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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Kälteanlage für ein Fahrzeug mit einem für einen Kälteanlagen- und Wärmepumpen-Betrieb betreibbaren Kältemittelkreislauf.
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Es sind Fahrzeugklimaanlagen mit Wärmepumpen-Funktionen bekannt, die aufgrund zahlreicher Verschaltungsoptionen mittlerweile eine hohe Komplexität aufweisen. So weisen unterschiedliche Betriebsmodi, wie ein Kälteanlagenbetrieb mit einem oder mehreren Verdampfern, verschiedene Reheat-Betriebe, ein Luft-Wärmepumpenbetrieb, ein Wasser-Wärmepumpenbetrieb und ein Dreiecksbetrieb als weiterer Wärmepumpen-Betrieb (hierbei ist der Kältemittelverdichter die einzige Wärmequelle), bestimmte Grundverschaltungen auf. Zusätzlich gibt es auch Misch- und Kombinationsbetriebe, bspw. aus Luft- und Wasser-Wärmepumpenbetrieb sowie mindestens eine Enteisungsfunktion.
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Ein Verschaltungswechsel zwischen den unterschiedlichen Betriebsmodi erfolgt durch eine Ansteuerung von einzelnen Absperrventilen, Umschaltventilen, Mehrwegeventilen und/oder Expansionsventilen, die elektrisch steuerbar mit variabel einstellbarem Querschnitt sind. Solche Ventile können zwischen einem geschlossenen und einem offenen Zustand verfahren werden, aber auch in einer Zwischenposition verweilen.
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Bei solchen Verschaltungswechseln besteht das Risiko, dass die Heiz- und/oder Kälteleistung kurzfristig einbricht bzw. der Anlagenbetrieb unterbrochen werden muss und dadurch bedingt ein neuer Anlauf des Systems in der neuen Konfiguration erforderlich ist. Damit sind Komforteinbußen für Fahrzeuginsassen nicht ausgeschlossen.
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Bei solchen Verschaltungswechseln ist beim Unterbrechen des Anlagenbetriebs das Abschalten des Kältemittelverdichters des Kältemittelkreislaufs erforderlich, um ein mögliches Verfahren des Systems „gegen Block“ zu verhindern. Auch dies kann zu einem kurzfristigen Einbruch von Heiz- und/oder Kälteleistung führen mit der Folge von Komforteinbußen für die Fahrzeuginsassen.
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Die
DE 10 2016 005 782 A1 beschreibt ein Verfahren zum Betreiben einer Fahrzeugklimaanlage mit einem Kältemittelkreislauf, bei welcher ein Wärmestrom durch Anpassung eines Ventilquerschnitts bei einer minimalen Kompressordrehzahl geregelt wird. Durch Verstellen des Querschnitts an einem Expansionsorgan wird erreicht, dass der Kältemittelverdichter des Kältemittelkreislaufes nicht im 2-Punkt-Regelbetrieb arbeitet, sondern dauerhaft betrieben werden kann.
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Aus der
DE 11 2014 006 077 T5 ist eine Klimaanlage für Fahrzeuge bekannt, welche in einem Wärmepumpenbetrieb betreibbar ist. Diese bekannte Klimaanlage umfasst mehrere unabhängig voneinander elektrisch verstellbare Ventile sowie einen Kältemittelverdichter, dessen Drehzahl auf einen Maximalwert begrenzt wird.
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Bei dem Verfahren gemäß der
DE 10 2016 001 096 A1 wird zum Betreiben einer Fahrzeug-Kälteanlage eine Ziellufttemperatur mittels der Einstellung einer Verdichterdrehzahl eines Kältemittelverdichters sowie eines Querschnittes eines variablen Expansionsorgans eingestellt.
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Der Vollständigkeit halber wird noch auf die
DE 10 2017 218 424 A1 verwiesen, welche ein Verfahren zum Betreiben eines Kältemittelkreislaufs einer Fahrzeugkälteanlage in einem AC-Betrieb und in einem Heizbetrieb mittels einer Wärmepumpenfunktion mit dem Ziel beschreibt, eine hohe Materialbeanspruchung des Gehäuses eines Heizregisters zu vermeiden, insbesondere bei Verwendung von R744 als Kältemittel. Hierzu wird vorgeschlagen, durch eine Beschränkung der Kältemitteltemperatur am Eintritt des Heizregisters auf einen maximalen Temperaturwert im Heizbetrieb dessen Beschädigung zu verhindern.
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Es ist Aufgabe der Erfindung ein Verfahren zum Betreiben einer Kälteanlage für ein Fahrzeug mit einem für einen Kälteanlagen- und Wärmepumpen-Betrieb betreibbaren Kältemittelkreislauf anzugeben, mit welchem die Kälteanlage zwischen verschiedenen Betriebsmodi umschaltbar ist, ohne dass die oben genannten Nachteile auftreten, zumindest nur in eingeschränktem Maß in Erscheinung treten.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruches 1.
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Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zum Betreiben einer Kälteanlage für ein Fahrzeug mit einem für einen Kälteanlagen- und Wärmepumpen-Betrieb betreibbaren Kältemittelkreislauf mit wenigstens einem Verzweigungsabschnitt zur Leitung des Kältemittels entweder in einen ersten Leitungszweig zur Durchführung eines ersten Betriebsmodus oder in einen zweiten Leitungszweig zur Durchführung eines zweiten Betriebsmodus vorgeschlagen, bei dem
- - zur Umschaltung des Kältemittelkreislaufs zwischen dem ersten und zweiten Betriebsmodus ein einen ersten Kältemittelstrom in den ersten Leitungsabschnitt ermöglichendes erstes Ventilorgan und ein einen zweiten Kältemittelstrom in den zweiten Leitungsabschnitt ermöglichendes zweites Ventilorgan vorgesehen ist, wobei das erste und zweite Ventilorgan mit variabel steuerbarem Querschnitt ausgebildet sind, und
- - zur Umschaltung von dem ersten in den zweiten Betriebsmodus zunächst das zweite Ventilorgan bis zu einem vorgegebenen Zielquerschnitt geöffnet und mit dem Erreichen des vorgegebenen Zielquerschnittes des zweiten Ventilorgans das erste Ventilorgan durch eine Reduzierung des Querschnittes geschlossen wird.
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Bei dieser Umschaltstrategie zwischen einem ersten und zweiten Betriebsmodus wird vor dem Schließen des ersten Ventilorgans, mit welchem der Kältemittelstrom für den ersten Betriebsmodus gesteuert wird, bereits das zweite Ventilorgan, welches eine Blockade verursachen könnte, bis zu einem vorgegebenen Zielquerschnitt geöffnet. Erst mit dem Erreichen dieses Zielquerschnittes wird das erste Ventilorgan in Richtung vollständig geschlossen verfahren.
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Hierzu sind diese Ventilorgane elektrisch stufenlos verstellbar, d. h. deren Durchflussquerschnitt für das Kältemittel ist variabel steuerbar, wobei jede Zwischenstellung zwischen 0%-iger Querschnittsöffnung und 100 %-iger Querschnittsöffnung einstellbar ist und beibehalten werden kann. Folglich sind die Ventile so arretierbar ausgeführt, dass ein Zufallen oder schlagartiges Verstellen verhindert wird.
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Mit einer solchen Umschaltstrategie wird das Risiko vermieden, zumindest aber reduziert, dass die Kälteanlage „gegen Block“ fährt. Im Wesentlichen findet auch kein Einbruch von Heiz- und/oder Kälteleistung statt, so dass Komforteinbußen für die Fahrzeuginsassen ausgeschlossen werden, zumindest aber nur gering sind.
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Nach einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass
- - mittels eines dritten Ventilorgans eine Durchströmung des zweiten Leitungszweiges durch den zweiten Kältemittelstrom bewirkbar wird, und
- - das erste Ventilorgan geschlossen und das dritte Ventilorgan mit dem ersten Ventilorgan querschnittssynchron geöffnet wird.
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Ein solches drittes Ventilorgan verhindert, dass während des ersten Betriebsmodus Kältemittel in den zweiten Leitungszweig strömen kann.
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Hierbei sind das erste und das dritte Ventilorgan funktionell derart gekoppelt, dass diese synchron gegenläufig verfahren, so dass bspw. zwischen dem ersten schließenden Ventilorgan und dem dritten öffnenden Ventilorgan stets die frei durchströmbare Querschnittsfläche gleich der maximalen ursprünglichen Querschnittsfläche ist. Dies kann gleichzeitig oder zeitlich versetzt zueinander erfolgen.
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Nach einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird mittels eines vierten Ventilorgans ein Durchfließen von Kältemittel durch den ersten Leitungszweig verhindert. Während der Umschaltung von dem ersten auf den zweiten Betriebsmodus werden das erste und vierte Ventilorgan querschnittssynchron zueinander geschlossen. Dies kann gleichzeitig oder zeitlich versetzt zueinander erfolgen.
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Mit einem solchen vierten Ventilorgan wird verhindert, dass während des zweiten Betriebsmodus Kältemittel in den ersten Leitungszweig strömen kann.
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Hierbei sind das erste und das vierte Ventilorgan funktionell derart gekoppelt, dass diese synchron gleichsinnig verfahren, also querschnittssynchron schließen. Dies kann gleichzeitig oder zeitlich versetzt zueinander erfolgen.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind mit den Patentansprüchen 4 bis 9 gegeben. So betrifft Patentanspruch 4 die Umschaltung zwischen einem Kälteanlagenbetrieb und einem Wärmepumpenbetrieb sowie die Umschaltung zwischen einem Luft-Wärmepumpenbetrieb und einem Wasser-Wärmepumpenbetrieb (Patentansprüche 5 bis 7). Die Umschaltung zwischen einem ersten und zweiten Reheat-Betrieb betrifft Patentanspruch 8. Mit Patentanspruch 9 wird die Umschaltung zwischen einem Kälteanlagenbetrieb und dem ersten Reheat-Betrieb beschrieben.
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Besonders vorteilhaft ist es nach einer letzten bevorzugten Weiterbildung der Erfindung, den Kältemittelverdichter des Kältemittelkreislaufs während der Umschaltung zwischen zwei Betriebsmodi auf einen vordefinierten Drehzahlwert einzustellen. Damit soll der Kältemittelverdichter während einer eine Umschaltung vom ersten auf den zweiten Betriebsmodus bewirkenden Ventilumschaltung nicht mit einer Drehzahlsteigerung beaufschlagt werden. Hierzu wird das Ansteuersignal für einen elektrischen Kältemittelverdichter auf den vordefinierten Drehzahlwert „geklemmt“. Aus Sicherheitsgründen ist natürlich eine Drehzahlabsenkung weiterhin zulässig.
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Hierbei kann der vordefinierte Drehzahlwert entweder demjenigen vor der Umschaltung vom ersten auf den zweiten Betriebsmodus geltenden Drehzahlwert oder einem aus Kennfeldern oder anhand geeigneter Formeln berechneten Drehzahlwert entsprechen.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen sowie anhand der einzigen 1, die ein Schaltbild einer Kälteanlage für ein Fahrzeug mit einem für einen Kälteanlagen- und Wärmepumpen-Betrieb betreibbaren Kältemittelkreislauf zeigt.
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Die Kälteanlage 1 gemäß 1 kann sowohl in einem Kälteanlagenbetrieb (kurz AC-Betrieb genannt) als auch in einem Wärmepumpen-Betrieb (kurz WP-Betrieb genannt) betrieben werden, wobei der Heizbetrieb mittels einer Wärmepumpenfunktion durchgeführt wird und hierzu in einem Heizzweig 2.2 ein als Luft-Kältemittel-Wärmeübertrager ausgebildeter Wärmeübertrager 4 als Heizregister angeordnet ist. Dieser Wärmeübertrager 4 ist zusammen mit einem Verdampfer 3 in einem Klimagerät 1.1 verbaut, wobei zur Konditionierung eines in einen Fahrzeuginnenraum geführten Kabinen-Zuluftstroms L dieser zunächst über den Verdampfer 3 und anschließend über den Wärmeübertrager 4 und gegebenenfalls über ein elektrisches Heizelement 7 geführt ist. Dieses Heizelement 7 ist bspw. als Hochvolt-PTC-Heizelement ausgeführt. Die Kälteanlage 1 weist neben dem Klimagerät 1.1 einen Chiller 9 auf, welcher mit einem Kühlmittelkreislauf 9.0 zur Kühlung, bspw. einer Hochvoltbatterie thermisch verbunden ist.
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Der Kältemittelkreislauf 2 besteht aus:
- - dem Klimagerät 1.1 mit einem Verdampfer 3, bspw. ein Front-Verdampfer und dem Wärmeübertrager 4 (auch Heizregister genannt), wobei der Verdampfer 3 in einem Verdampferzweig 3.1 und der Wärmeübertrager 4 in einem Heizregisterzweig 4.1 angeordnet ist,
- - einem Kältemittelverdichter 5,
- - einem als Kondensator oder Gaskühler ausgebildeten äußeren Luft-Kältemittel-Wärmeübertrager 6 mit einem demselben in seiner Funktion als Wärmepumpenverdampfer für den Heizbetrieb zugeordneten Wärmepumpen-Expansionsorgan AE3,
- - einem inneren Wärmeübertrager 11,
- - einem niederdruckseitigen Akkumulator 10,
- - einem in dem Verdampferzweig 3.1 angeordneten und dem Verdampfer 3 stromaufwärtsseitig vorgeschalteten Verdampfer-Expansionsorgan AE2,
- - einem dem Verdampferzweig 3.1 nachgeschalteten Rückschlagventil R1, welches über den Akkumulator 10 und den niederdruckseitigen Abschnitt des inneren Wärmeübertragers 11 mit der Eintrittsseite des Kältemittelverdichters 5 fluidverbunden ist,
- - einem Chiller-Zweig 9.1 mit dem Chiller 9 und einem diesem vorgeschalteten Chiller-Expansionsorgan AE1, wobei der Chiller 9 neben der Kühlung bspw. einer elektrischen Komponente des Fahrzeugs auch zur Realisierung einer Wasser-Wärmepumpenfunktion unter Nutzung der Abwärme mindestens einer elektrischen Komponente eingesetzt wird,
- - einem AC- und Wärmepumpenzweig 2.1 mit dem äußeren Luft-Kältemittel-Wärmeübertrager 6 und dem Wärmepumpen-Expansionsorgan AE3, wobei im Luft-Wärmepumpenbetrieb der AC- und Wärmepumpenzweig 2.1 stromaufwärts über das Wärmepumpen-Expansionsorgan AE3 mit dem Verdampferzweig 3.1 unter Bildung eines Abzweigpunktes Ab1 fluidverbindbar ist und stromabwärts über ein Absperrorgan A2 mit dem Niederdruckeingang des Kältemittelverdichters 5 fluidverbindbar ist, während im AC-Betrieb der AC- und Wärmepumpenzweig 2.1 stromaufwärts über ein Absperrorgan A4 mit dem Hochdruckausgang des Kältemittelverdichters 5 fluidverbindbar ist,
- - einem Heizzweig 2.2 mit dem Wärmeübertrager 4, wobei der Heizzweig 2.2 stromaufwärts über ein Absperrorgan A3 mit dem Hochdruckausgang des Kältemittelverdichters 5 fluidverbindbar ist und stromabwärts über ein Absperrorgan A1 mit dem Abzweigpunkt Ab1 und damit mit dem Verdampferzweig 3.1 und dem Chillerzweig 9.1 fluidverbindbar ist,
- - einem Reheat-Zweig 2.3 mit einem als Expansionsventil ausgebildeten Reheat-Expansionsorgan AE4, wobei der Reheat-Zweig 2.3 stromabwärts mit dem äußeren Luft-Kältemittel-Wärmeübertrager 6 unter Bildung eines Abzweigpunktes Ab2 und stromaufwärts mit dem Wärmeübertrager 4 fluidverbindbar ist,
- - einem Wärmepumpenrückführzweig 2.4 mit dem Absperrorgan A2 und einem Rückschlagventil R2, wobei der Wärmepumpenrückführzweig 2.4 stromaufwärts über den Abzweigpunkt Ab2 mit dem äußeren Luft-Kältemittel-Wärmeübertrager 6 und stromabwärts mit dem Akkumulator 10 fluidverbindbar ist, und
- - einem Absaugzweig 2.5 mit einem Absperrventil A5, wobei der Absaugzweig 2.5 stromabwärts über einen Abzweigpunkt Ab3 mit dem Absperrventil A2 und dem Rückschlagventil R2 des Wärmepumpenrückführzweiges 2.4 fluidverbunden ist.
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Als Sensoren sind in dem Kältemittelkreislauf 2 zur Steuerung und Regelung des Systems mehrere Druck-Temperatursensoren vorgesehen.
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So ist dem Kältemittelverdichter 5 ein erster Druck-Temperatursensor pT1 am Hochdruckausgang zugeordnet, ferner ein zweiter Druck-Temperatursensor pT2 am Ausgang des Akkumulators 10, ein dritter Druck-Temperatursensor pT3 am Ausgang des äußeren Luft-Kältemittel-Wärmeübertragers 6, ein vierter Druck-Temperatursensor pT4 am Ausgang des Wärmeübertragers 4 und ein fünfter Druck-Temperatursensor pT5 am niederdruckseitigen Ausgang des Chillers 8 angeordnet. Da die jeweiligen Funktionen dieser Druck-Temperatursensoren dem Fachmann bekannt sind, werden diese nicht näher erläutert.
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Im Folgenden wird der AC-Betrieb und der Heizbetrieb der Kälteanlage 1 erläutert.
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Mit den in einem ersten Verzweigungsabschnitt VZ1 angeordneten Absperrorganen A3 und A4 wird der Kältemittelstrom ausgehend von der Hochdruckseite des Kältemittelverdichters 5 in Abhängigkeit des Zustandes dieser beiden Absperrorgane A3 und A4 entweder bei offenem Absperrorgan A4 und gesperrtem Absperrorgan A3 in den AC- und Wärmepumpenzweig 2.1 zur Durchführung eines AC-Betriebs geleitet oder strömt bei offenem Absperrorgan A3 und geschlossenem Absperrorgan A4 zur Durchführung eines Heizbetriebs mittels einer Wärmepumpenfunktion in den Heizzweig 2.2.
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Im AC-Betrieb des Kältemittelkreislaufs 2 strömt das auf Hochdruck verdichtete Kältemittel ausgehend von dem Kältemittelverdichter 5 bei offenem Absperrorgan A4 in den äußeren Luft-Kältemittel-Wärmeübertrager 6, den Hochdruckabschnitt des inneren Wärmeübertragers 11, über das vollständig geöffnete Wärmepumpen-Expansionsorgan AE3 mittels des Verdampfer- Expansionsorgans AE2 in den Verdampfer 3 und/oder mittels des Chiller-Expansionsorgans AE1 in den Chiller 9. Aus dem Chiller-Zweig 9.1 strömt das Kältemittel über den Akkumulator 10 und den Niederdruckabschnitt des inneren Wärmeübertragers 11 zurück zum Kältemittelverdichter 5, während das Kältemittel aus dem Verdampferzweig 3.1 über das Rückschlagventil R1 strömt und anschließend über den Akkumulator 10 und den Niederdruckabschnitt des inneren Wärmeübertragers 11 ebenso zurück zum Kältemittelverdichter 5 fließen kann.
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In diesem AC-Betrieb ist der Heizzweig 2.2 mittels des Absperrorgans A3 abgesperrt. Zur Rückholung von Kältemittel aus dem inaktiven Heizzweig 2.2 wird das Absperrorgan A5 geöffnet und das Kältemittel kann über das Absperrorgan A5 und das Rückschlagventil R2, bei gleichzeitig geschlossenem Absperrorgan A2 in Richtung des Akkumulators 10 strömen.
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Im Folgenden soll der Heizbetrieb des Kältemittelkreislaufs 2 der Kälteanlage 1 beschrieben werden. Hierzu wird mittels wenigstens einer Wärmequelle ein Wärmepumpenbetrieb durchgeführt. Im Wärmepumpenbetrieb des Kältemittelkreislaufes 2 wird der dem Fahrzeuginnenraum zugeführte Kabinen-Zuluftstrom L mittels des Wärmeübertragers 4 erwärmt und ggf. über das Heizelement 7 geführt, bevor der Kabinen-Zuluftstrom L in den Fahrzeuginnenraum strömen kann.
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Im Heizbetrieb des Kältemittelkreislaufs 2, unter Einsatz des Chillers 9 zur Realisierung einer Wasser-Wärmepumpe oder unter Einsatz des äußeren Luft-Kältemittel-Wärmeübertragers 6 als Wärmepumpenverdampfer zur Realisierung einer Luft-Wärmepumpe, ist das Absperrorgan A4 des ersten Verzweigungsabschnittes VZ1 geschlossen und das Absperrorgan A3 des ersten Verzeigungsabschnittes VZ1 geöffnet, so dass heißes Kältemittel, wie bspw. R744 in den Heizzweig 2.2 strömen kann.
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Zur Durchführung des Wasser-Wärmepumpenbetriebs mittels des Chillers 9 strömt das mittels des Kältemittelverdichters 5 verdichtete Kältemittel über den Heizzweig 2.2 in den Wärmeübertrager 4 zur Abgabe von Wärme an den Kabinen-Zuluftstrom L und wird anschließend über das geöffnete Absperrorgan A1 mittels des Chiller-Expansionsorgans AE1 in den Chiller 9 zur Aufnahme von Abwärme der in dem Kühlmittelkreislauf 9.0 angeordneten elektrischen und/oder elektronischen Komponenten entspannt. Bei dieser Heizfunktion sind die Expansionsorgane AE3 und AE4 sowie das Absperrorgan A5 geschlossen. Über das geöffnete Absperrorgan A2 wird im Wasser-Wärmepumpenbetrieb ausgelagertes Kältemittel aus dem AC- und Wärmepumpenzweig 2.1 abgesaugt und über das Rückschlagventil R2 dem Kältemittelverdichter 5 zugeführt.
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Der Wärmeübertrager 4 kann, neben der hier beschrieben direkten Kondensation oder Gaskühlung, auch als indirekt den Luftstrom erwärmender Kältemittel-Wärmesenkenfluid-Wärmeübertrager, wobei das Wärmesenkenfluid bspw. ein Wasser-Glykol-Gemisch sein kann, ausgeführt werden.
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Zur Durchführung des Luft-Wärmepumpenbetriebs mittels des äußeren Luft-Kältemittel-Wärmeübertragers 6 als Wärmepumpenverdampfer strömt das Kältemittel aus dem Wärmeübertrager 4 über das geöffnete Absperrorgan A1 in den AC- und Wärmepumpenzweig 2.1 und wird mittels des Wärmepumpen-Expansionsorgans AE3 in den äußeren Luft-Kältemittel-Wärmeübertrager 6 zur Aufnahme von Wärme aus der Umgebungsluft entspannt und strömt anschließend über den Wärmepumpenrückführzweig 2.4 zurück zum Kältemittelverdichter 5. Die Expansionsorgane AE1, AE2 und AE4 bleiben dabei geschlossen, ebenso das Absperrorgan A5.
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Wird ein Kombinationsbetrieb aus Wasser- und Luft-Wärmepumpe realisiert, so ist neben dem Chiller-Expansionsorgan AE1 auch das Wärmepumpen-Expansionsorgan AE3 über ein Steuergerät aktiv mit eingebunden und beide werden zur Einstellung und zum Erreichen der Zielgrößen entsprechend angesteuert.
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Bei einem Reheat-Betrieb wird der in den Fahrzeuginnenraum zugeführte Kabinen-Zuluftstrom L mittels des Verdampfers 3 zunächst gekühlt und damit entfeuchtet, um anschließend mit der dem Kabinen-Zuluftstrom L entzogenen Wärme sowie der dem Kältemittel über den Kältemittelverdichter 5 zugeführten Wärme mittels des Wärmeübertragers 4 den Kabinen-Zuluftstrom L zumindest teilweise wieder zu erwärmen.
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Ein Reheat-Betrieb des Kältemittelkreislaufs 2 wird in Abhängigkeit der Wärmebilanz auf unterschiedliche Weise durchgeführt.
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Bei einem Wärmeüberschuss im Reheat-Betrieb, im folgenden erster Reheat-Betrieb genannt, wird neben der Wärmeabgabe an den Kabinen-Zuluftstrom L des Fahrgastraums über den Wärmeübertrager 4 zusätzlich über den äußeren Luft-Kältemittel-Wärmeübertrager 6 Wärme an die Umgebung des Fahrzeugs abgegeben, bevor das Kältemittel über den Verdampfer 3 wieder zurück zum Kältemittelverdichter 5 strömt. Hierzu strömt das Kältemittel aus dem Wärmeübertrager 4 bei geschlossenem Absperrorgan A1 in den Reheat-Zweig 2.3. Dort wird mittels des Reheat-Expansionsorgans AE4 das Kältemittel auf einen Mitteldruck in den äußeren Luft-Kältemittel-Wärmeübertrager 6 des AC- und Wärmepumpenzweiges 2.1 entspannt. Anschließend strömt das Kältemittel aus dem AC- und Wärmepumpenzweig 2.1 in den Verdampfer-Zweig 3.1, wo es mittels des Verdampfer-Expansionsorgans AE2 in den Verdampfer 3 auf Niederdruck expandiert wird.
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Alternativ kann bei ausreichend verfügbarer Heizleistung am Wärmeübertrager 4 das Reheat-Expansionsorgan AE4 so weit geöffnet werden, dass idealerweise im Wärmeübertrager 4 und im äußeren Luft-Kältemittel-Wärmeübertrager 6 dasselbe Hochdruckniveau anliegt.
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Bei einem Wärmemangel im Kältemittelkreislauf 2, d. h. bei einem Heizleistungsdefizit am Wärmeübertrager 4, wird neben dem Verdampfer 3 auch der Chiller 9 als Wärmequelle eingesetzt. Dieser Reheat-Betrieb wird im folgenden zweiter Reheat-Betrieb genannt.
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Bei diesem zweiten Reheat-Betrieb wird zunächst bei offenem Absperrorgan A3 der Heizzweig 2.2 und damit auch der Wärmeübertrager 4 mit Kältemittel durchströmt, welches anschließend bei geöffnetem Absperrorgan A1 sowohl in den Verdampfer 3 des Verdampferzweiges 3.1 als auch in den Chiller 9 des Chiller-Zweiges 9.1 mittels der zugehörigen Expansionsorgane AE1 und AE2 entspannt wird. Das Wärmepumpen-Expansionsorgan AE3 und das Reheat-Expansionsorgan AE4 sind bei diesem zweiten Reheat-Betrieb geschlossen.
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Aus dem Verdampfer 3 strömt das Kältemittel über das Rückschlagventil R1, über den Akkumulator 10 und den inneren Wärmeübertrager 11 wieder zurück zum Kältemittelverdichter 5. Das Kältemittel aus dem Chiller 9 strömt über den Akkumulator 10 und den inneren Wärmeübertrager 11 ebenso wieder zurück zum Kältemittelverdichter 5. Die in dem Verdampfer 3 sowie in dem Chiller 9 aufgenommene Wärme wird gemeinsam mit dem über den Kältemittelverdichter 5 eingetragenen Wärmestrom über den Wärmeübertrager 4 wieder an den in das Fahrzeuginnere geführten Kabinen-Zuluftstrom L abgegeben.
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Alternativ kann bei einem Wärmemangel im Kältemittelkreislauf 2 der Luft-Kältemittel-Wärmeübertrager 6 entweder anstelle des Chillers 9 als Wärmequelle eingesetzt werden oder als zusätzliche Wärmequelle parallel zum Chiller 9 geschaltet werden.
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Bei ausreichender Heizleistung im Kältemittelkreislauf 2 wird nur der Verdampfer 3 mit Kältemittel durchströmt. Dieser Reheat-Betrieb wird dritter Reheat-Betrieb genannt.
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Eine Umschaltung zwischen den oben beschriebenen Betriebsmodi erfolgt über eine Ansteuerung der einzelnen Absperrorgane, die entweder als Absperrventil oder als Expansionsventil ausgebildet sind. Auch Umschaltventile und/oder Mehrwegeventile werden hierfür eingesetzt. Diese Absperrorgane sind elektrisch steuerbar und können in jeder Zwischenstellung zwischen 0%-iger Querschnittsöffnung und 100 %-iger Querschnittsöffnung eingestellt und in einer solchen Zwischenstellung gehalten werden.
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Im Folgenden werden beispielhaft verschiedene Umschaltprozesse zwischen den oben genannten Betriebsmodi erläutert, um während eines solchen Umschaltprozesses einen Einbruch von Heiz- und/oder Kälteleistung zu verhindern, zumindest aber zu minimieren und um einen Neuanlauf der Kälteanlage 1 zu vermeiden.
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Die im folgenden dargestellte Umschaltstrategie verwendet für den Wechsel von einem Betriebsmodus, im folgenden erster Betriebsmodus genannt, auf einen anderen Betriebsmodus, im folgenden zweiter Betriebsmodus genannt, jeweils die gleichen Begriffe. Bei einem solchen Wechsel von einem ersten auf einen zweiten Betriebsmodus wird in einem Verzweigungsabschnitt des Kältemittelkreislaufs 2 ein Kältemittelstrom umgelenkt. Ein solcher Verzweigungsabschnitt, nämlich ein erster Verzweigungsabschnitt VZ1, ein zweiter Verzweigungsabschnitt VZ2 und ein dritter Verzweigungsabschnitt VZ3 weist Ventilorgane auf, mit welchen der Kältemittelstrom, im folgenden erster Kältemittelstrom bezeichnet, aus einem ersten Leitungsabschnitt zur Durchführung des ersten Betriebsmodus in einen zweiten Leitungsabschnitt als zweiter Kältemittelstrom zur Durchführung des zweiten Betriebsmodus umgelenkt wird. Das den ersten Kältemittelstrom bewirkende Ventilorgan des Verzweigungsabschnittes wird erstes Ventilorgan und das den zweiten Kältemittelstrom bewirkende Ventilorgan des Verzweigungsabschnittes wird zweites Ventilorgan genannt.
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In Abhängigkeit davon, welche Umschaltprozesse zwischen zwei Betriebsmodi beschrieben werden, werden für die an dieser Umschaltung beteiligten Ventilorgane des jeweiligen Verzweigungsabschnittes die Bezeichnungen „erstes Ventilorgan“, „zweites Ventilorgan“, „drittes Ventilorgan“, „viertes Ventilorgan“ und „n-tes Ventilorgan“ verwendet, wobei „n“ die Anzahl der maximal vorhandenen und schaltbaren Ventilorgane beschreibt.
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Zunächst wird eine Umschaltung der Kälteanlage 1 von einem AC-Betrieb als ersten Betriebsmodus in einen Wärmepumpenbetrieb als zweiten Betriebsmodus beschrieben.
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An diesem Umschaltprozess sind der erste Verzweigungsabschnitt VZ1 mit dem Absperrorgan A4 als erstes Ventilorgan, welches einen ersten Kältemittelstrom in den AC- und Wärmepumpenzweig 2.1 ermöglicht, und dem Absperrorgan A3 als zweites Ventilorgan, welches einen zweiten Kältemittelstrom in den Heizzweig 2.2 ermöglicht, beteiligt. Ferner ist an diesem Umschaltprozess auch das Absperrorgan A1 als drittes Ventilorgan beteiligt.
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Neben der oben beschriebenen Hauptstromverschaltung ist das Ventilorgan A5 des Nebenstroms vor Beginn des Strömungsrichtungswechsels zu schließen.
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Im AC-Betrieb als ersten Betriebsmodus ist das erste Ventilorgan A4 geöffnet, während das zweite Ventilorgan A3 und das dritte Ventilorgan A1 geschlossen sind. Um einen AC-Betrieb zu ermöglichen, ist natürlich das Wärmepumpen-Expansionsorgan AE3 vollständig geöffnet, so dass das Kältemittel mittels des Verdampfer-Expansionsorgans AE2 in den Verdampfer 3 entspannt werden kann.
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Der Umschaltprozess beginnt damit, dass die Drehzahl des Kältemittelverdichters 5 während des Umschaltprozesses auf einem vordefinierten Drehzahlwert oder auf dem Wert der zuletzt eingestellten Drehzahl konstant gehalten wird.
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Gleichzeitig oder anschließend mit dem „Festklemmen“ des Kältemittelverdichters 5 auf den konstanten Drehzahlwert wird das zweite Ventilorgan A3 bis zu einem vorgegebenen Zielquerschnitt mit definierter Verfahrgeschwindigkeit geöffnet. Mit dem Erreichen des vorgegebenen Zielquerschnittes beginnt der Schließvorgang des ersten Ventilorgans A4, indem dessen Querschnitt kontinuierlich auf den Wert Null reduziert wird. Das zweite Ventilorgan A3 wird ausgehend von dem vorgegebenen Zielquerschnitt vollständig geöffnet. Der zeitliche Versatz zwischen dem Erreichen des vorgegebenen Zielquerschnittes des zweiten Ventilorgans A3 und dem Beginn des Schließvorganges des ersten Ventilorgans A4 ist letztlich von der Verfahrgeschwindigkeit des angesteuerten Ventils abhängig, die je nach Antriebsausführung variieren kann.
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Neben der zeitlichen Abhängigkeit ist eine öffnungsquerschnittsabhängige Verfahrweise wählbar. Hat das Ventilorgan eine bestimmte Verfahrposition erreicht und damit einen entsprechenden Öffnungsquerschnitt, so kann der Schließprozess der zweiten Ventilorgans begonnen werden. Moderne Ventilorgane sind in der Lage eine exakte Positionsrückmeldung zu tätigen, so dass ein Steuergerät der Kälteanlage 1 stets über die aktuelle Ventilposition und damit den per Kennlinie hinterlegbaren Öffnungsquerschnitt informiert ist.
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Damit ein Durchströmen des Heizzweiges 2.2 mit dem zweiten Kältemittelstrom erfolgen kann, wird das dritte Ventilorgan A1 geöffnet, so dass Kältemittel entweder zur Durchführung eines Wasser-Wärmepumpenbetriebs in den Chillerzweig 9.1 und/oder zur Durchführung eines Luft-Wärmepumpenbetriebs in den AC- und Wärmepumpenzweig 2.1 strömen kann.
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Mit dem gegenüber dem zweiten Ventilorgan A3 zeitversetzt, aber zeitnahe nachgelagerten Schließen des ersten Ventilorgans A4 wird das dritte Ventilorgan A1 querschnittssynchron mit dem Schließen des ersten Ventilorgans A4 geöffnet. Damit wird das erste Ventilorgan A4 und das dritte Ventilorgan A1 synchron gegenläufig so verfahren, dass in einer wählbaren Variante die Summe der Querschnitte des schließenden ersten Ventilorgans A4 und des öffnenden dritten Ventilorgans A1 der ursprünglichen maximalen Querschnittsfläche des schließenden ersten Ventilorgans A4 entspricht. Das Schließen des ersten Ventilorgans A4 und das Öffnen des dritten Ventilorgans A1 beginnen zum identischen Zeitpunkt.
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Vorteilhaft ist es, wenn synchron zum Schließen des Ventilorgans A4 und Öffnen des Ventilorgans A1 das Wärmepumpen-Expansionsorgan AE3 geschlossen wird oder auf einem geringen Öffnungsquerschnitt für den Fall gehalten wird, dass ein Luftwärmepumpenbetrieb anschließt. Unabhängig von einem Luft- oder Wasserwärmepumpenbetrieb ist auch das Ventilorgan A2 zu öffnen. Da vor dem kompletten Schließen des Ventilorgans A4 die Gefahr eines Kurzschlusses des Kältemittelstroms vom Austritt zum Eintritt des Kältemittelverdichters 5 über das Ventilorgan A2 besteht, ist das Ventilorgan A2 bevorzugt unmittelbar nach Verschluss des Ventilorgans A4, alternativ bezogen auf die Querschnittsfläche kurz vor Komplettverschluss zu öffnen.
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Der Umschaltprozess vom AC-Betrieb als ersten Betriebsmodus auf einen Wärmepumpenbetrieb als zweiten Betriebsmodus ist beendet, wenn das erste Ventilorgan A4 vollständig geschlossen und das dritte Ventilorgan A1 sowie das Ventilorgan A2 vollständig geöffnet sind. Damit kann ein Wärmepumpenbetrieb mittels des Chillers 9 und/oder mittels des Luft-Kältemittel-Wärmeübertragers 6 als Wärmepumpenverdampfer durchgeführt werden.
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An einem umgekehrten Umschaltprozess, also von einem Wärmepumpenbetrieb als ersten Betriebsmodus auf den AC-Betrieb als zweiten Betriebsmodus sind der erste Verzweigungsabschnitt VZ1 mit dem Absperrorgan A3 als erstem Ventilorgan, welches einen ersten Kältemittelstrom in den Heizzweig 2.2 ermöglicht, und dem Absperrorgan A4 als zweitem Ventilorgan, welches einen zweiten Kältemittelstrom in den AC- und Wärmepumpenzweig 2.1 ermöglicht, beteiligt. Ferner sind an diesem Umschaltprozess auch das Ventilorgan A1 als viertes Ventilorgan und das Ventilorgan A2 sowie das Wärmepumpen-Expansionsorgan AE3 beteiligt.
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Im Wärmepumpenbetrieb als ersten Betriebsmodus sind das erste Ventilorgan A3 und das vierte Ventilorgan A1 geöffnet, während das zweite Ventilorgan A4 geschlossen ist. Um einen Wärmepumpenbetrieb zu ermöglichen, wird entweder Kältemittel in den AC- und Wärmepumpenzweig 2.1 mittels des Wärmepumpen-Expansionsorgans AE3 und/oder in den Chillerzweig 9.1 mittels des Chiller-Expansionsorgans AE1 entspannt.
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Dieser Umschaltprozess beginnt ebenfalls damit, dass die Drehzahl des Kältemittelverdichters 5 während des Umschaltprozesses auf einem vordefinierten Drehzahlwert oder auf dem Wert der zuletzt eingestellten Drehzahl konstant gehalten wird.
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Gleichzeitig oder anschließend mit dem „Festklemmen“ des Kältemittelverdichters 5 auf einen konstanten Drehzahlwert wird das zweite Ventilorgan A4 bis zu einem vorgegebenen Zielquerschnitt mit definierter Verfahrgeschwindigkeit geöffnet und an diesen Verfahrvorgang das Schließen des Ventilorgans A2 direkt oder zeitlich vorauseilend gekoppelt. Mit dem Erreichen des vorgegebenen Zielquerschnittes beginnt der Schließvorgang des ersten Ventilorgans A3, indem dessen Querschnitt kontinuierlich auf den Wert Null reduziert wird. Das zweite Ventilorgan A4 wird ausgehend von dem vorgegebenen Zielquerschnitt vollständig geöffnet. Der zeitliche Versatz zwischen dem Erreichen des vorgegebenen Zielquerschnittes des zweiten Ventilorgans A4 und dem Beginn des Schließvorganges des ersten Ventilorgans A3 ist letztlich von der Verfahrgeschwindigkeit des angesteuerten Ventilorgans abhängig, die je nach Antriebsausführung variieren kann.
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Letztlich kann wieder eine Auswertung der an den Verfahrweg gekoppelten Öffnungsquerschnitte per Ventilkennlinie und Positionserkennung erfolgen und in Abhängigkeit der erzielten Werte der Verfahrprozess anlaufen.
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Damit im AC-Betrieb ein Zurückströmen von Kältemittel aus dem AC- Wärmepumpenzweig 2.1 in den Heizzweig 2.2 verhindert wird, muss natürlich das Absperrorgan A1 als viertes Ventilorgan geschlossen werden. Gleiches gilt für das Ventilorgan A2, um im AC-Betrieb einen Kurzschluss mit der Niederdruckseite zu vermeiden.
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Mit dem gegenüber dem zweiten Ventilorgan A4 zeitversetzt nachgelagerten Schließen des ersten Ventilorgans A3 wird das vierte Ventilorgan A1 querschnittssynchron mit dem ersten Ventilorgan A3 geschlossen. Damit werden das erste Ventilorgan A3 und das vierte Ventilorgan A1 synchron gleichsinnig in deren geschlossenen Zustand verfahren. Das Schließen des ersten Ventilorgans A3 und das Schließen des vierten Ventilorgans A1 beginnen idealerweise gleichzeitig. Alternativ ist auch ein Zeitversatz realisierbar. Hier beginnt der Schließvorgang des ersten Ventilorgans A3 bevor das vierte Ventilorgan A1 folgt.
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Der Umschaltprozess vom Wärmepumpenbetrieb als ersten Betriebsmodus auf den AC-Betrieb als zweiten Betriebsmodus ist beendet, wenn das erste Ventilorgan A3 und das vierte Ventilorgan A1, sowie ggf. das Ventilorgan A2 vollständig geschlossen sind. Damit kann der AC-Betrieb mittels des Verdampfers 3 durchgeführt werden.
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Nun soll der Umschaltprozess von einem Luft-Wärmepumpenbetrieb als ersten Betriebsmodus auf einen Wasser-Wärmepumpenbetrieb als zweiten Betriebsmodus beschrieben werden.
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Bei einem Luft-Wärmepumpenbetrieb ist der Heizzweig 2.2 bei geöffnetem Absperrorgan A3 mit dem Hochdruckausgang des Kältemittelverdichters 5 stromaufwärtsseitig und über das geöffnete Absperrorgan A1 stromabwärtsseitig mit dem AC- und Wärmepumpenzweig 2.1 mittels des Wärmepumpen-Expansionsorgans AE3 verbunden, wobei gleichzeitig auch das Absperrorgan A2 des Wärmepumpen-Rückführzweiges 2.4 geöffnet ist. Bei einem Wasser-Wärmepumpenbetrieb erfolgt eine Verbindung des Heizzweiges 2.2 mit dem Chillerzweig 9.1. Bei diesen Wärmepumpenbetrieben sind das Verdampfer-Expansionsorgan AE2 sowie das Reheat-Expansionsorgan AE4 geschlossen .
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An diesem Umschaltprozess ist ein zweiter Verzweigungsabschnitt VZ2 mit dem Wärmepumpen-Expansionsorgan AE3 als erstes Ventilorgan, welches einen ersten Kältemittelstrom in den AC- und Wärmepumpenzweig 2.1 ermöglicht, und dem Chiller-Expansionsorgan AE1 als zweites Ventilorgan, welches einen zweiten Kältemittelstrom in den Chillerzweig 9.1 ermöglicht, beteiligt.
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Im Luft-Wärmepumpenbetrieb als ersten Betriebsmodus sind das erste Ventilorgan AE3 mit einem entsprechendem Querschnitt zur Erfüllung dessen Expansionsfunktion geöffnet, während das zweite Ventilorgan AE1 geschlossen ist. Um einen Wasser-Wärmepumpenbetrieb zu ermöglichen, wird das Kältemittel in den Chillerzweig 9.1 mittels des Chiller-Expansionsorgans als zweites Ventilorgan AE1 entspannt.
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Der Umschaltprozess auf den Wasser-Wärmepumpenbetrieb als zweiten Betriebsmodus beginnt ebenfalls damit, dass die Drehzahl des Kältemittelverdichters 5 während des Umschaltprozesses auf einem vordefinierten Drehzahlwert oder auf dem Wert der zuletzt eingestellten Drehzahl konstant gehalten wird.
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Gleichzeitig oder anschließend mit dem „Festklemmen“ des Kältemittelverdichters 5 auf einen konstanten Drehzahlwert wird das zweite Ventilorgan AE1 bis zu einem vorgegebenen Zielquerschnitt mit definierter Verfahrgeschwindigkeit geöffnet. Mit dem Erreichen des vorgegebenen Zielquerschnittes beginnt der Schließvorgang des ersten Ventilorgans AE3, indem dessen Querschnitt kontinuierlich auf den Wert Null reduziert wird. Das zweite Ventilorgan AE1 wird ausgehend von dem vorgegebenen Zielquerschnitt auf einen Sollquerschnitt zur Erfüllung von dessen Entspannungsfunktion geöffnet. Der zeitliche Versatz zwischen dem Erreichen des vorgegebenen Zielquerschnittes des zweiten Ventilorgans AE1 und dem Beginn des Schließvorganges des ersten Ventilorgans AE3 ist letztlich von der Verfahrgeschwindigkeit des angesteuerten Ventils abhängig, die je nach Antriebsausführung variieren kann.
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Das Absperrorgan A2 des Wärmepumpenrückführzweiges 2.4 bleibt wegen einer Absaugung von Kältemittel aus dem AC- und Wärmepumpenzweig 2.1 geöffnet, während alle weiteren Ventilorgane die zuletzt vor dem Umschaltprozess eingenommene Stellung beibehalten. Der Umschaltprozess ist damit vollzogen.
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Nun wird der umgekehrte Umschaltprozess, also die Umschaltung vom Wasser-Wärmepumpenprozess als ersten Betriebsmodus auf den Luft-Wärmepumpenprozess als zweiten Betriebsmodus beschrieben.
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An diesem Umschaltprozess sind der zweiter Verzweigungsabschnitt VZ2 mit dem Chiller-Expansionsorgan AE1 als erstes Ventilorgan, welches einen ersten Kältemittelstrom in den Chillerzweig 9.1 ermöglicht, und dem Wärmepumpen-Expansionsorgan AE3 als zweites Ventilorgan, welches einen zweiten Kältemittelstrom in den AC- und Wärmepumpenzweig 2.1 ermöglicht, beteiligt.
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Der Umschaltprozess auf den Luft-Wärmepumpenprozess als zweiten Betriebsmodus beginnt ebenfalls damit, dass die Drehzahl des Kältemittelverdichters 5 während des Umschaltprozesses auf einem vordefinierten Drehzahlwert oder auf dem Wert der zuletzt eingestellten Drehzahl konstant gehalten wird.
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Gleichzeitig oder anschließend mit dem „Festklemmen“ des Kältemittelverdichters 5 auf einen Soll-Drehzahlwert wird das zweite Ventilorgan AE3 bis zu einem vorgegebenen Zielquerschnitt mit definierter Verfahrgeschwindigkeit geöffnet. Mit dem Erreichen des vorgegebenen Zielquerschnittes beginnt der Schließvorgang des ersten Ventilorgans AE1, indem dessen Querschnitt kontinuierlich auf den Wert Null reduziert wird. Das zweite Ventilorgan AE3 wird ausgehend von dem vorgegebenen Zielquerschnitt auf den zur Durchführung der Expansionsfunktion erforderlichen Querschnitt (Sollquerschnitt) geöffnet. Der zeitliche Versatz zwischen dem Erreichen des vorgegebenen Zielquerschnittes des zweiten Ventilorgans AE3 und dem Beginn des Schließvorganges des ersten Ventilorgans AE1 ist letztlich von der Verfahrgeschwindigkeit des angesteuerten Ventils abhängig, die je nach Antriebsausführung variieren kann.
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Als nächstes wird eine Umschaltung der Kälteanlage 1 vom AC-Betrieb als ersten Betriebsmodus in den ersten Reheat-Betrieb als zweiten Betriebsmodus beschrieben.
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An diesem Umschaltprozess sind der erste Verzweigungsabschnitt VZ1 mit dem Absperrorgan A4 als erstes Ventilorgan, welches einen ersten Kältemittelstrom in den AC- und Wärmepumpenzweig 2.1 ermöglicht, und dem Absperrorgan A3 als zweites Ventilorgan, welches einen zweiten Kältemittelstrom in den Heizzweig 2.2 ermöglicht, beteiligt, Ferner ist an diesem Umschaltprozess auch das Reheat-Expansionsorgan AE4 als drittes Ventilorgan beteiligt.
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Im AC-Betrieb als ersten Betriebsmodus ist das erste Ventilorgan A4 geöffnet, während das zweite Ventilorgan A3 und das dritte Ventilorgan AE4 geschlossen ist. Um einen AC-Betrieb zu ermöglichen, ist natürlich das Wärmepumpen-Expansionsorgan AE3 vollständig geöffnet, so dass das Kältemittel mittels des Verdampfer-Expansionsorgans AE2 in den Verdampfer 3 entspannt werden kann.
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Der Umschaltprozess beginnt damit, dass die Drehzahl des Kältemittelverdichters 5 während des Umschaltprozesses auf einem vordefinierten Drehzahlwert oder auf dem Wert der zuletzt eingestellten Drehzahl konstant gehalten wird.
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Gleichzeitig oder anschließend mit dem „Festklemmen“ des Kältemittelverdichters 5 auf einen Soll-Drehzahlwert wird das zweite Ventilorgan A3 bis zu einem vorgegebenen Zielquerschnitt mit definierter Verfahrgeschwindigkeit geöffnet. Mit dem Erreichen des vorgegebenen Zielquerschnittes beginnt der Schließvorgang des ersten Ventilorgans A4, indem dessen Querschnitt kontinuierlich auf den Wert Null reduziert wird. Das zweite Ventilorgan A3 wird ausgehend von dem vorgegebenen Zielquerschnitt maximal auf einen Sollquerschnitt oder vollständig geöffnet. Der zeitliche Versatz zwischen dem Erreichen des vorgegebenen Zielquerschnittes des zweiten Ventilorgans A3 und dem Beginn des Schließvorganges des ersten Ventilorgans A4 ist letztlich von der Verfahrgeschwindigkeit des angesteuerten Ventils abhängig, die je nach Antriebsausführung variieren kann.
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Damit ein Durchströmen des Heizzweiges 2.2 mit dem zweiten Kältemittelstrom erfolgen kann, wird das dritte Ventilorgan AE4 zur Durchführung einer entsprechenden Expansionsfunktion geöffnet, so dass Kältemittel zur Durchführung des ersten Reheat-Betriebs in den Reheat-Zweig 2.3 strömen kann.
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Mit dem gegenüber dem zweiten Ventilorgan A3 zeitversetzt nachgelagerten Schließen des ersten Ventilorgans A4 wird das dritte Ventilorgan AE4 querschnittssynchron mit dem ersten Ventilorgan A4 geöffnet. Damit werden das erste Ventilorgan A4 und das dritte Ventilorgan AE4 synchron gegenläufig so verfahren, dass die Summe der Querschnitte des schließenden ersten Ventilorgans A4 und des öffnenden dritten Ventilorgans AE4 der ursprünglichen maximalen Querschnittsfläche des schließenden ersten Ventilorgans A4 entspricht. Das Schließen des ersten Ventilorgans A4 und das Öffnen des dritten Ventilorgans AE4 beginnen zum identischen Zeitpunkt.
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Dem Umschaltvorgang vorangestellt ist das Schließen des Ventilorgans A5, das im AC-Betrieb die Absaugung von Kältemittel aus dem segmentierten Heizzweig 2.2 bewirkt, um einen Kurzschluss zwischen dem Heizzweig 2.2 und der Saugseite des Kältemittelverdichters 5 zu unterbinden.
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Der Umschaltprozess vom AC-Betrieb als ersten Betriebsmodus auf den ersten Reheat-Betrieb als zweiten Betriebsmodus ist beendet, wenn das erste Ventilorgan A4 vollständig geschlossen und das dritte Ventilorgan AE4 auf einen Zielquerschnitt, der bis zu 100% betragen kann, geöffnet ist. Damit kann der erste Reheat-Betrieb mittels des Wärmeübertragers 4, dem äußeren Luft-Kältemittel-Wärmeübertragers 6 und dem Verdampfer 3 durchgeführt werden.
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An dem umgekehrten Umschaltprozess, also der Umschaltung vom ersten Reheat-Betrieb als ersten Betriebsmodus auf den AC-Betrieb als zweiten Betriebsmodus sind der erste Verzweigungsabschnitt VZ1 mit dem Absperrorgan A3 als erstes Ventilorgan, welches einen ersten Kältemittelstrom in den Heizzweig 2.2 ermöglicht, und dem Absperrorgan A4 als zweites Ventilorgan, welches einen zweiten Kältemittelstrom in den AC- und Wärmepumpenzweig 2.1 ermöglicht, beteiligt, Ferner ist an diesem Umschaltprozess auch das Reheat-Expansionsorgan AE4 als viertes Ventilorgan beteiligt.
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Im ersten Reheat-Betrieb als ersten Betriebsmodus sind das erste Ventilorgan A3 und das vierte Ventilorgan AE4 geöffnet, während das zweite Ventilorgan A4 geschlossen ist. Um einen AC-Betrieb zu ermöglichen ist das zweite Ventilorgan A4 geöffnet, so dass Kältemittel in den AC- und Wärmepumpenzweig 2.1 und bei geöffnetem Wärmepumpen-Expansionsorgan AE3 in den Verdampferzweig 3.1 strömen kann.
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Dieser Umschaltprozess vom ersten Reheat-Betrieb als ersten Betriebsmodus auf den AC-Betrieb als zweiten Betriebsmodus beginnt ebenfalls damit, dass die Drehzahl des Kältemittelverdichters 5 während des Umschaltprozesses auf einem vordefinierten Drehzahlwert oder auf dem Wert der zuletzt eingestellten Drehzahl konstant gehalten wird.
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Gleichzeitig oder anschließend mit dem „Festklemmen“ des Kältemittelverdichters 5 auf einen Soll-Drehzahlwert wird das zweite Ventilorgan A4 bis zu einem vorgegebenen Zielquerschnitt mit definierter Verfahrgeschwindigkeit geöffnet. Mit dem Erreichen des vorgegebenen Zielquerschnittes beginnt der Schließvorgang des ersten Ventilorgans A3, indem dessen Querschnitt kontinuierlich auf den Wert Null reduziert wird. Das zweite Ventilorgan A4 wird ausgehend von dem vorgegebenen Zielquerschnitt vollständig geöffnet. Der zeitliche Versatz zwischen dem Erreichen des vorgegebenen Zielquerschnittes des zweiten Ventilorgans A4 und dem Beginn des Schließvorganges des ersten Ventilorgans A3 ist letztlich von der Verfahrgeschwindigkeit des angesteuerten Ventils abhängig, die je nach Antriebsausführung variieren kann.
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Damit im AC-Betrieb ein Einströmen von Kältemittel aus dem Reheat-Zweig 2.3 in den Heizzweig 2.2 verhindert wird, muss natürlich das Reheat-Expansionsorgan AE4 als viertes Ventilorgan geschlossen werden.
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Mit dem gegenüber dem Öffnen des zweiten Ventilorgans A4 zeitversetzt nachgelagerten Schließen des ersten Ventilorgans A3 wird das vierte Ventilorgan AE4 querschnittssynchron mit dem ersten Ventilorgan A3 geschlossen. Damit werden das erste Ventilorgan A3 und das vierte Ventilorgan AE4 synchron gleichsinnig in deren geschlossenen Zustand verfahren. Das Schließen des ersten Ventilorgans A3 und das Schließen des vierten Ventilorgans AE4 beginnen gleichzeitig. Alternativ kann das Schließen des Reheat-Expansionsorgans AE4 als viertes Ventilorgan auch an den Öffnungsvorgang des zweiten Ventilorgans A4 gekoppelt oder vorangestellt werden, um somit eine undefinierte Kältemittelströmung zu vermeiden. Aufgrund des Aggregatzustands und der Dichte des Kältemittels am vierten Ventilorgan AE4 ist sogar die vorgelagerte Ansteuerung und damit der Beginn des Schließprozesses eine alternative Vorgehensweise.
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Der Umschaltprozess vom ersten Reheat-Betrieb als ersten Betriebsmodus auf den AC-Betrieb als zweiten Betriebsmodus ist beendet, wenn das erste Ventilorgan A3 und das vierte Ventilorgan AE4 vollständig geschlossen sind. Damit kann der AC-Betrieb mittels des Verdampfers 3 durchgeführt werden. Diesem Abschluss nachgelagert ist das Öffnen des Ventilorgans A5 und damit der Beginn der Kältemittelrückholung aus dem segmentierten Wärmepumpenzweig 2.2.
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Als letztes Beispiel eines Umschaltprozesses wird eine Umschaltung der Kälteanlage 1 vom ersten Reheat-Betrieb als ersten Betriebsmodus auf den zweiten Reheat-Betrieb als zweiten Betriebsmodus beschrieben.
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An diesem Umschaltprozess ist ein dritter Verzweigungsabschnitt VZ3 mit dem Reheat-Expansionsorgan AE4 als erstes Ventilorgan, welches einen ersten Kältemittelstrom in den Reheat-Zweig 2.3 ermöglicht, und dem Absperrorgan A1 als zweites Ventilorgan, welches einen zweiten Kältemittelstrom in den Verdampferzweig 3.1 und den Chiller-Zweig 9.1 ermöglicht, beteiligt. Ferner ist an diesem Umschaltprozess auch das Wärmepumpen-Expansionsorgan AE3 als viertes Ventilorgan beteiligt.
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Im ersten Reheat-Betrieb als ersten Betriebsmodus ist das erste Ventilorgan AE4 zumindest teilweise geöffnet, während das zweite Ventilorgan A1 geschlossen ist. Um einen zweiten Reheat-Betrieb zu ermöglichen, ist das Reheat-Expansionsorgan AE4 vollständig geschlossen, während das Absperrorgan A1 vollständig geöffnet ist und das Chiller-Expansionsorgan AE1 sowie das Verdampfer-Expansionsorgan AE2 auf einen vorgegebenen Zielquerschnitt zur Durchführung der Expansionsfunktionen geöffnet sind.
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Der Umschaltprozess beginnt damit, dass die Drehzahl des Kältemittelverdichters 5 während des Umschaltprozesses auf einem vordefinierten Drehzahlwert oder auf dem Wert der zuletzt eingestellten Drehzahl konstant gehalten wird.
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Gleichzeitig oder anschließend mit dem „Festklemmen“ des Kältemittelverdichters 5 auf einen Soll-Drehzahlwert wird das zweite Ventilorgan A1 bis zu einem vorgegebenen Zielquerschnitt mit definierter Verfahrgeschwindigkeit geöffnet. Mit dem Erreichen des vorgegebenen Zielquerschnittes beginnt der Schließvorgang des ersten Ventilorgans AE4, indem dessen Querschnitt kontinuierlich auf den Wert Null reduziert wird. Das zweite Ventilorgan A1 wird ausgehend von dem vorgegebenen Zielquerschnitt maximal auf einen Sollquerschnitt oder vollständig geöffnet. Der zeitliche Versatz zwischen dem Erreichen des vorgegebenen Zielquerschnittes des zweiten Ventilorgans A1 und dem Beginn des Schließvorganges des ersten Ventilorgans AE4 ist letztlich von der Verfahrgeschwindigkeit des angesteuerten Ventils abhängig, die je nach Antriebsausführung variieren kann.
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Damit ein Durchströmen des Reheat-Zweiges 2.3 und anschließend des AC-und Wärmepumpenzweiges 2.1 mit dem ersten Kältemittelstrom erfolgen kann, ist das vierte Ventilorgan AE3 geöffnet.
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Mit dem gegenüber dem zweiten Ventilorgan A1 zeitversetzt nachgelagerten Schließen des ersten Ventilorgans AE4 wird auch das dritte Ventilorgan AE3 querschnittssynchron mit dem ersten Ventilorgan AE4 geschlossen. Das Schließen des ersten Ventilorgans AE4 und das Schließen des vierten Ventilorgans AE3 beginnen zum identischen Zeitpunkt. Abschließend erfolgt zur Ermöglichung der Kältemittelabsaugung aus dem inaktiven AC- und Wärmepumpenzweig 2.1 die Öffnung des Ventilorgans A2.
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Der Umschaltprozess vom ersten Reheat-Betrieb als ersten Betriebsmodus auf den zweiten Reheat-Betrieb als zweiten Betriebsmodus ist beendet, wenn das erste Ventilorgan AE4 und das vierte Ventilorgan AE3 vollständig geschlossen sind. Damit kann der zweite Reheat-Betrieb mittels des Verdampfers 3 und des Chillers durchgeführt werden.
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An dem umgekehrten Umschaltprozess, also der Umschaltung vom zweiten Reheat-Betrieb als ersten Betriebsmodus auf den ersten Reheat-Betrieb als zweiten Betriebsmodus ist der dritte Verzweigungsabschnitt VZ3 mit dem Absperrorgan A1 als erstes Ventilorgan, welches einen ersten Kältemittelstrom in den Verdampferzweig 3.1 und den Chillerzweig 9.1 ermöglicht, und dem Reheat-Expansionsorgan AE4 als zweites Ventilorgan, welches einen zweiten Kältemittelstrom in den Reheat-Zweig 2.3 ermöglicht, beteiligt.
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Im zweiten Reheat-Betrieb als ersten Betriebsmodus ist das erste Ventilorgan A1 geöffnet, während das zweite Ventilorgan AE4 und das Wärmepumpen-Expansionsorgan AE3 geschlossen sind. Ferner sind in diesem zweiten Reheat-Betrieb das Chiller-Expansionsorgan AE1 sowie das Verdampfer-Expansionsorgan AE2 auf einen Sollwertquerschnitt zur Durchführung der Expansionsfunktionen eingestellt. Im ersten Reheat-Betrieb als zweiten Betriebsmodus ist das erste Ventilorgan AE4 sowie das Wärmepumpen-Expansionsorgan AE3 als drittes Ventilorgan geöffnet, während das zweite Ventilorgan A1 geschlossen ist.
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Diesem Umschaltprozess vom zweiten Reheat-Betrieb als ersten Betriebsmodus auf den ersten Reheat-Betrieb als zweiten Betriebsmodus ist das Schießen des Ventilorgans A2 vorgelagert, um bei aktivem Durchströmen des AC- und Wärmepumpenzweiges 2.1 einen direkten Kältemittelfluss zum Eintritt des Kältemittelverdichters zu unterbinden bevor begonnen wird, die Drehzahl des Kältemittelverdichters 5 während des Umschaltprozesses auf einen v Soll-Drehzahlwert oder auf den Wert der zuletzt eingestellten Drehzahl einzustellen.
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Gleichzeitig oder anschließend mit dem „Festklemmen“ des Kältemittelverdichters 5 auf den Soll-Drehzahlwert wird das zweite Ventilorgan AE4 bis zu einem vorgegebenen Zielquerschnitt mit definierter Verfahrgeschwindigkeit geöffnet. Mit dem Erreichen des vorgegebenen Zielquerschnittes beginnt der Schließvorgang des ersten Ventilorgans A1, indem dessen Querschnitt kontinuierlich auf den Wert Null reduziert wird. Das zweite Ventilorgan AE4 wird ausgehend von dem vorgegebenen Zielquerschnitt auf einen Sollquerschnitt zur Durchführung der Expansionsfunktion geöffnet. Der zeitliche Versatz zwischen dem Erreichen des vorgegebenen Zielquerschnittes des zweiten Ventilorgans AE4 und dem Beginn des Schließvorganges des ersten Ventilorgans A1 ist letztlich von der Verfahrgeschwindigkeit des angesteuerten Ventils abhängig, die je nach Antriebsausführung variieren kann.
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Damit im ersten Reheat-Betrieb ein Einströmen von Kältemittel in den AC-und Wärmepumpenzweig 2.1 ermöglicht wird, muss natürlich das Wärmepumpen-Expansionsorgan AE3 als drittes Ventilorgan geöffnet werden.
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Mit dem gegenüber dem zweiten Ventilorgan AE4 zeitversetzt nachgelagerten Schließen des ersten Ventilorgans A1 wird das dritte Ventilorgan AE3 querschnittssynchron mit dem zweiten Ventilorgan AE4 geöffnet. Damit werden das erste Ventilorgan A1 und das dritte Ventilorgan AE3 synchron gegensinnig verfahren. Das Schließen des ersten Ventilorgans A1 und das Öffnen des vierten Ventilorgans AE3 beginnen gleichzeitig.
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Der Umschaltprozess vom zweiten Reheat-Betrieb als ersten Betriebsmodus auf den ersten Reheat-Betrieb als zweiten Betriebsmodus ist beendet, wenn das erste Ventilorgan A1 vollständig geschlossen und gleichzeitig das dritte Ventilorgan AE3 vollständig geöffnet sind. Damit kann der erste Reheat-Betrieb mittels des Verdampfers 3 und des äußeren Luft-Kältemittel-Wärmeübertragers 6 durchgeführt werden.
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Bei den oben beschriebenen Ausführungsbeispielen wird mit Beginn eines Umschaltprozesses der Kältemittelverdichter 5 auf einem definierten Drehzahlwert bis zum Ende des Umschaltprozesses konstant gehalten. Dieser definierte Drehzahlwert kann dem vor der Umschaltung eingestellten Drehzahlwert oder einem vordefinierten Drehzahlwert entsprechen, welcher aus in einem Steuergerät abgelegten Kennlinien oder Tabellen oder anhand geeigneter Formeln berechnet wird.
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Es sind natürlich weitere Umschaltprozesse der Kälteanlage 1 zwischen zwei Betriebsmodi möglich, wobei die grundlegende Vorgehensweise den oben beschriebenen Umschaltprozessen entspricht.
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Hierbei wird zur Umschaltung von einem ersten Betriebsmodus auf einen zweiten Betriebsmodus ein hierfür zuständiger Leitungszweig mittels eines Ventilorgans freigegeben, wobei dieses Ventilorgan zeitversetzt vor dem Schließen des den ersten Betriebsmodus ermöglichenden Ventilorgans geöffnet wird.
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Falls ein weiteres Ventilorgan zur Durchströmung des den zweiten Betriebsmodus ermöglichenden Leitungszweiges erforderlich ist, erfolgt das Öffnen dieses Ventilorgans mit dem Schließen des den ersten Betriebsmodus ermöglichenden Ventilorgans querschnittssynchron.
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Falls ein weiteres Ventilorgan zum Verhindern des Durchfließens von Kältemittel durch den den ersten Betriebsmodus ermöglichenden Leitungszweig erforderlich ist, wird dieses weitere Ventilorgan mit dem den ersten Betriebsmodus ermöglichenden Ventilorgan querschnittssynchron geschlossen.
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In der Regel weisen Expansionsorgane im Gegensatz zu Absperrorganen eine unterschiedliche Kennlinie auf, d.h. bei identischen Steuersignalen resultieren unterschiedliche Querschnittsöffnungen. Im Idealfall haben jedoch alle genannten Ventilorgane einen annähernd identischen maximalen Öffnungsquerschnitt, der sich letztlich bei Absperrorganen in geringen Strömungsverlusten niederschlägt und bei Expansionsorganen eine Servicebarkeit (Montage und Demontage) des Gesamtsystems deutlich vereinfacht.
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Dem Klemmen der Drehzahl des Verdichters 5 auf die Soll-Drehzahl ist stets die Sicherheitsfunktion der Überwachung des zulässigen Hochdrucks sowie der Heißgastemperatur überlagert.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Kälteanlage
- 1.1
- Klimagerät
- 2
- Kältemittelkreislauf der Kälteanlage 1
- 2.1
- AC-und Wärmepumpenzweig des Kältemittelkreislaufs 2
- 2.2
- Heizzweig
- 2.3
- Reheat-Zweig
- 2.4
- Wärmepumpenrückführzweig
- 2.5
- Absaugzweig
- 3
- Verdampfer
- 3.1
- Verdampferzweig
- 4
- Wärmeübertrager, Heizregister
- 4.1
- Heizregisterzweig
- 5
- Kältemittelverdichter
- 6
- äußerer Luft-Kältemittel-Wärmeübertrager
- 7
- elektrisches Heizelement
- 9
- Chiller
- 9.0
- Kühlmittelkreislauf des Chillers 9
- 9.1
- Chillerzweig
- 10
- Akkumulator
- 11
- innerer Wärmeübertrager
- A1
- Absperrorgan
- A2
- Absperrorgan
- A3
- Absperrorgan
- A4
- Absperrorgan
- A5
- Absperrorgan
- Ab1
- Abzweigpunkt
- Ab2
- Abzweigpunkt
- Ab3
- Abzweigpunkt
- AE1
- Chiller-Expansionsorgan
- AE2
- Verdampfer-Expansionsorgan
- AE3
- Wärmepumpen-Expansionsorgan
- AE4
- Reheat-Expansionsorgan
- L
- Kabinen-Zuluftstrom
- pT1
- erster Druck-Temperatursensor
- pT2
- zweiter Druck-Temperatursensor
- pT3
- dritter Druck-Temperatursensor
- pT4
- vierter Druck-Temperatursensor
- pT5
- fünfter Druck-Temperatursensor
- R1
- Rückschlagventil
- R2
- Rückschlagventil
- VZ1
- erster Verzweigungsabschnitt
- VZ2
- zweiter Verzweigungsabschnitt
- VZ3
- dritter Verzweigungsabschnitt
