.
Die Aufgabe wird gelöst durch die Ausbildung einer Klimaanlage in der der Kompressor mit veränderbarer Verdichtungsleistung ausgebildet ist und mit der Steuereinheit zur Steuerung der Verdichtungsleistung verbunden ist. Je mehr der Wärmeübertrager das Kältemittel komprimieren kann, desto weniger muß der mechanisch arbeitende Kompressor den notwendigen Verdichtungsdruck und die dafür notwendig Energie aufbringen. Die Steuereinheit ermittelt die in dem Kältekreislauf vorliegenden Drücke und/oder Temperaturen und regelt aufgrund der vom Nutzer eingestellten Kälteleitung sowie intern vorhandenen Regelalgorithmen die Verdichtungsleistung des mechanisch arbeitenden Kompressors. Die Verdichtungsregelung des Kompressors kann gleitend, zum Beispiel über Änderung der Antriebsdrehzahl oder in Stufen erfolgen. Die Mehrstufigkeit kann auch durch mehrere in Reihe und/oder parallel geschaltete Kompressoren erreicht werden.
Die Aufgabe wird gelöst durch die Ausbildung einer Klimaanlage, die in mobilen Fahrzeugen wie PKWs, LKWS oder Schiffen eingesetzt werden und dort den Antriebsmotor als Energiequelle für den mechanisch arbeitenden Kompressor entlasten und damit einen niedrigeren Treibstoffverbrauch des Antriebsmotors ermöglichen können. Die Wärme des Antriebsmotors dient als Wärmequelle für die Verdichtung des Kältemittels in dem Kältekreislauf.
Die Aufgabe wird gelöst durch die Ausbildung einer Klimaanlage, die die Wärme von stationär angeordneten Heizungen, Heizkraftwerken und/oder von chemischen Wärmeprozessen nutzt. Die Heizungen, Heizkraftwerke und/oder chemischen Wärmeprozesse können direkt neben der Klimaanlage, aber auch von der Klimaanlage entfernt stationiert sein, sofern die Wärme in ausreichender Menge und Höhe über Leitungen an den Wärmeübertrager des Kältemittels transportiert werden kann. Als Transportmedium für die Wärme können Gase, Flüssigkeiten und/oder gemische daraus dienen.
Ein eventuell zusätzlich eingebrachter Bypass, bestehend aus zwei Dreiwegeventilen mit Anschluss an die Steuereinheit, Kältemittelleitungen, die die Dreiwegeventile direkt miteinander verbinden, kann das Kältemittel am Wärmeübertrager vorbei führen. Dies kann gewünscht sein, wenn die Wärme aus der Wärmequelle nicht oder in unzureichender Form vorliegt oder keine Wärmeübertragung gewünscht wird oder falls das Kältemittel. nach Austritt aus dem Wärmeübertrager zu heiss ist. In letzterem Fall würde die Regelung der Klimaanlage den Kompressor ausschalten, da die Gefahr bestände, daß die hohen Drücke und/oder Temperaturen des Kältemittels die nachfolgenden Einrichtungen der Klimaanlage schädigen könnten. Mittels der 3-Wege Ventile vor und nach dem Wärmeübertrager kann das Kältemittel komplett oder auch dosiert an dem Wärmeübertrager vorbeigeleitet werden.
Ein eventuell zusätzlich eingebrachter Bypass, bestehend aus zwei Dreiwegeventilen mit Regelanschluss an die Steuereinheit, Kältemittelleitungen, die die Dreiwegeventile direkt miteinander verbinden, kann das Kältemittel am Expansionsventil gesteuert vorbei führen. Dies kann für spezielle Arbeitsfälle der Klimaanlage gewünscht sein, wenn eine größere Öffnung im Entspannugnsventil benötigt wird als das Entspannungsventil bereit stellen kann.
Mit einem zusätzlichen Vierwegeventil und veränderter Führung der Kältemittelleitungen kann die Klimaanlage mit den Merkmalen aus Anspruch 1 auch die Umgebung wärmen. Die Aufgabe wird gelöst durch die Ausbildung einer Klimaanlage, die zusätzlich ein mit der Steuereinheit verbundenes Vierwegeventil enthält, wobei die Kältemittelleitungen das Vierwegeventil mit dem Wärmeübertrager und dem Verflüssiger und dem Verdampfer und dem Kompressor verbindet, wobei der Kältemittelfluß durch die Leitungen entweder vom Wärmeübertrager zum Verflüssiger, danach zum Entspannungsventil, danach zum Verdampfer, danach wieder zum Vierwegeventil, danach zum Kompressor oder vom Wärmeübertrager zum Verdampfer, danach zum Entspannungsventil, danach zum Verflüssiger, danach wieder zum Vierwegeventil, danach zum Kompressor erfolgt, wobei die Stellung des Vierwegeventils und damit die Unterscheidung zwischen Kühlen und Wärmen von der Steuereinheit aufgrund der Nutzervorgaben und/oder den im Kühlkreislauf gemessenen Drücken und/oder Temperaturen gesteuert wird.
Wird das Vierwegeventil der Klimaanlage für den Heizbetrieb gestellt, so erfolgt der Kältemittelfluß vom Kompressor zum Wärmeübertrager, danach zum Vierwegeventil, danach zum Verdampfer, danach zum Entspannungsventil und/oder an diesem im Bypass vorbei zum Verflüssiger, danach wieder zum Vierwegeventil, danach wieder zum Kompressor. Die vom Kompressor während der Verdichtung erzeugte und vom Wärmeübertrager in das Kältemittel zusätzlich übertragene Wärme kann im Verdampfer als Wärme an die Umgebung abgegeben werden. Der Wärmeübertrager kann hier den mechanischen Kompressor entlasten und zusätzliche Wärme an das Kältemittel übertragen, sodaß die Wärmeleistung der gesamten Klimaanlagen zumindest gleich bleibt oder sogar ansteigen kann, während der Energieaufwand zum Betreiben des mechanisch arbeitenden Kompressors reduziert werden kann.
Das erfindungsgemäße Verfahren gemäß den Merkmalen von Anspruch 12 erlaubt es, eine Klimaanlage mit deutlich niedrigerer Antriebsenergie für den mechanisch arbeitenden Kompressor und höherem Wirkungsgrad sowie ohne Einbußen an der gewünschten Kälteleistung betreiben zu können.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen. Nachfolgend sind Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung prinzipmäßig dargestellt.
Ausführungsbeispiel
Die Erfindung ist an Hand der in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Darin zeigen
1: Prinzipielle Anordnung des Kältekreislaufes mit den mindest darin enthaltenden Bestandteilen und Leitungen
2: Anwendung der Klimaanlage mit den Merkmalen nach Anspruch 1 in einem PKW
3: Anwendung der Klimaanlage mit den Merkmalen nach Anspruch 1 in einem Gebäude mit einer Heizung als Wärmequelle
4: Anwendung der Klimaanlage mit den Merkmalen nach Anspruch 1 in einem Gebäude mit einem extern angeordneten wärmeerzeugenden chemischen Prozess als Wärmequelle
5: Prinzipielle Anordnung des Bypass am Entspannungsventil
6: Prinzipielle Anrodnung des Kältekreislaufes mit mehreren Verdampfern in separaten Unterkreisläufen
7: Prinzipielle Anordnung des Kältekreislaufes mit den mindest darin enthaltenden Bestandteilen, Leitungen und einem zusätzlichen 4-Wegeventil für die Erweiterung der Klimaanlage zu einer Wärmepumpe
1 zeigt den schematischen Aufbau der Klimaanlage mit den Merkmalen gemäß dem Anspruch 1, wie sie als Grundmodell in den verschiedenen Anwendungen mobil im PKW, LKW, Schiff, oder stationär in Gebäuden eingesetzt werden kann.
Der Kompressor 1 saugt das gasförmige Kältemittel an, verdichtet es vor und befördert dieses durch die Kältemittelleitung 11 an den angeschlossenen Wärmeübertrager 3. Der Wärmeübertrager 3 überträgt vorhandene Wärme aus einer Wärmequelle 2 in das Kältemittel, wobei ein ausreichender Temperaturunterschied zwischen dem Kältemittel in der Kältemittelleitung des Wärmeübertragers 3 und der Wärmequelle 2 sowie eine ausreichende Übertragungsfläche in dem Wärmeübertrager 3 für die Wärme vorliegen muß. Da das Kältemittel sich in einem abgeschlossenen Kreislauf mit unveränderlichem Volumen befindet und sich nicht ausdehnen kann, erhöht es seinen Druck. Dieses physikalische Phänomen wird im idealen Gasgesetz beschrieben: p·V = Rs·T
Das Produkt aus Druck und Volumen ist proportional zu seiner Temperatur. Die spezielle Gaskonstante Rs legt die Höhe des Zusammenhanges fest. Erhitzt man ein Gas, das sich nicht ausdehnen kann, so steigt dessen Druck. Die Höhe des Druckes bestimmt sich über die eingebrachte Wärmemenge.
Durch die Einbindung des Wärmeübertragers 3 muß der Kompressor 1 nicht mehr die gesamte Verdichtungsleistung übernehmen, um das Kältemittel auf den erforderlichen Druck und/oder Temperatur für die Kälteerzeugung im Entspannungsventil 5 und Verdampfer 6 zu bringen. Der Kompressor 1 saugt das Kältemittel lediglich an, verdichtet es vor und sorgt für einen ausreichenden Umlauf des Kältemittels. Zudem können die Verdichtungsverluste in dem Wärmeübertrager 3 niedriger als bei dem konventionell angetriebenen Kompressor 1 sein, wodurch der isentrope Wirkungsgrad der gesamten Verdichtung ansteigt und die Verdichtung verlustärmer stattfindet.
Der Wärmeübertrager 3 kann das Kältemittel noch höher als der Kompressor 1 einer konventionellen Klimaanlage, die über keinen Wärmeübertrager verfügt, verdichten, was den Wirkungsgrad und Kälteleistung der Klimaanlage gemäß den Merkmalen nach dem Anspruch 1 noch steigern kann. Ein höherer Druck des gasförmigen Kältemittels nach dem Wärmeübertrager 3 und vor dem Verflüssiger 4 führt bei einem Verflüssiger 4, dessen Wärmeleistung gegenüber einer konventionellen Klimaanlage ohne Wärmeübertrager unverändert blieb, zu einem tiefer abgekühlten flüssigem Kältemittel bei Austritt aus dem Verflüssiger 4. Dieser erweiterter Unterkühlungseffekt basiert auf der Clausius-Clapeyron Gleichung, die besagt, daß Gase mit höherem Umgebungsdruck bei höheren Temperaturen kondensieren. Die aufzubringende Wärme zur vollständigen Kondensation ist bei höheren Drücken niedriger und die vorhandene Kühlungskapazität des Verflüssigers 4 wird zur weiteren Abkühlung des verflüssigten Kältemittels eingesetzt, wodurch es den Verflüssiger 4 mit einer tieferen Temperatur verläßt.
Das flüssige Kältemittel wird über das Entspannungsventil 5 in den Verdampfer 6 eingelassen, wo es verdampft. Für die Verdampfung wird Wärme aus der Umgebung in Form von vorbeigeführter Luft und/oder Flüssigkeiten mit ausreichender innewohnenden Wärme und ausreichendem Volumenstrom abgezogen und an das Kältemittel übergeben. Die Temperaturen der vorbeigeführten Luft und/oder Flüssigkeiten werden abgesenkt, was als Kühleffekt wahrgenommen wird.
Je niedriger die Temperatur des Kältemittels bei Eintritt in den Verdampfer 6 ist, desto höher ist der nutzbare Anteil an flüssigem Kältemittel, bzw. desto niedriger der nicht nutzbare Flash-Gas Anteil. Flash-Gase sind Kältemittel, die beim Eintritt in den Verdampfer bereits dampfförmig vorliegen und nicht mehr der Kälteerzeugung zur Verfügung stehen. Je weiter der Flash-Gas Anteil reduziert werden kann, desto effizienter arbeitet die Klimaanlage.
Der Kompressor 1 kann sowohl über einen direkt angeflanschten Motor als auch über Kraft-Kopplung, z. B. per Riementrieb, Zahnrad oder ähnliches angetrieben werden. Die Art der mechanischen Kompression, ob Scroll, Taumelscheiben oder ähnliche ist hier ohne Bedeutung. Es können mehrstufige und/oder Kompressoren mit variabel geregelter Verdichtungsleistung eingesetzt werden. Es können auch mehrere parallel eingesetzte Kompressoren in gleicher und/oder unterschiedlicher Größe eingesetzt werden, um die verschiedenen Lastanforderungen der Klimaanlage zu bedienen.
Die Verdichtungsleistung des Kompressors 1 wird von der Steuereinheit 7 über Regelalgorithmen und die im Kältekreislauf gemessenen Drücke und/oder Temperaturen geregelt. Zu Beginn des Prozesses wird die Verdichtung des Kompressors 1 so weit angehoben, bis die für die gewünschte Klimatisierung geforderten Drücke und/oder Temperaturen erreicht werden. Sobald sich die Verdichtung des Kältemittels in dem Wärmeübertrager 3 auswirkt, reduziert die Steuereinheit 7 den Verdichtungsdruck des Kompressors 1 so weit, daß die geforderten Drücke und/oder . Temperaturen noch aufrecht erhalten werden. Der Wärmeübertrager 3 übernimmt mehr und mehr die Aufgabe des Kompressors 1. Sobald die geforderten Drücke und/oder Temperaturen unterschritten werden, erhöht die Steuereinheit 7 wieder die Verdichtungsleistung des Kompressors 1 und ein neuer Zyklus beginnt.
Der Wärmeübertrager 3 muß eine ausreichende Wärmemenge übertragen können und den Betriebsdrücken und Temperaturen standhalten. Er kann direkt mit der Wärmequelle 2 über eine ausreichende Oberfläche oder indirekt mit der Wärmequelle 2 über Heizmittelleitungen verbunden sein, die die Wärme aus der Wärmequelle 2 in den Wärmeübertrager 3 transportieren. Der Wärmeübertrager 3 kann als Plattenwärmetauscher, Koaxialwärmetauscher, durchflossene Leitung oder anderer geeigneter Form zur Wärmeübertragung ausgebildet sein. Allen Bauformen ist gemein, daß das Kältemittel in einer Leitung fliesst, die Wärme in. ausreichender Menge von einem umgebenden Medium aufnehmen und an das durchfließende Kältemittel abgeben kann. Temperatur und übertragene Wärmemenge von der Wärmequelle 2 richten sich nach den thermodynamischen Anforderungen der jeweilig eingesetzten Kältemittel und variieren. Es versteht sich von selbst, daß die eingebrachte Wärmemenge von der Wärmequelle 2 ausreichend hoch genug sein muß, um die Verdichtung im Wärmeübertrager 3 nach dem idealen Gasgesetz in Gang setzen zu können.
Als Wärmequelle 2 können Verbrennungsmotoren, wie sie bei PKW, LKW, Schiffen eingesetzt werden, Verbrennungsaggregate, wie sie bei Heizungen, Kraftwerken, chemische Prozesse einzeln und/oder in Kombination dienen.
Ein eventuell eingebrachter Bypass 23, bestehend aus den Dreiwegeventilen 21 und 22 mit Regelanschluss an die Steuereinheit, Kältemittelleitung 23, die die Dreiwegeventile 21, 22 direkt verbinden, kann das Kältemittel am Wärmeübertrager 3 vorbei führen. Dies kann gewünscht sein, wenn die Wärme aus der Wärmequelle 2 nicht oder in unzureichender Form vorliegt oder keine Wärmeübertragung gewünscht wird oder falls das Kältemittel nach Austritt aus dem Wärmeübertrager 3 zu heiss ist. In letzterem Fall würde die Regelung der Klimaanlage den Kompressor 1 ausschalten, da die Gefahr bestände, daß die hohen Drücke und/oder Temperaturen des Kältemittels die nachfolgenden Einrichtungen der Klimaanlage schädigen könnten. Mittels der 3-Wege Ventile vor 21 und nach 22 dem Wärmeübertrager 3 kann das Kältemittel mit Hilfe der Steuereinheit 7 komplett oder auch dosiert an dem Wärmeübertrager 3 vorbeigeleitet werden.
2 zeigt den Einsatz einer Klimaanlage mit den Merkmalen nach Anspruch 1 in einem PKW 51. Als Wärmequelle 2 wird beispielsweise ein Verbrennungsmotor 41 eingesetzt, der auch den PKW 51 bewegt. Der Verbrennungsmotor 41 verbrennt den zugeführten Treibstoff, entwickelt eine Antriebsleistung und gleichzeitig Wärme. Als Verbrennungsmotor 41 können üblich bekannte Otto-, Dieselantriebe, Antriebe in Brennstoffzellentechnik oder andere eingesetzt werden, bei denen während des Betriebs Wärme entstehen.
Der Wärmeübertrager 3 kann direkt am Verbrennungsmotor 41 selber und/oder an seinen Teilen wie zum Beispiel dem Abgassystem und/oder Kühlkreislauf angebracht sein. Der Wärmeübertrager 3 kann auch konstruktiv im Motorblock in Form von Leitungskanälen in diesem ausgebildet sein, durch die das Kältemittel strömt und die Wärme des Motors 41 aufnimmt. Bei nachträglich am Verbrennungsmotor 41 und/oder seinen Anbauteilen angebrachtem Wärmeübertrager 3 kann eine vorhandene Klimaanlage sogar nachgerüstet werden, um von den Vorteilen der Erfindung zu profitieren, ohne den Motor 41 austauschen zu müssen.
Über ein Gebläse 8 wird Luft aus dem Fahrgastraum 52 und/oder Umgebung außerhalb des PKWS 53 angesaugt und an dem Verdampfer 6 vorbeigeführt, der die Wärme aus dem vorbeigeführten Luftstrom an das Kältemittel transportiert. Die Luft kühlt sich dadurch ab, wird wieder in den Fahrgastraum 52 geführt, wo sie diesen dann abkühlt.
3 zeigt den Einsatz einer Klimaanlage mit den Merkmalen nach Anspruch 1 in einem Gebäude 61. Als Wärmequelle 2 wird die in dem Gebäude stationär angebrachte Heizung 42 eingesetzt. Die Heizung 42 produziert Wärme, die über Heizmittelleitungen 15 an den Wärmeübertrager 3 transportiert wird. Die produzierte Wärme der Heizung 42 kann sowohl die produzierte Nutzwärme als auch die beim Betrieb anfallende Abgaswärme sein. Als übertragendes Medium in den Heizmittelleitungen 15 können Gase, Fluide oder Gas/Fluidgemische verwendet werden.
Die 3 zeigt, daß Entspannungsventil 5 und Verdampfer 6 auch räumlich getrennt von den restlichen Bestandteilen der Klimaanlage angesiedelt sein können. Es ist auch möglich, das Kältemittel nach dem Verlassen des Verflüssigers 4 in mehrere einzelne Unterkreise aufzutrennen, die jeweils aus einem Entspannungsventil 5, einem Verdampfer 6 und den verbindenden Kältemittelleitungen 11 sowie den zur Steuerung der Klimaanlage notwendigen Druck und/oder Temperatursensoren, die ihrerseits an die zentrale Steuerung 7 der Klimaanlage angebunden sind, wobei die Kreisläufe aller Unterkreise wieder vor dem Kompressor 1 in eine Kältemittelleitung 11 zusammengeführt werden. Diese Art mehrerer Unterkreise sind in der Technik als Multi-Split Geräte bekannt und gängig.
4 zeigt eine stationäre Ausbildung der Klimaanlage mit den Merkmalen nach Anspruch 1 in einem Gebäude 61, bei dem die Wärmequelle ein extern angeordneter chemischer Prozeß 43 ist. Chemische Prozess können exothermer Natur sein, bei denen Wärme anfällt, die hier als Wärmequelle genutzt werden kann. Die Wärme wird über Heizmittelleitungen 15 an den Wärmeübertrager 3 transportiert, der diese Wärme an das Kältemittel übergibt. Als übertragendes Medium in den Heizmittelleitungen 15 können Gase, Fluide oder Gas/Fluidgemische verwendet werden. Besonders bekannt, aber nicht nur ausschließlich ist die Fernwärme von Müllverbrennungsanlagen oder Heizkraftwerken.
In 5 ist der Bypass des Entspannungsventils gezeigt. Dieser besteht aus den Dreiwegeventilen 31 und 32 mit Regelanschluss an die Steuereinheit, Kältemittelleitung 33, die die Dreiwegeventile 31, 32 direkt verbinden, mittels derer das Kältemittel am Entspannungsventil 5 vorbei geführt werden kann. Dies kann für unterschiedliche Arbeitsfälle der Klimaanlage, zum Beispiel beim Anfahren nach längerer Ruhedauer oder im Heizbetrieb als Wärmepumpe gewünscht sein.
6 zeigt die Ausbildung der Klimaanlage als sogenannte Multi-Split Anlage, die aus einer zentralen Verdichtungs- und Verflüssigungseinheit sowie mehreren separaten Verdampferkreisen besteht. Damit lassen sich mit einer zentralen Verdichtungs- und Verflüssigungseinheit mehrere unterschiedliche Räume und Verwendungszwecke bedienen.
Jeder Verdampferkreis besteht mindestens aus einem Entspannungsventil 5, einem Verdampfer 6, Kältemittelleitung 11 bestehen, die in dem jeweiligen Unterkreislauf den Verteiler 71 nach dem Verflüssiger mit dem Entspannungsventil 5, das Entspannungsventil 5 mit dem Verdampfer 6, den Verdampfer 6 mit dem Sammler 72 verbindet, an dem alle Unterkreisläufe wieder zusammengeführt werden und der sich vor dem Kompressor 1 befindet, wobei jeder Unterkreislauf eigene Druck und/oder Temperaturserisoren aufweisen kann, die mit der zentralen Steuerung 7 der Klimaanlage direkt oder indirekt über eine zwischengeschaltete Untersteuerung 73 verbunden sein können und damit einen Betrieb der Klimaanlage entsprechend der Nutzervorgaben und gemessener Drücke und/oder Temperaturen ermöglichen.
7 zeigt die Weiterentwicklung der Klimaanlage mit den Merkmalen nach Anspruch 1 zu einer Wärmepumpe, die je nach Richtung des Kältemittelflusses sowohl kühlen als auch heizen kann. Die Klimaanlage enthält ein zusätzliches, mit der Steuereinheit verbundenes Vierwegeventil 101, wobei die Kältemittelleitungen 11 das Vierwegeventil 101 mit dem Wärmeübertrager 3 und dem Verflüssiger 4 und dem Verdampfer 6 und dem Kompressor 1 verbindet, wobei der Kältemittelfluß durch die Leitungen 11 entweder vom Wärmeübertrager 3 zum Verflüssiger 4, danach zum Entspannungsventil 5, danach zum Verdampfer 6, danach wieder zum Vierwegeventil 101, danach zum Kompressor 1 oder vom Wärmeübertrager 3 zum Verdampfer 6, danach zum Entspannungsventil 5, danach zum Verflüssiger 4, danach wieder zum Vierwegeventil 101, danach zum Kompressor 1 erfolgt, wobei die Stellung des Vierwegeventils 101 und damit die Unterscheidung zwischen Kühlen und Heizen von der Steuereinheit 7 aufgrund der Nutzervorgaben und/oder den im Kühlkreislauf gemessenen Drücken und/oder Temperaturen gesteuert wird.
Die vom Kompressor 1 während der Verdichtung erzeugte und zusätzlich vom Wärmeübertrager 3 in das Kältemittel übertragene Wärme kann im Verdampfer 6 als Wärme an die Umgebung abgegeben werden. Der Wärmeübertrager 3 kann hier den Kompressor 1 entlasten und zusätzliche Wärme an das Kältemittel übertragen, sodaß die Wärmeleistung der gesamten Klimaanlagen zumindest gleich bleibt oder sogar ansteigen kann, während der Energieaufwand zum Betreiben des Kompressors 1 reduziert werden kann.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 000010002046 A1 [0006]
DE 102007011024 A1 [0008]
DE 102005005430 A1 [0008]
DE 000019925744 A1 [0008, 0008]
DE 000019908043 C2 [0008]
US 2012/0117986 A1 [0009]

Claims

Klimaanlage im Kompressionsprinzip, die wenigstens die Bestandteile Kompressor (1), Wärmeübertrager (3), Verflüssiger (4), Entspannungsventil (5), Verdampfer (6), Steuereinheit (7), Kältemittelleitungen (11), Signalleitungen (12) aufweist und die in einem Kühlkreislauf miteinander verbunden sind, wobei die Kältemittelleitungen (11) den Kompressor (1) mit dem Wärmeübertrager (3), den Wärmeübertrager (3) mit dem Verflüssiger (4), den Verflüssiger (4) mit dem Entspannungsventil (5), das Entspannungsventil (5) mit dem Verdampfer (6), den Verdampfer (6) mit dem Kompressor (1) verbindet, wobei der Kompressor mit gesteuert veränderbarer Verdichtungsleistung ausgebildet und mit einer Steuereinheit (7) verbunden ist, die mit Druck und/oder Temperatursensoren an den Kältemittelleitungen oder Bestandteilen des Kältekreislaufes und mit dem Kompressor (1) zu dessen Steuerung in Abhängigkeit der ermittelten Druck- und/oder Temperaturwerten derart verbunden ist, daß bei Erreichen eines vorgegeben Drucks oder Temperaturwertes die Verdichtungsleistung des Kompressors (1) gesteuert verändert werden kann.
Klimaanlage gemäß den Merkmalen von Anspruch 1, wobei der Kompressor (1) mit veränderbarer Verdichtungsleistung ausgebildet ist und mit der Steuereinheit (7) zur Steuerung der Verdichtungsleistung verbunden ist.
Klimaanlage gemäß den Merkmalen von Anspruch 1, wobei die Wärmequelle (2) ein Verbrennungsmotor (41) für einen PKW, LKW oder Schiff ist.
Klimaanlage gemäß den Merkmalen von Anspruch 1, wobei die Wärmequelle (2) eine Anlage zur Erzeugung von Heizwärme ist.
Klimaanlage gemäß den Merkmalen von Anspruch 4, wobei die Anlage zur Erzeugung von Heizwärme eine Heizungsanlage (42) im Gebäude ist.
Klimaanlage gemäß den Merkmalen von Anspruch 4, wobei die Anlage zur Erzeugung von Heizwärme ein Heizkraftwerk ist.
Klimaanlage gemäß den Merkmalen von Anspruch 1, wobei die Wärmequelle (2) Teil einer wärmeerzeugenden chemischen Anlage (43) ist.
Klimaanlage gemäß den Merkmalen von Anspruch 1, wobei im Kältekreislauf zwischen dem Kompressor (1) und dem Verflüssiger (4) ein steuerbarer Bypass, bestehend aus einem ersten Dreiwegeventil (21), einer Kältemittelleitung (23) und einem weiteren Dreiwegeventil (22) ausgebildet ist, wobei die Kältemittelleitung (23) des Bypasses das erste Dreiwegeventil (21), welches in einer Position in derjenigen Kältemittelleitung (11), die den Kompressor (1) mit dem Wärmeübertrager (3) verbindet, ausgebildet ist, mit dem Dreiwegeventil (22), welches in einer Position in derjenigen Kältemittelleitung (11), die den Wärmeübertrager (3) mit dem Verflüssiger (4) verbindet, ausgebildet ist, verbindet und wobei die Dreiwegeventile zur Steuerung des Volumenstroms im Bypass an die Steuereinheit (7) angeschlossen sind, wobei die Menge des im Bypass strömenden Kältemittels in Abhängigkeit der mit der Steuereinheit (7) verbundenen Druck- und/oder Temperatursensoren, die an den Kältemittelleitungen oder Bestandteilen der Klimaanlage angebracht sind, und der Regelalgorithmen der Steuereinheit (7) verändert werden kann.
Klimaanlage gemäß den Merkmalen von Anspruch 1, wobei im Kältekreislauf zwischen dem Verflüssiger (4) und dem Verdampfer (6) ein steuerbarer Bypass, bestehend aus einem ersten Dreiwegeventil (31), der Kältemittelleitung (33) und einem weiteren Dreiwegeventil (32) ausgebildet ist, wobei die Kältemittelleitung (33) des Bypasses das erste Dreiwegeventil (31), welches in einer Position in derjenigen Kältemittelleitung (11), die den Verflüssiger (4) mit dem Expansionsventil (5) verbindet, ausgebildet ist, mit dem Dreiwegeventil (32), welches in einer Position in derjenigen Kältemittelleitung (11), die das Expansionsventil (5) mit dem Verdampfer (6) verbindet, ausgebildet ist, verbindet und wobei die Dreiwegeventile zur Steuerung des Volumenstroms im Bypass an die Steuereinheit (7) angeschlossen sind, wobei die Menge des im Bypass strömenden Kältemittels in Abhängigkeit der mit der Steuereinheit (7) verbundenen Druck- und/oder Temperatursensoren, die an den Kältemittelleitungen oder Bestandteilen der Klimaanlage angebracht wurden und der Regelalgorithmen der Steuereinheit (7) verändert werden kann.
Klimaanlage gemäß den Merkmalen von Anspruch 1, bei denen eine Klimaanlage aus mehreren Verdampfern (6) bestehen kann, wobei die Kältemittelleitung (11) nach Verlassen der Verflüssigers (4) in mehrere Unterkreisläufe aufgetrennt werden kann, die jeweils mindestens aus einem Entspannungsventil (5), einem Verdampfer (6), Kältemittelleitung (11) bestehen, die in dem jeweiligen Unterkreislauf den Verteiler (71) nach dem Verflüssiger mit dem Entspannungsventil (5), das Entspannungsventil (5) mit dem Verdampfer (6), den Verdampfer (6) mit dem Sammler (72) verbindet, an dem alle Unterkreisläufe wieder zusammengeführt werden und der sich vor dem Kompressor (1) befindet, wobei jeder Unterkreislauf eigene Druck und/oder Temperatursensoren aufweisen kann, die mit der zentralen Steuerung (7) der Klimaanlage direkt oder indirekt über eine zwischengeschaltete Untersteuerung (73) verbunden sein können und damit einen Betrieb der Klimaanlage entsprechend der Nutzervorgaben und gemessener Drücke und/oder Temperaturen ermöglichen.
Klimaanlage gemäß den Merkmalen von Anspruch 1, die zusätzlich ein mit der Steuereinheit verbundenes Vierwegeventil (101) enthält, wobei die Kältemittelleitungen (11) das Vierwegeventil (101) mit dem Wärmeübertrager (3) und dem Verflüssiger (4) und dem Verdampfer (6) und dem Kompressor (1) verbindet, wobei der Kältemittelfluß durch die Leitungen (11) entweder vom Wärmeübertrager (3) zum Verflüssiger (4), danach zum Entspannungsventil (5), danach zum Verdampfer (6), danach wieder zum Vierwegeventil (101), danach zum Kompressor (1) oder vom Wärmeübertrager (3) zum Verdampfer (6), danach zum Entspannungsventil (5), danach zum Verflüssiger (4), danach wieder zum Vierwegeventil (101), danach zum Kompressor (1) erfolgt, wobei die Stellung des Vierwegeventils (101) und damit die Unterscheidung zwischen Kühlen und Heizen von der Steuereinheit (7) aufgrund der Nutzervorgaben und/oder den im Kühlkreislauf gemessenen Drücken und/oder Temperaturen steuerbar ausgebildet ist.
Verfahren zum Betrieb einer Klimaanlage, welche in ihrem Kühlkreislauf mindestens einen Kompressor (1), Wärmeübertrager (3), Verflüssiger (4), Entspannungsventil (5), Verdampfer (6), Steuereinheit (7), Kältemittelleitungen (11), Signalleitungen (12) aufweist, bei der über einen im Kreislauf zwischen Kompressor (1) und Verflüssiger (4) angeordneten Wärmeübertrager (3) Wärme in das Kältemittel eingebracht wird, dieses zusätzlich verdichtet und durch die zusätzliche Verdichtung den für die Erlangung der gewünschten Kälteleistung, die im Verdampfer anfällt, erforderlichen Kompressionsdruck des Kompressors reduziert.