DE102018114762A1 - Verfahren zum Betreiben einer Klimaanlage eines Kraftfahrzeuges - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Klimaanlage (1) eines Kraftfahrzeuges, wobei die Klimaanlage (1) einen Kältemittelkreislauf (2) und einen Wasserkreislauf (3) aufweist, welche über einen Kondensator/Gaskühler (5) thermisch miteinander gekoppelt sind. Der Wasserkreislauf (3) weist neben einer Pumpe (8) einen Heizungswärmeübertrager (9) zur Erwärmung von Luft (10) für die Fahrzeugkabine eines Fahrzeuges und der Kältemittelkreislauf (2) einen Verdichter (4), ein Expansionsorgan (6) und einen Verdampfer (7) auf. Das Verfahren ist insbesondere dadurch gekennzeichnet, dass der Wasserkreislauf (3) den Kondensator/Gaskühler (5) mit einem niedrigen Volumenstrom und einer hohen Temperaturdifferenz derart durchströmt, dass der Wasserkreislauf (3) Wärme im Heizungswärmeübertrager (9) an die Luft (10) in einem ähnlichen Temperaturbereich überträgt, wobei der Kältemittelkreislauf (3) von 65°C bis 70°C auf -10°C bis +30°C abgekühlt und der Wasserkreislauf (3) auf eine Temperatur von 55 °C bis 65 °C angehoben wird und dass eine Anpassung des Temperaturverlaufes des Wasserkreislaufes (3) an den Temperaturverlauf des Kältemittelkreislaufes (2) im Kondensator/Gaskühler (5) unter Nutzung eines Temperaturgleits des Kältemittels erfolgt, wobei das Kältemittel stark abgekühlt wird.
Description
- Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Klimaanlage eines Kraftfahrzeuges. Unter einer Klimaanlage im weiteren Sinne wird eine Vorrichtung verstanden, welche die Luft in der Fahrgastzelle des Kraftfahrzeuges konditioniert. Die Luft wird in der Klimaanlage somit erwärmt oder gekühlt und gegebenenfalls wird auch die Luftfeuchtigkeit angepasst.
Eine Klimaanlage nach der Erfindung ist im engeren Sinne an zukünftige Fahrzeugapplikationen, speziell mit elektromotorischem oder elektrochemischen Antrieb angepasst und beinhaltet insbesondere Heizsysteme. Dies ist von besonderer Bedeutung, da das Wärmemanagement in modernen Fahrzeugen mit derartigen Antrieben im Vergleich zu konventionellen Fahrzeugen mit Verbrennungskraftmotoren sich dahingehend unterscheiden, dass bei den modernen Antrieben in aller Regel Abwärme zur Beheizung der Fahrgastzelle nicht auf dem hohen Temperaturniveau der Abwärme von Verbrennungskraftmaschinen zur Verfügung steht. Somit sind Kältemittelkreisläufe als Wärmepumpen als Komponenten oder Schaltungsvarianten der Klimaanlagen im Sinne der Erfindung enthalten. - In zukünftigen Klimaanlagen werden zudem in den Kältemittelkreisläufen Kältemittel wie R1234yf oder R744 mit über- und unterkritischem Prozess verstärkt eingesetzt, um die Umweltrestriktionen zu erfüllen. Die genannten Kältemittel sind für die Verwendung in Abhängigkeit von der Anwendung in Kreisläufen zum Kühlen und Heizen der Fahrzeuge grundsätzlich geeignet, jedoch sind stoffspezifische Eigenschaften zu beachten.
Beispielsweise eignet sich R744, Kohlendioxid, insbesondere zur Erwärmung von Medien über einen großen Temperaturgleit. Dabei werden die als Wärmeträger eingesetzten Medien beispielsweise von 10 auf 60 °C, von 20 auf 50 °C oder auch von 30 auf 60 °C erwärmt. Entscheidend für die Leistung und die Effizienz bei Kreisläufen mit Kohlendioxid als Kältemittel ist die Temperatur des Kohlendioxids vor der Entspannung. Liegt diese Temperatur oberhalb von 40 °C, nimmt die Leistungsfähigkeit des Systems ab, die Effizienz sinkt deutlich. - Die Temperatur im Kältemittelkreislauf wird maßgeblich durch den Gaskühler beziehungsweise den Kondensator bestimmt, der in der ersten Reihe des Kühlpaketes im Kühlbetrieb beziehungsweise als zusätzlicher Heizer im Klimagerät angeordnet ist und welcher durch kalte Umgebungsluft beaufschlagt und gekühlt wird. Ein Kreislauf mit R744 als Kältemittel kann von seinen Randbedingungen her auch konventionell annähernd optimal betrieben werden.
- Ein weiterer wichtiger Aspekt besteht darin, dass in verschiedenen Fahrzeugmodellen der Gaskühler/Kondensator des Kältemittelkreislaufes nicht mehr in der ersten Reihe des Wärmeübertragers zur Kühlung angeordnet ist, um zum Beispiel in Elektrofahrzeugen die Leistungselektronik beziehungsweise in einigen Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor die Ladeluft besser kühlen zu können. Daraus folgt, dass der Gaskühler/Kondensator in die zweite Reihe des Wärmeübertragers versetzt wird und die Kühlung des Kältemittels nicht mehr optimal ist. Dies hat insbesondere für R744 hinsichtlich Effizienz und Leistung einen großen Einfluss und wirkt sich auch bei dem Kältemittel R1234yf im Hinblick auf Drucklage und Leistung negativ aus.
- Im Stand der Technik wird diesem Umstand dadurch Rechnung getragen, dass man wassergekühlte Kondensatoren/Gaskühler einsetzt, die parallel durchströmt, das gleiche Kühlwasser wie die Leistungselektronik beziehungsweise die Ladeluft erhalten. Besonders interessant ist dies in Elektrofahrzeugen, da es nur einen Wärmeübertrager gibt, der im Kontakt mit der Umgebung ist. Die gesamte Restwärme der verschiedenen Wärmequellen wird im Fahrzeug gesammelt und bei Überschuss an die Umgebung abgegeben. Ansonsten kann diese Restwärme zum Heizen des Innenraums oder als Wärmequelle für die Wärmepumpe verwendet werden.
- Weiterhin ist aus dem Stand der Technik bekannt, dass auch bei Elektrofahrzeugen in einigen Fällen nicht direkt mit dem Kältemittel geheizt wird, sondern weiterhin mit einem Heizungswärmeübertrager, der in den Wasserkreislauf mit einem Wasser-Glykol-Gemisch betrieben wird. Dabei durchströmt das Wasser den Heizungswärmeübertrager mit einem hohen Volumenstrom und einer geringen Temperaturdifferenz. Der Temperaturbereich liegt nach der Aufheizphase des Wasserkreislaufes im optimalen Bereich von 50 bis 60 °C. Dies bedeutet für den Betrieb einer Wärmepumpe, dass die Temperatur des Kältemittels nach der Erwärmung des Wassers zuzüglich der Grädigkeit ungefähr in dem genannten Temperaturbereich liegt. Es folgt daraus eine sehr schlechte Effizienz für das Kältemittel R744.
- Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren zum Betreiben einer Klimaanlage zur Verfügung zu stellen, welche eine hohe Effizienz des Kältemittelkreislaufes ermöglicht. Es ist somit Aufgabe der Erfindung, den Kreislauf derartig zu verbessern, dass der effiziente Betrieb des Kältemittelkreislaufes, insbesondere der Wärmepumpe, möglich ist.
- Die Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Weiterbildungen sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.
- Die Konzeption der Erfindung besteht darin, dass die Temperatur des Kältemittels vor der Entspannung bei -20 bis +30 °C und damit deutlich unterhalb des üblichen Temperaturbereichs von +30 bis 50 °C liegt. Der gewählte Temperaturbereich ist zwar prinzipiell mit kalter Luft zur Kühlung erreichbar, jedoch ist dies bei gattungsgemäßen Klimaanlagen mit Wasserkreislauf im Stand der Technik schwer beziehungsweise nicht zu realisieren. Der Temperaturbereich vor der Verdampfung hat auch einen signifikanten Einfluss auf das Druckniveau des transkritischen Kreisprozesses bei R744 beispielsweise.
Eine weitere grundlegende Erkenntnis der Erfindung liegt darin, dass durch die Anpassung des Temperaturverlaufs des Wasserkreislaufes an den Temperaturverlauf des Kältemittelkreislaufes eine deutliche Effizienzverbesserung möglich ist. Dies wird dadurch erreicht, dass der Heizungswärmeübertrager nicht mehr mit einem hohen Volumenstrom bei einer geringen Temperaturdifferenz, sondern mit einem geringen Volumenstrom mit einer hohen Temperaturdifferenz betrieben wird. Dadurch kann das Kältemittel, insbesondere R744 oder auch R1234yf, auf eine entsprechende Temperatur abgekühlt werden. Der Luft-Wasser-Wärmeübertrager, somit der Heizungswärmeübertrager, wird ebenso wie der Kältemittel-Wasser-Wärmeübertrager, der Kondensator/Gaskühler, bevorzugt im Gegenstrom beziehungsweise Kreuzgegenstrom ausgelegt und betrieben.
Bei dem Luft-Wasser-Wärmeübertrager des Wasserkreislaufes, dem Heizungswärmeübertrager, kann die Luft über mehrere hintereinander geschaltete Wärmeübertragersegmente des Wassers strömen.
Im Kältemittelkreislauf können in Abhängigkeit des verwendeten Kältemittels weiterhin ein innerer Wärmeübertrager, gegebenenfalls mehrere Verdichter, mehrere Kondensatoren/Gaskühler, Rückschlagventile, Abschaltventile, thermische Expansionsventile und elektrische Expansionsventile, Orifice und seriell oder parallel geschaltete Verdampfer angeordnet werden.
Bevorzugt kann der Wasserkreislauf zur Verringerung der Ventile hydraulisch abgestimmt sein.
Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung besteht darin, dass die Drehzahl der Wasserpumpe und des Kältemittelverdichters geregelt ausgeführt ist. - Die Erfindung wird insbesondere durch ein Verfahren zum Betreiben einer Klimaanlage eines Kraftfahrzeuges realisiert, wobei die Klimaanlage einen Kältemittelkreislauf und einen Wasserkreislauf aufweist.
Der Kältemittelkreislauf und der Wasserkreislauf sind über einen Fluid/Fluid-Wärmeübertrager, den Kondensator/Gaskühler, thermisch miteinander gekoppelt, wobei vom Kältemittel auf der einen Seite Wärme auf das Wasser, also vom Kältemittel- auf den Wasserkreislauf, übertragen wird.
Der Wasserkreislauf weist neben einer Pumpe einen Heizungswärmeübertrager zur Erwärmung von Luft für die Fahrzeugkabine des Fahrzeuges auf. Der Kältemittelkreislauf besitzt weiterhin die üblichen Komponenten für einen Kaltdampfprozess, wie den Verdichter, ein Expansionsorgan und einen Verdampfer.
Die Erfindung ist nun insbesondere dadurch gekennzeichnet, dass der Wasserkreislauf den Kondensator/Gaskühler mit einem niedrigen Volumenstrom und einer hohen Temperaturdifferenz derart durchströmt, dass der Wasserkreislauf Wärme im Heizungswärmeübertrager an die Luft in einem ähnlichen Temperaturbereich überträgt. Der Kältemittelkreislauf wird von 65 bis 70 °C auf -10 bis +30 °C abgekühlt und der Wasserkreislauf auf eine Temperatur von 55 °C bis 65 °C angehoben, wobei eine Anpassung des Temperaturverlaufes des Wasserkreislaufes an den Temperaturverlauf des Kältemittelkreislaufes im Kondensator/Gaskühler unter Nutzung eines Temperaturgleits des Kältemittels erfolgt. Das Kältemittel wird dabei stark abgekühlt. - Bevorzugt wird der Wasserkreislauf mit einer Durchflussrate von 1 kg pro Stunde bis 540 kg pro Stunde betrieben.
- Besonders bevorzugt wird der Kältemittelkreislauf mit dem Kältemittel R744, Kohlendioxid, oder alternativ mit dem Kältemittel R1234yf betrieben.
- Vorteilhaft wird der Kältemittelkreislauf mit einem Kältemittelmassenstrom von 10 bis 300 kg pro Stunde beim Kältemittel R744 betrieben.
- Die Drehzahl der Pumpe des Wasserkreislaufes wird dabei kontinuierlich in Abhängigkeit der Umgebungstemperatur und der zur Verfügung stehenden Leistung der Wärmequelle geregelt.
- Vorteilhaft wird der Wasserkreislauf mit einem Wasser-Glykol-Gemisch betrieben.
- Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung bestehen darin, dass der Kältemittelkreislauf mit einem inneren Wärmeübertrager und gegebenenfalls mehreren Verdichtern und/oder mehreren Kondensatoren/Gaskühlern sowie mehreren Verdampfern betrieben wird.
- Die Heizungswärmeübertrager und/oder der Kondensator/Gaskühler werden bevorzugt im Gegenstrom oder Kreuzstrom durchströmt.
- Der Heizungswärmeübertrager wird vorteilhaft derart ausgeführt, dass die zu beheizende Luft über mehrere hintereinander geschaltete Wärmeübertragersegmente gefördert wird. Bei dieser mehrreihigen Ausführung wird die zu erwärmende Luft auf eine hohe Temperatur erwärmt und das Kältemittel kann andererseits auf eine relativ tiefe Temperatur bevorzugt im Gegen- und Kreuzstrom ausgekühlt werden.
- Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird als Einstellparameter zur Leistung der Wärmepumpe hinsichtlich Heiz- aber auch Wärmequellenleistung der Hochdruck sowie der Volumenstrom des Wassers verwendet.
- Ein herausragender Vorteil der Erfindung besteht in der signifikanten Verbesserung der Effizienz des Kreislaufes, insbesondere in der Wärmepumpenanwendung. Die Vorteile werden besonders spürbar bei der Verwendung von R744 als Kältemittel, lassen sich aber auch bei R1234yf oder Kältemitteln mit ähnlichem thermodynamischen Eigenschaften realisieren.
- Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile von Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen mit Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen. Es zeigen:
-
1 : Prinzipschaltbild einer Klimaanlage nach der Erfindung, -
2a : Log(p), h-Diagramm eines konventionellen Kälteprozesses mit R744 als Kältemittel bei transkritischer Prozessführung, -
2b : Log(p), h-Diagramm nach dem erfindungsgemäßen Verfahren mit R744 als Kältemittel bei transkritischer Prozessführung, -
3 : Prinzipschaltbild einer multifunktionellen Klimaanlage, -
4a : Log(p), h-Diagramm für R744, -
4b : T-S-Diagramm für das Kältemittel R744, -
5a : Log(p), h-Diagramm für das Kältemittel R1234yf, -
5b : T-S-Diagramm für das Kältemittel R1234yf, -
6 : Prinzipschaltbild einer Ausführungsform einer Klimaanlage und -
7 : Steuer- und Regeleinrichtung für eine Klimaanlage. - In
1 ist eine Klimaanlage gezeigt, welche im Wesentlichen aus zwei Hauptkomponenten aufgebaut ist, dem Kältemittelkreislauf2 und dem Wasserkreislauf3 .
Der Kältemittelkreislauf2 weist mindestens einen Verdichter4 , einen Kondensator/Gaskühler5 , ein Expansionsorgan6 sowie einen Verdampfer7 als Basiskomponenten des Kreislaufes, wie üblich und im Stand der Technik bekannt, auf. Darüber hinaus sind, in Abhängigkeit des verwendeten Kältemittels und gegebenenfalls zusätzlicher Anforderungen mehrere Verdichter4 , Expansionsorgane6 oder auch Verdampfer7 prinzipiell einsetzbar und ergänzbar, wobei der Gaskühler/Kondensator5 funktionsgemäß die thermische Kopplung zum Wasserkreislauf3 darstellt.
Der Wasserkreislauf3 weist eine Pumpe8 für die Zirkulation des Kreislaufes und den Heizungswärmeübertrager9 auf, welcher in der Belüftungsanlage des Fahrzeuges integriert ist und über welchen die Erwärmung der Luft10 der Fahrgastzelle erfolgt. Die thermische Kopplung des Kältemittelkreislaufes2 und des Wasserkreislaufes3 erfolgt über einen Wärmeübertrager, der seiner Funktion nach im Kältemittelkreislauf2 als Kondensator/Gaskühler5 bezeichnet wird. Die Wärme aus dem Kältemittelkreislauf2 wird über den Kondensator/Gaskühler5 an den Wasserkreislauf3 abgegeben, wonach das erwärmte Wasser im Heizungswärmeübertrager9 die Wärme an die Luft10 zur Erwärmung der Fahrgastzelle des Fahrzeuges abgibt.
Der Kältemittelkreislauf zeigt als Messpunkte mit den Bezugszeichen11 den Kältemittel-Ansaugzustand vor der Verdichtung, mit dem Bezugszeichen12 den Kältemittel-Verdichtungsendzustand nach der Verdichtung des Kältemittels, mit dem Bezugszeichen13 den Kältemittel-Hochdruckzustand vor der Expansion und mit dem Bezugszeichen14 den Kältemittel-Niederdruckzustand nach der Expansion. Diese Punkte sind, wie nachfolgend in weiteren Figuren erläutert, die Zustandspunkte in den Zustandsdiagrammen für das Kältemittel. - In
2a ist ein Log(p), h-Diagramm für R744 als Kältemittel und ein transkritisches Verfahren nach dem Stand der Technik dargestellt und wird mit Bezug auf1 nachfolgend beschrieben. Die Isotherme von t = 50 °C verläuft durch den Punkt13 , den Kältemittel-Hochdruckzustand vor der Expansion. Damit weist das Kältemittel nach dem Gaskühler5 eine Temperatur von 50 °C auf und wird auf den Niederdruck von90 auf20 bar zum Punkt14 expandiert, dem Kältemittel-Niederdruckzustand nach der Expansion. Im Verdampfer7 und mit leichter Überhitzung nimmt das Kältemittel verdampfend Energie auf und wird schließlich vom Punkt11 , dem Kältemittel-Ansaugzustand vor der Verdichtung, zum Punkt12 , dem Kältemittel-Verdichtungsendzustand nach der Verdichtung, im Verdichter4 auf Hochdruck verdichtet. - Zum Vergleich der Prozessführungen ist in
2b ein Log(p), h-Diagramm nach der Erfindung schematisch dargestellt. Das Druckniveau ist mit dem Verfahren aus2a gleich gewählt, um die Prozesse vergleichen zu können. Die Zustandspunkte für die Temperaturen jedoch sind durch die erfindungsgemäßen Veränderungen in der Prozessführung abweichend zum Stand der Technik. Insbesondere ist der Punkt13 , der Kältemittel-Hochdruckzustand vor der Expansion, also dem Zustand des Kältemittels nach dem Gaskühler5 von der Temperatur auf 30 °C verringert. Die Expansion erfolgt wie gehabt nach Punkt14 , dem Kältemittel-Niederdruckzustand nach der Expansion. Da Punkt14 im Prozess weiter links liegt im Vergleich zu2a ist eine Erhöhung der Enthalpie-Differenz von Punkt14 zu Punkt11 im Zustandsdiagramm sichtbar. Damit steigt die nutzbare Kälteleistung. Die Verdichtung von Punkt11 bis Punkt12 erfolgt analog des Verfahrens nach dem Stand der Technik bis zu einer Verdichtungsendtemperatur, die im Beispiel für das KältemittelR744 bis circa 120 °C beträgt. - In
3 ist eine etwas komplexere Ausgestaltung eines Kreislaufes schematisch dargestellt, wobei die Grundkonzeption in gleicher Weise realisiert ist. Die Klimaanlage1 besteht in analoger Weise wieder aus dem Kältemittelkreislauf2 und dem Wasserkreislauf3 , welche über den Kondensator/Gaskühler5 des Kältemittelkreislaufes2 thermisch miteinander gekoppelt sind. Der Kältemittelkreislauf2 ist dahingehend erweitert, dass auf verschiedenen Druckebenen parallel verdampft wird. Dazu sind jeweils Expansionsorgane6 Verdampfern7 ,16 ,17 zugeordnet, die einmal als Verdampfer7 , als Batteriekühler16 und als Kühler17 bezeichnet sind. Der Kühler17 ist mit einer Schleife des Wasserkreislaufes3 in diesen eingebunden und in der dargestellten Ausführungsform kann die Klimaanlage1 den Wasserkreislauf3 in Abhängigkeit der Anforderungen über den Kondensator/Gaskühler5 heizen oder über den Kühler17 kühlen. Dazu sind für den Wasserkreislauf2 Pumpen8 vorgesehen. Im Wasserkreislauf3 sind über den Kondensator/Gaskühler5 hinaus der Heizungswärmeübertrager9 und zusätzlich ein Wärmeübertrager als Ladeluftkühler19 , etwa bei Hybridfahrzeugen, vorgesehen. Ergänzt wird der Wasserkreislauf3 durch einen Niedertemperaturwärmeübertrager15 , über welchen nicht benötigte Abwärme in gewissen Betriebszuständen an die Umgebung abgeführt werden kann. Die Einbindung der verschiedenen Wärmeübertrager5 ,9 ,15 ,19 des Wasserkreislaufes3 erfolgt über Umschaltventile18 . - In den
4a ,4b und5a ,5b sind qualitativ Zustandsdiagramme vonR744 und von R1234yf dargestellt. Die Diagramme4a und4b zeigen für das KältemittelR744 den transkritischen Prozess, wobei im Komponentenschema der Kälteanlage der Wärmeübertrager für die Abfuhr der Wärme aus dem Kältemittelkreislauf2 funktionsgemäß als Gaskühler5 vom Prozesszustand12 , dem Kältemittel Verdichtungsendzustand nach der Verdichtung, zum Kältemittel-Hochdruckzustand vor der Expansion13 eingesetzt ist. Im Unterschied dazu ist in den5a und5b qualitativ das Kältemittel R1234yf dargestellt, bei welchem der Wärmeübertrager zur Abgabe der Wärme an den Wasserkreislauf3 als Kondensator5 mit Bezug auf die1 und3 arbeitet. - In
4b ist ein T-S-Diagramm gezeigt, welches die Ausnutzung des Temperaturgleits für das Kältemittel bei der Wärmeübertragung vom Kältemittel an den Wasserkreislauf im Kondensator/Gaskühler5 zeigt. Dabei ist der Kondensator/Gaskühler5 im Gegenstrom geschaltet, so dass eine Erwärmung des Wassers im Wärmeübertrager auf Temperaturen über die Kältemittelaustritttemperatur hinaus erfolgt. Analog ist in5b die Ausnutzung des Temperaturgleits mit leichten Einschränkungen durch das Temperaturplateau innerhalb des Zweiphasen-Gebietes für das Kältemittel R1234yf dargestellt. - In
6 ist auszugsweise ein Schaltbild dargestellt, welches den Kältemittelkreislauf2 und den Wasserkreislauf3 zeigt, wobei als Parameter für die Regelung des Verfahrens gemäß der Konzeption der Verdichter4 über die Drehzahl nv des Verdichters des Kältemittelkreislaufes und die Pumpe8 mit der DrehzahlnP der Pumpe des Wasserkreislaufes ergänzt ist. Weiterhin sind die Temperaturent1 , der Verdampfungstemperatur nach dem Expansionsorgan6 im Kältemittelkreislauf2 und die Kühlwassertemperatur nach der Erwärmung mitt2 innerhalb des Wasserkreislaufes3 nach dem Kondensator/Gaskühler5 dargestellt. Die Luft10 wird hierbei zunächst im Verdampfer7 gekühlt, beispielsweise für Entfeuchtungszwecke und nachfolgend über den Heizungswärmeübertrager9 auf die Lufttemperatur im Fahrgastraum angehoben. - In
7 ist eine Steuer- und Regeleinrichtung20 dargestellt, welche die Regelstrategie in der Klimaanlage umsetzt, wobei als Eingangsgrößen die Umgebungstemperatur tu sowie die vorgegebene Zieltemperaturtsoll im Abgleich über die Verdampfungstemperaturt1 , die Kühlwassertemperaturt2 und Regelung der Lufttemperatur Fahrgastraumtout unter Regelung des Luftvolumenstroms V̇Luft sowie der Drehzahl Verdichter KältemittelkreislaufnV und der Drehzahl Pumpe WasserkreislaufnP geregelt wird.
Je nach Umgebungstemperatur und eingestellter geforderter Temperatur des Fahrzeuginsassen ergibt sich eine Heizleistung und die mindestens zu erreichende Vorlauftemperatur des Wassers. Zu Beginn einer Fahrt wird als Annahme keine Restwärme im Extremfall im Fahrzeug vorhanden sein. Bei Wärmepumpen-Betrieb muss dafür eine entsprechende Heizleistung auf geringem Temperaturniveau aufgenommen werden. Mit Hilfe des Hochdruckes des Kältemittelkreislaufes und des Volumenstromes des Wassers kann optimal die Beheizung des Fahrzeuginnenraumes aber auch zusätzlich aufzunehmende Leistung der Wärmequelle eingestellt werden. Die Wärmequelle ist meist dadurch begrenzt, dass es zum Einfrieren des Wärmeübertragers kommen kann. Signifikant dafür ist, dass der bisherige bekannte Wasserkreislauf stets eine konstante Temperatur von 55-60°C zwischen Vor- und Rücklauf hatte. Dies ist ein signifikanter Unterschied zur erfindungsgemäßen Betriebsweise. - Bezugszeichenliste
-
- 1
- Klimaanlage
- 2
- Kältemittelkreislauf
- 3
- Wasserkreislauf
- 4
- Verdichter
- 5
- Kondensator/Gaskühler
- 6
- Expansionsorgan
- 7
- Verdampfer
- 8
- Pumpe
- 9
- Heizungswärmeübertrager
- 10
- Luft
- 11
- Kältemittel Ansaugzustand vor Verdichtung
- 12
- Kältemittel Verdichtungsendzustand nach Verdichtung
- 13
- Kältemittel Hochdruckzustand vor Expansion
- 14
- Kältemittel Niederdruckzustand nach Expansion
- 15
- Niedertemperaturwärmeübertrager
- 16
- Batteriekühler
- 17
- Kühler
- 18
- Umschaltventile
- 19
- Ladeluftkühler
- 20
- Steuer- und Regeleinrichtung
- tU
- Umgebungstemperatur
- tsoll
- Zieltemperatur
- t1
- Verdampfungstemperatur
- t2
- Kühlwassertemperatur
- tout
- Lufttemperatur Fahrgastraum
- nV
- Drehzahl Verdichter Kältemittelkreislauf
- nP
- Drehzahl Pumpe Wasserkreislauf
Claims (10)
- Verfahren zum Betreiben einer Klimaanlage (1) eines Kraftfahrzeuges, wobei die Klimaanlage (1) einen Kältemittelkreislauf (2) und einen Wasserkreislauf (3) aufweist, welche über einen Kondensator/Gaskühler (5) thermisch miteinander gekoppelt sind und dass der Wasserkreislauf (3) neben einer Pumpe (8) einen Heizungswärmeübertrager (9) zur Erwärmung von Luft (10) für die Fahrzeugkabine eines Fahrzeuges und der Kältemittelkreislauf (2) einen Verdichter (4), ein Expansionsorgan (6) und einen Verdampfer (7) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der Wasserkreislauf (3) den Kondensator/Gaskühler (5) mit einem niedrigen Volumenstrom und einer hohen Temperaturdifferenz derart durchströmt, dass der Wasserkreislauf (3) Wärme im Heizungswärmeübertrager (9) an die Luft (10) in einem ähnlichem Temperaturbereich überträgt, wobei der Kältemittelkreislauf (3) von 65°C bis 70°C auf -10°C bis +30°C abgekühlt und der Wasserkreislauf (3) auf eine Temperatur von 55 °C bis 65 °C angehoben wird und dass eine Anpassung des Temperaturverlaufes des Wasserkreislaufes (3) an den Temperaturverlauf des Kältemittelkreislaufes (2) im Kondensator/Gaskühler (5) unter Nutzung eines Temperaturgleits des Kältemittels erfolgt, wobei das Kältemittel stark abgekühlt wird.
- Verfahren nach
Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Wasserkreislauf (3) mit einer Durchflussrate von 1 kg/h bis 540 kg/h betrieben wird. - Verfahren nach
Anspruch 1 oder2 , dadurch gekennzeichnet, dass der Kältemittelkreislauf (2) mit dem Kältemittel R744 im über- als auch unterkritischen Zustand oder alternativ mit R1234yf betrieben wird. - Verfahren nach einem der
Ansprüche 1 bis3 , dadurch gekennzeichnet, dass der Kältemittelkreislauf (2) mit einem Kältemittelmassenstrom von 10 bis 300 kg/h beim Kältemittel R744 betrieben wird. - Verfahren nach einem der
Ansprüche 1 bis4 , dadurch gekennzeichnet, dass die Drehzahl der Pumpe (8) kontinuierlich in Abhängigkeit der Umgebung geregelt wird. - Verfahren nach einem der
Ansprüche 1 bis5 , dadurch gekennzeichnet, dass der Wasserkreislauf (3) mit einem Wasser-Glykol-Gemisch betrieben wird. - Verfahren nach einem der
Ansprüche 1 bis6 , dadurch gekennzeichnet, dass der Kältemittelkreislauf (2) mit einem Inneren Wärmeübertrager und/oder mehreren Verdichtern (4) und/oder mehreren Kondensatoren/Gaskühlern (5) betrieben wird. - Verfahren nach einem der
Ansprüche 1 bis7 , dadurch gekennzeichnet, dass die Heizungswärmeübertrager (9) und/oder Kondensator/Gaskühler (5) im Gegenstrom oder Kreuzstrom durchströmt werden. - Verfahren nach einem der
Ansprüche 1 bis8 , dadurch gekennzeichnet, dass beim Heizungswärmeübertrager (9) Luft (10) über mehrere hintereinandergeschaltete Wärmeübertragersegmente gefördert wird. - Verfahren nach einem der
Ansprüche 1 bis9 , dadurch gekennzeichnet, dass als Einstellparameter zur Leistung der Wärmepumpe hinsichtlich Heiz- aber auch Wärmequellenleistung der Hochdruck sowie der Volumenstrom des Wassers verwendet wird.
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