DE102018114762B4 - Verfahren zum Betreiben einer Klimaanlage eines Kraftfahrzeuges - Google Patents

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Abstract

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 ähnlichen Temperaturbereich überträgt, wobei der Kältemittelkreislauf (2) 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, wobei der Verdampfer (7) und der Heizungswärmeübertrager (9) in einer Belüftungsanlage bereitgestellt und nacheinander von Luft (10) durchströmt werden, wobei die Luft (10) zunächst im Verdampfer (7) gekühlt und nachfolgend über den Heizungswärmeübertrager (9) auf die Lufttemperatur (tout) im Fahrgastraum angehoben wird, wobei eine Steuer- und Regeleinrichtung (20) bereitgestellt wird, welche die Regelstrategie in der Klimaanlage (1) umsetzt, wobei auf der Grundlage von den Eingangsgrößen Umgebungstemperatur (tu), vorgegebener Zieltemperatur (tsoll), Verdampfungstemperatur (t1) nach dem Expansionsorgan (6) im Kältemittelkreislauf (2) und Kühlwassertemperatur (t2) im Wasserkreislauf (3) nach dem Kondensator/Gaskühler (5), eine Regelung der Lufttemperatur (tout) im Fahrgastraum, eine Regelung des Luftvolumenstroms (VLuft), einer Drehzahl (nv) des Verdichters (4) im Kältemittelkreislauf (2) und einer Drehzahl (nP) der Pumpe (8) im Wasserkreislauf (3) erfolgt.

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 US 2009 / 0 314 462 A1 betrifft ein System zur Beheizung, Belüftung und/oder zur Klimatisierung eines Fahrzeuginnenraums. Es handelt sich um ein System mit einem von einer Wärmeübertragungsflüssigkeit durchströmten Wärmetauscher. Die zu lösende Aufgabe besteht darin, ein System zur Heizung, Belüftung und/oder zur Klimatisierung eines Kraftfahrzeugs bereitzustellen, das einen Klimatisierungskreislauf umfasst, der von einem Kältemittel, beispielsweise einem überkritischen Fluid, umströmt wird, und das mindestens einen Wärmetauscher zum Erwärmen eines ersten Luftstroms im Klimatisierungskreislauf umfasst, bevor dieser in den Fahrgastraum geleitet wird, wobei das System eine zufriedenstellende Heizleistung bietet, um die thermischen Parameter der Luft im Fahrgastraum des Fahrzeugs selbst unter extrem kalten Bedingungen schnell zu ändern. Das beschriebene System umfasst mindestens einen Wärmetauscher, der von einer Wärmeträgerflüssigkeit durchströmt wird. Das System ist mit mindestens einem Mittel zum Pumpen der Wärmeträgerflüssigkeit mit einer Durchflussrate zwischen 40 I/h und 200 I/h ausgestattet, so dass eine Temperaturdifferenz der Wärme entsteht zwischen einem Auslass und einem Einlass des Wärmetauschers, welche größer als 45°C ist.
  • Die US 2005 / 0 061 011 A1 betrifft eine Kühlkreislaufvorrichtung, die Kohlendioxid als Arbeitsmedium verwendet, welches auch als CO2-Kältemittel bezeichnet wird. Eine der zu lösenden Aufgaben besteht darin, eine Kühlkreislaufvorrichtung und ein Betriebsverfahren für eine Kühlkreislaufvorrichtung anzugeben, womit eine effiziente Realisierung und ein zuverlässiger Betrieb, unter Verwendung der Merkmale eines CO2-Kühlsystems, erreicht werden und wobei eine Miniaturisierung oder Eliminierung eines Niederdruckbehälters erreicht wird. Bei einer Kühlkreislaufvorrichtung, die Kohlendioxid als Kältemittel verwendet, besteht ein Problem darin, dass die Bereitstellung eines Niederdruckbehälters auf einer Niederdruckseite aufgrund einer zur Gewährleistung der Sicherheit erforderlichen Druckwiderstandskonstruktion die Kosten und das Volumen des benötigten Bauraums für die Vorrichtung erhöht. Durch Einstellen einer Kältemittelhaltemenge eines ersten Wärmetauschers in einer solchen Weise, dass ein Kältemitteldruck des ersten Wärmetauschers durch Betreiben eines ersten Dekompressors und eines zweiten Dekompressors beeinflusst beziehungsweise geändert wird, entsteht ein Ungleichgewicht einer Kältemittelmenge zwischen Zeiträumen für die Raumkühlung und Zeiträumen zum Heizen oder Entfeuchten, welche verkürzt werden können, daher ist es möglich, den Betrieb der Kühlkreislaufvorrichtung mit hoher Effizienz mit einem miniaturisierten Niederdruckbehälter oder ohne Bereitstellung des Niederdruckbehälters durchzuführen.
  • Die DE 10 2013 106 831 A1 betrifft eine Fahrzeugklimaanlage eines Hybrid- oder Elektrofahrzeugs, mit einem Kältemittelkreislauf, welcher einen Verdichter zum Komprimieren eines Kältemittels, einen Kondensator zum Kühlen und Kondensieren des komprimierten Kältemittels, eine Druckverminderungseinheit zum Dekomprimieren des kondensierten Kältemittels sowie einen Verdampfer zum Erwärmen und Verdampfen des dekomprimierten Kältemittels aufweist. Die Abwärme des Fahrzeugmotors ist bei Elektrofahrzeugen insgesamt und bei Hybridfahrzeugen während Aufwärm- oder temporären Abschaltphasen des Verbrennungsmotors so gering, dass eine zufriedenstellende Beheizung des Fahrzeuginnenraums schwierig ist. Die Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine konstruktiv einfache, kompakte und preiswerte Fahrzeugklimaanlage anzugeben, welche sowohl im Kühlmodus als auch im Heizmodus besonders energieeffizient betrieben werden kann. Diese Aufgabe wird durch eine Fahrzeugklimaanlage eines Hybrid- oder Elektrofahrzeugs, mit einem Kältemittelkreislauf dadurch gelöst, dass ein erster Kühlkreislauf vorgesehen ist, der mit dem Kältemittelkreislauf thermisch gekoppelt ist und eine Pumpe zum Umwälzen einer ersten Kühlflüssigkeit sowie einen Wärmetauscher zum Kühlen eines elektrischen Antriebsstrangs des Hybrid- oder Elektrofahrzeugs aufweist, und ein zweiter Kühlkreislauf vorgesehen ist, der mit dem Kältemittelkreislauf thermisch gekoppelt ist und eine Pumpe zum Umwälzen einer zweiten Kühlflüssigkeit sowie einen Wärmetauscher zum Heizen von einem Fahrzeuginnenraum zuführbarer Luft aufweist, wobei der Verdampfer an den ersten Kühlkreislauf angeschlossen ist und Wärmeenergie an das Kältemittel abgeben kann, und wobei der Kondensator an den zweiten Kühlkreislauf angeschlossen ist und Wärmeenergie vom Kältemittel aufnehmen kann.
  • 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.
  • Erfindungsgemäß vorgesehen ist es, dass die Drehzahl der Wasserpumpe und des Kältemittelverdichters geregelt ausgeführt ist.
  • Die Erfindung wird 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 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 ähnlichen 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 1 gezeigt, welche im Wesentlichen aus zwei Hauptkomponenten aufgebaut ist, dem Kältemittelkreislauf 2 und dem Wasserkreislauf 3.
  • Der Kältemittelkreislauf 2 weist mindestens einen Verdichter 4, einen Kondensator/Gaskühler 5, ein Expansionsorgan 6 sowie einen Verdampfer 7 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 Verdichter 4, Expansionsorgane 6 oder auch Verdampfer 7 prinzipiell einsetzbar und ergänzbar, wobei der Gaskühler/Kondensator 5 funktionsgemäß die thermische Kopplung zum Wasserkreislauf 3 darstellt.
  • Der Wasserkreislauf 3 weist eine Pumpe 8 für die Zirkulation des Kreislaufes und den Heizungswärmeübertrager 9 auf, welcher in der Belüftungsanlage des Fahrzeuges integriert ist und über welchen die Erwärmung der Luft 10 der Fahrgastzelle erfolgt. Die thermische Kopplung des Kältemittelkreislaufes 2 und des Wasserkreislaufes 3 erfolgt über einen Wärmeübertrager, der seiner Funktion nach im Kältemittelkreislauf 2 als Kondensator/Gaskühler 5 bezeichnet wird. Die Wärme aus dem Kältemittelkreislauf 2 wird über den Kondensator/Gaskühler 5 an den Wasserkreislauf 3 abgegeben, wonach das erwärmte Wasser im Heizungswärmeübertrager 9 die Wärme an die Luft 10 zur Erwärmung der Fahrgastzelle des Fahrzeuges abgibt.
  • Der Kältemittelkreislauf zeigt als Messpunkte mit den Bezugszeichen 11 den Kältemittel-Ansaugzustand vor der Verdichtung, mit dem Bezugszeichen 12 den Kältemittel-Verdichtungsendzustand nach der Verdichtung des Kältemittels, mit dem Bezugszeichen 13 den Kältemittel-Hochdruckzustand vor der Expansion und mit dem Bezugszeichen 14 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 auf 1 nachfolgend beschrieben. Die Isotherme von t = 50 °C verläuft durch den Punkt 13, den Kältemittel-Hochdruckzustand vor der Expansion. Damit weist das Kältemittel nach dem Gaskühler 5 eine Temperatur von 50 °C auf und wird auf den Niederdruck von 90 auf 20 bar zum Punkt 14 expandiert, dem Kältemittel-Niederdruckzustand nach der Expansion. Im Verdampfer 7 und mit leichter Überhitzung nimmt das Kältemittel verdampfend Energie auf und wird schließlich vom Punkt 11, dem Kältemittel-Ansaugzustand vor der Verdichtung, zum Punkt 12, dem Kältemittel-Verdichtungsendzustand nach der Verdichtung, im Verdichter 4 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 aus 2a 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 Punkt 13, der Kältemittel-Hochdruckzustand vor der Expansion, also dem Zustand des Kältemittels nach dem Gaskühler 5 von der Temperatur auf 30 °C verringert. Die Expansion erfolgt wie gehabt nach Punkt 14, dem Kältemittel-Niederdruckzustand nach der Expansion. Da Punkt 14 im Prozess weiter links liegt im Vergleich zu 2a ist eine Erhöhung der Enthalpie-Differenz von Punkt 14 zu Punkt 11 im Zustandsdiagramm sichtbar. Damit steigt die nutzbare Kälteleistung. Die Verdichtung von Punkt 11 bis Punkt 12 erfolgt analog des Verfahrens nach dem Stand der Technik bis zu einer Verdichtungsendtemperatur, die im Beispiel für das Kältemittel R744 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 Klimaanlage 1 besteht in analoger Weise wieder aus dem Kältemittelkreislauf 2 und dem Wasserkreislauf 3, welche über den Kondensator/Gaskühler 5 des Kältemittelkreislaufes 2 thermisch miteinander gekoppelt sind. Der Kältemittelkreislauf 2 ist dahingehend erweitert, dass auf verschiedenen Druckebenen parallel verdampft wird. Dazu sind jeweils Expansionsorgane 6 Verdampfern 7, 16, 17 zugeordnet, die einmal als Verdampfer 7, als Batteriekühler 16 und als Kühler 17 bezeichnet sind. Der Kühler 17 ist mit einer Schleife des Wasserkreislaufes 3 in diesen eingebunden und in der dargestellten Ausführungsform kann die Klimaanlage 1 den Wasserkreislauf 3 in Abhängigkeit der Anforderungen über den Kondensator/Gaskühler 5 heizen oder über den Kühler 17 kühlen. Dazu sind für den Wasserkreislauf 3 zwei Pumpen 8 vorgesehen. Im Wasserkreislauf 3 sind über den Kondensator/Gaskühler 5 hinaus der Heizungswärmeübertrager 9 und zusätzlich ein Wärmeübertrager als Ladeluftkühler 19, etwa bei Hybridfahrzeugen, vorgesehen. Ergänzt wird der Wasserkreislauf 3 durch einen Niedertemperaturwärmeübertrager 15, über welchen nicht benötigte Abwärme in gewissen Betriebszuständen an die Umgebung abgeführt werden kann. Die Einbindung der verschiedenen Wärmeübertrager 5, 9, 15, 19 des Wasserkreislaufes 3 erfolgt über Umschaltventile 18.
  • In den 4a, 4b und 5a, 5b sind qualitativ Zustandsdiagramme von R744 und von R1234yf dargestellt. Die Diagramme 4a und 4b zeigen für das Kältemittel R744 den transkritischen Prozess, wobei im Komponentenschema der Kälteanlage der Wärmeübertrager für die Abfuhr der Wärme aus dem Kältemittelkreislauf 2 funktionsgemäß als Gaskühler 5 vom Prozesszustand 12, dem Kältemittel Verdichtungsendzustand nach der Verdichtung, zum Kältemittel-Hochdruckzustand vor der Expansion 13 eingesetzt ist. Im Unterschied dazu ist in den 5a und 5b qualitativ das Kältemittel R1234yf dargestellt, bei welchem der Wärmeübertrager zur Abgabe der Wärme an den Wasserkreislauf 3 als Kondensator 5 mit Bezug auf die 1 und 3 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 Gaskühler 5 zeigt. Dabei ist der Gaskühler 5 im Gegenstrom geschaltet, so dass eine Erwärmung des Wassers im Wärmeübertrager auf Temperaturen über die Kältemittelaustritttemperatur hinaus erfolgt. Analog ist in 5b 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 Kältemittelkreislauf 2 und den Wasserkreislauf 3 zeigt, wobei als Parameter für die Regelung des Verfahrens gemäß der Konzeption der Verdichter 4 über die Drehzahl nv des Verdichters des Kältemittelkreislaufes und die Pumpe 8 mit der Drehzahl nP der Pumpe des Wasserkreislaufes ergänzt ist. Weiterhin sind die Temperaturen t1, der Verdampfungstemperatur nach dem Expansionsorgan 6 im Kältemittelkreislauf 2 und die Kühlwassertemperatur nach der Erwärmung mit t2 innerhalb des Wasserkreislaufes 3 nach dem Kondensator/Gaskühler 5 dargestellt. Die Luft 10 wird hierbei zunächst im Verdampfer 7 gekühlt, beispielsweise für Entfeuchtungszwecke und nachfolgend über den Heizungswärmeübertrager 9 auf die Lufttemperatur im Fahrgastraum angehoben.
  • In 7 ist eine Steuer- und Regeleinrichtung 20 dargestellt, welche die Regelstrategie in der Klimaanlage umsetzt, wobei als Eingangsgrößen die Umgebungstemperatur tu sowie die vorgegebene Zieltemperatur tsoll im Abgleich über die Verdampfungstemperatur t1, die Kühlwassertemperatur t2 und Regelung der Lufttemperatur Fahrgastraum tout unter Regelung des Luftvolumenstroms V̇Luft sowie der Drehzahl Verdichter Kältemittelkreislauf nv und der Drehzahl Pumpe Wasserkreislauf nP 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 (Wärmeübertrager)
    6
    Expansionsorgan
    7
    Verdampfer
    8
    Pumpe
    9
    Heizungswärmeübertrager (Wärmeübertrager)
    10
    Luft
    11
    Kältemittel Ansaugzustand vor Verdichtung
    12
    Kältemittel Verdichtungsendzustand nach Verdichtung
    13
    Kältemittel Hochdruckzustand vor Expansion
    14
    Kältemittel Niederdruckzustand nach Expansion
    15
    Niedertemperaturwärmeübertrager (Wärmeübertrager)
    16
    Batteriekühler (Verdampfer)
    17
    Kühler (Verdampfer)
    18
    Umschaltventile
    19
    Ladeluftkühler (Wärmeübertrager)
    20
    Steuer- und Regeleinrichtung
    tU
    Umgebungstemperatur
    tsoll
    Zieltemperatur
    t1
    Verdampfungstemperatur
    t2
    Kühlwassertemperatur
    tout
    Lufttemperatur Fahrgastraum
    nV
    Drehzahl Verdichter Kältemittelkreislauf
    nP
    Drehzahl Pumpe Wasserkreislauf

Claims (9)

  1. 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 ähnlichen Temperaturbereich überträgt, wobei der Kältemittelkreislauf (2) 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, wobei der Verdampfer (7) und der Heizungswärmeübertrager (9) in einer Belüftungsanlage bereitgestellt und nacheinander von Luft (10) durchströmt werden, wobei die Luft (10) zunächst im Verdampfer (7) gekühlt und nachfolgend über den Heizungswärmeübertrager (9) auf die Lufttemperatur (tout) im Fahrgastraum angehoben wird, wobei eine Steuer- und Regeleinrichtung (20) bereitgestellt wird, welche die Regelstrategie in der Klimaanlage (1) umsetzt, wobei auf der Grundlage von den Eingangsgrößen Umgebungstemperatur (tu), vorgegebener Zieltemperatur (tsoll), Verdampfungstemperatur (t1) nach dem Expansionsorgan (6) im Kältemittelkreislauf (2) und Kühlwassertemperatur (t2) im Wasserkreislauf (3) nach dem Kondensator/Gaskühler (5), eine Regelung der Lufttemperatur (tout) im Fahrgastraum, eine Regelung des Luftvolumenstroms (VLuft), einer Drehzahl (nv) des Verdichters (4) im Kältemittelkreislauf (2) und einer Drehzahl (nP) der Pumpe (8) im Wasserkreislauf (3) erfolgt.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Wasserkreislauf (3) mit einer Durchflussrate von 1 kg/h bis 540 kg/h betrieben wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Kältemittelkreislauf (2) mit dem Kältemittel R744 im über- als auch unterkritischen Zustand oder alternativ mit R1234yf betrieben wird.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Kältemittelkreislauf (2) mit einem Kältemittelmassenstrom von 10 bis 300 kg/h beim Kältemittel R744 betrieben wird.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Wasserkreislauf (3) mit einem Wasser-Glykol-Gemisch betrieben wird.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Kältemittelkreislauf (2) mit einem inneren Wärmeübertrager und/oder mehreren Verdichtern (4) und/oder mehreren Kondensatoren/Gaskühlern (5) betrieben wird.
  7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizungswärmeübertrager (9) und/oder Kondensator/Gaskühler (5) im Gegenstrom oder Kreuzstrom durchströmt werden.
  8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass beim Heizungswärmeübertrager (9) Luft (10) über mehrere hintereinandergeschaltete Wärmeübertragersegmente gefördert wird.
  9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, 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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