DE102022104420A1 - Refrigeration system for vehicles with at least one primary circuit and one secondary circuit - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Kältetechnische Anlage für Fahrzeuge, die eine Schnittstelle zu einem Kühlkreislauf mindestens einer zu entwärmenden Komponente des Energieversorgungs- bzw. Antriebssystems aufweist (Primärkreislauf), die mindestens einen Wärmeübertrager für eine Fahrzeuginnenraumtemperierung mit Einbindungsmöglichkeit in den Primärkreislauf aufweist und die über einen Kältemittel-Kreislauf (Sekundärkreislauf) verfügt, der sowohl nach dem Kompressionskälte-Prinzip, als auch nach dem Organic-Rankine-(ORC-)Prinzip betreibbar ist.The invention relates to a refrigeration system for vehicles, which has an interface to a cooling circuit of at least one component of the energy supply or drive system to be cooled (primary circuit), which has at least one heat exchanger for temperature control of the vehicle interior with the possibility of integration into the primary circuit and which has a refrigerant Circuit (secondary circuit) has, which can be operated both according to the compression refrigeration principle and according to the Organic Rankine (ORC) principle.
Description
Die Erfindung betrifft eine Kälteanlage für Fahrzeuge mit mindestens einem Primärkreis und einem Sekundärkreis und findet insbesondere für Schienenfahrzeuge Anwendung.The invention relates to a refrigeration system for vehicles with at least one primary circuit and one secondary circuit and is used in particular for rail vehicles.
In der Druckschrift
Die Druckschriften
Die Erfindung stellt eine kältetechnische Anlage für Fahrzeuge dar, welche die Aufgaben der Fahrzeuginnenraumtemperierung und der Energierückgewinnung aus der Abwärme des Antriebssystems vereint.The invention represents a refrigeration system for vehicles, which combines the tasks of vehicle interior temperature control and energy recovery from the waste heat of the drive system.
Diese Aufgaben werden mit den Merkmalen des ersten Patentanspruchs gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.These tasks are solved with the features of the first patent claim. Advantageous configurations result from the dependent claims.
Erfindungsgemäß ist der Sekundärkreis so ausgeführt, dass er eine Kombination aus ORC- und Kompressionskältemaschine darstellt, da er sowohl als rechtslaufender (Umwandlung von Wärmeenergie in mechanische Arbeit) als auch als linkslaufender (Anhebung des Temperaturnutzniveaus durch Zufuhr von mechanischer Arbeit) thermodynamischer Kreisprozess betrieben werden kann.
Die kältetechnische Anlage bzw. Kälteanlage für Fahrzeuge ist wie folgt aufgebaut: In einem Primärkreislauf, der von einem Arbeitsmedium ohne Phasenübergang (beispielhaft, aber nicht ausschließlich Wasser-Glykol-Gemisch) durchströmt wird, befinden sich
- • mindestens eine Zulauf (Z) und ein Rücklauf (R) zu mindestens einer zu entwärmenden Komponente (1) des Energieversorgungs- bzw. Antriebssystems,
- • mindestens ein Wärmeübertrager (2) zum Sekundärkreis,
- • mindestens ein Wärmeübertrager (3) für die Fahrzeuginnenraumtemperierung und
- • mindestens eine Pumpe (P2).
The refrigeration system or refrigeration system for vehicles is constructed as follows: In a primary circuit, through which a working medium flows without phase transition (example, but not exclusively water-glycol mixture), there are
- • at least one inlet (Z) and one return (R) to at least one component (1) of the energy supply or drive system to be cooled,
- • at least one heat exchanger (2) to the secondary circuit,
- • at least one heat exchanger (3) for the temperature control of the vehicle interior and
- • at least one pump (P2).
Die in
In einem Kältemittel-Kreislauf (Sekundärkreislauf), der sowohl als rechtslaufender (ORC-Maschine) als auch als linkslaufender (Kompressionskältemaschine) thermodynamischer Kreisprozess betrieben werden kann, befinden sich gleichzeitig
- • mindestens ein Wärmeübertrager zum Primärkreis (2),
- • mindestens eine Kältemittelpumpe (P3),
- • mindestens eine Expansionsmaschine (T),
- • mindestens eine Kompressionsmaschine (K),
- • mindestens ein Wärmeübertrager, der als Verflüssiger des Kältemittels betrieben wird (4)
- • Mindestens ein Expansionsventil (E) und
- • mindestens einen Kältemittelsammler (S).
- • at least one heat exchanger to the primary circuit (2),
- • at least one refrigerant pump (P3),
- • at least one expansion machine (T),
- • at least one compression machine (K),
- • at least one heat exchanger that is operated as a condenser of the refrigerant (4)
- • At least one expansion valve (E) and
- • at least one refrigerant collector (S).
Vorteilhafter weise können wesentliche Komponenten des Sekundärkreises, insbesondere Verdampfer und Verflüssiger, sowohl für den rechtslaufenden als auch für den linkslaufenden thermodynamischen Kreisprozess verwendet werden.Advantageously, essential components of the secondary circuit, in particular the evaporator and condenser, can be used both for the clockwise and counterclockwise thermodynamic cycle.
Wird die Kälteanlage als rechtslaufender Kreisprozess (ORC-Maschine) betrieben, so treibt die Expansionsmaschine einen Generator an, der mit der elektrischen Energieversorgung des Fahrzeugs verbunden ist und der somit die Umwandlung thermischer Energie in mechanische bzw. elektrische Energie realisiert. Diese Energiewandlung wird bevorzugt mittels der Drehzahl der im Sekundärkreis befindlichen Kältemittelpumpe reguliert.If the refrigeration system is operated as a clockwise cycle (ORC machine), the expansion machine drives a generator that is connected to the vehicle's electrical energy supply and thus converts thermal energy into mechanical or electrical energy. This energy conversion is preferably regulated by means of the speed of the refrigerant pump located in the secondary circuit.
Ein zusätzlicher Wärmeübertrager zwischen Primärkreis und Sekundärkreis unterstützt vorteilhafter Weise die Entwärmung der zu kühlenden Komponente des Energieversorgungs- bzw. Antriebssystems bei hohen Außentemperaturen durch die Kompressionskältemaschine.An additional heat exchanger between the primary circuit and the secondary circuit advantageously supports the cooling of the component of the energy supply or drive system to be cooled by the compression refrigerating machine at high outside temperatures.
Die Erfindung kombiniert damit zwei Kernaufgaben: Zum einen dient sie der Rekuperation elektrischer Energie aus thermischer Energie, die durch den Kühlkreislauf einer zu entwärmenden Komponente des Energieversorgungs- bzw. Antriebssystems, beispielsweise einer Brennstoffzelle, zugeführt wird. Diese Aufgabe wird überwiegend bei relativ niedrigen Außentemperaturen durchgeführt und funktioniert mittels ORC-Prozess. Die zweite Aufgabe ist die Regulierung der Temperatur im Fahrzeuginnenraum und funktioniert somit insbesondere bei hohen Außentemperaturen nach dem Prinzip des Kaltdampf-Kompressionskälteprozesses.The invention thus combines two core tasks: On the one hand, it serves to recuperate electrical energy from thermal energy, which is fed through the cooling circuit to a component of the energy supply or drive system that is to be cooled, for example a fuel cell. This task is mainly carried out at relatively low outside temperatures and works using the ORC process. The second task is to regulate the temperature inside the vehicle, which means that it works according to the principle of the cold vapor compression refrigeration process, particularly when the outside temperature is high.
Die Anlage greift teilweise auf bereits bestehende und bewährte Komponenten zurück, verknüpft diese aber zu einem neuartigen System für Fahrzeuge, insbesondere, jedoch nicht ausschließlich, für Schienenfahrzeuge.The system partly uses existing and proven components, but combines them into a new type of system for vehicles, especially, but not exclusively, for rail vehicles.
Zentraler Bestandteil des Konzepts stellt die Abwärmenutzung mindestens einer zu entwärmenden Komponente des Fahrzeugs dar. Als eine solche Komponente kann dabei mindestens eine Brennstoffzelle und/oder mindestens ein Traktionsmotor und/oder mindestens ein Stromrichter und/oder mindestens ein Dieselmotor dienen.A central part of the concept is the use of waste heat from at least one component of the vehicle to be cooled. At least one fuel cell and/or at least one traction motor and/or at least one power converter and/or at least one diesel engine can serve as such a component.
Die Nachteile des Standes der Technik werden dadurch gelöst, dass im Kaltdampf-Kompressionskälte-Betrieb mittels einer entsprechenden Ventilstellung der Kühlkreislauf der zu entwärmenden Komponente von dem Primärkreislauf entkoppelt wird, der die in diesem Betriebsmodus im Sekundärkreislauf bereit gestellte Kälteleistung zu dem Fahrzeuginnenraum-Wärmeübertrager führt. Die somit erzielte Möglichkeit der Doppelnutzung des Primärkreislaufs für beide Betriebsweisen des Sekundärkreislaufs führt zu einer Reduzierung des anlagentechnischen Aufwands, insbesondere durch Einsparung von Wärmeübertragern, wodurch Masse und Kosten gespart werden.The disadvantages of the prior art are solved in that, in cold vapor compression refrigeration operation, the cooling circuit of the component to be cooled is decoupled from the primary circuit by means of a corresponding valve position, which leads the cooling capacity provided in this operating mode in the secondary circuit to the vehicle interior heat exchanger. The thus achieved possibility of dual use of the primary circuit for both modes of operation of the secondary circuit leads to a reduction in the outlay on plant engineering, in particular by saving on heat exchangers, which saves mass and costs.
Dier Erfindung wird nachfolgend an Ausführungsbeispielen und zugehörigen Zeichnungen näher erläutert.The invention is explained in more detail below using exemplary embodiments and associated drawings.
Es zeigen:
-
1 das Verschaltungsschema der Kälteanlage, -
2 die Verschaltung der Anlage bei kalten Außentemperaturen (ORC-Betrieb), -
3 Verschaltung der Anlage bei warmen Außentemperaturen (Kompressionskälte-Betrieb).
-
1 the wiring diagram of the refrigeration system, -
2 the connection of the system at cold outside temperatures (ORC operation), -
3 Connection of the system at warm outside temperatures (compression cooling operation).
Für den Wärmetransport auf dem Fahrzeug ist ein zentraler Wärmeträger-Kreislauf (im Weiteren „Primärkreislauf‟, siehe
Die kältetechnische Anlage selbst besitzt mindestens einen Zulauf Z und mindestens einen Rücklauf R als Schnittstellen zum Primärkreislauf. Im Inneren der Anlage wird der Primärkreislauf über mindestens einen Verdampfer (2) und / oder mindestens einen Zuluft-Wärmeübertrager (3) geführt.For heat transport on the vehicle, a central heat transfer circuit (hereinafter "primary circuit", see
The refrigeration system itself has at least one inlet Z and at least one return R as interfaces to the primary circuit. Inside the system, the primary circuit is routed via at least one evaporator (2) and/or at least one supply air heat exchanger (3).
Durch eine zusätzliche Pumpe (P2) und eine entsprechende Verschaltung der Ventile (V15) und (V16) kann der Primärkreislauf im Inneren der Anlage als geschlossener Kreislauf zwischen Verdampfer (2) und Zuluft-Wärmeübertrager (3) zirkulieren, was insbesondere für das Abkühlen der Zuluft im Klimatisierungsbetrieb der Anlage genutzt wird.
Die Anlage besitzt zudem einen Kältemittel-Kreislauf (im Weiteren Sekundärkreislauf), der je nach Betriebsmodus der Anlage unterschiedliche Komponenten einbindet und unterschiedliche Temperatur- und Druckniveaus aufweist. Die dabei zum Einsatz kommenden Kältemittel haben einen Verdampfungsdruck bei der Siedetemperatur im ORC-Betrieb von über 5 bar, wie zum Beispiel Propan, R513A, CO2.With an additional pump (P2) and a corresponding connection of the valves (V15) and (V16), the primary circuit inside the system can circulate as a closed circuit between the evaporator (2) and the supply air heat exchanger (3), which is particularly important for cooling the supply air is used in the air conditioning mode of the system.
The system also has a refrigerant circuit (hereinafter referred to as the secondary circuit), which, depending on the operating mode of the system, integrates different components and has different temperature and pressure levels. The refrigerants used have an evaporation pressure of more than 5 bar at the boiling temperature in ORC operation, such as propane, R513A, CO2.
Für eine eindeutige Verständlichkeit werden daher Aufbau und Funktionsweise des Sekundärkreislaufs in den zwei Hauptbetriebsmodi beschrieben:For clear comprehensibility, the structure and function of the secondary circuit are therefore described in the two main operating modes:
Kalte Außentemperaturen - ORC-Betrieb - Siehe Figur 2Cold outside temperatures - ORC operation - See Figure 2
Im diesem Betriebsmodus wird mittels der Pumpe (P3) das Kältemittel über eine entsprechende Verschaltung von (V25) und (V26) in den Verdampfer (2) gefördert, wo es durch die aus dem Primärkreis zugeführte Abwärme verdampft. Anschließend gelangt es über das Ventil (V21) in die Expansionsmaschine (T), welche durch die Expansion des Kältemittels angetrieben wird und durch eine mechanische Verbindung einen Generator (G) bewegt, der somit wiederum elektrische Energie erzeugt. Im Anschluss an die Expansion gelangt das Kältemittel über (V23) in den Verflüssiger (4), wo es durch die Außenluft gekühlt wird und kondensiert. Über den Kältemittelsammler (S) und das Ventil (V24) wird das flüssige Kältemittel durch die Pumpe (P3) angesaugt, womit der Kreislauf geschlossen ist.In this operating mode, the refrigerant is conveyed by the pump (P3) via a corresponding connection of (V25) and (V26) into the evaporator (2), where it is evaporated by the waste heat supplied from the primary circuit. It then passes through the valve (V21) into the expansion machine (T), which is driven by the expansion of the refrigerant and moves a generator (G) through a mechanical connection, which in turn generates electrical energy. Following the expansion, the refrigerant reaches the condenser (4) via (V23), where it is cooled by the outside air and condenses. The liquid refrigerant is sucked in by the pump (P3) via the refrigerant collector (S) and the valve (V24), which closes the circuit.
Die in
In diesem Betriebsmodus (ORC-Betrieb) liegt im Verdampfer (2) eine nahezu konstante Verdampfungstemperatur von ca. 70°C vor. Im Verflüssiger (4) herrscht hingegen eine mit der Außentemperatur zwischen -10°C und 45°C variierende Kondensationstemperatur. Am Beispiel des Kältemittels R513A ergeben sich somit ca. 20 bar Überdruck im Verdampfer (2) und ca. 2 bis 12 bar im Verflüssiger (4). Die Druckniveaus anderer Kältemittel können aus Berechnungen und Referenzversuchen ermittelt werden.In this operating mode (ORC operation), the evaporator (2) has an almost constant evaporation temperature of approx. 70°C. In the condenser (4), on the other hand, there is a condensation temperature that varies with the outside temperature between -10°C and 45°C. Using the example of refrigerant R513A, this results in an overpressure of approx. 20 bar in the evaporator (2) and approx. 2 to 12 bar in the condenser (4). The pressure levels of other refrigerants can be determined from calculations and reference tests.
Warme Außentemperaturen - Kaltdampf-Kompressionskälte-Betrieb - Siehe Figur 3Warm outside temperatures - cold vapor compression refrigeration operation - see figure 3
Der zweite Hauptbetriebsmodus wird bei einem deutlich anderen Temperatur- und Druckniveau betrieben, was über den entsprechend ausgelegten Kältemittelsammler S im Sekundärkreislauf ermöglicht wird. Das Kältemittel nimmt im Verdampfer (2) Wärme auf, welche im Zuluft-Wärmeübertrager (3) der Zuluft entzogen wird und über den mittels der Ventile (V14) und (V15) vom Primärkreislauf entkoppelten und mittels der Pumpe (P2) angetriebenen Wärmeträger-Kreislauf zum Verdampfer (2) geführt wird. Dadurch verdampft das Kältemittel und wird über die entsprechende Verschaltung von V21 vom Kompressor (K) angesaugt und verdichtet. Anschließend wird das Kältemittel auch in diesem Betriebsmodus über die Ventile (V22) und (V23) in den Verflüssiger (4) geleitet, wo es durch die Außenluft gekühlt wird und kondensiert. Über den Kältemittelsammler (S) wird das Kältemittel mittels des Ventils (V24) zum Expansionsventil (E) geführt und anschließend wieder zum Verdampfer (2), wodurch der klassische Kaltdampf-Kompressionskältekreis geschlossen wird. Optional kann auch in diesem Modus die Kältemittel-Pumpe (P3) betrieben werden, um einen Teil des Kältemittels über das Ventil (V25) einem Zusatzverdampfer (6) zuzuführen, welcher das Entwärmen der Antriebskomponente über die Ventile (V11) und (V12) unterstützt und somit bei hohen Außentemperaturen den Kühler (5) entlasten kann.
Die in
In the
In diesem Betriebsmodus (Kaltdampf-Kompressionskälte-Betrieb) liegt im Verdampfer (2) eine nahezu konstante Verdampfungstemperatur von ca. 5°C vor. Im Verflüssiger (4) herrscht hingegen eine mit der Außentemperatur zwischen 35°C und 70°C variierende Kondensationstemperatur. Am Beispiel des Kältemittels R513A ergeben sich somit ca. 4 bar Überdruck im Verdampfer (2) und ca. 10 bis 20 bar im Verflüssiger (4). Die Druckniveaus anderer Kältemittel können aus Berechnungen und Referenzversuchen ermittelt werden.In this operating mode (cold vapor compression refrigeration operation), the evaporator (2) has an almost constant evaporation temperature of approx. 5°C. In the condenser (4), on the other hand, there is a condensation temperature that varies with the outside temperature between 35°C and 70°C. Using the example of refrigerant R513A, this results in an overpressure of approx. 4 bar in the evaporator (2) and approx. 10 to 20 bar in the condenser (4). The pressure levels of other refrigerants can be determined from calculations and reference tests.
Durch die erfindungsgemäße Lösung wird die Gesamteffizienz des Fahrzeugs durch die Gewinnung elektrischer Energie im Rekuperationsbetrieb der Anlage wie auch durch die Abwärmenutzung zum Heizen gesteigert, wobei Gewicht und Bauraum durch die Doppelfunktion von Klimatisierung und Rekuperation auf ein Minimum reduziert werden.The solution according to the invention increases the overall efficiency of the vehicle by generating electrical energy in recuperation mode of the system and by using waste heat for heating, with weight and installation space being reduced to a minimum by the dual function of air conditioning and recuperation.
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Zitierte PatentliteraturPatent Literature Cited
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