DE102013203240A1

DE102013203240A1 - Refrigerating machine and method for operating a refrigerating machine

Info

Publication number: DE102013203240A1
Application number: DE201310203240
Authority: DE
Inventors: Bernd Gromoll; Florian Reißner
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2013-02-27
Filing date: 2013-02-27
Publication date: 2014-08-28
Also published as: WO2014131606A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Kältemaschine (12) mit einem Fluid. Die Kältemaschine (12) umfasst wenigstens eine Kondensationseinrichtung (8) zum Kondensieren des Fluids, wenigstens eine Expansionseinrichtung (9) zum Expandieren des Fluids, wenigstens eine Verdampfungseinrichtung (10) zum Verdampfen des Fluids und wenigstens eine Verdichtungseinrichtung (7) zum Verdichten des Fluids. Die Taulinie (18) des Fluids ist zumindest in einem überwiegenden Bereich ihres Verlaufs in Richtung steigender Entropie geneigt. Die Kältemaschine (12) umfasst wenigstens eine Wärmezuführeinrichtung (22), mittels welcher das Fluid in dessen Strömungsrichtung (11) stromab der Verdampfungseinrichtung (10) und stromauf der Verdichtungseinrichtung (7) erwärmbar ist. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betrieb einer Kältemaschine (12).The invention relates to a refrigeration machine (12) with a fluid. The refrigeration machine (12) comprises at least one condensation device (8) for condensing the fluid, at least one expansion device (9) for expanding the fluid, at least one evaporation device (10) for evaporating the fluid and at least one compression device (7) for compressing the fluid. The dew line (18) of the fluid is inclined at least in a predominant area of its course in the direction of increasing entropy. The refrigerating machine (12) comprises at least one heat supply device (22), by means of which the fluid can be heated in its flow direction (11) downstream of the evaporation device (10) and upstream of the compression device (7). The invention also relates to a method for operating a refrigeration machine (12).

Description

Die Erfindung betrifft eine Kältemaschine mit einem Fluid, mit wenigstens einer Kondensationseinrichtung zum Kondensieren des Fluids, mit wenigstens einer Expansionseinrichtung zum Expandieren des Fluids, mit wenigstens einer Verdampfungseinrichtung zum Verdampfen des Fluids und mit wenigstens einer Verdichtungseinrichtung zum Verdichten des Fluids. Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Betrieb einer solchen Kältemaschine. The invention relates to a refrigerating machine with a fluid, with at least one condensation device for condensing the fluid, with at least one expansion device for expanding the fluid, with at least one evaporation device for evaporating the fluid and with at least one compression device for compressing the fluid. The invention also relates to a method for operating such a refrigerating machine.

Eine Kältemaschine der eingangs genannten Art wird beispielsweise zur Komfortsteigerung in Kraftfahrzeugen verwendet, wobei Kältemaschinen gemeinhin unter dem Begriff Klimaanlagen bekannt sind. Eine Kältemaschine ist eine Maschine, die unter Aufwendung von technischer Arbeit thermische Energie, in Form von Wärme, aus einer Wärmequelle mit niedrigerer Temperatur, also z. B. aus einem zu kühlenden Fahrzeugraum, aufnimmt und zusammen mit der Antriebsenergie des Kompressors als Abwärme an eine Wärmesenke, z. B. die Umgebungsluft des Fahrzeugs, mit höherer Temperatur abgibt. Innerhalb einer Kältemaschine wird ein Fluid, das auch als Kältemittel bezeichnet wird, in einem Kreisprozess geführt. Dieser Kreisprozess wird auch als thermodynamischer Dampfkompressionskreislauf bezeichnet. A chiller of the type mentioned is used, for example, to increase the comfort in motor vehicles, wherein chillers are commonly known under the term air conditioners. A chiller is a machine that uses thermal energy, in the form of heat, from a heat source with lower temperature, ie z. B. from a vehicle compartment to be cooled, absorbs and together with the drive energy of the compressor as waste heat to a heat sink, z. B. the ambient air of the vehicle, emits at a higher temperature. Within a chiller, a fluid, which is also referred to as a refrigerant, is guided in a cyclic process. This cycle is also referred to as a thermodynamic vapor compression cycle.

Das Europäische Parlament und die Europäische Kommission haben in einer Direktive den Einsatz von Kältemitteln mit einem Erderwärmungspotential größer 150 in Fahrzeugklimaanlagen verboten. Dieses Verbot gilt ab 2011 für Neuserienwagen mit einer Übergangsfrist bis 2014 und ab 2017 für alle Neuwagen. Derzeit ist es üblich, ein Kältemittel mit der Bezeichnung R134a in mobilen Kältemaschinen, insbesondere in Kraftfahrzeugen, einzusetzen. R134a ist rein thermodynamisch betrachtet ein sehr effizientes Fluid für Fahrzeugklimaanlagen und Kältemaschinen im Allgemeinen, weist jedoch ein sehr hohes Erderwärmungspotential von 1300 auf. Aus diesem Grund wurden verschiedene Fluide als Kältemittel in Betracht gezogen, um R134a zu substituieren. Zu den zwei bedeutendsten Fluiden für den Ersatz von R134a in Fahrzeugklimaanlagen zählen CO₂ und R1234yf. In a directive, the European Parliament and the European Commission have banned the use of refrigerants with a global warming potential greater than 150 in vehicle air conditioning systems. This ban applies from 2011 for new series cars with a transitional period until 2014 and from 2017 for all new cars. At present, it is customary to use a refrigerant called R134a in mobile refrigerating machines, especially in motor vehicles. R134a is a highly efficient fluid for vehicle air conditioners and refrigerators in general, but has a very high global warming potential of 1300. For this reason, various fluids have been considered as refrigerants to substitute R134a. Among the two most important fluids for replacing R134a in vehicle air conditioners are CO ₂ and R1234yf.

CO₂ ist umwelttechnisch bedenkenlos und hat definitionsgemäß ein Erderwärmungspotential von 1. Um den Kreisprozess der Kältemaschine mit CO₂ als Kältemittel thermodynamisch günstig zu führen, sind allerdings hohe Prozessdrücke erforderlich. Dies ist vor allem für den Einsatz von CO₂ in Fahrzeugklimaanlagen von Nachteil, da die Klimaanlage auf einen Betriebsdruck bis mindestens 200 bar ausgelegt werden müsste. Dies geht einher mit einem Mehraufwand an Material und somit einer Gewichtszunahme für das Fahrzeug. Weiterhin ist durch den hohen Druck eine relativ große Menge an Fluid im System, welche bei einem Unfall und eventueller Leckage der Klimaanlage in den Fahrzeuginnenraum treten könnte. Da bereits bei einem CO₂-Anteil von drei Volumenprozent in der Atemluft die im Fahrzeug befindlichen Insassen zu Schaden kommen können, ist CO₂ als Kältemittel für mobile Kältemaschinen ungeeignet. CO ₂ is environmentally safe and has by definition a global warming potential of 1. However, in order to lead the cycle of the chiller with CO ₂ as a refrigerant thermodynamically low, high process pressures are required. This is disadvantageous, above all, for the use of CO ₂ in vehicle air conditioning systems, since the air conditioning system would have to be designed for an operating pressure of at least 200 bar. This is accompanied by an additional expenditure of material and thus a weight increase for the vehicle. Furthermore, the high pressure a relatively large amount of fluid in the system, which could occur in an accident and eventual leakage of the air conditioner in the vehicle interior. Since already in a CO ₂ content of three percent by volume in the breathing air occupants in the vehicle can be damaged, CO _{2 is} unsuitable as a refrigerant for mobile chillers.

R1234yf liegt mit einem Erderwärmungspotential von vier innerhalb der Vorgaben für Kältemittel von Klimaanlagen zukünftiger Fahrzeuge. R1234yf kann den Stoff R134a als Kältemittel ersetzen, ohne dass Modifikationen an der Klimaanlage vorgenommen werden müssen. Allerdings ist R1234yf aus Sicherheitsgründen vor allem für den Einsatz in Fahrzeugklimaanlagen ungeeignet, da es bei hohen Temperaturen (z. B. Fahrzeugbrand) zur Bildung sehr giftiger Zersetzungsprodukte kommen kann, zu denen unter anderem Flusssäure zählt. With a global warming potential of four, R1234yf is within the specifications for refrigerants of air conditioning systems of future vehicles. R1234yf can replace the substance R134a as a refrigerant without having to modify the air conditioner. However, for safety reasons, R1234yf is particularly unsuitable for use in vehicle air conditioning systems, since at very high temperatures (eg vehicle fire) very toxic decomposition products can form, including hydrofluoric acid.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Kältemaschine der eingangs genannten Art, sowie ein Verfahren zum Betrieb einer solchen Kältemaschine zu schaffen, bei welchem Fluide eingesetzt werden können, die ein niedriges Erderwärmungspotential aufweisen und sicherheitstechnisch unbedenklich sind. Object of the present invention is to provide a refrigerator of the type mentioned, and a method for operating such a refrigerator, in which fluids can be used, which have a low global warming potential and are safe from safety.

Diese Aufgabe wird durch eine Kältemaschine mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 8 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben. This object is achieved by a refrigerating machine having the features of patent claim 1 and by a method having the features of patent claim 8. Advantageous embodiments with expedient developments of the invention are specified in the dependent claims.

Die erfindungsgemäße Kältemaschine umfasst ein Fluid, dessen Taulinie zumindest in einem überwiegenden Bereich ihres Verlaufs in Richtung steigender Entropie geneigt ist. Des Weiteren umfasst die Kältemaschine wenigstens eine Wärmezuführeinrichtung, mittels welcher das Fluid in dessen Strömungsrichtung stromab der Verdampfungseinrichtung und stromauf der Verdichtungseinrichtung erwärmbar ist. The refrigerating machine according to the invention comprises a fluid whose tau line is inclined in the direction of increasing entropy at least in a predominant region of its course. Furthermore, the refrigerating machine comprises at least one heat supply device, by means of which the fluid in the flow direction downstream of the evaporation device and upstream of the compression device can be heated.

Dadurch, dass dem Kältemittel vor dessen Verdichtung und nach dessen Verdampfung Wärme zugeführt wird, wird sowohl die Temperatur als auch die Entropie des Kältemittels erhöht. Infolgedessen kann das Kältemittel verdichtet, also dessen Druck erhöht werden, ohne dass ein Phasenwechsel erfolgt. Somit befindet sich das Kältemittel sowohl vor der Verdichtung als auch nach der Verdichtung in einer gasförmigen Phase. Das Zuführen von Energie in Form von Wärme ist insbesondere dann erforderlich, wenn das eingesetzte Kältemittel in seinem zugrundeliegenden T-s-Diagramm (Temperatur-Entropie-Diagramm) ein stark überhängendes 2-Phasengebiet aufweist. Von einem überhängenden 2-Phasengebiet spricht man dann, wenn die Taulinie des entsprechenden Fluids (Kältemittels) zumindest in einem überwiegenden Bereich ihres Verlaufs in Richtung steigender Entropie geneigt ist. Das Vorliegen des Kältemittels in Form einer Gasphase sowohl vor als auch nach dessen Verdichtung ist insbesondere deshalb vorteilhaft, da ein Phasenwechsel von der Gasphase in ein 2-Phasengebiet, bestehend aus Gasphase und Flüssigphase, zu Schäden an der Verdichtungseinrichtung, in Form von beispielsweise Flüssigkeitsschlägen führen kann. By supplying heat to the refrigerant before its compression and after its evaporation, both the temperature and the entropy of the refrigerant are increased. As a result, the refrigerant can be compressed, so its pressure can be increased without a phase change occurs. Thus, the refrigerant is in a gaseous phase both before compression and after compression. The supply of energy in the form of heat is particularly required when the refrigerant used in its underlying Ts-diagram (temperature-entropy diagram) has a strongly overhanging 2-phase region. From an overhanging 2-phase area one speaks then, if the dew-line of the corresponding fluid (refrigerant) is inclined towards increasing entropy at least in a predominant region of its course. The presence of the refrigerant in the form of a gas phase both before and after its compression is particularly advantageous because a phase change from the gas phase in a 2-phase region consisting of gas phase and liquid phase, damage to the compression device, in the form of, for example, liquid blows can.

Bevorzugt umfasst die Wärmezuführeinrichtung wenigstens einen von dem Fluid durchströmten Wärmeübertrager, mittels welchem dem Fluid nach dessen Kondensation und vor dessen Verdampfung, eine Wärmemenge entnehmbar ist. Des Weiteren ist mittels des Wärmeübertragers dem Fluid nach dessen Verdampfung und vor dessen Verdichtung die Wärmemenge zumindest teilweise zuführbar. Preferably, the heat supply device comprises at least one heat exchanger through which the fluid flows, by means of which a heat quantity can be taken from the fluid after it has condensed and before it evaporates. Furthermore, by means of the heat exchanger, the heat quantity can be at least partially supplied to the fluid after it has evaporated and prior to its compression.

Ein Wärmeübertrager überträgt definitionsgemäß Wärme von einem Stoffstrom höherer Temperatur auf einen Stoffstrom niedrigerer Temperatur. Befindet sich auf der einen Seite der wärmeübertragenden Fläche des Wärmeübertragers das nach dessen Kondensation und vor dessen Verdampfung warme Kältemittel und auf der anderen Seite der wärmeübertragenden Fläche das nach dessen Verdampfung und vor dessen Verdichtung im Vergleich dazu kalte Kältemittel, so kann durch den dadurch bedingten Wärmeaustausch das Fluid vor dessen Verdichtung besonders einfach in einen Zustand höherer Temperatur und höherer Entropie versetzt werden. By definition, a heat exchanger transfers heat from a flow of higher temperature to a stream of lower temperature. Located on the one side of the heat transfer surface of the heat exchanger after its condensation and prior to its evaporation warm refrigerant and on the other side of the heat transfer surface after its evaporation and prior to its compression in comparison to cold refrigerant, it can by the consequent heat exchange the fluid is particularly easy to be placed in a state of higher temperature and higher entropy before its compression.

Der Wärmeübertrager wird also sowohl auf seiner den warmen Stoffstrom führenden Seite, als auch auf seiner den kalten Stoffstrom führenden Seite von dem Kältemittel durchströmt, mit dem Unterschied, dass auf der einen Seite das Kältemittel wärmer ist, als auf der anderen Seite. Besonders effektiv erfolgt die Wärmeübertragung dann, wenn das Kältemittel in Strömungsrichtung kurz nach der Kondensationseinrichtung in den Wärmeübertrager einströmt und einen Teil seiner Wärme an das kältere Kältemittel auf der anderen Seite des Wärmeübertragers abführt. Ist die andere Seite des Wärmeübertragers so angeordnet, dass die Wärme an das kältere Kältemittel in Strömungsrichtung kurz vor dem Kältemitteleintritt in die Verdichtungseinrichtung erfolgt, so sind die Wärmeverluste besonders gering. The heat exchanger is therefore flowed through both on its hot material flow leading side, as well as on its cold material flow leading side of the refrigerant, with the difference that on the one hand, the refrigerant is warmer than on the other side. The heat transfer is particularly effective when the refrigerant flows in the direction of flow shortly after the condensation device in the heat exchanger and dissipates a portion of its heat to the colder refrigerant on the other side of the heat exchanger. If the other side of the heat exchanger is arranged so that the heat is transferred to the colder refrigerant in the flow direction shortly before the refrigerant enters the compression device, then the heat losses are particularly low.

Mit anderen Worten wird also ein Teil der anfallenden Prozesswärme mittels weniger Komponenten und somit auf besonders platz- und gewichtssparende Art und Weise dem Fluid vor dessen Kompression zugeführt. Das Einsparen von Platz und Gewicht ist vor allem für den mobilen Einsatz von Kältemaschinen bedeutsam. In other words, therefore, a portion of the resulting process heat is supplied to the fluid before its compression by means of fewer components and thus in a particularly space- and weight-saving manner. The saving of space and weight is especially important for the mobile use of chillers.

Als weiter vorteilhaft hat es sich gezeigt, wenn die Wärmemenge insbesondere vor der Expansion des Fluids entnehmbar und dem Fluid nach dessen Verdampfung und vor dessen Verdichtung zumindest teilweise zuführbar ist. As further advantageous, it has been shown that the amount of heat can be removed, in particular before the expansion of the fluid and at least partially supplied to the fluid after its evaporation and before its compression.

Dadurch, dass dem Fluid vor dessen Expansion durch den Wärmeübertrager Wärme entzogen wird, steht eine größere Menge übertragbarer Wärme zur Verfügung. Bei der Expansion handelt es sich aus thermodynamischer Sicht um einen irreversiblen Vorgang. Mit anderen Worten heißt das in Bezug auf das T-s-Diagramm des Kältemittels, dass die Entropie des Kältemittels zunimmt. Je größer die verrichtete Expansionsarbeit, desto größer ist auch der Dissipationsanteil. Wird dem Kältemittel also mit anderen Worten durch den Wärmeübertrager vor der Expansion des Fluids Energie in Form von Wärme entzogen, so ist auch die bei der Expansion verrichtete Expansionsarbeit kleiner. Da damit einhergehend auch die durch Expansion auftretende Dissipation betragsmäßig kleiner wird, treten weniger thermische Verluste auf, weshalb der Wirkungsgrad der Kältemaschine verbessert wird. Characterized in that the fluid is extracted from the heat before its expansion by the heat exchanger, a larger amount of transferable heat is available. Expansion is thermodynamically an irreversible process. In other words, with respect to the T-s diagram of the refrigerant, it means that the entropy of the refrigerant increases. The greater the expansion work done, the greater the dissipation share. In other words, if the refrigerant is deprived of energy in the form of heat by the heat exchanger before the expansion of the fluid, the expansion work performed during the expansion is also smaller. Since, along with this, the dissipation occurring as a result of expansion also becomes smaller, fewer thermal losses occur, which is why the efficiency of the chiller is improved.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist die Wärmezuführeinrichtung wenigstens ein Wärmeübertragungsmodul, insbesondere wenigstens einen Wärmeübertrager und/oder wenigstens ein elektrisches Heizelement auf. In a further advantageous embodiment of the invention, the heat supply device has at least one heat transfer module, in particular at least one heat exchanger and / or at least one electrical heating element.

Ein solches Wärmeübertragungsmodul, welches sowohl als Wärmeübertrager, als auch als elektrisches Heizelement, insbesondere als PTC-Element, oder eine andere Heizvorrichtung ausgestaltet sein kann, wird über eine externe Quelle mit Energie versorgt. Im Falle eines Kaltstarts der Kältemaschine, ist die Temperatur des Kältemittels vor dessen Verdichtung noch nicht groß genug, als dass ein zumindest teilweiser Phasenwechsel des Kältemittels bei dessen Verdichtung unterbunden werden könnte. Durch Zuführen von Wärme durch das Wärmeübertragungsmodul, kann das Kältemittel vor dem Eintritt in die Verdichtungseinrichtung auch bei einem Kaltstart der Kältemaschine vorkonditioniert werden, sodass das Kältemittel sowohl vor, als auch nach dessen Verdichtung in der Gasphase vorliegt. Besonders effektiv wird dieser Phasenwechsel unterbunden, wenn die Wärmeübertragung durch dieses Wärmeübertragungsmodul zeitlich versetzt kurz vor dem Beginn der Verdichtung durch die Verdichtungseinrichtung, welche als Kompressor ausgeführt sein kann, erfolgt. Such a heat transfer module, which can be designed both as a heat exchanger and as an electrical heating element, in particular as a PTC element, or another heating device, is supplied with energy via an external source. In the case of a cold start of the refrigerator, the temperature of the refrigerant before its compression is not yet large enough that an at least partial phase change of the refrigerant could be prevented during its compression. By supplying heat through the heat transfer module, the refrigerant may also be preconditioned prior to entering the compression device during a cold start of the chiller so that the refrigerant is in the gas phase both before and after its compression. This phase change is prevented particularly effectively if the heat transfer through this heat transfer module takes place offset in time shortly before the start of the compression by the compression device, which can be designed as a compressor.

In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung umfasst die Kältemaschine ein Expansionsventil, mittels welchem der Massenstrom des in die wenigstens eine Verdampfungseinrichtung einströmenden Fluids einstellbar ist. In a further advantageous embodiment, the refrigerating machine comprises an expansion valve, by means of which the mass flow of the fluid flowing into the at least one evaporation device is adjustable.

Mittels eines Expansionsventils ist der Massenstrom des Fluids in die Verdampfungseinrichtung einstellbar. Mit anderen Worten ist der Massenstrom des Kältemittels somit steuerbar und/oder regelbar. Besonders präzise kann der Massenstrom des Kältemittels eingestellt werden, wenn eine Massenstromregelung durch z. B. ein automatisches Expansionsventil mit Verdampferdruckregelung, oder ein elektronisch geregeltes Expansionsventil mit Schrittmotorsteuerung, oder z. B. ein thermostatisch geregeltes Expansionsventil mit Fühler am Verdampferfluidausgang oder z. B. mittels eines Kapillarrohrs geregelt wird. By means of an expansion valve, the mass flow of the fluid is adjustable in the evaporation device. In other words, the mass flow of the refrigerant is thus controllable and / or regulated. Particularly accurate, the mass flow of the refrigerant can be adjusted when a mass flow control by z. As an automatic expansion valve with evaporator pressure control, or an electronically controlled expansion valve with stepper motor control, or z. B. a thermostatically controlled expansion valve with sensor at the evaporator fluid outlet or z. B. is controlled by a capillary tube.

Von besonderem Vorteil ist es, dass die Kältemaschine insbesondere als Klimaanlage für Kraftfahrzeuge einsetzbar ist. It is particularly advantageous that the refrigerator can be used in particular as an air conditioner for motor vehicles.

Da der Wärmeübertrager der Wärmezuführeinrichtung vorzugsweise vollständig in den Fluidkreislauf der Kältemaschine eingebunden ist, ist das Zuführen von Wärme durch eine externe Energieversorgung des Wärmeübertragungsmoduls nur solange erforderlich, bis die übertragbare Wärme des Wärmeübertragers groß genug ist, um die Temperatur des Kältemittels soweit zu erhöhen, dass auch bei Verdichtung des Kältemittels durch den Kompressor das Kältemittel weiterhin im einphasigen, gasförmigen Zustand vorliegt. Die Energieversorgung des Wärmeübertragungsmoduls kann besonders einfach über das elektrische Bordnetz des Fahrzeugs erfolgen, sofern das Wärmeübertragungsmodul als elektrisches Heizelement ausgeführt ist. Das Wärmeübertragungsmodul kann jedoch auch als Wärmeübertrager ausgeführt sein, wobei die Wärmeübertragung durch ein ausreichend warmes Betriebsmedium des Fahrzeugs erfolgen kann. In diesem Fall muss jedoch in Kauf genommen werden, dass die Erwärmung des Kältemittels langsamer erfolgt, als bei einer elektrischen Heizung, da die Erwärmung dann von der Temperatur des am Wärmetausch beteiligten Medium des Fahrzeugs abhängt. Sind die Medien des Fahrzeugs, im Falle eines Fahrzeugkaltstarts ebenfalls kalt, so wird der Kaltstart der Kältemaschine verzögert. Since the heat exchanger of the heat supply device is preferably fully integrated into the fluid circuit of the refrigerator, the supply of heat by an external power supply of the heat transfer module is required only until the heat transferable heat of the heat exchanger is large enough to increase the temperature of the refrigerant so far that Even with compression of the refrigerant by the compressor, the refrigerant is still in the single-phase, gaseous state. The energy supply of the heat transfer module can be particularly easily done via the electrical system of the vehicle, if the heat transfer module is designed as an electric heating element. However, the heat transfer module can also be designed as a heat exchanger, wherein the heat transfer can be done by a sufficiently warm operating medium of the vehicle. In this case, however, it must be accepted that the heating of the refrigerant takes place more slowly than with an electric heater, since the heating then depends on the temperature of the medium of the vehicle involved in the heat exchange. If the media of the vehicle, in the case of a cold vehicle cold start also cold, the cold start of the chiller is delayed.

Von besonderem Vorteil ist es, wenn das Erderwärmungspotential des Fluids kleiner als 10 ist. It is particularly advantageous if the global warming potential of the fluid is less than 10.

Je kleiner das Erderwärmungspotential eingesetzter Kältemittel ist, desto geringer ist deren Einfluss auf den Treibhauseffekt und damit auf die Klimaerwärmung. Unter diesem Aspekt ist der Einsatz so genannter Fluorketone als Kältemittel besonders empfehlenswert. Solche Fluorketone werden üblicherweise als Isolationsgas und Feuerbekämpfungsmittel eingesetzt und weisen neben einem geringen Erderwärmungspotential von einem Wert kleiner 10 auch die für Fahrzeuganwendungen besonders günstigen Eigenschaften auf, nicht brennbar und nicht gesundheitsschädlich zu sein. Somit können solche Betriebsstoffe für Kältemaschinen innerhalb der gesetzlichen Rahmenbedingungen zukunftssicher in Kältemaschinen und insbesondere in Fahrzeugklimaanlagen eingesetzt werden. The smaller the global warming potential of used refrigerants, the lower their influence on the greenhouse effect and thus on global warming. In this aspect, the use of so-called fluoroketones as a refrigerant is particularly recommended. Such fluoroketones are commonly used as insulation gas and fire fighting agents and, in addition to a low global warming potential of a value less than 10, also have the properties particularly favorable for vehicle applications to be non-flammable and not harmful to health. Thus, such supplies for refrigerators can be used within the legal framework future-proof in chillers and in particular in vehicle air conditioning systems.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Betrieb einer Kältemaschine mit einem Fluid wird dieses Fluid mittels wenigstens einer Kondensationseinrichtung kondensiert, mittels wenigstens einer Expansionseinrichtung expandiert, mittels wenigstens einer Verdampfungseinrichtung verdampft und mittels wenigstens einer Verdichtungseinrichtung verdichtet. Die Taulinie des Fluids ist zumindest in einem überwiegenden Bereich ihres Verlaufs in Richtung steigender Entropie geneigt. Die Kältemaschine umfasst wenigstens eine Wärmezuführeinrichtung, mittels welcher das Fluid in dessen Strömungsrichtung stromab der Verdampfungseinrichtung und stromauf der Verdichtungseinrichtung erwärmt wird. In the method according to the invention for operating a refrigerating machine with a fluid, this fluid is condensed by means of at least one condensation device, expanded by means of at least one expansion device, evaporated by means of at least one evaporation device and compressed by means of at least one compression device. The dew-line of the fluid is inclined towards increasing entropy at least in a predominant region of its course. The chiller comprises at least one heat supply device, by means of which the fluid is heated in its flow direction downstream of the evaporation device and upstream of the compression device.

Die für die erfindungsgemäße Kältemaschine beschriebenen Vorteile und bevorzugten Ausführungsformen gelten auch für das erfindungsgemäße Verfahren und umgekehrt. The advantages and preferred embodiments described for the refrigerating machine according to the invention also apply to the method according to the invention and vice versa.

Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. The features and feature combinations mentioned above in the description as well as the features and feature combinations mentioned below in the description of the figures and / or shown alone in the figures can be used not only in the respectively specified combination but also in other combinations or in isolation, without the scope of To leave invention.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen sowie anhand der Figuren. Further advantages, features and details of the invention will become apparent from the claims, the following description of preferred embodiments and with reference to the figures.

1 verdeutlicht schematisch einen Kreisprozess in Form eines thermodynamischen Dampfkompressionskreislaufs für eine Kältemaschine bzw. für eine Klimaanlage und gibt den Stand der Technik wieder. 1 schematically illustrates a cycle in the form of a thermodynamic vapor compression cycle for a chiller and for an air conditioner and reflects the state of the art.

2 veranschaulicht, dem Stand der Technik entsprechend, anhand eines T-s-Diagramms für das konventionelle Kältemittel R134a einen konventionell geführten Kreisprozess einer Kältemaschine. 2 1 illustrates, in accordance with the prior art, a conventionally-guided cycle of a refrigeration machine based on a Ts diagram for the conventional refrigerant R134a.

3 veranschaulicht ein stark überhängendes 2-Phasengebiet anhand eines T-s-Diagramms sowie den Übergang des Fluids von der einphasigen Gasphase in ein 2-Phasengebiet wenn der Kreisprozess konventionell, d.h. ohne zusätzliche Erwärmung des Fluids vor dessen Verdichtung geführt wird. 3 illustrates a strongly overhanging 2-phase region on the basis of a Ts diagram and the transition of the fluid from the single-phase gas phase into a 2-phase region when the cyclic process is conducted conventionally, ie without additional heating of the fluid before its compression.

4 veranschaulicht schematisch den erfindungsgemäßen Kreisprozess der Kältemaschine mit einer Wärmezuführeinrichtung, die einen Wärmeübertrager sowie ein Wärmeübertragungsmodul umfasst. 4 schematically illustrates the inventive cycle of the refrigerator with a heat supply device comprising a heat exchanger and a heat transfer module.

5 veranschaulicht anhand eines T-s-Diagramms für ein Fluid in Form eines Kältemittels mit stark überhängendem 2-Phasengebiet die Wärmezufuhr durch einen Wärmeübertrager und/oder durch ein Wärmeübertragungsmodul sowie die anschließende Kompression des Fluids, wobei das Fluid sowohl vor als auch nach der Kompression in der einphasigen Gasphase vorliegt. 5 FIG. 2 illustrates the heat input through a heat exchanger and / or through a heat transfer module and the subsequent compression of the fluid based on a Ts diagram for a fluid in the form of a refrigerant with strongly overhanging two-phase region, wherein the fluid is in the single-phase both before and after compression Gas phase is present.

In 1 ist schematisch der Kreisprozess einer Kältemaschine 12, die im Falle eines Kraftfahrzeugs als Klimaanlage ausgeführt ist, dargestellt. Dabei wird als Fluid, ein Kältemittel verwendet. Das Kältemittel wird in einer Strömungsrichtung 11 durch die Kältemaschine 12 gefördert. Eine Verdampfungseinrichtung, die als Verdampfer 10 ausgeführt ist, verdampft das Fluid, so dass es einen Dampfzustand 1 annimmt. In diesem Dampfzustand 1 tritt das Fluid in eine Verdichtungseinrichtung ein, die als ein Kompressor 7 ausgeführt ist. Durch den Kompressor 7 wird das Fluid auf einen Verdichtungszustand 3 verdichtet und strömt in diesem verdichteten Zustand in eine Kondensationseinrichtung, die als ein Kondensator 8 ausgeführt ist. Durch den Kondensator 8 wird das Fluid in einen kondensierten Verdichtungszustand 5 überführt, und schließlich in einer Expansionseinrichtung, die als ein Expansionsventil 9 ausgeführt ist, expandiert. Infolgedessen nimmt das Fluid einen Expansionszustand 6 an, wobei es in diesem Zustand wiederum dem Verdampfer 10 zugeführt wird. Das Fluid wird also während des Betriebs der Kältemaschine 12 kontinuierlich entsprechend der Pfeilrichtung, die die Strömungsrichtung 11 schematisch darstellt, durch die Kältemaschine 12 gefördert. In 1 is schematically the cycle of a chiller 12 , which is designed in the case of a motor vehicle as an air conditioner shown. In this case, a refrigerant is used as the fluid. The refrigerant is in a flow direction 11 through the chiller 12 promoted. An evaporation device acting as an evaporator 10 is executed, the fluid evaporates, leaving it a vapor state 1 accepts. In this steam condition 1 the fluid enters a compression device acting as a compressor 7 is executed. Through the compressor 7 the fluid becomes a compression state 3 condenses and flows in this condensed state in a condenser, acting as a condenser 8th is executed. Through the capacitor 8th the fluid becomes a condensed compression state 5 transferred, and finally in an expansion device acting as an expansion valve 9 is executed, expanded. As a result, the fluid assumes an expansion state 6 in which case it is in this state in turn the evaporator 10 is supplied. The fluid is thus during operation of the refrigerator 12 continuously according to the direction of the arrow, the flow direction 11 schematically represented by the chiller 12 promoted.

2 veranschaulicht ein T-s-Diagramms 23, welches entsprechend der Bildebene nach rechts zu, also auf der Abszissenachse eine Entropie 14 und auf der Bildebene nach oben zu, also auf der Ordinatenachse eine Temperatur 13 darstellt. Das T-S-Diagramm 23 wird verwendet, um eine Taulinie 18, eine Siedelinie 19, sowie unterschiedliche Aggregatszustände des Fluids darzustellen. Die Taulinie 18 grenzt eine Gasphase 15 von einem 2-Phasengebiet 16 ab, wobei im 2-Phasengebiet 16 das Fluid sowohl in flüssigem, als auch in gasförmigem Zustand vorliegt. Die Siedelinie 19 grenzt das 2-Phasengebiet 16 von einer Flüssigkeitsphase 17 ab. Das dargestellte T-s-Diagramm 23 verdeutlicht in 2 ein Fluid, dessen Taulinie 18 eine negative Steigung aufweist. 2 illustrates a Ts diagram 23 , which according to the image plane to the right, so on the abscissa axis an entropy 14 and on the image plane upwards, so on the ordinate axis a temperature 13 represents. The TS diagram 23 is used to make a dew line 18 , a boiling line 19 , as well as represent different aggregate states of the fluid. The dew line 18 borders a gas phase 15 from a 2-phase region 16 from where in the 2-phase area 16 the fluid is present both in the liquid state and in the gaseous state. The boiling line 19 borders the 2-phase area 16 from a liquid phase 17 from. The illustrated Ts diagram 23 clarified in 2 a fluid, its dew-line 18 has a negative slope.

Mit anderen Worten verläuft die Taulinie 18 zumindest überwiegend entsprechend der Bildebene links von einem Achsenschnittpunkt 24, in welchem sich die Taulinie 18 mit der Abszissenachse schneidet. In other words, the dew line runs 18 at least predominantly according to the image plane to the left of an axis intersection 24 in which the dew line is 18 with the abscissa axis intersects.

Ebenfalls in 2 schematisch dargestellt, sind verschiedene thermodynamische Zustände des Fluids, wobei dieses Fluid, diese unterschiedlichen Zustände infolge des Durchströmens des Kompressors 7, des Kondensators 8, des Expansionsventils 9, sowie des Verdampfers 10 annimmt. Ausgehend vom Dampfzustand 1 wird entsprechend der Strömungsrichtung 11 durch Verdichtung innerhalb des Kompressors 7 der Verdichtungszustand 3 des Fluids erreicht. Der Verdichtungszustand 3 befindet sich innerhalb der Gasphase 15, weshalb der Kompressor 7 keine Schäden durch Flüssigkeitsschläge in Folge eines Phasenwechsels nimmt. Die dargestellten Verbindungslinien zwischen den einzelnen Zuständen sind in 2, 3 und 5 als gerade Verbindungslinien dargestellt, können jedoch auch gekrümmt verlaufen. Ausgehend vom Verdichtungszustand 3 wird durch den Kondensator 8 der kondensierte Verdichtungszustand 5 eingestellt, welcher sich auf der Siedelinie befindet. Ausgehend von diesem kondensierten Verdichtungszustand 5 wird durch den Durchtritt des Fluids durch das Expansionsventil 9 der Expansionszustand 6 erreicht. Ausgehend von diesem Expansionszustand 6 wird durch Energiezufuhr im Verdampfer 10 wiederum der Dampfzustand 1 des Fluids erreicht. Somit ist der Kreislauf der Kältemaschine 12 geschlossen. Also in 2 schematically illustrated are various thermodynamic states of the fluid, said fluid, these different states due to the passage of the compressor 7 , the capacitor 8th , the expansion valve 9 , as well as the evaporator 10 accepts. Starting from the steam condition 1 will be according to the flow direction 11 by compression within the compressor 7 the compression state 3 of the fluid. The compression state 3 is within the gas phase 15 why the compressor 7 no damage due to liquid hammer due to a phase change. The illustrated connecting lines between the individual states are in 2 . 3 and 5 but shown as straight connecting lines, but can also be curved. Starting from the compression state 3 is through the capacitor 8th the condensed compression state 5 set, which is located on the Siedelinie. Based on this condensed compression state 5 is due to the passage of the fluid through the expansion valve 9 the state of expansion 6 reached. Based on this state of expansion 6 is due to energy in the evaporator 10 again the vapor state 1 of the fluid. Thus, the cycle of the chiller 12 closed.

3 verdeutlicht in wesentlichen Teilen die Inhalte von 2, weshalb im Folgenden nur auf die Unterschiede eingegangen wird. Das in 3 dargestellte T-s-Diagramm 23 verdeutlicht die Verläufe der Siedelinie 19 sowie der Taulinie 18 eines Fluid mit stark überhängendem 2-Phasengebiet 16. So hängt das in 3 dargestellte 2-Phasengebiet 16 entsprechend der Bildebene in Bezug auf den Achsenschnittpunkt 24 zumindest im Wesentlichen stark nach rechts über. Mit anderen Worten liegt die Taulinie 18 bezüglich der Bildebene zumindest im Wesentlichen rechts des Achsenschnittpunkts 24. Erfolgt ausgehend vom Dampfzustand 1 entsprechend des in 1 beschriebenen, konventionellen Kreislaufs der Kältemaschine 12 eine Verdichtung des Fluids durch den Kompressor 7, so liegt der Verdichtungszustand 3 des Fluids im 2-Phasengebiet 16. Demzufolge kann es im Kompressor 7, also der Verdichtungseinrichtung, zu Schäden, wie beispielsweise Flüssigkeitsschlägen kommen. 3 clarifies in essential parts the contents of 2 , so in the following, only the differences will be discussed. This in 3 illustrated Ts diagram 23 illustrates the course of the Siedelinie 19 as well as the dew line 18 a fluid with a strongly overhanging 2-phase region 16 , So that depends in 3 illustrated 2-phase region 16 corresponding to the image plane with respect to the intercept point 24 at least essentially strong right over. In other words, the dew line lies 18 with respect to the image plane at least substantially to the right of the axis intersection point 24 , Occurs from the vapor state 1 according to the in 1 described, conventional circuit of the chiller 12 a compression of the fluid by the compressor 7 , so is the compression state 3 of the fluid in the 2-phase region 16 , As a result, it can be in the compressor 7 , So the compression device to damage, such as liquid shocks come.

Um Flüssigkeitsschläge bei der Verwendung von Kältemitteln mit stark überhängendem 2-Phasengebiet zu vermeiden, empfiehlt es sich, eine Kältemaschine entsprechend der in 4 dargestellten Form zu verwenden. 4 gibt zumindest in weiten Teilen den in 1 schematisch dargestellten Aufbau wieder. Im Folgenden soll deshalb nur auf die Unterschiede eingegangen werden. So ist in 4 in Strömungsrichtung 11 nach dem Verdampfer 10 und in Strömungsrichtung vor dem Kompressor 7 eine Wärmezuführeinrichtung 22 vorgesehen, welche einen Wärmeübertrager 20 sowie ein Wärmeübertragungsmodul 21 umfasst. Dabei können die einzelnen Komponenten der Wärmezuführeinrichtung 22, also der Wärmeübertrager 20 sowie das Wärmeübertragungsmodul 21 auch in anderer Reihenfolge als der dargestellten angeordnet sein. Das Wärmeübertragungsmodul 21 dient im Wesentlichen der Fluidtemperaturerhöhung beim Starten der Kältemaschine 12. Beim Starten der Kältemaschine 12 sind die für die Wärmeübertragung mittels des Wärmeübertragers 20 benötigten Kältemitteltemperaturen noch nicht erreicht, so dass das Wärmeübertragungsmodul 21 die Wärme an das Fluid überträgt. Die übertragene Wärme reicht aus, um die Fluidtemperatur derart zu erhöhen, dass auch bei der Verdichtung des Fluids durch den Kompressor 7 kein Phasenwechsel erfolgt. Das Wärmeübertragungsmodul 21 kann jedoch auch zusätzlich zum Wärmeübertrager 20 zur Fluiderwärmung eingesetzt werden. Während der Wärmeübertrager 20 dem Fluid an einer Stelle Wärme entnimmt und an anderer Stelle wieder zufügt, ist das Wärmeübertragungsmodul 21 vorzugsweise als Heizelement mit externer Energiezufuhr ausgeführt. Alternativ kann jedoch auch der Wärmeübertrager 20 als Heizelement mit externer Energiezufuhr und das Wärmeübertragungsmodul 21 als Wärmeübertrager ausgeführt sein. In order to avoid liquid hammer when using refrigerants with a strongly overhanging 2-phase area, it is recommended to use a chiller in accordance with the instructions given in 4 to use illustrated form. 4 At least in large parts there are in 1 schematically shown construction again. In the following, therefore, only the differences will be discussed. So is in 4 in the flow direction 11 after the evaporator 10 and in the flow direction in front of the compressor 7 a heat supply device 22 provided, which a heat exchanger 20 and a heat transfer module 21 includes. In this case, the individual components of the heat supply 22 So the heat exchanger 20 and the heat transfer module 21 be arranged in a different order than the one shown. The heat transfer module 21 essentially serves the fluid temperature increase when starting the chiller 12 , When starting the chiller 12 are those for the heat transfer by means of the heat exchanger 20 required refrigerant temperatures have not yet reached, so that the heat transfer module 21 transfers the heat to the fluid. The transferred heat is sufficient to increase the fluid temperature such that even during the compression of the fluid by the compressor 7 no phase change occurs. The heat transfer module 21 but can also in addition to the heat exchanger 20 be used for fluid heating. While the heat exchanger 20 removing heat from the fluid at one point and adding it elsewhere is the heat transfer module 21 preferably designed as a heating element with external power supply. Alternatively, however, the heat exchanger 20 as a heating element with external power supply and the heat transfer module 21 be designed as a heat exchanger.

Das in 5 dargestellte T-s-Diagramm 23 verdeutlicht, ebenso wie 3, die Verläufe der Siedelinie 19 sowie der Taulinie 18 eines Fluid mit stark überhängendem 2-Phasengebiet 16. Im Folgenden soll jedoch auf die Unterschiede eingegangen werden, wenn anstelle der in 1 schematisch dargestellten, konventionellen Kältemaschine die in 4 schematisch dargestellte Kältemaschine mit der zusätzlich vorgesehenen Wärmezuführeinrichtung 22 eingesetzt wird. Ausgehend vom Dampfzustand 1 wird mittels der Wärmezuführeinrichtung, also mittels des Wärmeübertragers 20 oder des Wärmeübertragungsmoduls 21 oder der Kombination aus beiden dem Fluid Wärme zugeführt, sodass das Fluid einen erwärmten Dampfzustand 2 annimmt. Dieser erwärmte Dampfzustand 2 liegt im Gebiet der einphasigen Gasphase 15 und somit entsprechend der Bildebene rechts von der Taulinie 18. Wird das Fluid ausgehend von dem erwärmten Dampfzustand 2 dem Kompressor 7 zugeführt, so erfolgt durch diesen eine Verdichtung des Fluids auf den erwärmten Verdichtungszustand 4. Der erwärmte Verdichtungszustand 4 liegt ebenso wie bereits der erwärmte Dampfzustand 2 innerhalb des Bereichs der einphasigen Gasphase 15. Mit anderen Worten verbleibt also das Fluid bei dessen Verdichtung durch den Kompressor 7 in der Gasphase 15 und es erfolgt kein Phasenwechsel in das 2-Phasengebiet 16. Dadurch wird vermieden, dass der Kompressor 7 Schaden z. B. in Form von Flüssigkeitsschlägen nimmt. This in 5 illustrated Ts diagram 23 clarified, as well as 3 , the gradients of the boiling line 19 as well as the dew line 18 a fluid with a strongly overhanging 2-phase region 16 , In the following, however, the differences will be discussed when replacing the in 1 schematically illustrated, conventional refrigeration machine in 4 schematically shown chiller with the additionally provided heat supply 22 is used. Starting from the steam condition 1 is by means of the heat supply device, ie by means of the heat exchanger 20 or the heat transfer module 21 or the combination of both supplies heat to the fluid such that the fluid has a heated vapor state 2 accepts. This heated steam state 2 lies in the area of the single-phase gas phase 15 and thus according to the image plane to the right of the dew line 18 , Will the fluid from the heated vapor state 2 the compressor 7 supplied, it is carried out by this a compression of the fluid to the heated compression state 4 , The heated compression state 4 lies as well as the heated vapor state 2 within the range of the single-phase gas phase 15 , In other words, so the fluid remains during its compression by the compressor 7 in the gas phase 15 and there is no phase change in the 2-phase region 16 , This will avoid the compressor 7 Damage z. B. takes in the form of liquid shocks.

Claims

Chiller ( 12 ) with a fluid, with at least one condensation device ( 8th ) for condensing the fluid, with at least one expansion device ( 9 ) for expanding the fluid, with at least one evaporation device ( 10 ) for vaporizing the fluid and at least one compression device ( 7 ) for compressing the fluid, characterized in that the dew-line ( 18 ) of the fluid at least in a predominant region of its course in the direction of increasing entropy ( 14 ), wherein the chiller ( 12 ) at least one heat supply device ( 22 ), by means of which the fluid in the flow direction ( 11 ) downstream of the evaporation device ( 10 ) and upstream of the compactor ( 7 ) is heated.

Chiller ( 12 ) according to claim 1, characterized in that the heat supply device ( 22 ) at least one heat exchanger through which the fluid flows ( 20 ), by means of which the fluid after its condensation and before its evaporation, a quantity of heat can be removed and by means of which the fluid after its evaporation and before its compression, the amount of heat is at least partially supplied.

Chiller ( 12 ) according to claim 2, characterized in that the amount of heat can be removed, in particular before the expansion of the fluid and at least partially supplied to the fluid after its evaporation and before its compression.

Chiller ( 12 ) according to one of claims 1 to 3, characterized in that the heat supply device ( 22 ) at least one heat transfer module ( 21 ), in particular at least one heat exchanger and / or at least one electrical heating element.

Chiller ( 12 ) according to one of claims 1 to 4, characterized in that the chiller ( 12 ) an expansion valve ( 9 ) by means of which the mass flow of the into the at least one evaporation device ( 10 ) inflowing fluid is adjustable.

Chiller ( 12 ) according to one of claims 1 to 5, characterized in that the chiller ( 12 ) Is used in particular as an air conditioner for motor vehicles.

Chiller ( 12 ) according to one of claims 1 to 6, characterized in that the global warming potential of the fluid is less than 10.

Method for operating a refrigerating machine ( 12 ) with a fluid having at least one condensation device ( 8th ) for condensing the fluid, with at least one expansion device ( 9 ) for expanding the fluid, with at least one evaporation device ( 10 ) for vaporizing the fluid and at least one compression device ( 7 ) for compressing the fluid, characterized in that the dew-line ( 18 ) of the fluid at least in a predominant region of its course in the direction of increasing entropy ( 14 ), wherein the chiller ( 12 ) at least one heat supply device ( 22 ), by means of which the fluid in the flow direction ( 11 ) downstream of the evaporation device ( 10 ) and upstream of the compactor ( 7 ) is heated.