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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regelung einer ersten und zumindest einer zweiten Kälteanlage gemäß Anspruch 1.
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Die Kälteanlagen sind dabei über einen Kühlkreislauf gekoppelt, wobei eine geforderte Gesamtkühlleistung durch eine Kühlleistung der ersten Kälteanlage und eine Kühlleistung der zweiten Kälteanlage bereitgestellt wird.
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Kryotechnische Kälteanlagen sind regelungstechnisch komplex, da tiefkalte Kühlflüssigkeit, beispielsweise kryogenes und zum Teil flüssiges Helium (bspw. mit einer Temperatur von 4,5 K), unter zum Teil hohen Drücken gehandhabt werden muss und der Temperaturgradient zur Umwelt mehrere hundert Grad betragen kann. Mit kryogen ist dabei insbesondere der Temperaturbereich von 0 K bis 120 K gemeint. Bei kryotechnischen Kälteanlagen ist es oftmals konstruktionsbedingt ökonomischer oder sogar notwendig, anstelle einer einzigen Kälteanlage zwei oder mehrere Kälteanlagen zu einem Kühlsystem zu koppeln, insbesondere wenn hohe Kühlleistungen erbracht werden müssen.
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Aufgrund der regelungstechnischen Komplexität werden solche gekoppelten Kälteanalagen eines Kühlsystems, soweit möglich, unabhängig voneinander gefahren, d. h., wenn möglich, weist jede der Kälteanlagen einen eigenen, separat regelbaren Kühlkreislauf auf, was zu anlagentechnischen Redundanzen und damit verbundenen erhöhten Kosten führt.
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Eine Kopplung von Kühlkreisläufen findet – wenn überhaupt – meist nur am kalten Ende (4.5 K) in den kryogenen Flüssigspeichern (z. B. Dewarbehälter) statt.
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Da Kälteanlagen für eine gewisse Nennleistung konzipiert sind, haben sie nur innerhalb eines kleinen Leistungsbereichs (der bei ca. 100% der Nennleistung liegt) einen optimalen Wirkungsgrad.
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Ein gekoppelter Betrieb von mehreren Kälteanlagen weist daher auch nur einen schmalen (Gesamt-)Leistungsbereich auf, in dem das Kühlsystem am wirtschaftlichsten betrieben werden kann, nämlich den, bei dem alle Kälteanlagen nahe oder auf ihrer Nennleistung laufen, d. h. einen optimalen Wirkungsgrad haben.
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Sobald die geforderte Gesamtkühlleistung (Summe aller Nennleistungen der gekoppelten Kälteanlagen) unter die Volllast fällt – das Kühlsystem also in Teillast gefahren werden soll – wird für gewöhnlich jede einzelne der gekoppelten Kälteanlagen in einen Teillastbetrieb gefahren, also unterhalb ihrer jeweiligen Nennleistung.
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Dieser Teillastbetrieb der einzelnen Kälteanlagen führt zu einem schlechteren Wirkungsgrad des Kühlsystems und sollte daher vermieden werden.
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Weiterhin müssen die Kälteanlagen in einem solchen Teillastbetrieb mit identischer Antriebsleistung der Kompressoren und bei gleichem Druck betrieben werden. Ansonsten besteht die Gefahr, dass zumindest Teile des Kühlsystems in einen unkontrollierten Betrieb gefahren werden, da unter Umständen nicht-regulierte Druckdifferenzen, die durch die benötigten unterschiedlichen Kühlmittelströme der in unterschiedlicher Teillast gekoppelten Kälteanlagen entstehen, auftreten können. Derartige Druckdifferenzen können dazu führen, dass eine Kälteanlage beispielsweise mit zu viel oder zu wenig Kühlmittel versorgt wird und daher die geforderte Kühlleistung nicht erbringt.
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Bei einigen Kühlsystemen, die mehrere Kälteanlagen aufweisen, ist allerdings eine variable Gesamtkühlleistung nicht zu vermeiden und ein effizienterer Betriebsmodus und eine verbesserte Regelung der Kühlleistung für derartige Kühlsysteme mit mehreren Kälteanlagen muss gefunden werden.
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Hiervon ausgehend liegt daher der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs dargelegten Art dahingehend abzuwandeln, dass die vorstehend diskutierten Nachteile gemindert werden.
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Dieses Problem wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind u. a. in den Unteransprüchen angegeben.
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Gemäß Anspruch 1 ist dabei vorgesehen, dass, wenn die geforderte Gesamtkühlleistung größer als eine Mindestlast ist, nur die Kühlleistung der zweiten Kälteanlage (auch als SLAVE bezeichnet) zur Einstellung der geforderten Gesamtkühlleistung geregelt wird, wobei die erste Kälteanlage (auch als MASTER bezeichnet) auf ihrer Nennleistung betrieben wird.
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Als Gesamtkühlleistung wird hier die zu erbringende Kälteleistung des Kühlsystems bezeichnet. Dabei wird die geforderte Gesamtkühlleistung durch eine Kühllast bestimmt, die beispielsweise durch einen Kühllasterzeuger, wie beispielsweise eine zu kühlende Spule, insbesondere durch Wärme erzeugt wird. Durch die entstehende Wärmemenge am Kühllasterzeuger ergibt sich die geforderte Gesamtkühlleistung, die insbesondere nötig ist, um die Wärmemenge, die am Kühllasterzeuger entsteht, zu kompensieren.
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Dadurch, dass die erste Kälteanlage bei Gesamtkühlleistungen, die größer sind als die Mindestlast in Volllast bzw. Nennleistung gefahren wird, arbeitet die erste Kälteanlage möglichst lange unter den effizientesten Leistungsbedingungen. Für Gesamtkühlleistungen größer als die Mindestlast wird nur die zweite Kälteanlage in Teillast gefahren.
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Dadurch, dass die geforderte Gesamtkühlleistung auf zwei oder entsprechend mehrere Kälteanlagen aufgeteilt wird, ist dieses Verfahren insbesondere dazu geeignet, mehrere gegebenenfalls auch leistungsschwächere, kompaktere Kälteanlagen zu regeln, so dass die Kosten des gesamten Kühlsystems gesenkt werden.
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Wie bereits dargestellt, ist vorzugsweise vorgesehen, dass, wenn die Gesamtkühlleistung größer als die Mindestlast ist, die erste Kälteanlage auf einer Nennleistung betrieben wird. Die Nennleistung der ersten Kühlanalage ist insbesondere dadurch definiert, dass der Wirkungsgrad der ersten Kälteanlage bei Betrieb auf Nennleistung mehr als das 0.8 fache, bevorzugt mehr als das 0.9 fache und insbesondere mehr als das 0.95 fache des maximalen Wirkungsgrades der ersten Kälteanlage beträgt oder gleich dem maximalen Wirkungsgrad ist.
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Der Wirkungsgrad ist beispielsweise durch den Quotient der aus dem zu kühlenden System abgeführten Wärme (die erzeugte „Kältemenge”) und der Energie, die in die Kälteanlage investiert wird, gegeben. Unter Teillast ist der Wirkungsgrad der Kälteanlage geringer als unter Volllast – wobei letzteres insbesondere den Betrieb der Kälteanlage bei Nennleistung entspricht.
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Idealerweise ist der Wirkungsgrad der ersten Kälteanlage bei Betrieb auf Nennleistung annähernd maximal. Durch laständerungs- oder steuerungsbedingte Fluktuationen oder Abweichungen können allerdings Abweichungen vom maximalen Wirkungsgrad auftreten.
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Diese Abweichungen und Fluktuationen werden hier als Toleranzen der Nennleistung angesehen, die ebenfalls untern den Begriff der Nennleistung fallen.
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Liegt die zu erbringende Gesamtkühlleistung unterhalb der Mindestlast oder unterschreitet diese, so wird auch die Kühlleistung der ersten Kälteanlage zur Einstellung der geforderten Gesamtkühlleistung geregelt, wobei z. B. die zweite Kälteanlage auf einer minimalen Last laufen kann.
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In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Mindestlast die Summe der Nennleistung der ersten Kälteanlage und eines Bruchteils der Nennleistung einer Nennleistung der zweiten Kälteanlage, wobei der besagte Bruchteil im Bereich von 0.4 bis 0.6 liegt, und wobei die Nennleistung der zweiten Kälteanlage insbesondere dadurch definiert ist, dass der Wirkungsgrad der zweiten Kälteanlage bei Betrieb auf Nennleistung mehr als das 0.8 fache, bevorzugt mehr als das 0.9 fache und insbesondere mehr als das 0.95 fache des maximalen Wirkungsgrades der zweiten Kälteanlage beträgt oder gleich dem maximalen Wirkungsgrad ist.
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Die Mindestlast ist also insbesondere eine Minimallast, bei der die erste Kälteanlage noch in Volllast bzw. auf Nennleistung gefahren wird und die zweite Kälteanlage an einer unteren Lastgrenze gefahren wird. Gewöhnlich fährt man insbesondere kryogene Kälteanlagen nicht unterhalb von 40% ihrer Nennleistung.
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Die Mindestlast hängt insbesondere von den Spezifikationen der gekoppelten Kühlanlagen ab, und kann stark variieren, insbesondere mit Hinsicht auf die minimale prozentuale Last der zweiten Kälteanlage bezogen auf Ihre Nennleistung. Es ist daher auch möglich und bevorzugt vorgesehen, die Mindestlast gegebenenfalls auch schon auf höheren oder niedrigeren Kühlleistungen der zweiten Kälteanlage festzusetzen.
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Wie bereits oben erwähnt, können Abweichungen vom idealen Wirkungsgrad der zweiten Kälteanlage konstruktionsbedingte oder steuerungstechnische Gründe haben.
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In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist der Kühlmittelkreislauf eine Kühlmittelleitung auf, die einen Kühlmittelstrom mit einem vordefinierbaren Soll-Druck, der insbesondere in einem Bereich von 5.0 bis 6.0 bar liegt, und einer vordefinierbaren Temperatur einem Kühllasterzeuger zuführt, wobei die erste und die zweite Kälteanlage jeweils über eine Kühlmittelzulaufleitung mit einem ersten Ende der Kühlmittelleitung stromauf des Kühllasterzeugers verbunden sind, und wobei der Kühlmittelstrom durch den Kühllasterzeuger erwärmt wird, und wobei die Kühlmittelleitung den erwärmten Kühlmittelstrom über jeweils eine Kühlmittelrücklaufleitung in die erste und die zweite Kälteanlage zurückführt, wobei die Kühlmittelrücklaufleitungen an einem zweiten Ende der Kühlmittelleitung stromab des Kühllasterzeugers mit der Kühlmittelleitung verbunden sind.
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Dieser Kühlmittelstrom besteht bei kryogenen Anlagen für gewöhnlich aus Helium. Möglich sind allerdings auch andere Kryogene, je nachdem, welche Temperaturen und Kühlleistungen gefordert werden.
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Die vordefinierbare Temperatur des Kühlmittels, insbesondere Helium, insbesondere im Fall von kryogenen Anlagen, kann unterhalb von 4 K liegen. Aber auch höhere Temperaturen von bis zu 150 K sind denkbar.
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Die Kühlung der Kühllasterzeuger geschieht insbesondere durch indirekten Wärmetausch, beispielsweise durch Wärmeübertrager. Aber auch die Kühlung vermittels direkten Wärmetauschs ist denkbar.
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Vorzugsweise ist eine Regeleinheit zum Regeln des jeweiligen Kühlmittelstroms vorgesehen, der in die jeweilige Kälteanlage zurückgeführt wird, so dass die erste und die zweite Kälteanlage die erforderlichen Kühlleistungen zum Bereitstellen der Gesamtkühlleistung erbringen, wobei die Regeleinheit insbesondere ermittelt, wie groß der Kühlmittelstrom, der in die jeweilige Kälteanlage zurückgeführt wird, sein muss, und wobei die Regeleinheit die Kühlleistungen der jeweiligen Kälteanalage insbesondere dadurch regelt, dass die Regeleinheit insbesondere unterschiedliche Drücke des jeweiligen Kühlmittelstroms in der jeweiligen Kühlmittelrücklaufleitung einstellt.
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Weiterhin ist in einer bevorzugten Variante der Erfindung vorgesehen, dass die Kühlmittelrücklaufleitungen und die Kühlmittelzulaufleitungen jeweils regelbare Ventile aufweisen, über die insbesondere die Regeleinheit den Druck in der jeweiligen Kühlmittelrücklaufleitung und/oder Kühlmittelzulaufleitung regeln kann.
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Dabei einzustellenden Drücke in den jeweiligen Kühlmittelrücklaufleitungen werden insbesondere anhand des in der gemeinsamen Kühlmittelleitung herrschenden Soll-Drucks bestimmt. Es wird dabei der in der jeweiligen Kühlmittelrücklaufleitung herrschende Druck auf einen Soll-Druck der betreffenden Kühlmittelrücklaufleitung geregelt, der dem Soll-Druck in der Kühlmittelleitung multipliziert mit einem Korrekturfaktor für die jeweilige Kühlmittelrücklaufleitung entspricht. Der Korrekturfaktor kann aus verschiedenen Prozessgrößen gebildet werden, und z. B. proportional oder gleich dem Verhältnis der Drehzahlen der Kompressoren, dem Verhältnis der Eintrittsmassenströme in die Kälteanlagen, oder dem Verhältnis der Austrittsmassenströme der jeweiligen Kühlkreisläufe sein.
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Beispielsweise kann der Korrekturfaktor für die j-te Kälteanalage über die Eintrittsmassenströme berechnet werden: K = Eintrittsmassenstromj/Summe(Eintrittmassenstromi), wobei K der Korrekturfaktor für die j-te Kältelage ist, und die Summe sich über die Eintrittsmassenströme der zu regelnden Kälteanlagen i erstreckt.
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Die erfindungsgemäße Art der Kopplung der ersten und zweiten Kälteanlage ermöglicht in beschränktem Maße unterschiedliche Drücke (da die Drücke nur im Rahmen des Korrekturfaktors abweichen können, da ansonsten eine korrekte Aufteilung der Kühlmittelströme nicht mehr gewährleistet ist) und insbesondere Durchflußmengen (also Kühlmittelströme) in den Kühlmittelrücklaufleitungen zu den jeweiligen Kälteanlagen, was für einen solchen asymmetrischen Teillastbetrieb der Kälteanlagen wichtig ist.
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Diese Art der Kopplung bietet weiterhin den Vorteil der besseren Ausbaubarkeit eines bestehenden Kühlsystems, an dem weitere Kälteanlagen zur Erhöhung der Kühlleistung angebracht werden sollen.
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Besonders vorteilhaft bei dieser Art der Regelung ist dabei, dass kleinere, d. h. leistungsschwächere Kälteanlagen, gekoppelt werden können, um eine vergleichsweise große Gesamtkühlleistung zu erzeugen, und dabei möglichst ökonomisch betrieben werden können, da bevorzugt auch eine Regelung von verschiedenen Druckstufen vorgesehen ist.
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Grundsätzlich können mit bei dem erfindungsgemäßen Verfahren eine beliebige Anzahl an Kälteanlagen miteinander gekoppelt werden, wobei vorliegend die Erfindung exemplarisch anhand von zwei Kälteanlagen beschrieben wird.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden in den nachfolgenden Figurenbeschreibungen von Ausführungsbeispielen der Erfindung anhand der Figur erläutert. Es zeigt:
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1 eine schematische Darstellung eines Kühlsystems mit zwei Kälteanlagen, mit dem das erfindungsgemäße Verfahren durchgeführt werden kann.
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1 zeigt einen Ausschnitt eines Kühlsystems 100, welches dazu ausgebildet ist, das erfindungsgemäße Verfahren durchzuführen. Das Kühlsystem 100 weist eine erste Kälteanlage 1 und eine zweite Kälteanlage 2 auf (es können auch mehr als zwei derartig miteinander gekoppelte Kälteanlagen vorgesehen sein), die Teil eines Kühlkreislaufes 100 sind. In dem Kühlkreislauf 100 wird ein Kühlmittel, vorzugsweise Helium, das auch in einem Vorratsspeicher (z. B. in Form eines Flüssigheliumvorratsspeichers) 200 vorgehalten wird, zum Kühlen eines Kühllasterzeugers 102 auf insbesondere kryogene Temperaturen verwendet. Dieser Speicher 200 ist an den Kühlkreislauf 100 angeschlossen und kann insbesondere flüssiges Kühlmittel aufnehmen und abgeben.
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Da eine durch den Kühllasterzeuger 102 hervorgerufene Kühllast variabel sein kann, sind die beiden Kälteanlagen bzw. deren Kühlleistungen 1, 2 unabhängig voneinander regelbar, um eine Gesamtkühlleistung zu erzeugen, die der jeweiligen Kühllast entspricht.
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Wenn eine Gesamtkühlleistung gefordert wird, die kleiner als die Summe der Kühlleistungen bzw. Nennleistungen der beiden Kälteanlagen 1, 2 ist, aber größer als eine vordefinierbare Mindestlast ist, wird nur die zweite Kälteanlage 2 in Teillastbetrieb gefahren und die erste Kälteanlage 1 bleibt im Vollastbetrieb und fährt insbesondere auf Nennleistung, also auf möglichst maximalem Wirkungsgrad. Wenn eine Gesamtkühlleistung gefordert wird, die kleiner als die Mindestlast ist, wird zudem noch die erste Kälteanlage 1 in Teillast gefahren.
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Die Bestimmung, ob die erzeugte Gesamtkühlleistung der anliegenden Kühllast entspricht (oder eventuell darüber oder darunter liegt), erfolgt insbesondere über das Auslesen eines Pegelstandes des Kühlmittels in dem Flüssigheliumvorratsspeicher 200. Dieser Speicher 200 ist an eine Kühlmittelleitung 101, die Teil des Kühlkreislaufs 100 ist, angeschlossen, wobei die Kühlmittelleitung 101 das Kühlmittel dem Kühllasterzeuger 102 zu und wieder abführt.
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Wenn der Pegel in diesem Speicher 200 beispielsweise steigt, bedeutet das, dass insbesondere die anliegende Kühllast kleiner ist als die momentan zur Verfügung gestellte Summe der Kühlleistungen der ersten und der zweiten Kälteanlage 1, 2. Daher wird insbesondere weniger Kühlmittel beim Wärmetausch mit einem Kühllasterzeuger 102 verdampft und flüssiges Kühlmittel fließt zurück in den Speicher 200. Eine Regeleinheit, die dazu ausgebildet ist, die Kühlleistungen der ersten und der zweiten Kälteanlage 1, 2 zu regeln und die auch dazu ausgebildet ist, den Pegelstand in besagtem Speicher 200 zu erfassen, wird im Falle eines gestiegenen Pegels als Reaktion die Kühlleistung der Kälteanlagen 1, 2 entsprechend dem oben beschriebenen Verfahren drosseln (also zunächst nur die zweite Kälteanlage 2, dann, falls die Kühllast kleiner als die Mindestlast ist auch die erste Kälteanalage 1). Die Ist-Größen der Temperaturen und Drücke des Kühlmittels in den Kälteanlagen 1 und 2 bzw. in der Kühlmitteleitung 101 können durch entsprechende Temperatur- und Druckmessmittel 300, 400, 500 erfasst werden.
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Umgekehrt erhöht die Regeleinheit die Kühlleistungen der Kälteanlagen 1, 2 entsprechend dem erfindungsgemäßen Verfahren, wenn die Gesamtkühlleistung unterhalb der anliegenden Kühllast liegt (was durch einen sinkenden Pegelstand erkannt wird, da mehr Kühlmittel in die gasförmige Phase wechselt).
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Die Regelung der Kühlleistungen erfolgt insbesondere durch durch eine zweistufige Reglung: Zuerst wird der herrschende Druck in den Kühlmittelrücklaufleitungen 12, 13 verändert. Als zweite Stufe regelt die Regeleinheit die Leistung der Kälteanlagen 1, 2 wie weiter unten beschrieben. Diese Kühlmittelrücklaufleitungen 12, 13 der ersten bzw. zweiten Kälteanlage 1, 2, die die jeweilige Kälteanlage 1, 2 mit dem durch den Kühllasterzeuger 102 erwärmten Kühlmittel versorgen, sind mit der Kühlmittelleitung 101 an einem zweiten Ende 101b der Kühlmittelleitung 101, das stromab des Kühllasterzeugers 102 liegt, kühlmittelleitend verbunden.
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Durch Regelung des Drucks in diesen Kühlmittelrücklaufleitungen 12, 13 wird insbesondere der Kühlmittelstrom 103, der in die jeweilige Kälteanlage 1, 2 fließt, geregelt. Die Regelung des Drucks wird insbesondere durch regelbare Ventile 112, 113 in den Kühlmittelrücklaufleitungen 12, 13 erreicht. Weiterhin regelt die Regeleinheit auch die Kühlleistung der Kälteanlagen 1, 2. Durch das Regeln der Kühlleistung der Kälteanlagen 1, 2 und des Drucks in den Kühlmittelrücklaufleitungen 12, 13 werden die Kälteanlagen 1, 2 jederzeit unter kontrollierten Bedingungen gefahren.
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Das entsprechend temperierte Kühlmittel verlässt die Kälteanlagen 1, 2 jeweils über eine der jeweiligen Kälteanlage 1, 2 zugeordnete Kühlmittelzulaufleitung 10, 11, die mit einem ersten Ende 101a der Kühlmittelleitung 101 verbunden ist, das stromauf des Kühllasterzeugers 102 liegt. Diese Kühlmittelzulaufleitungen 10, 11, weisen ebenso Ventile 110, 111 auf, mit denen der Druck in den Kühlmittelzulaufleitungen 10, 11 durch die Regeleinheit geregelt werden könnte. Bevorzugt wird jener Druck jedoch gemeinsam über die Leitung zum Speicherbehälter 200 geregelt.
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Weiterhin herrscht in der Kühlmittelleitung
101 ein vordefinierbarer Soll-Druck. Die Soll-Drücke in den Kühlmittelrücklaufleitungen
12,
13 entsprechen diesem Soll-Druck multipliziert mit einem Korrekturfaktor für die jeweilige Kühlmittelrücklaufleitung
12,
13, siehe oben. An diese Soll-Drücke werden die Drücke in den Kühlmittelrücklaufleitungen
12,
13 vermittels der Ventile
112,
113 angeglichen. Vorzugsweise kann der Druck in der Kühlmittelrücklaufleitung
13 zur zweiten Kälteanlage
2 (SLAVE) gegenüber der Kühlmittelrücklaufleitung
12 zur ersten Kühlanlage
1 angehoben werden, damit in die zweite Kälteanlage weniger Kühlmittel zurückfließt als in die erste Kälteanlage
1 (MASTER). Bezugszeichenliste
| 1 | Erste Kälteanlage |
| 2 | Zweite Kälteanlage |
| 10 | Kühlmittelzulaufleitung der ersten Kälteanlage |
| 11 | Kühlmittelzulaufleitung der zweiten Kälteanlage |
| 12 | Kühlmittelrücklaufleitung der ersten Kälteanlage |
| 13 | Kühlmittelrücklaufleitung der zweiten Kälteanlage |
| 100 | Kühlsystem |
| 101 | Kühlmittelleitung |
| 101a | Erstes Ende der Kühlmittelleitung |
| 101b | Zweites Ende der Kühlmittelleitung |
| 102 | Kühllasterzeuger |
| 103 | Kühlmittelstrom |
| 110 | Ventil in der Kühlmittelzulaufleitung der ersten Kälteanlage |
| 111 | Ventil in der Kühlmittelzulaufleitung der zweiten Kälteanlage |
| 112 | Ventil in der Kühlmittelrücklaufleitung der ersten Kälteanlage |
| 113 | Ventil in der Kühlmittelrücklaufleitung der zweiten Kälteanlage |
| 200 | Flüssigheliumvorratsspeicher |
| 300, 400, 500 | Temperatur- und Druckmessmittel |
