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Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Abtauen eines als Luftkühler dienenden Verdampfers einer Kälteanlage, wobei der Verdampfer beispielsweise zum Kühlen von Kühlmöbeln, Kühlräumen oder Tiefkühlzellen verwendet wird.
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An dem als Luftkühler dienenden Verdampfer einer Kälteanlage kondensiert Luftfeuchtigkeit, sodass nach gewissen Betriebszeiten unterhalb des Gefrierpunktes der Verdampfer vereist und abgetaut werden muss, damit die Kühlleistung aufrechterhalten werden kann. Hierzu ist es bekannt, den Kühlprozess zu unterbrechen und den Verdampfer beispielsweise mittels elektrischer Heizstäbe abzutauen, die zwischen den Kältemittel führenden Rohrleitungen des Verdampfers angeordnet sind. Bekannt ist auch, am Verdampfer eine Heißgasbeaufschlagung durch Kreislaufumkehr des Kältekreises vorzusehen, oder den Verdampfer mittels eines separaten Wärmeträgerkreislaufs abzutauen, dessen Rohrleitungen zwischen den Kältemittel führenden Rohrleitungen des Verdampfers angeordnet sind.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Abtauvorgang an einem Verdampfer eines Kältekreises bei einfachem Aufbau zu verbessern.
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Erfindungsgemäß werden die Kältemittel führenden Rohrleitungen des Verdampfers zumindest teilweise bzw. abschnittsweise mit einem Rohrmantel umgeben, durch den ein Wärmeträgermedium längs der Oberfläche der Kältemittel führenden Rohrleitungen während des Abtauvorgangs entlanggeführt wird.
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Nach einer anderen Ausführungsform wird erfindungsgemäß das Kältemittel zumindest teilweise bzw. abschnittsweise um die das Wärmeträgermedium führende Rohrleitung entlanggeführt.
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Dadurch, dass die Kältemittel führende Rohrleitung des Verdampfers über ihre Längsabmessung in einem engen Wärmeleitkontakt mit dem Wärmeträgermedium während des Abtauvorgangs steht, wird eine gleichmäßige Temperaturverteilung im Verdampfer während des Abtauvorgangs erreicht und es werden zu hohe lokale Temperaturen während der Abtauung vermieden, wie sie beispielsweise bei einer mit elektrischen Heizstäben arbeitenden Abtauheizung auftreten können.
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Beispielsweise Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen
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1 schematisch einen Kältekreis mit einem ein Wärmeträgermedium führenden Abtaukreis,
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2 schematisch ein Kühlmöbel mit einem Verdampfer als Luftkühler,
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3 den Abtaukreis nach 1 mit einer schematisch wiedergegebenen erfindungsgemäßen Abtauheizung,
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4 eine schematische Detailansicht der erfindungsgemäßen Abtauheizung,
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5 eine Schnittansicht zu 4,
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6 eine Draufsicht auf die Rohrleitungsführung in einem Verdampfer mit der erfindungsgemäßen Abtauheizung,
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7 eine Stirnansicht der Rohrleitungsanordnung in 6,
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8 im Querschnitt eine Ausführungsform mit Wärmeübertragungselement zwischen Kältemittelleitung und Rohrummantelung,
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9, 9a eine andere Anordnung zwischen Innen- und Außenrohr, und
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10 eine weitere Ausführungsform des Verdampfers.
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1 zeigt einen Kältekreis K mit einem Verdichter 1, von dem eine Heißgasleitung 2 zu einem Verflüssiger, beispielsweise einem Plattenwärmeübertrager 3 führt. Mit 4 ist eine Kondensatleitung und mit 5 ein Kältemittelsammler bezeichnet, von dem aus eine Rohrleitung 6 zu einem Expansionsventil 7 führt. Das im Expansionsventil entspannte Kältemittel strömt durch einen Verdampfer 8, der üblicherweise mit einem Ventilator 80 versehen ist, der Luft durch ein Paket von Lamellen 8.1 bläst Das Verdampferrohrsystem ist mit der Kältemittelleitung 6 verbunden.
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Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist in der Heißgasleitung 2 ein Wärmeübertrager 9 vorgesehen, durch den Wärme auf einen ein Wärmeträgermedium wie z. B. Sole führenden Kreis V vom Hochdruckkältemittel übertragen wird, um das vom Verdichter kommende Heißgas vor dem Eintritt in den Verflüssiger 3 zu kühlen.
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Mit A ist in 1 ein Abtaukreislauf mit einer Zirkulationspumpe 20 und einer Heizeinrichtung 21 für das den Abtaukreislauf A durchströmende Wärmeträgermediums, z. B. Sole, bezeichnet. Von der Zirkulationspumpe 20 strömt das Wärmeträgermedium über eine Vorlaufleitung 22 durch den Lamellenbereich 8.1 des Verdampfers 8 und über eine Rücklaufleitung 23 zurück zur Zirkulationspumpe 20. Mit 24 ist ein Sicherheitsventil und mit 25 ein Ausdehnungsgefäß im Abtaukreis A bezeichnet.
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Bei dieser bekannten Anordnung nach 1 wird der Verdichter 1 des Kältekreises K abgeschaltet, wenn durch geeignete Sensoren am Verdampfer 8 ein bestimmter Grad an Reif- oder Eisbildung festgestellt wird, worauf nach Abschalten des Kältekreises K die Zirkulationspumpe 20 mit Heizeinrichtung 21 im Abtaukreislauf A eingeschaltet wird, sodass durch die Heizeinrichtung 21 erwärmtes Wärmeträgermedium durch den Lamellenbereich 8.1 des Verdampfers 8 strömt, um diesen zu erwärmen und das Eis abzutauen. Wenn durch Sensoren ein ausreichender Abtauvorgang festgestellt ist, wird der Abtaukreislauf A durch Abschalten der Zirkulationspumpe 20 und der Heizeinrichtung 21 stillgelegt, worauf der Kältekreis K wieder den Betrieb aufnimmt, um über den von Reif und Eis befreiten Verdampfer 8 die den Verdampfer durchströmende Luft zu kühlen.
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2 zeigt schematisch in einem Querschnitt als Beispiel ein Kühlmöbel, wie es in Kaufhäusern zur Präsentation von Tiefkühlwaren verwendet wird. Mit 30 ist die äußere Isolierung eines im Querschnitt U-förmigen Gehäuses 31 bezeichnet, das zur Ausbildung eines Kühlluftkreislaufs hohl ausgebildet und im oberen Bereich mit Luft-Aus- und Einlassschlitzen 32 versehen ist. Zwischen der inneren Bodenfläche und der Bodenisolierung ist beispielsweise der Verdampfer 8 angeordnet, durch den mittels des Gebläses 80 Luft geblasen wird. Durch Pfeile ist der Kühlluftkreislauf angedeutet. Mit 33 ist ein Absperrventil in der Kältemittelleitung 6 bezeichnet.
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3 zeigt einen erfindungsgemäß ausgestalteten Abtaukreislauf A, bei dem das Wärmeträgermedium des Abtaukreislaufs A eine Rohrummantelung 40 durchströmt, die im Lamellenbereich 8.1 des Verdampfers 8 die Kältemittelleitung 6 umgibt. Der übrige Abtaukreis A entspricht dem in 1.
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4 zeigt schematisch in einer Detailansicht den in 3 wiedergegebenen Aufbau der Abtauheizung. Die von einem Wärmeträgermedium wie Sole durchströmte Rohrummantelung 40 ist auf dem Außenumfang mit den Lamellen 8.1 versehen. Durch die Kältemittel führende innere Rohrleitung 6 wird während des Kühlbetriebs die Sole im Hohlraum 41 der Rohrummantelung 40 gekühlt, wobei die Kühltemperatur auf die von Luft durchströmten Lamellen 8.1 übertragen wird.
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Bei dieser Rohr-in-Rohr-Anordnung nach 4 bildet die Rohrummantelung 40 ein Außenrohr und die Kältemittelleitung 6 ein Innenrohr.
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Die Kältemittelleitung 6 und die Rohrummantelung 40 bestehen vorzugsweise aus dem gleichen Material, um Spannungen zwischen Rohrummantelung und Kältemittelleitung an den Verbindungsstellen zu vermeiden, die durch unterschiedliche Längenausdehnungen bei den auftretenden Temperaturänderungen entstehen könnten. Vorzugsweise wird für die Kältemittelleitung 6 wie für die Rohrummantelung 40 Kupfer verwendet.
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Die Lamellen 8.1 können plattenförmig ausgestaltet sein und sie sind mit Ausstanzungen versehen, in die die Rohrummantelung 40 eingesetzt wird. An den Ausstanzungen der Lamellen 8.1 kann ein bei 8.11 angedeuteter Kragen vorgesehen sein, durch den die Kontaktfläche zwischen Lamelle 8.1 und Rohrummantelung 40 vergrößert wird. 5 zeigt eine Stirnansicht des Aufbaus in 4.
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6 zeigt schematisch eine Ansicht eines Verdampfers 8 mit plattenförmigen beabstandeten Lamellen 8.1, durch die die Kältemittelleitung 6 in Windungen verläuft, die im Wesentlichen nur auf den geraden, durch das Lamellenpaket 8.1 sich erstreckenden Abschnitten von der Rohrummantelung 40 umgeben ist. Am Eintritt des Kältemittels in den Verdampfer 8 ist in der Kältemittelleitung 6 ein Absperrventil 10 wiedergegeben. Das Wärmeträgermedium des Abtaukreises A wird durch die Leitung 22 zugeführt, die in ein Verteilerrohr 42 mündet, von dem aus die Rohrummantelung 40 sich längs der Kältemittelleitung 6 erstreckt. Im Bereich der Windungsbögen 6a der Kältemittelleitung 6 verläuft die Rohrummantelung 40 beispielsweise in Bögen 40a zwischen den geraden Abschnitten der Kältemittelleitung 6, ohne dass die Kältemittelleitung 6 ummantelt wird. In gleicher Weise verläuft im Bereich der Bogenführung 6a die Kältemittelleitung 6 außerhalb der Rohrummantelung 40.
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Am Austritt des Wärmeträgermediums aus der Rohrummantelung 40 ist ein Sammelrohr 43 vorgesehen, von dem aus die Leitung 23 (3) zur Heizeinrichtung und zur Pumpe im Abtaukreis A führt.
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Am Austritt des Kältemittels aus dem Verdampfer 8 kann in 6 ein Sammelrohr 6.1 vorgesehen sein, in das die einzelnen Kältemittelleitungen 6 von mehreren Lagen von Kältemittelleitungen münden. Von dem Sammelrohr 6.1 aus verläuft die Kältemittelleitung 6 in 6 zum Verdichter 1.
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7 zeigt schematisch eine Ansicht der Anordnung in 6 von unten, wobei beispielsweise drei Lagen der Kältemittelleitung 6 in Windungen übereinander liegen. Der Übersichtlichkeit halber ist die Rohrummantelung 40 durch eine gestrichelte Linie wiedergegeben, während die Bögen 40a der Rohrummantelung zwischen Windungssträngen der Kältemittelleitung 6 durch ausgezogene Linien wiedergegeben sind. In gleicher Weise sind die Bögen 6a der Kältemittelleitung 6 durch ausgezogene Linien wiedergegeben und der weitere Verlauf der Kältemittelleitung durch gestrichelte Linien.
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Es ist auch möglich, die Rohrummantelung 40 längs der Bögen 6a der Kältemittelleitung 6 zu führen, sodass die gesamte durch den Verdampfer verlaufende Kältemittelleitung 6 von der Rohrummantelung 40 umgeben ist. Hierbei kann im Bereich der Bögen die Kältemittelleitung 6 am Innenumfang der Rohrummantelung 40 anliegen, wie dies 9 und 9a zeigt. 9a zeigt eine Draufsicht, wobei zwischen Bogen 40a und geradem Abschnitt der Rohrummantelung 40 eine Lamelle 8.1 angeordnet ist. Die Rohrummantelung 40 kann zusammen mit der innenliegenden Kältemittelleitung 6 gebogen werden.
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Bei der Ausführungsform nach den 6 und 7 können die Bögen 6a auf die geraden Abschnitte der Kältemittelleitung 6, die von der Rohrummantelung umgeben sind, aufgelötet werden, sodass bei der Herstellung des Verdampfers die Rohrummantelung 40 auf einen geraden Abschnitt der Kältemittelleitung 6 aufgeschoben und an den Stirnseiten zur Abdichtung auf dem Umfang der Kältemittelleitung 6 verlötet wird, worauf auf die einzelnen ummantelten Abschnitte der Kältemittelleitung 6 die Bögen 6a angelötet werden.
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Zum Abtauen des Verdampfers 8 wird der Kühlprozess K unterbrochen und der Abtaukreis A in Betrieb gesetzt, worauf das durch die Heizeinrichtung 21 erwärmte Wärmeträgermedium wie Sole des Abtaukreises A den Abtauvorgang einleitet, wobei über die Rohrummantelung 40 die Lamellen 8.1 des Verdampfers 8 durch die durch den Hohlraum 41 der Rohrummantelung 40 strömende Sole erwärmt werden. Hierbei wird das Kältemittel in der Kältemittelleitung 6 im Verdampfer 8 erwärmt, das nach Wiederaufnahme des Kühlbetriebs des Kältekreises K wieder auf eine niedrigere Temperatur gebracht wird. Während des Kühlbetriebes wird das Wärmeträgermedium bzw. die Sole in der Rohrummantelung 40 gekühlt, wobei die Lamellen 8.1 über das gekühlte Wärmeträgermedium auf die niedrige Temperatur des Luftkühlers bzw. Verdampfers 11 gebracht werden.
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Um das Volumen des Wärmeträgermediums im Hohlraum 41 der Rohrummantelung 40 im Verdampfer 8 gering zu halten, wird der die Kältemittelleitung 6 umgebende Hohlraum 41 optimiert.
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Vorzugsweise wird für den Betrieb des Kältemittelkreises K ein Kältemittel mit niedrigem spezifischem Volumen verwendet.
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Im Abtaukreis A kann vor dem Eintritt des Wärmeträgermediums in den Verdampfer 8 und am Austritt aus dem Verdampfer ein Absperrventil vorgesehen sein, damit während des Kühlbetriebs eine Strömung des Wärmeträgermediums im Abtaukreis A verhindert werden kann.
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Die Wärmeübertragung zwischen Kältemittelleitung 6 und Rohrummantelung 40 während des Kühlbetriebs kann durch wärmeleitende Distanzelemente im Hohlraum 41 zwischen Kältemittelleitung 6 und Rohrummantelung 40 verbessert werden. Als Beispiel ist in 8 ein gewelltes Blech 44 im Hohlraum 41 in einer Querschnittsansicht wiedergegeben, das auf dem Innenumfang der Rohrummantelung 40 und auf dem Außenumfang der Kältemittelleitung 6 anliegt. Hierdurch wird im Kühlbetrieb eine beschleunigte Temperaturabsenkung an den Lamellen 8.1 ermöglicht.
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9 zeigt eine Ausführungsform, bei der die Kältemittelleitung 6 am Innenumfang der Rohrummantelung 40 anliegt. Auch bei dieser Ausführungsform wird während des Kühlbetriebs die Wärmeübertragung von der Kältemittelleitung 6 auf die Rohrummantelung 40 verbessert. Bei dieser Anordnung ist die Kältemittelleitung 6 teilweise von dem Hohlraum 41 umgeben.
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10 zeigt schematisch eine andere Ausführungsform der Rohrleitungsanordnung im Verdampfer 8, wobei im Gegensatz zu der vorher beschriebenen Ausführungsform das Kältemittel durch den Hohlraum 61 einer Kältemittelleitung 60 strömt, innerhalb von der eine das Wärmeträgermedium führende Rohrleitung 22 des Abtaukreises A verläuft. Bei dieser Rohr-in-Rohr-Anordnung werden im Kühlbetrieb die auf dem Außenrohr 60 angeordneten Lamellen 8.1 effektiver gekühlt, während im Abtaubetrieb die Wärme des in der innen angeordneten Rohrleitung 22 strömenden Wärmeträgermediums über das Kältemittel im Hohlraum 61 auf die Lamellen 8.1 übertragen werden muss.
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Auch bei der Rohranordnung nach 10 können die Ausführungsformen nach 8 und 9 vorgesehen werden.
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Bei der Anordnung nach 10 bildet die Kältemittelleitung 60 das Außenrohr und die das Wärmeträgermedium führende Rohrleitung 22 das Innenrohr.
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Die beschriebene Bauform eines Verdampfers mit wenigstens abschnittsweise ummantelter Kältemittelleitung 6 oder von der Kältemittelleitung 60 ummantelter Soleleitung 22 (10) kann auch als Kalorimeter verwendet werden. Hierbei wird der Kältekreis beispielsweise mit CO2 als Kältemittel bei abgeschaltetem Ventilator 80 im Kühlbetrieb betrieben, wobei der Verdampfer die durchgeströmte Luft zuvor auf z. B. minus 20°C gekühlt hat. Während des weiteren Betriebs des Kältekreises K bei abgeschaltetem Ventilator 80 wird gleichzeitig durch die im Abtaukreis A erwärmte Sole gegengeheizt, wobei die erwärmte Sole durch die Rohrummantelung 40 (4) bzw. durch das Innenrohr 22 in 10 strömt. Hierbei kann die Heizleistung durch die Heizeinrichtung 21 variiert werden, bis die Kältemitteltemperatur im Verdampfer im Wesentlichen konstant wird. Auf diese Weise wird ein Gleichgewicht zwischen zugeführter Wärme einerseits und Kältemitteltemperatur im Verdampfer andererseits einstellt. Die zugeführte Heizleistung kann über ein Wattmeter gemessen werden. Die Kältemitteltemperatur innerhalb des Verdampfers kann über eine Messeinrichtung ermittelt wird. Sobald durch entsprechende Variation der Heizleistung das Gleichgewicht eingestellt ist, kann anhand der zugeführten Heizleistung die Kälteleistung des Verdampfers ermittelt werden, weil aufgrund des Gleichgewichts die zugeführte Heizleistung der Kälteleistung des Verdampfers entspricht.
