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Die Erfindung betrifft eine Kältekreislauf-Anlage mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren zum Betrieb einer solchen Kältekreislauf-Anlage. Die Kältemittelkreislauf-Anlage ist dabei wahlweise zu Kühlzwecken als eine Kälteanlage oder auch zu Heizzwecken als eine Wärmepumpenanlage ausgebildet, wobei in beiden Fällen Wärme von einer Wärmequelle zu einer Wärmesenke übertragen wird.
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Eine derartige Anlage und ein derartiges Verfahren sind beispielsweise aus der
DE 100 47 282 A1 zu entnehmen.
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In einigen Anwendungsfällen besteht das Problem, dass eine hohe Temperaturspreizung zwischen Wärmequelle und Wärmesenke gewünscht ist. Dies ist beispielsweise bei Kälteanlagen der Fall, bei denen von einer normalen oder erhöhten Raumtemperatur von beispielsweise etwa 30°C bis zu sehr tiefen Temperaturen von beispielsweise –20°C bis –40°C abzukühlen ist. Das Problem besteht auch bei sogenannten Hochtemperatur-Wärmepumpen, bei denen beispielsweise Heizungs- oder Warmwasser auch bei winterlichen Außentemperaturen auf 50°C und darüber aufgeheizt werden soll.
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Um einen hohen Temperaturunterschied zu erreichen, ist beispielsweise aus der
EP 1 394 482 B1 eine zweistufige, kaskadierte Anlage bekannt, bei der zwei hydraulisch voneinander getrennte Kältekreisläufe über einen Zwischenwärmetauscher miteinander gekoppelt sind. Die zwei hydraulisch getrennten Kältekreisläufe sind oftmals auch mit zwei unterschiedlichen Kältemitteln betrieben. Hiermit ist jedoch ein erhöhter anlagentechnischer Aufwand verbunden, da für jeden Kältekreislauf die Komponenten Verdichter, Kondensator, Expansionsorgan sowie Verdampfer erforderlich sind. Lediglich der Zwischenwärmetauscher wird in beiden Kältekreisläufen einmal als Verdampfer und einmal als Kondensator eingesetzt.
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Aus der
DE 100 47 282 A1 ist eine Speicher-Wärmepumpe mit einem integrierten Latentwärmespeicher zu entnehmen. Die Wärmepumpe weist dabei zwei Verdichter auf, die sowohl im Parallelbetrieb als auch im Reihenbetrieb betrieben werden können. Durch die Reihenschaltung soll dabei der Temperaturbereich erweitert werden.
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Ausgehend hiervon liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine hohe Temperaturspreizung bei gerätetechnisch verringertem Aufwand zu ermöglichen.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1. Bevorzugte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen enthalten.
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Die Kältekreis-Anlage weist einen Kältekreislauf auf, in dem im Betrieb ein Kältemittel in Strömungsrichtung geführt ist. In diesen Kreislauf sind in Strömungsrichtung aufeinander folgend ein Verdampfer, ein erster Verdichter, ein Verflüssiger sowie ein Expansionsorgan in an sich bekannter Weise angeordnet. Die Anlage weist neben dem ersten Verdichter zumindest einen weiteren, zweiten Verdichter auf, wobei die zumindest zwei Verdichter oder ein Verdichterverbund zwischen dem Verdampfer und dem Verflüssiger des einzigen Kreislaufs angeordnet sind. Die zumindest zwei Verdichter sind durch eine entsprechende Verrohrung sowie durch Steuerventile sowohl parallel zueinander als auch in Reihe, also in Strömungsrichtung hintereinander in den Kreislauf, schaltbar. Im Betrieb der Anlage sind daher zwei verschiedene Betriebsarten ermöglicht, nämlich ein Parallelbetrieb, bei dem die beiden Verdichter parallel zueinander arbeiten und dadurch eine hohe Umwälzrate und Förderleistung erreicht wird sowie ein Reihenbetrieb, bei dem die beiden Verdichter in Strömungsrichtung hintereinander geschaltet sind, so dass also die Druckseite des ersten Verdichters die Saugseite des zweiten Verdichters bildet. Die Steuerung der Anlage wird mit Hilfe einer Steuereinheit vorgenommen, die zwischen diesen beiden Betriebsarten bedarfsweise durch entsprechende Ansteuerung von Umschalt- oder Steuerventilen wechselt.
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Diese Anlage ermöglicht eine hohe Temperaturspreizung zwischen Wärmequelle und Wärmesenke mit nur einem einzigen hydraulischen Kreislauf. Es ist daher keine kaskadierte Anordnung vorgesehen. Sämtliche Komponenten sind hydraulisch in den einzigen Kältekreislauf mit nur einem Kältemittel geschalten. Insgesamt ist der gerätetechnische Aufwand im Vergleich zu einer kaskadierten Anordnung geringer. Insbesondere ist ein Service der Anlage durch die Verwendung nur eines Kältemittels vereinfacht.
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Diese Ausgestaltung beruht dabei auf einer Überlegung, dass eine hohe Temperaturspreizung zwischen Wärmequelle und Wärmesenke sich nur bei einer entsprechend hohen Druckdifferenz zwischen einen Niederdruck-Teil des Kreislaufs und einem Hochdruck-Teil des Kreislaufs erreichen lässt. Die für die hohe Temperaturspreizung erforderlichen Differenzdrücke lassen sich jedoch mit herkömmlichen Verdichtern, die zugleich auch eine ausreichend hohe Förderleistung bei den verschiedenen Drücken bereitstellen, nicht ohne Weiteres erreichen. Durch die Anordnung der zwei Verdichter in Reihe hintereinander lässt sich ein hoher Druckunterschied zwischen dem Niederdruck- und dem Hochdruck-Teil des Kreislaufs und damit die gewünschte hohe Temperaturspreizung erzielen. Durch die gleichzeitige Möglichkeit der Parallelschaltung ist insbesondere in Betriebszuständen, bei denen noch kein großer Temperaturunterschied zwischen Wärmequelle und Wärmesenke besteht, durch eine hohe Umwälzrate ein erstes schnelles Abkühlen bzw. Erwärmen, allgemein also ein schneller Wärmetransport von der Wärmequelle auf die Wärmesenke, ermöglicht.
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Im Betrieb wird daher vorzugsweise zunächst bei einer Start- oder Anfangsphase der Parallelbetrieb der beiden Verdichter gewählt, wodurch eine hohe Förderleistung gegeben ist und ein hoher Kältemittelmassenstrom umgewälzt wird. Dies erlaubt in der Anfangsphase ein sehr schnelles und effektives Abkühlen bzw. bei einer Wärmepumpe ein erstes schnelles Aufheizen. Bei der Startphase sind typischerweise die Temperaturniveaus zwischen Wärmequelle und Wärmesenke gleich oder zumindest ähnlich bzw. weisen zumindest im Vergleich zum normalen Betriebszustand eine nur geringe Temperaturspreizung auf.
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Zum Erreichen des Betriebszustandes mit der gewünschten hohen Temperaturspreizung, die vorzugsweise größer 50°C oder 60°C ist und insbesondere etwa 70–80°C beträgt, wird anschließend in den Reihenbetrieb während einer Hauptphase umgeschaltet. Durch diese Maßnahme wird die zu überwindende Druckdifferenz zwischen der Hochdruckseite und der Niederdruckseite des Kältekreislaufs auf die zwei Verdichter aufgeteilt, wodurch sich insgesamt auch eine höhere Temperatur- bzw. Druckspreizung zwischen der Temperatur am Verdampfer und am Kondensator erzielen lässt. Diese Hauptphase bildet dann den normalen Betriebsmodus beim Betrieb der Anlage, insbesondere der Kälteanlage.
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Die Umschaltung zwischen dem Parallelbetrieb während der Anfangsphase und dem Reihenbetrieb während des normalen Betriebsmodus erfolgt vorzugsweise temperatur- oder druckabhängig bei Erreichen eines vorgegebenen Betriebspunktes bzw. Betriebsbereiches des Kältemittels. Hierzu ist die Steuereinheit mit zumindest einer Sensoreinheit, beispielsweise einen Drucksensor und/oder einem Temperatursensor verbunden, um den aktuellen Betriebszustand des Kältemittels zu erfassen und in Abhängigkeit des Messwerts das Umschalten vom Parallelbetrieb in den Reihenbetrieb zu veranlassen. Bei der Umschaltung liegt üblicherweise bereits eine im Vergleich zum Anfangszustand erhöhte Temperaturspreizung zwischen Wärmequelle und Wärmesenke von beispielsweise 40–60°C vor Zweckdienlicherweise ist die Steuereinheit derart eingerichtet, dass die Umschaltung dann vorgenommen wird, wenn eine Druckdifferenz zwischen einer Saugseite und einer Druckseite der beiden Verdichter ein gerätebedingtes Maximum zumindest annähernd erreicht, wenn sich also keine weitere oder zumindest keine nennenswerte weitere Druckspreizung zwischen der Niederdruckseite und der Hochdruckseite mehr erreichen lässt. Der Parallelbetrieb wird daher im Sinne einer möglichst schnellen Abkühlung bzw. schnellen Erwärmung möglichst lange aufrecht erhalten. Erst wenn eine zusätzliche Druck- und damit Temperaturspreizung nicht oder nicht mehr nennenswert möglich ist, erfolgt die Umschaltung.
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Da die beiden Verdichter im Reihenbetrieb hintereinander geschaltet sind, wird der nachfolgende Verdichter mit dem erwärmten gasförmigen Kältemittel beaufschlagt. Um eine Überhitzung des zweiten Verdichters zu vermeiden, ist die Anlage für eine Abkühlung des Kältemittels zwischen den beiden Verdichtern ausgebildet. Das Kältemittel wird daher während des normalen Betriebsmodus nachfolgend zum ersten Verdichter gekühlt.
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In einer Ausführungsvariante erfolgt die Kühlung des Kältemittels, indem dem Kältemittelstrom kälteres Kältemittel zugeführt wird. Das kalte Kältemittel wird hierbei zweckdienlicherweise aus dem Kältemittelstrom nach dem Kondensator entnommen und über eine nach Art einer Bypassleitung ausgebildete Kältemittelleitung dem Kältemittelstrom vor dem zweiten Verdichter zugeführt. Die Zuschaltung der Kühlung über die Kältemittelleitung erfolgt dabei über ein Steuer- oder Regelventil, welches von der Steuereinheit angesteuert wird. Vorzugsweise wird über die Menge des zugeführten Kältemittelstroms eine gewünschte Kühlleistung und damit eine gewünschte Temperatur des dem zweiten Verdichter saugseitig zugeleiteten Kältemittels eingestellt.
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In die Kältemittelleitung ist ein Einspritz- oder Drosselorgan angeordnet, um ein Einbringen des Kältemittels in den Zwischenbereich zwischen die beiden Verdichter zu gewährleisten. Insbesondere dient das Drosselorgan für eine Druckangleichung zwischen einer Hochdruckseite am Kondensatorausgang, wo der Kältemittelmassenstrom über die Kältemittelleitung abgezweigt wird, und einem Zwischendruckbereich zwischen den beiden Verdichtern.
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Dieses Drosselorgan ist insbesondere bei kleineren, nur für geringere Wärme- oder Kälteleistungen ausgebildeten Anlagen, die beispielsweise im Bereich von wenigen kW, insbesondere im Bereich von etwa 2 kW liegen, bevorzugt als einfaches Kapillarrohr ausgebildet. Alternativ und insbesondere bei größeren Leistungen ist es als elektronisches oder thermostatisches Einspritzorgan, insbesondere als Expansionsventil ausgebildet.
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Ergänzend oder alternativ ist zu Kühlzwecken die Zuschaltung eines Wärmetauschers vorgesehen, über den das Kältemittel nach dem ersten Verdichter geführt ist. Hierbei gibt das Kältemittel Wärme ab. Die Wärmeübertragung erfolgt hierbei zweckdienlicherweise mit dem Kondensator. Die entsprechenden Wärmetauscherflächen sind vorzugsweise in ein Kondensatorgehäuse in geeigneter Weise platzsparend integriert.
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Handelt es sich bei dem Verdampfer um einen Luft-Kältemittel-Verdampfer, so besteht die Gefahr einer Vereisung von Wärmetauscherflächen. Für eine effiziente Wärmeübertragung müssen diese abgetaut werden. Hierzu ist generell eine sogenannte Heißgasabtauung bekannt, bei der Heißgas, also erwärmtes, gasförmiges Kältemittel auf der Hochdruckseite vor dem Kondensator abgezweigt und über eine zuschaltbare Bypass-Leitung dem Verdampfer eingangsseitig zugeführt wird.
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In einem derartigen Abtaumodus, in den bei Bedarf kurzfristig während des normalen Betriebsmodus gewechselt wird, wird vorzugsweise vom Reihenbetrieb wieder in den Parallelbetrieb umgeschaltet. Hierdurch wird der Kältemittel-Massenstrom erhöht, wodurch die erforderliche Abtauung beschleunigt wird, was sich letztendlich positiv auf die Effizienz der Abtauung auswirkt. Zur Umschaltung wird über die Steuereinheit einerseits ein Steuerventil zur Freischaltung der Bypassleitung geöffnet und gleichzeitig wird über ein weiteres Steuerventil der zweite Verdichter wieder parallel zum ersten Verdichter in den Kreislauf eingebunden. Nach erfolgter Abtauung wird wieder in den normalen Betriebsmodus umgeschaltet.
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Als Kältemittel wird vorzugsweise ein Kältemittel eingesetzt, welches eine hohe Temperaturdifferenz zwischen Verdampfungstemperatur und Verflüssigungstemperatur von vorzugsweise > 80°C und insbesondere von > 100°C aufweist. Da diese Temperaturen druckabhängig sind wird unter Verdampfungstemperatur die Verdampfungstemperatur bei einem Druckniveau des Niederdruck-Teils des Kreislaufs verstanden, welches üblicherweise im Bereich von 0,1 bar bis 2 bar liegt. Entsprechend wird unter Verflüssigungstemperatur die Verflüssigungstemperatur bei einem Druckniveau des Hochdruck-Teils des Kreislaufs verstanden, welches von Kältemittel zu Kältemittel stark variieren kann und üblicherweise mehrere 10 bar beträgt, also allgemein insbesondere > 10 bar liegt. Insgesamt ist daher vom Kältemittel gefordert, dass die Temperaturdifferenz zwischen der Verdampfungstemperatur bei einem Druck größer 0,1 bar und der Verflüssigungstemperatur bei einem Druck größer 10 bar > 60°C beträgt.
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Für das bevorzugte Einsatzgebiet einer Kälteanlage, die für Kühlraumtemperaturen von unter –30°C und beispielsweise von etwa –40°C ausgelegt ist, liegt die Verdampfungstemperatur unter –40°C und vorzugsweise unter –50°C. Die Verflüssigungstemperatur liegt gleichzeitig oberhalb einer auch erhöhten Umgebungstemperatur von beispielsweise 30°C und damit bei etwa > 50°C, vorzugsweise bei ≥ 60°C.
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Als geeignetes Kältemittel hierfür hat sich das Kältemittel mit der Bezeichnung R1270 (Propen) erwiesen. Alternative Kältemittel mit einer erreichbaren Temperaturspreizung zwischen Verdampfungstemperatur und Verflüssigungstemperatur mit ähnlichen Absolutwerten dieser Verflüssigungs- und Verdampfungstemperaturen können grundsätzlich ebenfalls herangezogen werden.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß weiterhin gelöst durch ein Verfahren zum Betrieb einer derartigen Kältekreisanlage mit den Merkmalen des Anspruchs 13. Die im Hinblick auf die Anlage aufgeführten Vorteile und bevorzugten Ausgestaltungen sind sinngemäß auch auf das Verfahren zu übertragen.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand der Figuren näher erläutert. Diese zeigen jeweils in vereinfachten Schema-Darstellungen:
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1 eine Kältemittelkreislauf-Anlage mit einem einzigen Kältekreislauf und zwei Verdichtern in einem Betriebsmodus während einer Anfangsphase, bei der die beiden Verdichter parallel zueinander geschaltet sind,
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2 die Kältemittelkreislauf-Anlage gemäß 1 im normalen Betriebsmodus, bei dem die beiden Verdichter in Reihe zueinander geschaltet sind und eine Kühlung des Kältemittels vor dem zweiten Verdichter über eine Kältemittelleitung erfolgt, sowie
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3 die Kältemittelkreislauf-Anlage gemäß den 1 und 2 im normalen Betriebsmodus, wobei im Unterschied zu der Ausführungsvariante gemäß der 2 die Kühlung über einen separaten Wärmetauscher erfolgt.
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Die Kältemittelkreislauf-Anlage ist als eine einstufige Anlage mit nur einem Kältemittel-Kreislauf ausgebildet, bei dem das Kältemittel in Strömungsrichtung 2 umgewälzt wird. In Strömungsrichtung 2 sind in den Kältemittel-Kreislauf in an sich üblicher Weise ein Verdampfer 4 zur Aufnahme von Wärme aus einer Wärmequelle, ein erster Verdichter 6 zur Verdichtung des Kältemittels, ein Kondensator 8 zur Verflüssigung des Kältemittels sowie ein Expansionsorgan 10 zur Entspannung des Kältemittels in einem Strömungspfad des Kältemittels angeordnet. Die einzelnen Komponenten 4, 6, 8, 10 sind dabei über Rohrleitungen miteinander verbinden.
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Ergänzend ist eine Parallelleitung 12 mit einem zweiten Verdichter 14 angeordnet, die parallel zu einem Strömungsteilpfad verläuft, in dem der erste Verdichter 6 platziert ist. Die Parallelleitung 12 zweigt nachdem zum Verdampfer 4 ab und mündet in den normalen Strömungspfad des Kältemittel-Kreislaufs vor dem Kondensator 8. Die Parallelleitung 12 ist hierbei über ein erstes Steuerventil 16A zuschalt- oder absperrbar. Bei den Verdichtern 6, 14 handelt es sich vorzugsweise um baugleiche Verdichter. Alternativ hierzu können jedoch auch unterschiedliche, beispielsweise für unterschiedliche Druckbereiche ausgelegte Verdichter herangezogen werden.
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Eine Druckseite des ersten Verdichters 6 ist weiterhin über eine Querleitung 18 mit einer Saugseite des zweiten Verdichters 14 verbunden und mündet an einer Mündungsstelle in die Parallelleitung 12. Auch die Querleitung 18 ist über ein zweites Steuerventil 16B zuschaltbar.
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Weiterhin ist eine Kältemittelleitung 20 angeordnet, welche nach dem Kondensator 8 von dem normalen Strömungspfad des Kältemittelkreislaufes nach Art eines Bypasses abzweigt und ebenfalls an der Saugseite des zweiten Verdichters 14 in die Parallelleitung 12 mündet. Im Ausführungsbeispiel münden dabei die Querleitung 18 und die Kältemittelleitung 20 an der gleichen Mündungsstelle. Die Kältemittelleitung 20 ist über ein drittes Steuerventil 16C zuschaltbar. Ergänzend ist in die Kältemittelleitung 20 noch ein Drosselorgan 22 geschaltet.
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Schließlich ist noch eine Heißgasleitung 24 vorgesehen, welche in Strömungsrichtung 2 vor dem Kondensator 8 abzweigt und ebenfalls nach Art einer Bypassleitung in Strömungsrichtung 2 vor dem Verdampfer 4 wieder in den normalen Strömungspfad des Kältemittelkreislaufs mündet. Die Mündungsstelle liegt dabei in Strömungsrichtung 2 nach dem Expansionsorgan 10. Die Heißgasleitung 24 ist über ein viertes Steuerventil 16D absperrbar. Weiterhin ist in den normalen Strömungspfad ein fünftes Steuerventil 16E in Strömungsrichtung 2 vor dem Expansionsorgan 10 angeordnet, um diesen regulären Kühlmittelströmungspfad bei einer Heißgasabtauung abzuschalten. Bei einer Heißgasabtauung strömt daher vorzugsweise das gesamte Kühlmittel über die Heißgasleitung 24.
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Weiterhin ist in den Strömungspfad vor der Abzweigung der Kältemittelleitung 20 ein Trockner 19 angeordnet.
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Schließlich ist ein sechstes Steuerventil 16F noch in den regulären Strömungspfad nachfolgend zum ersten Verdichter 6 und vor dem Kondensator 8 geschaltet. Dieses dient zum Absperren dieses Strömungspfadabschnittes für den Fall eines Reihenbetriebs, wenn also das zweite Steuerventil 16B geöffnet ist.
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Um ein unerwünschtes Rückströmen von Kältemittel zu vermeiden, sind weiterhin Rückschlagventile 26 angeordnet sein. Beispielhaft sind hier in Strömungsrichtung jeweils ein Rückschlagventil 26 vor dem ersten Steuerventil 16A sowie vor dem sechsten Steuerventil 16F angeordnet.
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Die einzelnen Steuerventile 16A bis 16F sind jeweils vorzugsweise als Abschaltventile, insbesondere Magnetventile ausgebildet. Grundsätzlich können diese bei Bedarf auch als Steuer- oder Regelventile ausgebildet sein.
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Ergänzend ist bei der Anlage im Kältemittelkreislauf weiterhin ein Wärmetauscher 28 angeordnet, der über Wärmetauscherleitungen 30 mit der Querleitung 18 verbunden ist. Die Wärmetauscherleitungen 30 münden hierbei in Strömungsrichtung 2 nachfolgend zum zweiten Steuerventil 16B in die Querleitung 18 ein. Der Wärmetauscher 28 ist mit dem Kondensator 8 zwecks Wärmeübertragung mit dem Kondensator 8 gekoppelt und insbesondere platzsparend in gemeinsam mit dem Kondensator 8 in einem Kondensatorgehäuse 31 integriert.
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Die gesamte Anlage wird mit Hilfe einer hier nicht näher dargestellten Steuer- und Regeleinheit gesteuert. Diese greift zur Steuerung der Anlage vorzugsweise auf eine Mehrzahl von Sensoren zurück, die neben Parametern für das Kältemittel auch weitere externe Parameter, wie beispielsweise eine Umgebungstemperatur sowie die Temperatur der Wärmequelle und die der Wärmesenke ermitteln. Im Falle einer Kälteanlage wird die Temperatur des zu kühlenden Raumes und im Falle einer Wärmepumpenanlage die Temperatur des zu erwärmenden Raumes neben der Umgebungs- oder Außentemperatur erfasst.
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Zur Ermittlung der Temperatur und/oder des Drucks des Kältemittels ist weiterhin eine Sensoreinheit 32 angeordnet, die im Ausführungsbeispiel in Strömungsrichtung 2 nach dem Verdampfer 4 angeordnet ist. Die Sensoreinheit 32 ist dabei beispielsweise mit einem Temperatursensor und/oder einem Drucktransmitter und/oder einem so genannten Pressostat versehen, um die Temperatur und/oder den Druck in der gemeinsamen Saugleitung der beiden Verdichter 6, 14 zu ermitteln.
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Mit Hilfe der Steuereinheit wird die Anlage in unterschiedlichen Betriebsmodi betrieben. Der Strömungsweg des Kältemittels in den einzelnen Betriebsmodi ist in den 1 bis 3 jeweils durch eine fette Markierung hervorgehoben.
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Allgemein wird die Anlage in einem Startmodus während einer Anfangsphase für ein möglichst schnelles Abkühlen (Kälteanlage) bzw. Erwärmen (Wärmepumpenanlage) in einem Parallelbetrieb betrieben. Diese Situation ist in 1 dargestellt. Bei Erreichen eines definierten Umschaltpunktes wird anschließend in den normalen Betriebsmodus während einer Hauptphase umgeschaltet, wie er in den 2 und 3 dargestellt ist. Weiterhin besteht noch die Option des Umschaltens in einen in den Figuren nicht explizit dargestellten Abtaumodus.
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Der Betrieb der einzelnen Modi wird nachfolgend beispielhaft anhand einer Kälteanlage beschrieben, bei der beispielsweise ein zu kühlender Kühlraum zunächst im Ausgangszustand von einer Umgebungstemperatur von beispielsweise über 30° auf eine Kühlraumtemperatur von etwas unter –40°C abzukühlen ist.
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Um diese vergleichsweise hohe Temperaturspreizung zu erzielen, ist ein geeignetes Kältemittel erforderlich. Vorzugsweise wird als Kältemittel das Kältemittel mit der Bezeichnung R1270 (Propylen) gewählt. Dieses zeichnet sich durch eine Verflüssigungstemperatur ≥ 60°C und eine Verdampfungstemperatur von etwa –60°C bei einem Druck von etwa 0,5 bar aus. Alternative Kältemittel, die eine vergleichbare Temperaturspreizung ermöglichen, sind gleicherweise einsetzbar.
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Die Startphase zu Beginn des Kühlvorgangs ist im Wesentlichen dadurch charakterisiert, dass die Temperatur der Wärmequelle, also in diesem Fall die Temperatur des Kühlraums und die Temperatur der Wärmesenke, also die Umgebungstemperatur zunächst zumindest annähernd auf gleichem Temperaturniveau von beispielsweise 20°C bis 30°C sind. Während dieser Anfangsphase sind die beiden Verdichter 6, 14 parallel zueinander betrieben, so dass der gesamte Kältemittelstrom durch die Förderleistung der Summe der einzelnen Kältemittelströme der beiden Verdichter 6, 14 gegeben ist. Für diese Parallelschaltung sind die Steuerventile 16A, 16F, 16E offen und gleichzeitig die weiteren Steuerventile 16B, 16C und 16D geschlossen. Aufgrund dieser Schaltung wird die Parallelleitung 12 parallel zum normalen Strömungspfad über den ersten Verdichter 6 von Kältemittel durchströmt. Durch die hohe Förderrate ist eine hohe Kälte erzielt, so dass in der Anfangsphase eine schnelle und effiziente Abkühlung erzielt ist.
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In dieser Startphase erhöht sich also die Temperaturdifferenz zwischen Wärmequelle und Wärmesenke. Parallel hierzu erhöht sich auch die Druckdifferenz zwischen einer Niederdruckseite vor den Verdichtern 6, 14 und einer Hochdruckseite nach den Verdichtern 6, 14. In diesem Parallelbetrieb wird die Anlage so lange betrieben, bis ein Temperatur- und/oder Druckniveau erreicht wird, an dem die Leistungszahl COP (coefficient of performance) der Anlage nachlässt oder sich keine oder keine nennenswerte weitere Druckdifferenz zwischen der Hochdruck- und der Niederdruckseite durch die Verdichter 6, 14 mehr erreichen lässt.
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Bei Erreichen dieses Umschaltpunktes schaltet die Steuereinheit wahlweise in den in 2 oder in den in 3 dargestellten Reihenbetrieb für den normalen Betriebsmodus um. In beiden Varianten werden nunmehr die Ventile 16F und 16A geschlossen und das Ventil 16B geöffnet. Hierdurch wird der Strömungspfad über die Querleitung 18 geöffnet, so dass das Kältemittel vom ersten Verdichter 6 in Strömungsrichtung 2 zum zweiten Verdichter 14 strömt. Die Druckseite des ersten Verdichters 6 ist daher mit der Saugseite des zweiten Verdichters 14 verbunden. Durch diese Reihenschaltung der beiden Verdichter 6, 14 ist die Druckdifferenz zwischen der Hoch- und der Niederdruckseite und damit auch die Temperaturspreizung weiter erhöht. Zwischen den beiden Verdichtern 6, 14 ist daher ein Zwischendruckbereich und ein Zwischentemperaturniveau ausgebildet.
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Durch die Reihenschaltung wird daher das vom ersten Verdichter 6 bereitgestellte Zwischendruckniveau als Eingangsdruckniveau für den zweiten Verdichter 14 herangezogen und auf ein nochmals höheres Druckniveau angehoben. Durch diese Reihenverschaltung kann daher mit nur einem einstufigen Kältekreislauf ohne einen Zwischenwärmetauscher eine hohe Druck- und Temperaturdifferenz erzielt werden, wodurch sich insgesamt eine kostengünstige Anlage ergibt, da zusätzlich lediglich ein zweiter Verdichter erforderlich ist.
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Da der zweite Verdichter 14 mit dem durch den ersten Verdichter 6 erwärmten Kältemittel saugseitig beaufschlagt wird, kann es unter Umständen zu temperaturbedingten Erhitzungsproblemen beim zweiten Verdichter 14 kommen. Um diese sicher zu vermeiden, ist eine Kühlung des zweiten Verdichters 14 vorgesehen. Hierzu wird vorzugsweise das saugseitige Kältemittel in Strömungsrichtung 2 vor dem zweiten Verdichter 14 gekühlt. Zu den 2 und 3 werden zwei Kühlkonzepte beschrieben, die vorzugsweise alternativ eingesetzt werden. Das Schaubild nach 1 zeigt lediglich beide Optionen. In der konkreten Umsetzung ist vorzugsweise jeweils nur eine Option verwirklicht.
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Gemäß der ersten in 2 dargestellten Ausführungsvariante wird hierbei über die Kältemittelleitung 20 kaltes Kältemittel nachfolgend zum Kondensator 8 abgezweigt und nach Art eines Bypasses in den Kältemittelstrom vor dem zweiten Verdichter 14 eingespeist. Hierzu wird das Steuerventil 16C geöffnet. Dabei fließt lediglich ein Teilstrom des Kältemittels über die Kältemittelleitung 20. Das Steuerventil 16C ist dabei beispielsweise als ein Magnetventil oder ein Regelventil zur Steuerung oder Regelung der Durchflussmenge ausgebildet. Das weiterhin angeordnete Drosselorgan 22 kann ebenfalls diese Funktion durch eine Begrenzung des Volumenstroms übernehmen. Es dient insbesondere zur Anpassung des hohen Druckniveaus, welches ausgangsseitig des Kondensators 8 herrscht, an das Zwischendruckniveau zwischen den beiden Verdichtern 6, 14.
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Die Menge des über die Kältemittelleitung 20 strömenden Kältemittels bestimmt sich dabei nach der erforderlichen Kühlleistung für das Kältemittel auf der Saugseite des zweiten Verdichters 14. Üblicherweise weist der Rest-Teilstrom, welcher weiterhin über den Verdampfer 4 geleitet wird, eine größere Durchflussmenge auf als der über die Kältemittelleitung 20 geleitete Kältemittelstrom. Die zur 2 beschriebene Ausführungsvariante mit der Kältemittelleitung 20 wird insbesondere bei Anlagen mit hoher Kühlleistung von deutlich > 2 kW eingesetzt, da die Kühlleistung über die Kältemittelleitung 20 vergleichsweise hoch ist. Bei Einsatz der Kältemittelleitung 20 weist die Anlage vorzugsweise keinen Wärmetauscher 28 und keine Wärmetauscherleitungen 30 auf.
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Bei geringeren Kühlleistungen wird vorzugsweise die in 3 beschriebene Variante eingesetzt, insbesondere bei Kühlleistungen der Anlagen von beispielsweise ≤ 2 kW. Hierbei wird die Kältemittelleitung 20 nicht benutzt, d. h. die Kältemittelleitung 20 ist insbesondere nicht vorgesehen. Der Wärmetauscher 28 ist in den Kältemittelkreislauf eingebunden. Durch die Ankopplung der Wärmetauscherleitungen 30 an den Kondensator 8 wird der Wärmetauscher 28 von dem inzwischen erwärmten Kältemittel durchströmt und kühlt dieses durch Wärmetausch am Kondensator 8, bevor es wieder zurückfließt und wieder in die Querleitung 18 eingespeist wird.
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Grundsätzlich können auch beide in den 2 und 3 dargestellten Optionen verwirklicht sein, wobei durch entsprechende Ventile die beiden Optionen jeweils aktivierbar sind.
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Im Falle einer Vereisung des Verdampfers 4 schaltet die Steuereinheit vorzugsweise kurzfristig in einen Abtaumodus um. Hierzu wird der Verdampfer 4 mit Heißgas beaufschlagt, welches in Strömungsrichtung 2 vor dem Kondensator 8 entnommen ist. Für den Abtaumodus wird hierbei das Steuerventil 16D geöffnet, gleichzeitig werden die Steuerventile 16E, 16C geschlossen. Dadurch strömt der gesamte Kältemittelstrom über die Heißgasleitung 24 und sorgt dadurch für eine schnelle Enteisung des Verdampfers 4. Um die Abtauzeit möglichst gering zu halten, wird ergänzend während der Abtauphase wieder in den Parallelbetrieb umgeschalten, wie er zur 1 erläutert ist. Dadurch ergibt sich wieder die höhere Förderleistung mit einer entsprechend hohen Abtauleistung.
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Die hier beschriebene Anlage, insbesondere Kälteanlage, wird zweckdienlicherweise eingesetzt bei so genannten Blutplasmafrostern oder auch bei so genannten Chillern für medizinische oder Industrieanwendungen, welche bei hoher Umgebungstemperatur ein kaltes Fluid erzeugen müssen. Weiterhin lässt sich die Anlage als Hochtemperatur-Wärmepumpe zur Erzeugung von insbesondere Heißwasser einsetzen.
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Bezugszeichenliste
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- 2
- Strömungsrichtung
- 4
- Verdampfer
- 6
- erster Verdichter
- 8
- Kondensator
- 10
- Expansionsorgan
- 12
- Parallelleitung
- 14
- zweiter Verdichter
- 18
- Querleitung
- 19
- Trockner
- 20
- Kältemittelleitung
- 22
- Drosselorgan
- 24
- Heißgasleitung
- 26
- Rückschlagventil
- 28
- Wärmetauscher
- 30
- Wärmetauscher-Leitung
- 31
- Kondensatorgehäuse
- 32
- Sensoreinheit
- 16A–16F
- Steuerventile
