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Die Erfindung betrifft einen umschaltbaren Wärmetauscher und eine Kälteanlage mit mindestens einem Verdichter, mindestens einem Entspannungsorgan und mindestens einem umschaltbaren Wärmetauscher, die in einem Kältemittelkreislauf miteinander verbunden sind. Die Erfindung betrifft zudem ein Kälteanlagensystem mit einer derartigen Kälteanlage sowie ein Fahrzeug mit einer derartigen Kälteanlage oder einem derartigen Kälteanlagensystem.
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Kälteanlagen, die beispielsweise in Kühlfahrzeugen oder Bussen eingesetzt werden, weisen im Allgemeinen mehrere Wärmetauscher auf, die Luft beispielsweise zum Kühlen eines Kühlraumes oder zum Klimatisieren oder Heizen einer Fahrerkabine temperieren. Hierzu werden Wärmetauscher entweder in einem Kühlbetrieb oder in einem Heizbetrieb betrieben. Im Kühlbetrieb ist der Wärmetauscher demnach ein Verdampfer, während er im Heizbetrieb als Verflüssiger wirkt. Insbesondere im Kühlbetrieb können die Wärmetauscher Temperaturen erreichen, die zum Bilden einer Eisschicht führen. Durch die Eisschicht wird der Wärmeübertrag vom Wärmetauscher an die Umgebung reduziert. Zum Abtauen ist ein Umschalten in den Heizbetrieb notwendig.
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In
DE 10 2008 047 753 A1 ist eine Kälteanlage mit mindestens zwei Nutztemperaturniveaus beschrieben, die mindestens einen ersten Kältemittelkreis und einen davon getrennten zweiten Kältemittelkreis umfasst. Der erste und der zweite Kältemittelkreis sind weiterhin über einen Kaskadenwärmetauscher miteinander gekoppelt, so dass Wärme von einem Kältemittelkreis an den anderen Kältemittelkreis übertragen werden kann, oder Wärme von einem den Wärmetauscher umgebenden Medium aufgenommen werden kann, oder an das den Wärmetauscher umgebende Medium abgegeben werden kann. Um insbesondere den Wärmetauscher zur Temperierung eines Tiefkühlbereichs abtauen zu können, umfasst die Kälteanlage eine Schaltung, bei der das im elektrisch betriebenen Verdichter verdichtete Kältemittel direkt durch den abzutauenden Wärmetauscher geführt wird, ohne dass dieses vorher im Entspannungsorgan entspannt wird.
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Aus
DE 10 2011 107 081 A1 ist eine Aufdach-Klimaanlage bekannt, die einen Verdichter, Verdampfer und Verflüssiger umfasst. Der Verdampfer umfasst einen ersten Wärmetauscher, der im Kühlbetrieb als Verdampfer betrieben wird. Zusätzlich ist ein Entfeuchtungsbetrieb vorgesehen, in dem ein dem ersten Wärmetauscher vorgeschalteter weiterer Wärmetauscher als Verdampfer betrieben wird und der erste Wärmetauscher als Verflüssiger betrieben wird. Die beiden Wärmetauscher sind nicht wärmeleitend miteinander verbunden.
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In
DE 102 54 109 A1 ist eine kombinierte Kühl-Heizvorrichtung mit einem gemeinsam genutzten Kühler beschrieben, über den in einem Klimabetrieb Wärme eines Kältemittels an die Umgebung abgegeben und in einem Wärmepumpenbetrieb Wärme von dem Kältemittel aus der Umgebung aufgenommen wird. Zum Enteisen sind dem Gaskühler in Bezug auf den Kältemitteldurchfluss Wärmetauscher parallel geschaltet. Schalteinrichtungen beeinflussen den Durchfluss durch die einzelnen Wärmetauscher in Abhängigkeit von erfassten Umgebungsparametern. Die beiden Wärmetauscher sind nicht wärmeleitend miteinander verbunden.
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Die bekannten Maßnahmen zum Enteisen von Wärmetauschern in Kälteanlagen erfordern ein Umschalten des Wärmetauschers von dem Kühlbetrieb auf den Heizbetrieb. Durch die Temperaturänderung werden jedoch die Komponenten stark beansprucht und es kann zu Schäden kommen. Um dies zu verhindern, können Wärmetauscher für den Kühlbetrieb und den Heizbetrieb getrennt voneinander vorgesehen werden. Dadurch wird jedoch mehr Bauraum beansprucht und die Konstruktion des Systems erschwert. Es besteht daher ein anhaltendes Interesse daran, eine einfache und langlebige Konstruktion für derartige Kälteanlagen bereitzustellen.
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Offenbarung der Erfindung
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Erfindungsgemäß wird ein umschaltbarer Wärmetauscher für eine Kälteanlage vorgeschlagen, in dem Heizrohre und Kühlrohre derart in einem einzigen Gehäuse integriert sind, dass Wärme durch Wärmeleitung, z. B. über Lamellen (feine Aluminiumbleche) zwischen den Heizrohren und den Kühlrohren übertragen wird.
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Zudem wird erfindungsgemäß eine Kälteanlage zum Temperieren von Luft mit mindestens einem Kältemittelkreislauf vorgeschlagen, die folgende Komponenten umfasst:
- – wenigstens einen Verdichter zum Komprimieren eines Kältemittels,
- – wenigstens ein Expansionsorgan zum Entspannen des Kältemittels,
- – wenigstens einen umschaltbaren Wärmetauscher, in dem Heizrohre und Kühlrohre derart in einem einzigen Gehäuse integriert sind, dass Wärme zwischen den Heizrohren und den Kühlrohren übertragen wird, und
- – wenigstens ein Ventil zum Umschalten zwischen einem Heizbetrieb und einem Kühlbetrieb des umschaltbaren Wärmetauschers.
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Durch die Integration von Heiz- und Kühlrohren in einem einzigen Gehäuse des umschaltbaren Wärmetauschers wird das Umschalten zwischen dem Heizbetrieb und dem Kühlbetrieb des umschaltbaren Wärmetauschers wesentlich vereinfacht. So werden die Rohre des umschaltbaren Wärmetauschers nur zum Kühlen oder nur zum Heizen verwendet, wodurch ein großer Temperaturunterschied beim Umschalten vom Heiz- in den Kühlbetrieb und umgekehrt vermieden wird. Dadurch unterliegen die einzelnen Komponenten keinen großen Temperatursprüngen und Schäden können vermieden werden. Da die Heizrohre nicht als Kühlrohre verwendet werden, können die Heizrohre auf die Strömungsverhältnisse und Drücke im Heizfall optimiert ausgelegt werden. Analog gilt für die Kühlrohre ein Optimieren auf verdampfendes Kältemittel mit deutlich niedrigeren Drücken als die Heizrohre, so dass die Kühlrohre in einer dünneren Wandstärke ausgeführt werden können. Der Ausgang des Kompressors ist konsequent nur mit der Eingangsseite der Heizrohre verbunden bzw. verbindbar. Der Eingang des Kompressors hingegen ist konsequent nur mit der Ausgangsseite der Kühlrohre verbunden bzw. verbindbar und kann nur verdampftes Kältemittel ansaugen. Bei einer gemischten Nutzung der Kühlrohre und der Heizrohre wäre dies nicht immer gewährleistet. Auch wird die Strömungsrichtung nicht umgekehrt, was den Öltransport zurück zum Verdichter begünstigt. Dies führt insgesamt zu einer deutlichen Verbesserung der Betriebssicherheit für den Kompressor auch bei möglichen Fehlfunktionen der Schaltventile. Durch eine gemeinsame Nutzung der Lamellen sowohl durch die Heizrohre als auch durch die Kühlrohre wird die luftseitige Austauschfläche im Heiz- und im Kühlfalle deutlich vergrößert verglichen mit einer getrennten Lamellenausführung. Des Weiteren ist durch die Wärmeleitung von den Heizrohren ausgehend über die gemeinsame Lamelle auf die Kühlrohre ein schnelleres Abtauen möglich.
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In die Kälteanlage integriert, bietet der vorgeschlagene umschaltbare Wärmetauscher zusätzlich den Vorteil, dass die Funktionalität erweitert wird. So können unterschiedliche Betriebszustände realisiert werden, die ein reines Kühlen oder Heizen sowie eine Regelung zwischen dem reinen Kühlen und Heizen ermöglichen. Kühlen und Heizen sind damit gleichzeitig möglich. Dies ermöglicht eine kontinuierliche Leistungsanpassung zwischen maximaler Kühlleistung und maximaler Heizleistung. Auch die Konstruktion der Kälteanlage ist wesentlich vereinfacht, da deutlich weniger Schaltventile benötigt werden. Minimal ist nur ein Drei-Wege-Ventil erforderlich, oder es werden lediglich zwei Ventile eingesetzt, die gegebenenfalls auch als absperrbare Expansionsventile ausgeführt sein können.
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In einer Ausführungsform umfasst der umschaltbare Wärmetauscher zumindest zwei Kältemitteleingänge und zumindest zwei Kältemittelausgänge. So können für die Heizrohre und für die Kühlrohre jeweils ein Kältemitteleingang und ein Kältemittelausgang vorgesehen sein, wodurch der Kältemittelfluss durch die Heizrohre und der Kältemittelfluss durch die Kühlrohre jeweils getrennt geführt wird.
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In einer weiteren Ausführungsform ist der umschaltbare Wärmetauscher als Lamellenwärmetauscher ausgeführt. Insbesondere können die Heizrohre und die Kühlrohre zumindest teilweise in alternierender Reihenfolge in Lamellen des umschaltbaren Wärmetauschers angeordnet sein. So können die Heizrohre und die Kühlrohre vollständig in alternierender Reihenfolge angeordnet sein. Dies ist besonders vorteilhaft bei der Anwendung des umschaltbaren Wärmetauschers als Außenluftwärmetauscher, etwa in Klimaanlagen für Fahrzeuge, wie Busse, da ein Enteisungsbetrieb einfach realisiert werden kann. Alternativ kann der umschaltbare Wärmetauscher erste Bereiche vorsehen, in denen die Heizrohre und die Kühlrohre vollständig in alternierender Reihenfolge angeordnet sind, und zweite Bereiche, in denen nur Heizrohre oder nur Kühlrohre angeordnet sind. Eine derart gemischte Anordnung ist besonders vorteilhaft bei der Anwendung des umschaltbaren Wärmetauschers als Zuluftwärmetauscher etwa in Klimaanlagen für Fahrzeuge, wie Busse, da ein Reheatbetrieb, in dem durch gleichzeitiges Heizen und Kühlen Luft getrocknet wird, einfach realisiert werden kann.
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In einer Variante der Kälteanlage ist das wenigstens eine Ventil zum Umschalten zwischen einem Heizbetrieb und einem Kühlbetrieb derart ausgebildet, dass in einer ersten Schaltstellung für den Heizbetrieb das Kältemittel im Wesentlichen durch die Heizrohre fließt, in einer zweiten Schaltstellung für den Kühlbetrieb das Kältemittel im Wesentlichen durch die Kühlrohre fließt und in einer Schaltstellung zwischen der ersten und der zweiten Schaltstellung für einen Reheatbetrieb das Kältemittel durch die Heizrohre und die Kühlrohre fließt.
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In einer weiteren Variante der Kälteanlage ist wenigstens ein erstes Ventil zum Umschalten zwischen einem Heizbetrieb und einem Kühlbetrieb derart ausgebildet, dass es einen Kältemittelfluss durch die Heizrohre regelt, und ist wenigstens ein zweites Ventil zum Umschalten zwischen einem Heizbetrieb und einem Kühlbetrieb derart ausgebildet, dass es einen Kältemittelfluss durch die Kühlrohre regelt. Insbesondere kann ein erstes Ventil den Heizrohren in Kältemittelflussrichtung gesehen nachgeschaltet sein und ein zweites Ventil den Kühlrohren in Kältemittelflussrichtung gesehen vorgeschaltet sein. Bevorzugt weisen die Ventile eine offene und eine geschlossene Schaltstellung auf.
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In einer weiteren Variante der Kälteanlage ist den Heizrohren des Wärmetauschers ein Verdichter vorgeschaltet, so dass verdichtetes Kältemittel in die Heizrohre des umschaltbaren Wärmetauschers fließen kann, und den Kühlrohren des umschaltbaren Wärmetauschers ein Expansionsorgan vorgeschaltet, so dass entspanntes Kältemittel in die Kühlrohre des umschaltbaren Wärmetauschers fließen kann. Das Expansionsorgan kann beispielsweise als elektrisch ansteuerbares Expansionsventil, insbesondere als Schrittmotorventil oder als gepulstes Magnetventil ausgestaltet sein.
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In einer weiteren Variante umfasst die Kälteanlage zumindest einen ersten und einen zweiten umschaltbaren Wärmetauscher mit integrierten Heizrohren und Kühlrohren, die derart miteinander verschaltet sind, dass im Kühlbetrieb des ersten umschaltbaren Wärmetauschers der zweite umschaltbaren Wärmetauscher heizt und umgekehrt. Eine derart ausgebildete Kälteanlage kann einen Verdichter, zwei Ventile zum Umschalten zwischen Kühlbetrieb und Heizbetrieb und zwei Expansionsorgane umfassen. Die Kühlrohre des ersten und des zweiten umschaltbaren Wärmetauschers kann jeweils ein Expansionsorgan vorgeschaltet sein, so dass entspanntes Kältemittel in die Kühlrohre des ersten oder zweiten umschaltbaren Wärmetauschers fließen kann. Weiterhin steuern die Ventile zum Umschalten zwischen Kühlbetrieb und Heizbetrieb den Kältemittelfluss durch die Kühlrohre und die Heizrohre des ersten und des zweiten umschaltbaren Wärmetauschers. Dabei sind die Kältemittelkreise der Kühlrohre und der Heizrohre des ersten und des zweiten umschaltbaren Wärmetauschers derart ausgebildet, dass die Kühlrohre des zweiten umschaltbaren Wärmetauschers beaufschlagt sind, wenn die Heizrohre des ersten umschaltbaren Wärmetauschers beaufschlagt sind und umgekehrt.
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In einer weiteren Variante umfasst die Kälteanlage zumindest einen internen Wärmetauscher, der zum Beispiel als Plattenwärmetauscher oder Doppelrohrwärmetauscher ausgestaltet sein kann. Sind zwei umschaltbare Wärmetauscher in der Kälteanlage vorgesehen, können zwei interne Wärmetauscher im Gegenstrom betrieben werden, in dem das Kältemittel nach Durchfluss der Heizrohre des ersten umschaltbaren Wärmetauschers zu dem Kältemittel nach Durchfluss der Kühlrohre des zweiten umschaltbaren Wärmetauschers im Gegenstrom geführt wird. Umgekehrt können zwei interne Wärmetauscher im Gegenstrom derart betrieben werden, dass das Kältemittel nach Durchfluss der Heizrohre des zweiten umschaltbaren Wärmetauschers zu dem Kältemittel nach Durchfluss der Kühlrohre des zweiten umschaltbaren Wärmetauschers im Gegenstrom geführt wird.
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Weiterer Gegenstand der Erfindung ist ein Kälteanlagensystem mit der vorstehend beschriebenen Kälteanlage, an die ein erweiterter Kältemittelkreislauf mit wenigstens einem weiteren Wärmetauscher gekoppelt ist. Als weiteren Wärmetauscher eignen sich zum Beispiel Plattenwärmetauscher oder Doppelrohrwärmetauscher zur Wärmeübertragung an einen Wärmeträgerfluid, z. B. Wasser-Glykol. Dabei können mindestens zwei weitere Wärmetauscher vorgesehen sein, wovon einer zum Kühlen und/oder einer zum Heizen ausgelegt ist. Dadurch wird die Funktionalität der Kälteanlage auf weitere Systeme beispielsweise im Fahrzeug, insbesondere im Bus, erweitert. So können die weiteren Wärmetauscher als Kalt- oder Warmwasserwärmetauscher für ein Antriebssystem oder als Zuluftwärmetauscher zum Kühlen oder Heizen einer Fahrerkabine genutzt werden.
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In einer Implementierung des Kälteanlagensystems umfasst die Kopplung einen ersten Abzweig, der den Heizrohren des umschaltbaren Wärmetauschers der Kälteanlage nachgeschaltet ist, und/oder einen zweiten Abzweig, der den Kühlrohren des umschaltbaren Wärmetauschers der Kälteanlage vorgeschaltet ist.
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In einer weiteren Implementierung des Kälteanlagensystems umfasst der erweiterte Kältemittelkreislauf wenigstens einen weiteren Wärmetauscher zum Heizen und wenigstens einen weiteren Wärmetauscher zum Kühlen. In einer weiteren Implementierung des Kälteanlagensystems ist dem wenigstens einen weiteren Wärmetauscher wenigstens ein Ventil zum Regeln des Kältemittelflusses zugeordnet. Insbesondere ist ein Ventil dem weiteren Wärmetauscher zum Heizen in Kältemittelflussrichtung nachgeschaltet und ein Ventil dem weiteren Wärmetauscher zum Kühlen in Kältemittelflussrichtung vorgeschaltet. Die Ventile können als ansteuerbare Absperrventile ausgestaltet sein, wodurch die Heiz- und die Kühlleistung der weiteren Wärmetauscher regelbar ist.
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In einer weiteren Implementierung des Kälteanlagensystems ist dem ersten und/oder zweiten Abzweig ein Leitungssystem mit Rückschlagventilen nachgeschaltet, und die Rückschlagventile sind je nach Betrieb der Kälteanlage so geschaltet, dass der wenigstens eine weitere Wärmetauscher an einen Kältemittelkreislauf mit den Heizrohren und/oder an einen Kältemittelkreislauf mit den Kühlrohren des Wärmetauschers der Kälteanlage gekoppelt ist. Durch die Rückschlagventile kann der Kältemittelfluss im erweiterten Kältemittelkreislauf je nach Betriebsart der Kälteanlage, also Heiz- oder Kühlbetrieb, entsprechend gesteuert werden. Durch die Ausgestaltung der Ventile zum Steuern des Kältemittelflusses im erweiterten Kältemittelkreislauf als Rückschlagventile ist eine sehr robuste, kostengünstige und einfache Steuerung des Kältemittelflusses im erweiterten Kältemittelkreislauf möglich.
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In einer weiteren Implementierung des Kälteanlagensystems ist dem ersten und/oder zweiten Abzweig ein elektrisch ansteuerbares Ventil, beispielsweise ein Magnetventil, vorgeschaltet, und ein elektrisch ansteuerbares Ventil ist je nach Betrieb der Kälteanlage so geschaltet, dass der Kältemittelfluss des wenigstens einen weiteren Wärmetauschers an den Kältemittelkreislauf, der die Heizrohre des umschaltbaren Wärmetauschers der Kälteanlage umfasst, und/oder an den Kältemittelkreislauf, der die Kühlrohre des umschaltbaren Wärmetauschers der Kälteanlage umfasst, gekoppelt ist. Durch die Ausgestaltung der Ventile zum Steuern des erweiterten Kältemittelkreislaufes als elektrisch ansteuerbare Ventile kann das Leitungssystem gegenüber der Ausführungsform mit Rückschlagventil vereinfacht werden und es kommen weniger Ventile zum Einsatz. Ein derart ausgestaltetes Kälteanlagensystem ist konstruktiv einfacher zu realisieren und spart Bauraum.
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In einer weiteren Implementierung des Kälteanlagensystems sind die Ventile zum Umschalten zwischen einem Heizbetrieb und einem Kühlbetrieb der Kälteanlage und die Ventile zum Regeln des Kältemittelflusses im erweiterten Kältemittelkreis als elektrisch ansteuerbare Ventile ausgestaltet. So kann eine zentrale Regelung der Wärmetauscher realisiert werden. Beispielsweise können die Überhitzung des Gesamtvolumenstromes vor dem Verdichter und die Einzelvolumenströme von Kältemittel je Verdampfer-Wärmetauscher und gerade benötigter Leistungsstufe geregelt werden. Ebenso können die Unterkühlung oder der optimale Hochdruck des Gesamtvolumenstromes und die Einzelvolumenströme je Gaskühler-Wärmetauscher und gerade benötigter Leistungsstufe geregelt werden.
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Dies kann zum Beispiel so ausgestaltet sein, dass die einzelnen Öffnungsgrade der Regelventile vom jeweiligen Leistungsbedarf des einzelnen Wärmetauschers bestimmt werden und für das übergeordnete Regelziel der Überhitzung bzw. der Unterkühlung ein Faktor bestimmt wird, mit welchem diese Einzelöffnungsgrade der einzelnen beteiligten Regelventile zu multiplizieren sind. Dies kann in vorteilhafter Weise auch dazu führen, dass einzelne Verdampfer mit hohem Leistungsbedarf ohne Überhitzung, d. h. komplett verdampfendem Kältemittel, betrieben werden können. Eine Besonderheit stellt dabei der Außenluftwärmetauscher dar, dessen Leistungsbedarf allen anderen nachgeordnet ist. Bei den anderen Wärmetauschern im System kann es z. B. sein, dass die Kühlung bzw. Heizung von Antriebskomponenten, so z. B. Batterieelektrik, Motor und Bremse und dergleichen mehr, Vorrang hat. Des Weiteren kann z. B. eine Klimatisierung eines Fahrerraums Vorrang gegenüber der Klimatisierung eines Passagierraums haben. Oder aber die Kühlung des Frachtraums bzw. der Frachträume eines Kühltransporters kann gegebenenfalls Vorrang gegenüber der Klimatisierung des Fahrerraums genießen.
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Werden wenigstens zwei Verdampfer im Normalfall parallel betrieben, können diese mit der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Ausführungsform auch wechselseitig abgetaut werden, ohne dass der Betrieb zu unterbrechen ist. Als Beispiele hierfür seien folgende Szenarien genannt: So können beispielsweise zwei Verdampfer im Frachtraum eines Kühltransporters parallel betrieben werden, wobei der erste Verdampfer über die Heizrohre abgetaut wird, während der zweite Verdampfer über die Verdampferrohre weiterhin die Kühlung aufrechterhält. Des Weiteren besteht die Möglichkeit, zwei Verdampfer im Außenwärmetauscher parallel zu betreiben. In der Regel ist eine Klimaanlage eines Busses mit einer Wärmepumpe derart ausgeführt. Bei diesem Beispiel kann beispielsweise der erste Außenwärmetauscher der Wärmepumpe über die Heizrohre abgetaut werden, während der andere weiter verdampft, ohne dass der Heizbetrieb des Zuluftwärmetauschers unterbrochen wird.
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Ein weiteres Beispiel ist durch einen Außenverdampfer und einen Kaltwasserwärmetauscher gegeben, bei dem Wärme durch Verdampfung dem Batterie/Motor-Kühlwasser entzogen wird und die in einer als Wärmepumpe arbeitenden Klimaanlagen parallel betrieben werden. Der Außenverdampfer kann über die Heizrohre abgetaut werden, während die Batterie weitergekühlt wird und die Wärmepumpe über die Heizrohre des Zuluftwärmetauschers weiter heizt.
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Weiterer Gegenstand der Erfindung ist ein Fahrzeug, insbesondere ein Bus, ein Schienenfahrzeug oder ein Kühltransporter, ausgerüstet mit der vorstehend beschriebenen Kälteanlage oder ausgerüstet mit dem vorstehend beschriebenen Kälteanlagensystem.
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Ausführungsbeispiele
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand von Zeichnungen näher erläutert.
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Es zeigen:
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1a einen umschaltbaren Wärmetauscher in Lamellenrohr- Rohrbündel-Ausführung mit Heizrohren und Kühlrohren in perspektivischer Darstellung;
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1b einen umschaltbaren Wärmetauscher gemäß 1a mit alternierend angeordneten Heiz- und Kühlrohren in einer Schnittansicht;
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1c einen umschaltbaren Wärmetauscher gemäß 1a mit bereichsweise angeordneten Heiz- und Kühlrohren in einer Schnittdarstellung;
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2 eine Kälteanlage mit dem umschaltbaren Wärmetauscher aus 1a, 1b und 1c in einer ersten Ausführungsform;
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3 die Kälteanlage der 2 in einem Heizbetrieb des ersten umschaltbaren Wärmetauschers;
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4 die Kälteanlage der 2 in einem Kühlbetrieb des ersten umschaltbaren Wärmetauschers;
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5 die Kälteanlage der 2 in einem Reheatbetrieb;
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6 eine Ausführungsform eines Kälteanlagensystems mit der Kälteanlage aus 2 und einem beispielhaft erweiterten Kältemittelkreislauf mit einem Warmwasserwärmetauscher und einem Kaltwasserwärmetauscher;
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7 eine weitere Ausführungsform eines Kälteanlagensystems mit einer Kälteanlage und einem beispielhaft erweiterten Kältemittelkreislauf;
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8 eine weitere Ausführungsform eines Kälteanlagensystems mit einer Kälteanlage und einem beispielhaft erweiterten Kältemittelkreislauf;
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9 eine weitere Ausführungsform eines Kälteanlagensystems mit einer Kälteanlage und einem beispielhaft erweiterten Kältemittelkreislauf,
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10 die Draufsicht auf einen umschaltbaren Wärmetauscher in Flachrohr-Ausführung;
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11 eine Schnittdarstellung des umschaltbaren Flachrohr-Wärmetauschers gemäß 10 mit alternierend angeordneten Heiz- und Kühlrohren;
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12 eine Schnittdarstellung durch das Heizsammelrohr des Flachrohr-Wärmetauschers gemäß 10;
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13 eine Schnittdarstellung durch das Kühlsammelrohr mit Durchströmungsschema der Kühlrohre des Flachrohr-Wärmetauschers gemäß0 10.
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Die Figuren stellen die Erfindung nur schematisch dar. Für gleiche oder ähnliche Komponenten werden gleiche oder ähnliche Bezugszeichen verwendet, sofern nicht anders angegeben.
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1a zeigt einen umschaltbaren Wärmetauscher 10 mit Heizrohren 12 und Kühlrohren 14 in perspektivischer Ansicht. 1b zeigt den umschaltbaren Wärmetauscher 10 mit Heizrohren 12 und Kühlrohren 14 in einer Schnittansicht.
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Der Wärmetauscher 10 ist als Lamellenwärmetauscher ausgestaltet, der Heizrohre 12 und Kühlrohre 14 in einem einzigen Gehäuse 16 integriert. Die Heizrohre 12 sind aufgrund des höheren Betriebsdruckes dickwandiger ausgeführt. Das Gehäuse 16 weist weiterhin jeweils einen Kältemitteleingang und einen Kältemittelausgang für die Heizrohre 12 und die Kühlrohre 14 auf. Die Heizrohre 12 und Kühlrohre 14 sind über Lamellen 18 – wie in der Schnittansicht der 1b gezeigt – miteinander und mit dem Gehäuse 16 verbunden.
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In 1b sind die Heizrohre 12 und die Kühlrohre alternierend angeordnet. Dies bedeutet, dass die Heizrohre 12 und die Kühlrohre 14 abwechselnd nebeneinander angeordnet sind. Hier sind auch andere Anordnungen denkbar.
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1c zeigt eine Schnittdarstellung eines umschaltbaren Wärmetauschers mit einer alternativen Kühl-/Heizrohrführung.
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In 1c sind die Heizrohre 12 und die Kühlrohre 14 in unterschiedlichen Bereichen der Lamellen 18 angeordnet. Gemäß dieser Ausführungsform kann der Reheat-Betrieb besonders vorteilhaft durchgeführt werden. Im Rahmen des Reheat-Betriebes durchströmt die Zuluft zunächst den Bereich der Kühlrohre 14 und wird bis unter die Taupunkt-Temperatur abgekühlt, so dass in der Zuluft enthaltene Luftfeuchtigkeit auskondensieren kann. Anschließend durchströmt die abgekühlte Zuluft den Bereich der Heizrohre 12 und wird wieder erwärmt, so dass schließlich warme trockene Luft ausströmt.
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Weiterhin sind die Heizrohre 12 und die Kühlrohre 14 jeweils über einen umschaltbaren Kältemittelkreislauf 20 zu einer Kälteanlage 22 verbunden, deren umschaltbare Wärmetauscher 10 zwischen einem Kühlbetrieb und einem Heizbetrieb umschaltbar sind.
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Die Heizrohre 12 und die Kühlrohre 14 führen ein Kältemittel, beispielsweise R134a, R1234yf, R1234ze, R152a, R161, R170, R290, R600, R600a, R744 transkritisch, Kohlendioxid (R744), Distickstoffoxid (R744jA), R23, R32 oder Mischungen wie: R410A, R404A, R407A, R407C und R407F. Besonders bevorzugt ist Kohlendioxid oder R134a.
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Durch die Verbindung der Heizrohre 12 und der Kühlrohre 14 mit den Lamellen 18 kann der umschaltbare Wärmetauscher 10 Wärme an die Umgebung übertragen oder aus der Umgebung aufnehmen. So ermöglicht der umschaltbare Wärmetauscher 10 den Heizbetrieb, in dem lediglich die Heizrohre 12 mit Kältemittel durchflossen werden, sowie den Kühlbetrieb, in dem lediglich die Kühlrohre 14 mit Kältemittel durchflossen werden. Ein Umschalten des umschaltbaren Wärmetauschers 10 vom Kühlbetrieb in den Heizbetrieb und umgekehrt kann damit einfach gestaltet werden, ohne die Komponenten des umschaltbaren Wärmetauschers 10 und insbesondere die kältemittelführenden Rohre durch den Temperaurwechsel zu belasten.
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2 zeigt eine Kälteanlage 22 mit dem umschaltbaren Wärmetauscher 10 aus 1 in einer ersten Ausführungsform.
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Die Kälteanlage 22 umfasst einen ersten umschaltbaren Wärmetauscher 10a, der zum Beispiel als Zuluftwärmetauscher oder Kühlraumwärmetauscher genutzt werden kann, und einen zweiten umschaltbaren Wärmetauscher 10b, der zum Beispiel als Außenluftwärmetauscher genutzt werden kann. Beide umschaltbaren Wärmetauscher 10a, 10b umfassen Heizrohre 12 und Kühlrohre 14, die über einen umschaltbaren Kältemittelkreislauf 20 zu einer Kälteanlage 22 verbunden sind. Dazu umfasst die umschaltbare Kältemittelkreislauf 20 einen Verdichter 24 zum Komprimieren des Kältemittels, Expansionsorgane 26a, 26b, beispielsweise Expansionsventile, zum Entspannen des Kältemittels und Ventile 28a, 28b, beispielsweise Magnetventile, zum Umschalten zwischen Heizbetrieb und Kühlbetrieb.
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Zusätzlich weist der umschaltbare Kältemittelkreislauf 20 in der dargestellten Ausführungsform interne Wärmetauscher 30a, 30b auf. Die internen Wärmetauscher 30a, 30b sind lediglich optional und können als Plattenwärmetauscher oder Doppelrohrwärmetauscher ausgestaltet sein. Durch die internen Wärmetauscher 30a, 30b wird die Verdampfung des Kältemittels effektiver gestaltet, so dass kein flüssiges Kältemittel in den Verdichter 24 gelangt. Die Zone mit überhitztem Kältemittel wird aus dem Verdampfer – die Kühlrohr von 10a bzw. 10b – in den internen Wärmetauscher 30b bzw. 30a verlagert, was die Leistung des Verdampfers steigert. Gleichzeitig wird das aus den Heizrohren des Wärmetauschers 10b bzw. 10a austretende Kältemittel in Wärmetauschern 30b bzw. 30a weiter abgekühlt.
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3 zeigt die Kälteanlage 22 der 2 in einem Heizbetrieb des ersten umschaltbaren Wärmetauschers 10a.
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Im Heizbetrieb des ersten umschaltbaren Wärmetauschers 10a ist das Ventil 28a, das den Kühlrohren 14 des ersten umschaltbaren Wärmetauschers 10a vorgeschaltet ist, geschlossen. Das Kältemittel wird im Verdichter 24 komprimiert und über Rohrleitungen 32 zu den Heizrohren 12 des ersten umschaltbaren Wärmetauschers 10a geführt. Anschließend wird das Kältemittel über Rohrleitungen 34, den nachgeschalteten ersten internen Wärmetauscher 30a, das geöffnete Ventil 28b und das nachgeschaltete Expansionsorgan 26b in Kühlrohre 14 des zweiten umschaltbaren Wärmetauschers 10b geführt. Am Ausgang des zweiten umschaltbaren Wärmetauschers 10b wird das Kältemittel im Gegenstrom über den ersten internen Wärmetauscher 30a und Rohrleitungen 36 zurück zum Verdichter 24 geführt.
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In dieser Konfiguration ist die Kälteanlage 22 so geschaltet, dass der erste umschaltbare Wärmetauscher 10a Wärme an die Umgebung (Zuluft) abgibt und der zweite umschaltbare Wärmetauscher 10b Wärme aus der Umgebung (Außenluft) aufnimmt. Der zweite umschaltbare Wärmetauscher 10b arbeitet demnach als Verdampfer und der erste umschaltbare Wärmetauscher 10a als Gaskühler.
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4 zeigt die Kälteanlage 22 der 2 in einem Kühlbetrieb des ersten umschaltbaren Wärmetauschers 10a.
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Im Kühlbetrieb des ersten umschaltbaren Wärmetauschers 10a ist das Ventil 28b, das den Heizrohren 12 des ersten umschaltbaren Wärmetauschers 10a nachgeschaltet und den Kühlrohren 14 des zweiten umschaltbaren Wärmetauschers 10b vorgeschaltet ist, geschlossen. Das Kältemittel wird im Verdichter 24 komprimiert und über Rohrleitungen 38 zu den Heizrohren 12 des zweiten umschaltbaren Wärmetauschers 10b geführt. Anschließend wird das Kältemittel über Rohrleitungen 40, den nachgeschalteten ersten internen Wärmetauscher 30b, das geöffnete Ventil 28a und das nachgeschaltete Expansionsorgan 26a in Kühlrohre 14 des ersten umschaltbaren Wärmetauschers 10a geführt. Am Ausgang des ersten umschaltbaren Wärmetauschers 10a wird das Kältemittel im Gegenstrom über den zweiten internen Wärmetauscher 30b und Rohrleitungen 42 zurück zum Verdichter 24 geführt.
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In dieser Konfiguration ist die Kälteanlage 22 so geschaltet, dass der zweite umschaltbare Wärmetauscher 10b Wärme an die Umgebung (Außenluft) abgibt und der erste umschaltbare Wärmetauscher 10a Wärme aus der Umgebung (Zuluft) aufnimmt. Der erste umschaltbare Wärmetauscher 10a arbeitet demnach als Verdampfer und der zweite umschaltbare Wärmetauscher 10b als Gaskühler.
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Der Außenluft-Wärmetauscher 10b kann so gemäß der Darstellung in 4 auch nach einer Vereisung abgetaut werden, um danach erneut gemäß Betrieb nach 3 als Wärmepumpen-Verdampfer zu arbeiten. Der Kühlraum-Wärmetauscher 10a kann so gemäß 3 auch nach einer aufgetretenen Vereisung abgetaut werden, um danach erneut gemäß Betrieb wie in 4 dargestellt als Verdampfer zu arbeiten.
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5 zeigt die Kälteanlage 22 der 2 in einem Reheatbetrieb. Im Reheatbetrieb wird Luft in der Umgebung des ersten und zweiten umschaltbaren Wärmetauschers 10a, 10b entfeuchtet. Dazu sind beide Ventile 28a, 28b offen und regeln den Kältemittelfluss. So können der erste und der zweite umschaltbare Wärmetauscher 10a, 10b abhängig vom Kältemittelfluss sowohl im Heizbetrieb als auch im Kühlbetrieb, wie vorstehend beschrieben, betrieben werden. Der Kühlbetrieb dient dabei dem Kondensieren von Feuchtigkeit, wogegen der Heizbetrieb das Erwärmen von Luft ermöglicht. In dieser Betriebsart können die Heizleistungen bzw. die Kühlleistungen nahezu stufenlos an den Bedarf angepasst werden. Dazu werden die Regelventile 28a bzw. 28b entsprechend weniger geöffnet als das jeweils andere Ventil, d. h. die Regelventile 28a und 28b. Durch Dosieren der Volumenströme durch die Regelventile 28a und 28b können die gewünschten Kühlleistungen bzw. die gewünschten Heizleistungen am Zuluft-Wärmetauscher 10a geregelt werden.
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6 zeigt eine Ausführungsform eines Kälteanlagensystems 100 mit einer der Kälteanlage 22 der 2 und einem beispielhaft erweiterten Kältemittelkreislauf 25 mit einen Warmwasserwärmetauscher 44 und einen Kaltwasserwärmetauscher 46.
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Der Aufbau der Kälteanlage 22 entspricht dem der 2 bis 5. In der Ausführungsform der 6 sind jedoch weitere Abzweigungen 25a, 25b an den umschaltbaren Kältemittelkreislauf 20 gekoppelt, die den Warmwasserwärmetauscher 44 und den Kaltwasserwärmetauscher 46 umfassen. Der Warmwasserwärmetauscher 44 und der Kaltwasserwärmetauscher 46 sind dabei nicht umschaltbar ausgestaltet und können als Plattenwärmetauscher oder Doppelrohrwärmetauscher ausgeführt sein.
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Zur Kopplung des Warmwasserwärmetauschers 44 und des Kaltwasserwärmetauschers 46 ist ein weiteres verzweigtes Leitungssystem 50 mit Rückschlagventilen 50a und 50b vorgesehen, dass sich an die Abzweige 62 und 63 vom umschaltbaren Kältemittelkreislauf 20 anschließt. So fließt im Kühl- und Heizbetrieb des ersten umschaltbaren Wärmetauschers 10a Kältemittel vom Verdichter 24 zum Warmwasserwärmetauscher 44 der Abzweigung 25a, wenn das Ventil 52a geöffnet ist. Das Kältemittel kann weiter über die Ventile 50b und 52b zur Abzweigung 25b des Kaltwasserwärmetauschers 46 oder über das Expansionsorgan 26b und die Kühlrohre 14 des umschaltbaren zweiten Wärmetauschers 10b abfließen. Ein Abfließen über das Expansionsorgan 26a und die Kühlrohre 14 des ersten umschaltbaren Wärmetauschers 10a wird durch das Rückschlagventil 50a verhindert, so dass der Heizbetrieb des Wärmetauschers 10a nicht gestört wird. Der Kaltwasserwärmetauscher 46 der Abzweigung 25b ist weiter derart angebunden, dass das Rückschlagventil 50a im Kühlbetrieb des Wärmetauschers 10a bzw. das Rückschlagventil 50b im Heizbetrieb des Wärmetauschers 10a geöffnet ist. Ein weiteres Expansionsorgan 56, das dem Kaltwasserwärmetauscher 46 vorgeschaltet und dem Ventil 52b nachgeschaltet ist, entspannt das Kältemittel, bevor es in den Kaltwasserwärmetauscher 46 eintritt. Anschließend wird das Kältemittel vom Kaltwasserwärmetauscher 46 zum Verdichter 24 zurückgeführt. Die Magnetventile 52a und 52b dienen der Regelung des Kältemittelflusses durch den Warmwasser- und Kaltwasserwärmetauscher 44, 46 und sind diesen jeweils vor- oder nachgeschaltet.
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Mit Hilfe des erweiterten Kältemittelkreislaufes 25 können unterschiedliche Funktionen in einem einzigen Kälteanlagensystem 100 integriert werden, wodurch der Aufbau von Kälteanlagensystemen 100 beispielsweise in Fahrzeugen, wie Bussen, wesentlich vereinfacht wird und Kälteanlagensysteme 100 kompakter ausgestaltet werden können.
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7 zeigt eine weitere Ausführungsform eines Kälteanlagensystems 100 mit einer Kälteanlage 22 und einem beispielhaft erweiterten Kältemittelkreislauf 25.
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Der Aufbau der Kälteanlage 22 entspricht dem der 2 bis 5, insbesondere dem der 6. In der Ausführungsform der 7 sind jedoch weitere Abzweigungen 25a, 25b, 25c, 25d, 25e, 25f an den umschaltbaren Kältemittelkreislauf 20 gekoppelt, die weitere Wärmetauscher 44a, 44b, 44c, 46a, 46b, 46c umfassen. Zur Kopplung der Wärmetauscher 44a, 44b, 44c, 46a, 46b, 46c ist ein verzweigtes Leistungssystem 50 mit Rückschlagventilen 50a und 50b vorgesehen, wie in Bezug auf 6 bereits beschrieben. Zusätzlich regeln Magnetventile 52a, 52b, 52c, 52d, 52e, 52f, die den Wärmetauschern 44a, 44b, 44c, 46a, 46b, 46c vor- oder nachgeschaltet sind, den Kältemittelfluss.
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In der Ausführungsform der 7 können die weiteren Wärmetauscher 44a, 44b, 44c, 46a, 46b, 46c unterschiedliche Funktionen übernehmen. Beispielsweise können die Wärmetauscher 44a und 46a, wie in Bezug auf 6 beschrieben, als Kalt- und Warmwasserwärmetauscher ausgestaltet sein. Die weiteren Wärmetauscher 44b und 46b können zum Beispiel als Heizer 44b und Kühler 46b von Luft für eine Fahrerkabine im Fahrzeug dienen. Dementsprechend kann das Kälteanlagensystem 100 nahezu beliebig um weitere Wärmetauscher 44c, 46c zum Kühlen oder Heizen erweitert werden.
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8 zeigt eine weitere Ausführungsform eines Kälteanlagensystems 100 mit einer Kälteanlage 22 und einem beispielhaft erweiterten Kältemittelkreislauf 25.
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Der Aufbau des Kälteanlagensystems 100 entspricht dem der 7. In der Ausführungsform der 8 sind jedoch statt des Leitungssystems 50 mit Rückschlagventilen 50a und 50b, steuerbare Magnetventile 58a, 58b in den Rohrleitungen 60a, 60b angeordnet. So ist das Magnetventil 58a in der Rohrleitung 60a, die dem ersten umschaltbaren Wärmetauscher 10a zugeordnet ist, zwischen das Ventil 28a und das Expansionsorgan 26a geschaltet. Die Kopplung mit dem erweiterten Kältemittelkreislauf 25 erfolgt über eine Verbindungsleitung 63, die zwischen den Magnetventilen 28a und 58a abzweigt. Das Magnetventil 58b in der Rohrleitung 60b, die dem zweiten umschaltbaren Wärmetauscher 10b zugeordnet ist, ist zwischen dem Ventil 28b und dem Expansionsorgan 26b verschaltet. Die Kopplung mit dem erweiterten Kältemittelkreislauf 25 erfolgt über eine Verbindungsleitung 62, die zwischen den Magnetventilen 28b und 58b abzweigt. Mit Hilfe der Magnetventile 58a, 58b kann die Kopplung zwischen der Kälteanlage 22 und dem erweiterten Kältemittelkreislauf 25 einfacher und flexibler ausgestaltet werden. So kann im Unterschied zu den Ausführungsvarianten des Kälteanlagensystems gemäß der 6 und 7, in der Ausführungsvariante gemäß 8 auch der umschaltbare zweite Wärmetauscher 10b nach einer aufgetretenen Vereisung im Kühlbetrieb des Wärmetauschers 10b sehr einfach und effektiv abgetaut werden, ohne den Heizbetrieb des ersten umschaltbaren Wärmetauschers 10a zu unterbrechen. Dazu wird das Kältemittel ausgehend vom Verdichter 24 über die Heizrohre 12 des ersten und zweiten umschaltbaren Wärmetauschers 10a, 10b geleitet. Die Magnetventile 28a und 28b sind geöffnet. Durch die geschlossenen Magnetventile 58a und 58b sind die Kühlrohre 14 beider umschaltbarer Wärmetauscher 10a, 10b abgesperrt. Das Kältemittel kann über einen aktiven Verdampfer 46a, 46b oder 46c wieder zum Verdichter 24 zurückgeführt werden. Dazu eignet sich besonders der Kaltwasser-Wärmetauscher 46, der Abwärme aus anderen Prozessen, z. B. von der Batteriekühlung oder von der Motorkühlung, bereitstellt. Dies ist in der Ausführungsvariante nach 7 nicht möglich, da das Kältemittel von den Heizrohren 12 des Wärmetauschers 10b über die Kühlrohre 14 des Wärmetauschers 10b abfließt und auf diese Weise den Heizbetrieb des Wärmetauschers 10a stören würde.
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9 zeigt eine weitere Ausführungsform eines Kälteanlagensystems 100 mit einer Kälteanlage 22 und einem beispielhaft erweiterten Kältemittelkreislauf 25.
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Der Aufbau des Kälteanlagensystems 100 entspricht dem der 8. In der Ausführungsform der 9 sind jedoch weitere Vereinfachungen vorgesehen. So sind die Ventile 28a, 28b, 58a, 58b und 52a bis 52f als elektronisch ansteuerbare Regelventile ausgestaltet, wodurch der Kältemittelfluss in den einzelnen Zweigen des Kälteanlagensystems 100 geregelt werden kann. Die Expansionsorgane 26a, 26b und 56a bis 56c können entfallen. Dadurch kann eine zentrale Regelung realisiert werden, die die Überhitzung vor dem Verdichter 24 und damit der Gesamtvolumenstrom sowie die Einzelströme in den einzelnen Zweigen von Verdampfer-Wärmetauschern je nach benötigter Leistungsstufe regelt. Ebenso kann die Unterkühlung oder der optimale Hochdruck im Kälteanlagensystem 100 und damit der Gesamtvolumenstrom sowie die Einzelströme in den einzelnen Zweigen von Gaskühler-Wärmetauschern je nach benötigter Leistungsstufe geregelt werden.
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Zusätzlich sieht die Kälteanlage 22 der 9 nur noch einen einzigen internen Wärmetauscher 70 vor, der dem Verdichter 24 unmittelbar vorgeschaltet ist. Der interne Wärmetauscher 70 ist also in der gemeinsamen Leitung vorgesehen und führt den Gesamtvolumenstrom des Kältemittels in Gegenstrom. So können bei knapper Überhitzung am Verdichtereintritt einzelne Verdampfer-Wärmetauscher ohne Überhitzung mit flüssigem Kältemittel, also ohne Überhitzung betrieben werden. Die Unterkühlung und damit der optimale Hochdruck kann weiterhin nach Druck und Temperatur am Hochdruckeingang des internen Wärmetauschers 70 geregelt werden. Die Überhitzung kann nach Druck und Temperatur am Niederdruckausgang des internen Wärmetauschers 70 geregelt werden.
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Die 10 bis 13 zeigen einen Flachrohr-Wärmetauscher mit Heizrohren und Kühlrohren.
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Der Darstellung gemäß 11 ist zu entnehmen, dass ein dort dargestellter Flachrohr-Wärmetauscher 80 eine alternierende Abfolge von Heizungsrohren 12 und Kühlrohren 14 aufweist. Aufgrund des höheren Druckniveaus sind die Heizrohre 12 in einer dickeren Wandstärke ausgeführt, was auch aus der Darstellung gemäß 11 hervorgeht. Der Eintritt der Heizrohre 12 ist auf der linken Seite in 10 durch das Sammelrohr 90. 12 zeigt einen Schnitt durch das Heizsammelrohr 90. Das eintretende Kältemittel wird in diesem Ausführungsbeispiel auf drei parallele Heizrohre 12 verteilt. Auf einer Seite sind die Heizrohre 12 jeweils durch kleine Verbindungsrohre 88 so verbunden, dass eine Umlenkung stattfinden kann. Das Kältemittel, welches durch drei Heizrohre 12 wieder zur linken Seite strömt, wird dort wieder auf ein Heizrohr 12 gebündelt, strömt wieder nach rechts über ein Verbindungsrohr 88 und wieder durch ein Heizrohr 12 nach links zum Heizsammelrohr 90 zurück, erneut durch ein Heizrohr 12 nach rechts über ein Verbindungsrohr 88 und wieder durch ein Heizrohr 12 nach links zum Heizsammelrohr 90, wo es schließlich austritt.
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Der Eintritt der Kühlrohre 14 ist auf der rechten Seite in 10 durch das Sammelrohr 92. Das eintretende Kältemittel wird in diesem Ausführungsbeispiel auf zwei parallele Kühlrohre 14 verteilt. Auf der linken Seite sind die Kühlrohre 14 jeweils durch kleine Verbindungsrohre 88 so miteinander verbunden, dass eine Umlenkung stattfinden kann. Das Kältemittel, das durch zwei Kühlrohre 14 wieder zur rechten Seite strömt, wird dort wieder auf vier Kühlrohre 14 verteilt, strömt wieder nach links, über Verbindungsrohre 88 und wieder durch vier Kühlrohre 14 nach rechts zum Kühlsammelrohr 92 zurück, wo es schließlich austritt. In einer Zwischenaufteilung des Verdampfersammelrohrs. Es ist eine Blende 86 vorgesehen, die durch Turbulenzerzeugung eine homogene Verteilung von Dampf und Flüssigkeit des zweiphasigen Kältemittels begünstigt.
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Bei der Darstellung gemäß 10 ist ein Flachrohr-Wärmetauscher zu entnehmen. 11 zeigt die Anordnung der Heizflachrohre und Kühlflachrohre im Schnitt des Flachrohr-Wärmetauschers gemäß 13. 12 zeigt eine Schnittdarstellung des Flachrohr-Wärmetauschers gemäß 13 mit den Heizsammelrohren 90 mit Strömungsrichtung. An das erste Sammelrohr 90a ist oben der Eintritt 82 angeschlossen und unten der Austritt 84. Über die Heizrohre 12 und die Verbindungsrohre 88 strömt das Kältemittel zum zweiten Heizsammelrohr 90b wieder zurück zum ersten Heizsammelrohr 90a, zum zweiten Heizsammelrohr 90b und schließlich erneut zum ersten Heizsammelrohr 90a und zum Austritt 84. 13 zeigt eine Schnittdarstellung des Flachrohr-Wärmetauschers gemäß 10, wobei die Kühlsammelrohre 92 mit dem Eintritt 82 verbunden sind. Über die Kühlrohre 14 und die Verbindungsrohre 88 strömt das Kältemittel zum zweiten Kühlsammelrohr 92b durch die Blende 86 und wieder zurück zum ersten Sammelrohr 92a und schließlich zum Austritt 84.
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Die Regelung der Kälteanlage
22 gemäß
2 ist in den
3 bis
5 schon teilweise dargestellt.
3 stellt ein maximales Heizen dar. Die Heizrohre
12 des Zuluftwärmetauschers
10a und die Kühlrohre
14 des Außenluftwärmetauschers
10b werden durchströmt, da das Ventil
28b voll geöffnet und das Ventil
28a ganz geschlossen ist.
4 hingegen stellt das maximale Kühlen dar. Die Kühlrohre
14 des Zuluftwärmetauschers
10a und die Heizrohre
12 des Außenluftwärmetauschers
10b werden durchströmt, da das Ventil
28a voll geöffnet und das Ventil
28b ganz geschlossen ist.
5 stellt eine Zwischenstufe dar, bei der sowohl die Heizrohre
12 als auch die Kühlrohre
14 des Zuluftwärmetauschers
10a und des Außenluftwärmetauschers
10b durchströmt werden. Hierbei ist darauf zu achten, dass nie beide Ventile
28a und
28b ganz geschlossen sind, während der Kompressor
24 läuft. Eine Stufenregelung lässt sich der nachfolgenden Auflistung entnehmen:
| Modus | 28a | 28b |
| Heizen 4 | 0% | 100% |
| Heizen 3 | 25% | 100% |
| Heizen 2 | 50% | 100% |
| Heizen 1 | 75% | 100% |
| Neutral | 100% | 100% |
| Kühlen 1 | 100% | 75% |
| Kühlen 2 | 100% | 50% |
| Kühlen 3 | 100% | 25% |
| Kühlen 4 | 100% | 0% |
-
Der neutrale Modus kann alternativ dazu auch mit abgeschaltetem Kompressor 24 und ggf. geschlossenen Ventilen 28a und 28b erfolgen. Das Abtauen des Außenluftwärmetauschers 10b erfolgt im Modus Kühlen 4 (4), aber mit ausgeschalteten Lüftern an den Wärmetauschern 10a und 10b. Das Abschalten der Lüfter des Außenluft-Wärmetauschers 10b ist dabei zwingend erforderlich.
-
Man kann die Ventile
28a und
28b auch alternierend ansteuern, so dass immer eines geöffnet ist, während das jeweils andere geschlossen ist. Dann könnte die Regelung gemäß der folgenden Auflistung erfolgen:
| Modus | 28a | 28b |
| Heizen 4 | 0% | 100% |
| Heizen 3 | 20% | 80% |
| Heizen 2 | 33% | 67% |
| Heizen 1 | 40% | 60% |
| Neutral | 50% | 50% |
| Kühlen 1 | 60% | 40% |
| Kühlen 2 | 67% | 33% |
| Kühlen 3 | 80% | 20% |
| Kühlen 4 | 100% | 0% |
-
Bei Erweiterung des Systems gemäß der 6 und 7 kann die Regelung der umschaltbaren Wärmetauscher 10a und 10b wie in den zuvor gezeigten Tabellen erfolgen. Die zusätzlichen Heizwärmetauscher 44 (a, b, c, ...) können über ihre jeweils zugeordneten Ventile 52a (c, e, ...) auch stufig oder stufenlos geregelt werden, indem diese mit x% (0% bis 100%) geöffnet werden. Analog können zusätzliche Kühlwärmetauscher 46 (a, b, c, ...) über diesen jeweils zugeordneten Ventile 52b (d, f, ...) auch stufig oder stufenlos geregelt werden, indem diese mit x% (0% bis 100%) geöffnet werden. Wichtig ist beim Abtauen des Außenluft-Wärmetauschers 10b, dass das Ventil 28a geöffnet ist, während sämtliche anderen Ventile 28b, 52a, 52c, 52e, ... der Heizwärmetauscher 44 (a, b, c, ...) geschlossen sind. Die Kühlventile 52b, 52d, 52f, ... sind davon nicht betroffen.
-
Ist zumindest eines der zusätzlichen Heizventile
52a,
52c,
52e, ... geöffnet, so kann die Öffnung der Ventile
28a und
28b reduziert werden, was sich nachfolgender Auflistung entnehmen lässt:
| Modus | 28a | 28b | 52 (a, c, e, ...) |
| Heizen 4 | 0% | 100% | 100% |
| Heizen 3 | 0% | 75% | 100% |
| Heizen 2 | 0% | 50% | 100% |
| Heizen 1 | 0% | 25% | 100% |
| Neutral | 0% | 0% | 100% |
| Kühlen 1 | 25% | 0% | 100% |
| Kühlen 2 | 50% | 0% | 100% |
| Kühlen 3 | 75% | 0% | 100% |
| Kühlen 4 | 100% | 0% | 100% |
-
In
8 ist eine Erweiterung der Kälteanlage
22 um die Ventile
58a und
58b zu entnehmen. Dabei kann auf Rückschlagventile verzichtet werden. Durch das Absperren der Kühlrohre
14 in den Wärmetauschern
10a und
10b durch die Ventile
58a und
58b ist eine Vorrangkühlung eines weiteren Kühlwärmetauschers
46 möglich. Dies ist besonders vorteilhaft, wenn z.B. der Kaltwasserwärmetauscher zur Batteriekühlung oberste Priorität haben soll. In diesem Fall kann auch der Außenluftwärmetauscher
10b abgetaut werden, ohne den Heizbetrieb zu unterbrechen:
| Modus | 28a | 28b | 58a | 58b | 52 (a, c, e) | 52 (b, d, f) |
| Heizen 4 | 0% | 100% | 0% | 100% | | |
| Heizen 3 | 0% | 100% | 25% | 100% | | |
| Heizen 2 | 0% | 100% | 50% | 100% | | |
| Heizen 1 | 0% | 100% | 75% | 100% | | |
| Neutral | 100% | 100% | 100% | 0% | | |
| Kühlen 1 | 100% | 75% | 100% | 0% | | |
| Kühlen 2 | 100% | 50% | 100% | 0% | | |
| Kühlen 3 | 100% | 25% | 100% | 0% | | |
| Kühlen 4 | 100% | 0% | 100% | 0% | | |
| Abtauen | 100% | 100% | 100% | 0% | | |
| Modus | 28a | 28b | 58a | 58b | 52 (a, c, e) | 52 (b, d, f) |
| Heizen 4 | 0% | 100% | 0% | 100% | 100% | |
| Heizen 3 | 0% | 100% | 25% | 100% | 100% | |
| Heizen 2 | 0% | 100% | 50% | 100% | 100% | |
| Heizen 1 | 0% | 100% | 75% | 100% | 100% | |
| Neutral | 100% | 100% | 100% | 0% | 100% | |
| Kühlen 1 | 100% | 75% | 100% | 0% | 100% | |
| Kühlen 2 | 100% | 50% | 100% | 0% | 100% | |
| Kühlen 3 | 100% | 25% | 100% | 0% | 100% | |
| Kühlen 4 | 100% | 0% | 100% | 0% | 100% | |
| Abtauen | 100% | 100% | 100% | 0% | 100% | |
| Modus | 28a | 28b | 58a | 58b | 52 (a, c, e) | 52 (b, d, f) |
| Heizen 4 | 0% | 100% | 0% | 0% | | 100% |
| Heizen 3 | 0% | 100% | 25% | 0% | | 100% |
| Heizen 2 | 0% | 100% | 50% | 0% | | 100% |
| Heizen 1 | 0% | 100% | 75% | 0% | | 100% |
| Neutral | 100% | 0% | 0% | 0% | | 100% |
| Kühlen 1 | 100% | 0% | 25% | 0% | | 100% |
| Kühlen 2 | 100% | 0% | 50% | 0% | | 100% |
| Kühlen 3 | 100% | 0% | 75% | 0% | | 100% |
| Kühlen 4 | 100% | 0% | 100% | 0% | | 100% |
| Abtauen | 100% | 100% | 0% | 0% | | 100% |
-
Die Regelung eines Kälteanlagen-Systems 100 nach 9 erfolgt analog zur Regelung im Zusammenhang mit 8. Allerdings kann die Öffnung der elektronischen Expansionsventile stetig dem Bedarf angepasst werden. Die Summe der Öffnungsgrade der Ventile 28a, 28b und 52a, 52c sowie 52e bestimmen den Hochdruck innerhalb des Kälteanlagen-Systems 100, der passend zur Temperatur am Hochdruckeingang des Wärmetauschers 70 geregelt werden kann. Ist der Druck höher als der vorherbestimmte Druck, werden die Öffnungsgrade anteilig vergrößert. Bei einem zu niedrigen Druck werden die Öffnungsgrade der Ventile 28a, 28b, 52a, 52c, 52e anteilig verringert. So kann ein optimaler Hochdruck ausgeregelt werden, z.B. 5 K Unterkühlung. Die Summe der Öffnungsgrade der Ventile 58a, 58b und 52b, 52d und 52f bestimmen den Niederdruck des Kälteanlagen-Systems 100, der passend zur Temperatur am Niederdruckausgang des Wärmetauschers 70 geregelt werden kann. Ist der Druck höher als der vorherbestimmte Druck, werden die Öffnungsgrade anteilig verringert. Bei einem zu niedrigen Druck werden die Öffnungsgrade anteilig vergrößert. So kann eine optimale Überhitzung vor dem Kompressor 24 ausgeregelt werden, z.B. 5 K Überhitzung. Die Überhitzungsregelung hat Vorrang gegenüber der Hochdruckregelung.
-
Bezugszeichenliste
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- 10
- umschaltbarer Wärmetauscher
- 10a
- 1. umschaltbarer Wärmetauscher
- 10b
- 2. umschaltbarer Wärmetauscher
- 12
- Heizrohre
- 14
- Kühlrohre
- 16
- Gehäuse
- 18
- Lamellen
- 20
- Kältemittelkreislauf
- 22
- Kälteanlage
- 24
- Verdichter
- 25a
- 1. Abzweig
- 25b
- 2. Abzweig
- 25c
- 3. Abzweig
- 25d
- 4. Abzweig
- 25e
- 5. Abzweig
- 25f
- 6. Abzweig
- 26a
- 1. Expansionsorgan
- 26b
- 2. Expansionsorgan
- 28a
- (1.) Magnetventil
- 28b
- (2.) Magnetventil
- 30a
- (1.) interner Wärmetauscher
- 30b
- (2.) interner Wärmetauscher
- 32
- Rohrleitung
- 34
- Rohrleitung
- 36
- Rohrleitung
- 38
- Rohrleitung
- 40
- Rohrleitung
- 42
- Rohrleitung
- 44
- Warmwasser-Wärmetauscher
- 44a
- 1. Warmwasser-Wärmetauscher
- 44b
- 2. Warmwasser-Wärmetauscher
- 44c
- 3. Warmwasser-Wärmetauscher
- 46
- Kaltwasser-Wärmetauscher
- 46a
- 1. Kaltwasser-Wärmetauscher
- 46b
- 2. Kaltwasser-Wärmetauscher
- 46c
- 3. Kaltwasser-Wärmetauscher
- 48
-
- 50
- Leitungssystem
- 50a
- Rückschlagventil
- 50b
- Rückschlagventil
- 52a
- 1. Ventil
- 52b
- 2. Ventil
- 52c
- 3. Ventil
- 52d
- 4. Ventil
- 52e
- 5. Ventil
- 52f
- 6. Ventil
- 54
-
- 56
- weiteres Expansionsorgan
- 58a
- (1.) Magnetventil
- 58b
- (2.) Magnetventil
- 60a, b
- Rohrleitung
- 62
- Abzweig, Verbindungsleitung
- 63
- Abzweig
- 70
- interner Wärmetauscher
- 80
- Flachrohrwärmetauscher
- 82
- Eintrittsseite
- 84
- Austrittsseite
- 85
- Durchströmungsweg
- 86
- Blende
- 88
- Verbindungsrohr
- 90
- Heizsammelrohr
- 92
- Kühlsammelrohr
- 94
- Lamellenanordnung
- 96
-
- 98
-
- 100
- Kälteanlagensystem
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
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-
Zitierte Patentliteratur
-
- DE 102008047753 A1 [0003]
- DE 102011107081 A1 [0004]
- DE 10254109 A1 [0005]
