DE102016119351A1

DE102016119351A1 - Verfahren zum Betreiben eines Kältekreislaufs

Info

Publication number: DE102016119351A1
Application number: DE102016119351.8A
Authority: DE
Inventors: Simon Ahlers
Original assignee: Teko Gesellschaft fuer Kaeltetechnik mbH
Current assignee: Teko Gesellschaft fuer Kaeltetechnik mbH
Priority date: 2016-10-11
Filing date: 2016-10-11
Publication date: 2017-03-30
Also published as: EP3309478B1; DK3309478T3; ES2730555T3; EP3309478A1; PL3309478T3

Abstract

Ein Verfahren zum Betreiben eines Kältekreislaufs (K) mit mindestens folgenden, in Strömungsrichtung eines Kältemittels aufeinander folgenden Bauteilen: – einem wärmeabgebenden Wärmeübertrager (1), – einem Drosselorgan (2), – einem wärmeaufnehmenden Wärmeübertrager (3), – einem Verdichter (4), wobei der Öffnungsgrad des Drosselorgans (2) anhand eines Sollwerts für eine Temperatur am Austritt des wärmeaufnehmenden Wärmeüberträgers (3) geregelt wird, soll einerseits hinsichtlich der Reduzierung des Energieverbrauchs und andererseits hinsichtlich des Schutzes des Verdichters im Betrieb weiter verbessert werden. Dazu wird der Sollwert anhand des Drucks am Eintritt des Verdichters (4) und anhand des Drucks am Austritt des Verdichters (4) im Betrieb kontinuierlich angepasst.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Kältekreislaufs mit mindestens folgenden, in Strömungsrichtung eines Kältemittels aufeinander folgenden Bauteilen:

– einem wärmeabgebenden Wärmeübertrager,
– einem Drosselorgan,
– einem wärmeaufnehmenden Wärmeübertrager,
– einem Verdichter,

Ein Kältekreislauf ist ein System, das dazu dient, eine Einrichtung auf ein gewünschtes Maß abzukühlen, beispielsweise eine Kühltruhe für Lebensmittel. Ein Kältemittel, das in dem geschlossenen Kreislauf bewegt wird, erfährt nacheinander verschiedene Aggregatzustandsänderungen: Das gasförmige Kältemittel wird zunächst durch einen Verdichter komprimiert. Im folgenden Wärmeübertrager kondensiert es unter Wärmeabgabe. Anschließend wird das flüssige Kältemittel aufgrund der Druckänderung über ein Drosselorgan, zum Beispiel ein Expansionsventil oder ein Kapillarrohr, entspannt. Im nachgeschalteten zweiten Wärmeüberträger (Verdampfer) verdampft das Kältemittel unter Wärmeaufnahme bei niedriger Temperatur (Siedekühlung). Der Kreislauf kann nun von vorne beginnen. Der Prozess muss von außen durch Zufuhr von mechanischer Arbeit (Antriebsleistung) über den Verdichter in Gang gehalten werden.
Bei derartigen Kältekreisläufen ist es bekannt, Drosselorgane mit steuerbarem Öffnungsgrad einzusetzen, um die dem wärmeaufnehmenden Wärmeüberträger zugeführte Kältemittelmenge zu steuern und den Wärmeaustausch im wärmeaufnehmenden Wärmeüberträger je nach vorliegender Außentemperatur energetisch zu optimieren. Der Öffnungsgrad wird hierbei in der Regel anhand der Austrittstemperatur des Kältemittels nach dem wärmeaufnehmendem Wärmeüberträger geregelt, wofür ein entsprechender Sollwert vorgegeben wird. Hierbei sollte jedoch vermieden werden, dass flüssiges Kühlmittel in den nachgeschalteten Verdichter gelangt.
Die EP 1856458 B1 schlägt hierzu vor, die Temperatur des Kältemittels am Eintritt des Verdichters zu messen, anhand dieser Temperatur kontinuierlich einen vergleichsweise sicheren Sollwert zu bestimmen und im Betrieb kontinuierlich diesen Sollwert für die Regelung nachzuführen.
Davon ausgehend ist es Aufgabe der Erfindung, ein eingangs genanntes Verfahren und einen Kältekreislauf anzugeben, die einerseits hinsichtlich der Reduzierung des Energieverbrauchs und andererseits hinsichtlich des Schutzes des Verdichters im Betrieb weiter verbessert sind.
Hinsichtlich des Verfahrens wird die Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass der Sollwert anhand des Drucks am Eintritt des Verdichters und anhand des Drucks am Austritt des Verdichters im Betrieb kontinuierlich angepasst wird.
Hinsichtlich des Kältekreislaufs wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass die Regelungseinrichtung dateneingangsseitig mit einem Drucksensor am Eintritt des Verdichters und mit einem Drucksensor am Austritt des Verdichters verbunden ist und dafür ausgebildet ist, den Sollwert anhand des Drucks an den Drucksensoren im Betrieb kontinuierlich anzupassen.
Die Erfindung geht dabei von der Überlegung aus, dass eine weitere Reduzierung des Energieverbrauchs bei gleichzeitigem Schutz des Verdichters möglich wäre, wenn genauere Rückschlüsse hinsichtlich der Verdichtung des Kältemittels im Verdichter möglich wären. Hierbei hat sich herausgestellt, dass insbesondere der Druck des Kältemittels am Austritt des Verdichters im Vergleich mit dem Druck des Kältemittels am Eintritt des Verdichters besonders gute Rückschlüsse auf die Verdichtung ermöglichen. Die Kombination beider Größen vermag daher – ggf. besser als die Temperatur allein – besonders exakte Rückschlüsse auf die Verdichtung des Kältemittels zuzulassen. Dies ist zwar mit konstruktiv höherem Aufwand verbunden, ermöglicht aber eine bessere Kontrolle der Zustände im Verdichter. Wird die Anpassung des Sollwerts des Drosselorgans vor dem wärmeaufnehmenden Wärmeüberträger daher mittels einer Kombination dieser beiden Größen durchgeführt, lässt sich ein noch reduzierterer Energieverbrauch bei gleichzeitig optimalem Schutz des Verdichters erzielen.
In vorteilhafter Ausgestaltung des Verfahrens wird der Sollwert weiterhin anhand der Temperatur am Austritt des Verdichters angepasst. Bezüglich des Kältekreislaufs ist vorteilhafterweise die Regelungseinrichtung weiterhin dateneingangsseitig mit einem Temperatursensor am Austritt des Verdichters verbunden und weiterhin dafür ausgebildet, den Sollwert anhand des Drucks an den Drucksensoren im Betrieb kontinuierlich anzupassen. Dies ermöglicht noch bessere Rückschlüsse auf die Verdichtung und einen noch besseren Schutz des Verdichters.
In einer ersten vorteilhaften Ausgestaltung des Kältekreislaufs umfasst dieser einen internen Wärmeüberträger, dessen kühle Seite in Strömungsrichtung des Kältemittels zwischen wärmeaufnehmendem Wärmeüberträger und Verdichter angeordnet ist, und dessen warme Seite zwischen wärmeabgebendem Wärmeüberträgerund Drosselorgan angeordnet ist.
In einer zweiten zusätzlichen oder alternativen Ausgestaltung des Kältekreislaufs umfasst dieser einen zweiten wärmeaufnehmenden Wärmeüberträger und einen in Strömungsrichtung des Kältemittels folgenden zweiten Verdichter, wobei der zweite Verdichter einen geringeren Betriebsdruck als der erste Verdichter aufweist und austrittsseitig zwischen dem ersten wärmeaufnehmenden Wärmeüberträger und dem ersten Verdichter mündet.
Vorteilhafterweise umfasst der Kältekreislauf dabei einen zweiten internen Wärmeüberträger, dessen kühle Seite in Strömungsrichtung des Kältemittels zwischen zweitem wärmeaufnehmendem Wärmeüberträger und zweitem Verdichter angeordnet ist, und dessen warme Seite zwischen wärmeabgebendem Wärmeüberträger und Drosselorgan angeordnet ist.
In weiterer zusätzlicher oder alternativer vorteilhafter Ausgestaltung ist der Kältekreislauf dazu ausgebildet, mit Kältemittel in zumindest zeitweise überkritischem Zustand betrieben zu werden, wobei der wärmeabgebende Wärmeüberträger dazu ausgebildet ist, als Gaskühler oder Verflüssiger zu arbeiten, und der Kältekreislauf ein zweites Drosselorgan aufweist, welches in Strömungsrichtung nach der warmen Seite des internen Wärmeüberträgers angeordnet ist. Bezüglich des Verfahrens wird vorteilhafterweise das Kältemittel im Betrieb zumindest zeitweise in einen überkritischen Zustand gebracht.
Vorteilhafterweise ist das Kältemittel Kohlenstroffdioxid.
Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, dass durch die Ermittlung eines Sollwerts für die Regelung des Drosselventils in einem Kältekreislauf auf Basis zumindest des Druckes vor und nach dem Verdichter eine besonders genaue Kenntnis der Parameter der Verdichtung erreicht und damit eine noch weitere Reduzierung des Energieverbrauchs bei Schutz des Verdichters erreicht wird.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand von Zeichnungen näher erläutert. Darin zeigen:
1 einen ersten Kältekreislauf,
2 einen zweiten Kältekreislauf mit internem Wärmeüberträger,
3 einen dritten Kältekreislauf mit zweitem Wärmeüberträger und Verdichter auf niedrigerem Druckniveau,
4 einen vierten Kältekreislauf, der für einen überkritischen Betrieb ausgelegt ist,
5 einen fünften Kältekreislauf mit internem Wärmeüberträger und zweitem Wärmeüberträger und Verdichter auf niedrigerem Druckniveau, und
6 einen sechsten Kältekreislauf mit zwei internen Wärmeüberträgern und zweitem Wärmeüberträger und Verdichter auf niedrigerem Druckniveau, der für einen überkritischen Betrieb ausgelegt ist.
Gleiche Teile sind in allen Zeichnungen mit denselben Bezugszeichen versehen.
1 zeigt einen ersten Kältekreislauf K. Der Kältekreislauf K umfasst in Strömungsrichtung des Kältemittels (in der Zeichnung gegen den Uhrzeigersinn) aufeinander folgend einen wärmeabgebenden Wärmeübertrager 1, ein Drosselorgan 2, einen wärmeaufnehmenden Wärmeübertrager 3 und einen Verdichter 4. Der Öffnungsgrad des Drosselorgans 2 wird anhand eines Sollwerts für die Temperatur am Austritt des wärmeaufnehmenden Wärmeüberträgers 3 geregelt. Hierfür weist der wärmeaufnehmende Wärmeübertrager 3 einen austrittseitigen Temperatursensor 3.1 auf. Eine Regelungseinrichtung 8 ist dateneingangsseitig mit dem Temperatursensor 3.1 verbunden und dafür ausgebildet, den Öffnungsgrad des Drosselorgans 2 anhand eines Sollwerts für die Temperatur am Temperatursensor 3.1 zu regeln.
Hierbei soll einerseits ein besonders geringer Energieverbrauch des Gesamtsystems erreicht werden, andererseits der Verdichter vor Eintritt von flüssigem Kältemittel geschützt werden. Dazu ist die Regelungseinrichtung 8 dateneingangsseitig mit einem Drucksensor 5 am Eintritt des Verdichters 4, einem Drucksensor 6 am Austritt des Verdichters 4 und einem Temperatursensor 7 am Austritt des Verdichters 4 verbunden. Die Regelungseinrichtung 8 ist zudem dafür ausgebildet, den Sollwert anhand des Drucks an den Drucksensoren 5, 6 und der Temperatur am Temperatursensor 7 im Betrieb kontinuierlich anzupassen. Der Sollwert wird also anhand eines vorbestimmten Algorithmus aus den genannten Eingangsdaten kontinuierlich bestimmt und angepasst.
Der Kältekreislauf K gemäß 2 unterscheidet sich vom Kältekreislauf K gemäß 1 lediglich dadurch, dass er zusätzlich einen internen Wärmeüberträger 9 umfasst, dessen kühle Seite 9.1 in Strömungsrichtung des Kältemittels zwischen wärmeaufnehmendem Wärmeüberträger 3 und Verdichter 4 angeordnet ist, und dessen warme Seite 9.2 zwischen wärmeabgebendem Wärmeüberträger 1 und Drosselorgan 2 angeordnet ist.
Der Kältekreislauf K gemäß 3 unterscheidet sich vom Kältekreislauf K gemäß 1 lediglich dadurch, dass er zusätzlich einen zweiten wärmeaufnehmenden Wärmeüberträger 10 und einen in Strömungsrichtung des Kältemittels folgenden zweiten Verdichter 11 umfasst. Dem zweiten wärmeaufnehmenden Wärmeüberträger 10 ist ein zweites Drosselorgan 2 vorgeschaltet, das dem wärmeabgebenden Wärmeüberträger 1 parallel zum ersten Drosselorgan 2 nachgeschaltet ist und dessen Öffnungsgrad anhand einer Regelung mit einem Temperatursollwert an einer Temperaturmesseinrichtung 10.1 nach dem Wärmeüberträger 10 gesteuert wird. Auch der Sollwert für diese Regelung wird anhand der o.g. Eingangsdaten kontinuierlich ermittelt, muss aber nicht notwendigerweise derselbe Sollwert wie der für das erste Drosselorgan 2 vor den Wärmeüberträger 3 sein. Der zweite Verdichter 11 weist einen geringeren Betriebsdruck als der erste Verdichter 4 auf und mündet austrittsseitig zwischen dem ersten wärmeaufnehmenden Wärmeüberträger 3 und dem ersten Verdichter.
Der Kältekreislauf (K) gemäß 4 unterscheidet sich vom Kältekreislauf nach 2 lediglich dadurch, dass er dazu ausgebildet ist, mit Kältemittel in zumindest zeitweise überkritischem Zustand betrieben zu werden. Das Kältemittel kann hierbei Kohlenstoffdioxid sein. Der wärmeabgebende Wärmeüberträger 1 ist hierfür dazu ausgebildet ist, als Gaskühler oder Verflüssiger zu arbeiten, und der Kältekreislauf K weist ein zweites Drosselorgan 12 auf, welches in Strömungsrichtung nach der warmen Seite 9.2 des internen Wärmeüberträgers 9 angeordnet ist.
Der Kältekreislauf K gemäß 5 verbindet die zusätzlichen Merkmale des Kältekreislaufs K aus 2 und 3. Der interne Wärmeüberträger 13 ist derart angeordnet, dass seine kühle Seite 13.1 in Strömungsrichtung des Kältemittels zwischen wärmeaufnehmendem Wärmeüberträger 10 und Verdichter 11 angeordnet ist, und dass seine warme Seite 13.2 zwischen wärmeabgebendem Wärmeüberträger 1 und Drosselorgan 2 angeordnet ist. Der interne Wärmeüberträger 13 ist somit im parallelen Leitungssystem mit geringerem Druckbereich angeordnet.
Der Kältekreislauf K gemäß 6 verbindet schließlich die zusätzlichen Merkmale der Kühlkreisläufe K aus 4 und 5. Er umfasst zwei interne Wärmeüberträger 9, 13. Die kühle Seite 9.1 des ersten internen Wärmeüberträgers 9 ist in Strömungsrichtung des Kältemittels zwischen erstem wärmeaufnehmendem Wärmeüberträger 3 und erstem Verdichter 4 angeordnet. Die kühle Seite 13.1 des zweiten internen Wärmeüberträgers 13 ist in Strömungsrichtung des Kältemittels zwischen zweitem wärmeaufnehmendem Wärmeüberträger 10 und zweitem Verdichter 11 angeordnet. Für die warmen Seiten 9.2, 13.2 gilt: In Strömungsrichtung folgt nach dem wärmeabgebenden Wärmeüberträger 1 zunächst die warme Seite 9.2 des ersten internen Wärmeüberträgers 9, dann das zusätzliche Drosselorgan 12, und dann die warme Seite 13.2 des zweiten internen Wärmeüberträgers 13. Anschließend teilt sich das Leitungssystem in die beiden parallelen Kanäle mit den Drosselorganen 2.
Bezugszeichenliste

1: wärmeabgebender Wärmeüberträger
2: Drosselorgan
3: wärmeaufnehmender Wärmeüberträger
3.1: Temperatursensor
4: Verdichter
5, 6: Drucksensor
7: Temperatursensor
8: Regelungseinrichtung
9: interner Wärmeüberträger
9.1: kühle Seite
9.2: warme Seite
10: wärmeaufnehmender Wärmeüberträger
10.1: Temperatursensor
11: Verdichter
12: Drosselorgan
13: interner Wärmeüberträger
13.1: kühle Seite
13.2: warme Seite
K: Kältekreislauf

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 1856458 B1 [0004]

Claims

Verfahren zum Betreiben eines Kältekreislaufs (K) mit mindestens folgenden, in Strömungsrichtung eines Kältemittels aufeinander folgenden Bauteilen: – einem wärmeabgebenden Wärmeübertrager (1), – einem Drosselorgan (2), – einem wärmeaufnehmenden Wärmeübertrager (3), – einem Verdichter (4), wobei der Öffnungsgrad des Drosselorgans (2) anhand eines Sollwerts für eine Temperatur am Austritt des wärmeaufnehmenden Wärmeüberträgers (3) geregelt wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Sollwert anhand des Drucks am Eintritt des Verdichters (4) und anhand des Drucks am Austritt des Verdichters (4) im Betrieb kontinuierlich angepasst wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Sollwert weiterhin anhand der Temperatur am Austritt des Verdichters (4) angepasst wird.
Verfahren nach einem der Anspruch 1 oder 2, wobei das Kältemittel im Betrieb zumindest zeitweise in einen überkritischen Zustand gebracht wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei Kohlenstroffdioxid als Kältemittel verwendet wird.
Kältekreislauf (K) mit mindestens folgenden, in Strömungsrichtung eines Kältemittels aufeinander folgenden Bauteilen: – einem wärmeabgebenden Wärmeübertrager (1), – einem Drosselorgan (2), – einem wärmeaufnehmenden Wärmeübertrager (3) mit austrittseitigem Temperatursensor (3.1), – einem Verdichter (4), wobei der Kältekreislauf (K) eine Regelungseinrichtung (8) aufweist, die dateneingangsseitig mit dem Temperatursensor (3.1) verbunden ist und dafür ausgebildet ist, den Öffnungsgrad des Drosselorgans (2) anhand eines Sollwerts für eine Temperatur am Temperatursensor (3.1) zu regeln, dadurch gekennzeichnet, dass die Regelungseinrichtung (8) dateneingangsseitig mit einem Drucksensor (5) am Eintritt des Verdichters (4) und mit einem Drucksensor (6) am Austritt des Verdichters (4) verbunden ist und dafür ausgebildet ist, den Sollwert anhand des Drucks an den Drucksensoren (5, 6) im Betrieb kontinuierlich anzupassen.
Kältekreislauf (K) nach Anspruch 5, wobei die Regelungseinrichtung (8) weiterhin dateneingangsseitig mit einem Temperatursensor (7) am Austritt des Verdichters (4) verbunden ist und weiterhin dafür ausgebildet ist, den Sollwert anhand des Drucks an den Drucksensoren (5, 6) im Betrieb kontinuierlich anzupassen.
Kältekreislauf (K) nach Anspruch 5 oder 6, umfassend einen internen Wärmeüberträger (9), dessen kühle Seite (9.1) in Strömungsrichtung des Kältemittels zwischen wärmeaufnehmendem Wärmeüberträger (3) und Verdichter (4) angeordnet ist, und dessen warme Seite (9.2) zwischen wärmeabgebendem Wärmeüberträger (1) und Drosselorgan (2) angeordnet ist.
Kältekreislauf (K) nach einem der Ansprüche 5 bis 7, umfassend einen zweiten wärmeaufnehmenden Wärmeüberträger (10) und einen in Strömungsrichtung des Kältemittels folgenden zweiten Verdichter (11), wobei der zweite Verdichter (11) einen geringeren Betriebsdruck als der erste Verdichter (4) aufweist und austrittsseitig zwischen dem ersten wärmeaufnehmenden Wärmeüberträger (3) und dem ersten Verdichter (4) mündet.
Kältekreislauf (K) nach Anspruch 8, umfassend einen zweiten internen Wärmeüberträger (13), dessen kühle Seite (13.1) in Strömungsrichtung des Kältemittels zwischen zweitem wärmeaufnehmendem Wärmeüberträger (10) und zweitem Verdichter (11) angeordnet ist, und dessen warme Seite (13.2) zwischen wärmeabgebendem Wärmeüberträger (1) und Drosselorgan (2) angeordnet ist.
Kältekreislauf (K) nach zumindest Anspruch 7, der dazu ausgebildet ist, mit Kältemittel in zumindest zeitweise überkritischem Zustand betrieben zu werden, wobei der wärmeabgebende Wärmeüberträger (1) dazu ausgebildet ist, als Gaskühler oder Verflüssiger zu arbeiten, und der Kältekreislauf (K) ein zweites Drosselorgan (12) aufweist, welches in Strömungsrichtung nach der warmen Seite (9.2) des internen Wärmeüberträgers (9) angeordnet ist.
Kältekreislauf (K) nach Anspruch 10, wobei das Kältemittel Kohlenstoffdioxid ist.