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Gebiet
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Die hiesige Offenbarung bezieht sich auf Heizungs-, Lüftungs- und Klimatisierungs-(„HVAC“)-Systeme und insbesondere auf Wärmetauscher (wie etwa Verdampfer und Kondensatoren) in HVAC-Systemen. Generell werden Verfahren, Systeme und Vorrichtungen beschrieben, die auf das Management eines Fluids (wie etwa Kältemittel und/oder Öl) in einem Verdampfer und/oder einem Kompressor abzielen, wie es etwa in HVAC-Kälteanlagen verwendet werden kann.
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Hintergrund
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Ein HVAC-System kann eine Kälteanlage haben, die typischerweise einen Kompressor, Wärmetauscher wie etwa einen Kondensator, einen Verdampfer und eine Expansionsvorrichtung umfasst, die einen Kältekreislauf bilden. Kältemitteldampf wird im Allgemeinen durch den Kompressor komprimiert und dann im Kondensator zu flüssigem Kältemittel kondensiert. Das flüssige Kältemittel wird dann durch die Expansionsvorrichtung (z.B. ein Expansionsventil) expandiert, um zu einem Niederdruck-Niedertemperatur-Zweiphasenkältemittel zu werden, und wird in den Verdampfer geleitet; und das Zweiphasenkältemittel kann dann im Verdampfer Wärme mit einem Prozessfluid wie etwa Wasser austauschen. Das Zweiphasenkältemittel kann im Verdampfer verdampft werden und in den Kompressor zurückkehren.
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Bei dem Kondensator und/oder Verdampfer in einer Kälteanlage kann es sich um einen Rohrbündelwärmetauscher {tube-and-shell type heat exchanger) handeln. Der Kondensator und/oder der Verdampfer können/kann im Betrieb gewisse Pegel an flüssigem Kältemittel in der Hülle aufrechterhalten. Einen richtigen Pegel an flüssigem Kältemittel im Kondensator und/oder Verdampfer aufrechtzuerhalten, kann dazu beitragen, die Betriebseffizienz der Kälteanlage zu steigern.
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Zusammenfassung
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Es werden Systeme und Verfahren zum Kontrollieren von Kältemittelpegeln in Wärmetauschern (z.B. einem Kondensator und einem Verdampfer) eines Kälteanlagensystems bereitgestellt. Hier offenbarte Ausführungsformen können beispielsweise dazu beitragen, einen optimalen Kältemittelpegel in den Wärmetauschern aufrechtzuerhalten, die Betriebseffizienz des Kälteanlagensystems zu verbessern, eine richtige Schmierung im Kompressor aufrechtzuerhalten und/oder eine richtige Ölkonzentration im Verdampfer aufrechtzuerhalten.
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In einigen Ausführungsformen kann der Verdampfer des Kälteanlagensystems mit einer Überlauföffnung ausgestattet sein, die es Kältemittel ermöglicht, durch den Verdampfer überzulaufen. In einigen Ausführungsformen kann sich die Überlauföffnung in einer Höhe in Bezug auf den Boden des Verdampfers befinden, die einem gewünschten Flüssigkältemittelpegel im Verdampfer entspricht. Im Betrieb kann, wenn der Betriebsflüssigkältemittelpegel ungefähr auf dem gewünschten Flüssigkältemittelpegel steht, etwas flüssiges Kältemittel durch die Überlauföffnung überlaufen. Eine Menge des Überlaufkältemittels kann zu dem Flüssigkältemittelpegel im Verdampfer in Korrelation gesetzt werden. In einigen Ausführungsformen kann der Verdampfer ein Rohrbündel aufweisen, und die Überlauföffnung kann dazu ausgelegt sein, an einer Stelle angeordnet zu werden, die ausgehend vom Boden des Verdampfers einer Höhe einer oberen Rohrreihe des Rohrbündels entspricht.
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In einigen Ausführungsformen kann das Überlaufkältemittel in einen Wärmetauscher geleitet werden. In einigen Ausführungsformen kann der Wärmetauscher dazu ausgelegt sein, eine Wärmequelle zum Verdampfen des Überlaufkältemittels aufzunehmen. In einigen Ausführungsformen kann es sich bei der Wärmequelle um aus dem Kondensator heraus geleitetes Kältemittel handeln. Das Kälteanlagensystem kann auch einen Temperatursensor enthalten, der dazu ausgelegt ist, eine Temperatur beispielsweise des verdampften Kältemittels des den Wärmetauscher verlassenden Überlaufkältemittels zu messen. In einigen Ausführungsformen kann das Kälteanlagensystem eine Expansionsvorrichtung umfassen, die dazu ausgelegt ist, einen Kältemittelfluss zum Verdampfer zu regeln. In einigen Ausführungsformen kann das Kälteanlagensystem dazu ausgelegt sein, den Kältemittelfluss entsprechend der Temperatur des verdampften Kältemittels des den Wärmetauscher verlassenden Überlaufkältemittels zu regeln.
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In einigen Ausführungsformen kann der Kältemittelfluss zum Verdampfer so geregelt werden, dass die Temperatur des aus dem Überlaufkältemittel verdampften Kältemittels auf einer leichten Überhitzungstemperatur wie etwa ca. 1 bis ca. 10°C Überhitzung gehalten wird.
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In einigen Ausführungsformen kann das Kälteanlagensystem eine Kältemittelpegelmessvorrichtung umfassen, die dazu ausgelegt ist, einen Flüssigkältemittelpegel im Kondensator zu messen. In einigen Ausführungsformen kann das Kälteanlagensystem dazu ausgelegt sein, den Kältemittelfluss zum Verdampfer so zu regeln, dass der Flüssigkältemittelpegel im Kondensator auf einem Kondensatorflüssigkältemittelpegelsollwert gehalten wird.
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In einigen Ausführungsformen kann ein Verfahren zum Betreiben eines Kälteanlagensystems umfassen, Kältemittel durch eine Überlauföffnung eines Verdampfers des Kälteanlagensystems überlaufen zu lassen, wobei eine Menge des Überlaufkältemittels in Korrelation zu einem Kältemittelpegel im Verdampfer gesetzt werden kann. Das Verfahren kann auch ein Verdampfen von Kältemittel des Überlaufkältemittels mit einer Wärmequelle, ein Messen einer Temperatur des aus dem Überlaufkältemittel verdampften Kältemittels und ein Verändern eines Kältemittelflusses zum Verdampfer umfassen, und zwar so, dass die Temperatur des aus dem Überlaufkältemittel verdampften Kältemittels beispielsweise auf einem gewünschten Temperatursollwert gehalten wird.
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In einigen Ausführungsformen kann das Verfahren darüber hinaus ein Positionieren der Überlauföffnung in einer Höhe in Bezug auf den Boden des Verdampfers umfassen, die einem gewünschten Flüssigkältemittelpegel im Verdampfer entspricht. In einigen Ausführungsformen kann das Verfahren ein Messen des Flüssigkältemittelpegel im Kondensator umfassen; und ein Verändern des Kältemittelflusses zum Verdampfer, so dass der gemessene Flüssigkältemittelpegel auf einem Kondensatorflüssigkältemittelpegelsollwert gehalten wird.
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In einigen Ausführungsformen kann das Verfahren ein Senken des Flüssigkältemittelpegelsollwerts im Kondensator umfassen, wenn die Temperatur des aus dem Überlaufkältemittel verdampften Kältemittels ansteigt; und ein Erhöhen des Flüssigkältemittelpegelsollwerts im Kondensator, wenn die Temperatur des aus dem Überlaufkältemittel verdampften Kältemittels abnimmt. In einigen Ausführungsformen kann das Verfahren ein Bereitstellen einer Warnung umfassen, wenn der Flüssigkältemittelpegelsollwert unter einem Kältemittelpegelschwellenwert liegt.
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Andere Merkmale und Aspekte werden durch Betrachtung der folgenden ausführlichen Beschreibung und der beigefügten Zeichnungen offensichtlich.
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Figurenliste
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Nun wird auf die Zeichnungen Bezug genommen, in denen gleiche Bezugsziffern durchgehend für entsprechende Teile stehen.
- 1A und 1B stellen eine Ausführungsform eines Kälteanlagensystems dar. 1A ist ein schematisches Schaubild eines Kälteanlagensystems. 1B ist eine schematische Seitenansicht eines Verdampfers des Kälteanlagensystems.
- 2 stellt ein Blockschema eines Verfahren zum Betätigen eines Kälteanlagensystems, wie etwa des wie in 1A und 1B dargestellten Kälteanlagensystems nach einer Ausführungsform dar.
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Ausführliche Beschreibung
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Ein Kälteanlagensystem, insbesondere ein Kälteanlagensystem mit Rohrbündelwärmetauschern, wie etwa einem Kondensator und/oder einem Verdampfer, kann es erforderlich machen, einen Kältemittelpegel in den Wärmetauschern zu steuern. Die Rohrbündelwärmetauscher können flüssiges Kältemittel im Inneren einer Hülle des Wärmetauschers enthalten. Den Kältemittelpegel im Inneren der Hülle zu steuern kann dazu beitragen, die Betriebseffizienz des Kälteanlagensystems zu verbessern. Beispielsweise können einige Kondensatoren einen Unterkühlungsabschnitt an einem inneren unteren Teil der Kondensatorhülle und einen Kondensierabschnitt über dem Unterkühlungsabschnitt haben. Es kann wünschenswert sein, einen Kältemittelpegel aufrechtzuerhalten, der ausreicht, um den Unterkühlungsabschnitt im Inneren der Kondensatorhülle unterzutauchen, aber nicht den Kondensierabschnitt unterzutauchen. Wenn der Kältemittelpegel im Kondensator gesteuert wird, kann der Kondensierabschnitt das Kältemittel relativ effizient kondensieren, und der Unterkühlungsabschnitt kann das Kältemittel relativ effizient unterkühlen, was beispielsweise eine optimale Betriebseffizienz im Kondensator ergeben kann.
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Einige Verdampfer, wie etwa ein gefluteter Verdampfer, können so ausgelegt sein, dass sie mehrere Wärmeaustauschrohre haben, die durch einen Innenraum der Verdampferhülle verlaufen. Es kann wünschenswert sein, einen Kältemittelpegel aufrechtzuerhalten, der gerade ausreicht, alle Wärmeaustauschrohre im Inneren der Verdampferhülle zu benetzen. Überschüssiges Kältemittel im Verdampfer kann beispielsweise den Kältemitteldruckabfall durch die Wärmeaustauschrohre erhöhen, was einen Kapazitätsabfall in der Kälteanlage verursacht. Wenn der Kältemittelpegel zu niedrig ist, kann die Wärmeaustauscheffizienz zwischen den Wärmeaustauschrohren und dem Kältemittel im Verdampfer abfallen.
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Im Betrieb kann es auch wünschenswert sein, das Kältemittel zwischen dem Kondensator und dem Verdampfer richtig zu verteilen (und/oder auszubalancieren). Beispielsweise können sich in einigen Ausführungsformen die optimalen Kältemittelpegel für den Kondensator und für den Verdampfer entsprechend einer Belastung der Kälteanlage verändern. Bei voller Belastung kann der optimale Kältemittelpegel im Kondensator größer sein als der optimale Kältemittelpegel bei einer reduzierten Belastung. Der optimale Kältemittelpegel kann im Verdampfer bei voller Belastung niedriger sein als der optimale Kältemittelpegel bei einer reduzierten Belastung. Deshalb kann es, wenn die Kälteanlagenbelastung reduziert ist, wünschenswert sein, den Kondensatorkältemittelpegel zu senken, aber den Verdampferkältemittelpegel zu erhöhen; und wenn die Kälteanlagenbelastung erhöht ist, kann es wünschenswert sein, den Kondensatorkältemittelpegel zu erhöhen, aber den Verdampferkältemittelpegel zu senken.
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Das Kältemittel kann mit einem Schmiermittel, wie beispielsweise etwa Schmieröl, für einen in Betrieb befindlichen Kompressor gemischt sein. Oftmals ist das Schmieröl gemischt mit dem im Verdampfer befindlichen flüssigen Kältemittel im Verdampfer vorhanden. Es kann wünschenswert sein, zumindest einen Teil des Flüssigkältemittel/ÖI-Gemischs aus dem Verdampfer und zurück zum Kompressor (oder einem Öltank oder einem Ölabscheider des Kompressors) zu leiten. Öl (oder Öl/Kältemittel-Gemisch) zurück zum Kompressor (oder zum Öltank oder Ölabscheider) zu leiten, kann dazu beitragen, den Kompressor zu schmieren, zu verhindern, dass dem Kompressor Öl ausgeht, und/oder einen richtigen Ölgehalt im Kältemittel des Verdampfers aufrechtzuerhalten.
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Systeme und Verfahren, die dazu ausgelegt sind, zum Steuern der Kältemittelpegel im Kondensator und/oder Verdampfer beizutragen, können dazu beitragen, die Betriebseffizienz der Kälteanlage zu erhöhen, eine richtige Schmierölkonzentration im Verdampfer aufrechtzuerhalten und/oder den Kompressor zu schmieren.
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Hier werden Verfahren und Systeme zum Steuern von Kältemittelpegeln in einem Kälteanlagensystem beschrieben. In einigen Ausführungsformen kann ein Verdampfer des Kälteanlagensystems eine Überlauföffnung haben, die dazu ausgelegt ist, ölhaltiges Kältemittel aus dem Verdampfer durch die Überlauföffnung überlaufen zu lassen. Die Überlauföffnung kann an einer Stelle angeordnet sein, die einem gewünschten Kältemittelpegel im Verdampfer entspricht. Das Überlaufkältemittel kann in einen Wärmetauscher geleitet werden, der dazu ausgelegt ist, Kältemittel des Überlaufkältemittels beispielsweise auf eine leichte Überhitzungstemperatur zu verdampfen. Der Verdampfer kann mit einer Expansionsvorrichtung (z.B. einem Expansionsventil) ausgestattet sein, das dazu ausgelegt ist, einen Kältemittelfluss zum Verdampfer zu regeln. Ein Verfahren zum Aufrechterhalten eines richtigen Kältemittelpegels im Verdampfer kann umfassen, einen Kältemittelfluss zum Verdampfer so zu regeln, dass das aus dem Überlaufkältemittel verdampfte Kältemittel auf einer leichten Überhitzungstemperatur gehalten wird. Wenn Kältemittel im Überlaufkältemittel verdampft wird, kann das Überlaufkältemittel in Bezug auf den Flüssigkeitsgehalt des Überlaufkältemittels einen relativ hohen Ölgehalt haben. Das Überlaufkältemittel mit dem relativ hohen Ölgehalt kann zurück in den Kompressor geleitet werden, um zum Schmieren des Kompressors beizutragen.
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Das Kälteanlagensystem kann einen Kondensator umfassen, der mit einer Kältemittelpegelmessvorrichtung ausgestattet ist. Die Kältemittelpegelmessvorrichtung kann dazu ausgelegt sein, einen Kältemittelpegel im Kondensator zu messen. Der Kältemittelfluss zum Verdampfer kann auch so gesteuert werden, dass der Kältemittelpegel im Kondensator beispielsweise auf einem gewünschten Kältemittelpegelsollwert gehalten wird.
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Verfahren, die sich sowohl der Temperatur des verdampften Kältemittels der Überlaufkältemittels zum Steuern des Kältemittelpegel und des Ölrücklaufs aus dem Verdampfer als auch der Kältemittelpegelmessvorrichtung zum Steuern des Kältemittelpegel im Verdampfer bedienen, werden hier beschrieben. Die Verfahren können dazu beitragen, die Kältemittelpegel zwischen dem Kondensator und dem Verdampfer währen des Betriebs beispielsweise auf Grundlage von Belastungsbedingungen des Kälteanlagensystems auszubalancieren. Die Verfahren können auch dazu beitragen, ein Auslaufen von Kältemittel im Kälteanlagensystem zu erfassen.
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Bezug wird auf die beigefügten Zeichnungen genommen, die einen Teil hiervon bilden, und in denen mittels einer Darstellung der Ausführungsformen gezeigt ist, wie sich die Ausführungsformen in die Praxis umsetzen lassen. Die Wendungen „stromauf“ und „stromab“ beziehen sich jeweils auf die Fließrichtung. Kältemittel kann in der hier beschriebenen Form im Allgemeinen andere Inhalte als das Kältemittel haben. Beispielsweise kann das Kältemittel Öl enthalten. Es sollte klar sein, dass die hier verwendeten Begriffe zu Beschreibungszwecken der Figuren und Ausführungsformen bestimmt sind und nicht als den Umfang der vorliegenden Anmeldung einschränkend angesehen werden sollten.
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1A und 1B stellen eine Ausführungsform eines Kälteanlagensystems 100 dar. 1A ist eine schematische Ansicht des Kälteanlagensystems 100. Das Kälteanlagensystem 100 umfasst einen Kompressor 110, einen Kondensator 120, eine Expansionsvorrichtung 130 und einen Verdampfer 140, die durch Kältemittelleitungen 125 verbunden sind, um einen Kältekreislauf zu bilden. Bei dem Kondensator 120 und dem Verdampfer 140 kann es sich um einen Rohrbündelwärmetauscher handeln. Der Kondensator 120 ist mit einer Flüssigkältemittelpegelmessvorrichtung 122 ausgestattet, die dazu ausgelegt ist, einen Flüssigkältemittelpegel 128 im Kondensator 120 zu messen. Die Flüssigkältemittelpegelmessvorrichtung 122 umfasst in der dargestellten Ausführungsform eine Verbindungsleitung 122a, die dazu ausgelegt ist, einen Fluidverbindungsdurchgang zwischen dem Kondensator 120 und einer Messkammer 122b der Flüssigkältemittelpegelmessvorrichtung 122 zu bilden. In einigen Ausführungsformen umfasst das Kälteanlagensystem 100 auch eine Steuereinheit 160 und einen Wärmetauscher 150.
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In der wie in 1A gezeigten Ausführungsform umfasst der Kondensator 120 einen Unterkühlungsabschnitt 123 und einen Kondensierabschnitt 129. Der Kondensierabschnitt 129 enthält in erster Linie gasförmiges Kältemittel, und der Unterkühlungsabschnitt 123 enthält in erster Linie flüssiges Kältemittel. Der Flüssigkältemittelpegel 128 kann wünschenswerter Weise so ausgelegt sein, dass der Unterkühlungsabschnitt 123 untergetaucht ist, aber die Rohre 129a im Kondensierabschnitt 129 des Kondensators 120 nicht untergetaucht sind. Es ist davon auszugehen, dass der gewünschte Kältemittelpegel im Kondensator entsprechend einer Belastung des Kälteanlagensystems 100 variieren kann.
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Die Flüssigkältemittelpegelmessvorrichtung 122 umfasst auch eine Rücklaufleitung 122c, die dazu ausgelegt ist, die Messkammer 122b Gas (wie etwa gasförmiges Kältemittel) zurück zum Kondensierabschnitt 129 des Kondensators 120 ableiten zu lassen. Im Allgemeinen können Veränderungen des Flüssigkältemittelpegels in der Messkammer 122b mit Veränderungen des Flüssigkältemittelpegels 128 im Kondensator 120 in Übereinstimmung gebracht werden. Deshalb kann, indem der Flüssigkältemittelpegel (und/oder die Flüssigkältemittelpegelveränderungen) in der Messkammer 122b gemessen werden, der Flüssigkältemittelpegel (und/oder die Flüssigkältemittelpegelveränderungen) im Kondensator 120 in Erfahrung gebracht werden. Das Kälteanlagensystem 100 kann auch dazu ausgelegt sein, den Kältemittelpegel im Kondensator 120 zu steuern und/oder aufrechtzuerhalten.
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Es ist davon auszugehen, dass die Flüssigkältemittelpegelmessvorrichtung 122 anders aufgebaut sein kann. Im Allgemeinen handelt es sich bei der Flüssigkältemittelpegelmessvorrichtung 122 um eine Vorrichtung, die dazu ausgelegt ist, den Flüssigkältemittelpegel (und/oder die Flüssigkältemittelpegelveränderungen) im Kondensator 120 zu messen.
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Der Verdampfer 140 hat Wärmeaustauschrohre 144, die ausgehend von einem Boden 146 des Verdampfers 140 gestapelt ausgelegt sind. Eine obere Reihe 144T der Wärmeaustauschrohre 144 hat im Allgemeinen eine Höhe H1 ausgehend vom Boden 146. In einigen Ausführungsformen umfasst der Verdampfer 140 eine Ölrücklaufvorrichtung, die im Allgemeinen eine Überlauföffnung 142 umfasst, den Wärmetauscher 150 und einen Temperatursensor 155. Die Überlauföffnung 142 befindet sich auf einer Seite des Verdampfers, und die Überlauföffnung 142 ist dazu ausgelegt, im Inneren des Verdampfers 140 vorhandenes Kältemittel (das Öl enthalten kann) aus der Überlauföffnung 142 auslaufen zu lassen. Die Überlauföffnung 142 ist im Allgemeinen ausgehend vom Boden 146 des Verdampfers 140 in der Höhe H1 angeordnet. Der Verdampfer 140 hat einen Flüssigkältemittelpegel 147, der vorzugsweise dazu ausgelegt sein kann, auszureichen, um die obere Reihe 144T der Wärmeaustauschrohre 144 zu benetzen. Die Überlauföffnung 142 ist so ausgelegt, dass, wenn die obere Reihe 144T durch das im Verdampfer 140 vorhandene Kältemittel benetzt ist, ein Teil des Kältemittels durch die Überlauföffnung 142 überlaufen kann.
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Das Überlaufkältemittel kann einen Ölanteil und einen Kältemittelanteil enthalten. Es ist allgemein wünschenswert, den Ölanteil zurück zum Kompressor 110 zu leiten, um dazu beizutragen, den Kompressor 110 zu schmieren, und auch zu verhindern, dass dem Kompressor 100 Öl ausgeht. Der Wärmetauscher 150 ist stromab der Überlauföffnung 142 angeordnet und dazu ausgelegt, Kältemittel des Überlaufkältemittels zu verdampfen. Im Vergleich zum Ölanteil wird typischerweise bevorzugter der Kältemitteanteil im Überlaufkältemittel verdampft. Das Verdampfen des Kältemittels kann dazu beitragen, den Ölanteil des Überlaufkältemittels zu konzentrieren. Das Verdampfen des Kältemittels kann auch dazu beitragen, eine Geschwindigkeit des gasförmigen Kältemittels bereitzustellen, die dazu beitragen kann, das Überlaufkältemittel (und/oder das Öl im Kältemittel) zurück zum Kompressor 110 zu drücken, was die Notwendigkeit einer Pumpe zum Zurückdrängen des Überlaufkältemittels zum Kompressor 110 aus der Welt schaffen kann.
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In einigen Ausführungsformen kann es sich bei dem Wärmetauscher 150 um einen gelöteten Plattenwärmetauscher handeln, wobei davon ausgegangen wird, dass auch andere geeignete Arten von Wärmetauschern, z.B. Rohr-in-Rohr-Wärmetauscher, verwendet werden können. Es wird davon ausgegangen, dass es sich bei dem Kompressor 100 um einen Schraubenkompressor, einen Schneckenkompressor oder andere Arten von Kompressoren handelt kann.
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Der Wärmetaucher 150 ist allgemein dazu ausgelegt, eine Wärmequelle aufzunehmen, die zum Verdampfen von Kältemittel des Überlaufkältemittels aus der Überlauföffnung 142 beiträgt, wenn das Überlaufkältemittel durch den Wärmetauscher 150 strömt. In der dargestellten Ausführungsform handelt es sich bei der Wärmequelle um aus dem Kondensator 120 ausgeleitetes Kältemittel, das im Allgemeinen wärmer ist als das Überlaufkältemittel und dazu beitragen kann, Kältemittel des Überlaufkältemittels im Wärmetauscher 150 zu verdampfen. Das aus dem Kondensator 120 ausgeleitete Kältemittel wird dann zur Expansionsvorrichtung 130 geleitet. Wenn das aus dem Kondensator 120 ausgeleitete Kältemittel dazu verwendet wird, zum Verdampfen des Kältemittels des Überlaufkältemittels im Wärmetauscher 150 beizutragen, kann das aus dem Kondensator 120 ausgeleitete Kältemittel im Wärmetauscher 150 weiter unterkühlt werden, was dazu beitragen kann, eine Kapazität des Verdampfers 140 zu erhöhen.
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In einigen Ausführungsformen handelt es sich bei dem Überlaufkältemittel hauptsächlich um flüssiges Kältemittel (wie etwa ca.96% bis 99% des Überlaufkältemittels). Würde das an flüssigem Kältemittel reiche Überlaufkältemittel in den Kompressor 110 geleitet, würde das flüssige Kältemittel im Kondensator 120 nicht verdampft werden, was zu Verlust führen kann. Indem das Kältemittel aus dem Kondensator zum Verdampfen des Kältemittels des Überlaufkältemittels verwendet wird, so dass das zum Kompressor 110 geleitete Kältemittel größtenteils in Gasform vorliegt, kann der Verlust gesenkt werden.
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Es ist anzumerken, dass es sich bei der Wärmequelle um jede geeignete Wärmequelle handeln kann, die Wärme bereitstellen kann, um zum Verdampfen des Kältemittels des Überlaufkältemittels im Wärmetauscher 150 beizutragen. In einigen Ausführungsformen kann es sich bei der Wärmequelle 150 beispielsweise um eine Elektroheizvorrichtung, heißes Wasser zum Beispiel aus dem Kondensator 120 oder anderen Quellen, oder Öl zum Beispiel aus einem Ölabscheider/-tank (nicht gezeigt) handeln. In einigen Ausführungsformen kann der Wärmetauscher 150 dazu ausgelegt sein, als Wärmesenke eines anderen Kühlkreislaufs zu arbeiten, der beispielsweise dazu ausgelegt ist, wärmeerzeugende Komponenten (z.B. elektronische Bauteile) des Kälteanlagensystems 100 zu kühlen.
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Der Temperatursensor 155 ist an der aus dem Wärmetauscher 150 austretenden Kältemittelleitung 125 angeordnet, um eine Temperatur des verdampften Kältemittels zu messen, nachdem es den Wärmetauscher 150 durchströmt hat. Weil die Wärmeaustauschkapazität (oder die Größe) des Wärmetauschers 150 begrenzt sein kann, kann die durch den Temperatursensor 155 gemessene Temperatur des verdampften Kältemittels durch einen Durchsatz des Überlaufkältemittels beeinflusst sein. Im Allgemeinen kann, wenn der Durchsatz des Überlaufkältemittels zunimmt, die Temperatur des aus dem Überlaufkältemittel verdampften Kältemittels abnehmen; während, wenn der Durchsatz des Überlaufkältemittels abnimmt, die Temperatur des aus dem Überlaufkältemittel verdampften Kältemittels zunehmen kann. Deshalb kann die Temperatur des aus dem Überlaufkältemittel verdampften Kältemittels in Korrelation zum Durchsatz des Überlaufkältemittels gesetzt werden.
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Es ist davon auszugehen, dass, da die gemessene Temperatur des aus dem Überlaufkältemittel verdampften Kältemittels in Korrelation zum Durchsatz des Überlaufkältemittels steht, es auch möglich ist, ein Durchsatzmessgerät zu verwenden, um den Durchsatz des Überlaufkältemittels direkt zu messen. Es ist auch möglich, einen Durchflusspegelsensor zu verwenden, um einen Kältemittelpegel im Verdampfer direkt zu messen. Jedoch kann die Verwendung des Temperatursensors 155 dazu beitragen, die Kosten für ein zusätzliches Durchsatzmessgerät oder einen zusätzlichen Durchflusspegelsensor einzusparen.
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Ein Zweck der wie hier beschriebenen Systeme und Verfahren besteht darin, einen optimalen (oder gewünschten) Kältemittelpegel 147 im Verdampfer 140 aufrechtzuerhalten. Es ist auch davon auszugehen, dass der Flüssigkältemittelpegel 147 im Verdampfer 140 auch durch eine Kältemittelpegelmessvorrichtung gemessen werden kann. Jedoch kann zumindest aufgrund eines Siedezustands des Kältemittels im Verdampfer 140 ein Messen des Kältemittelpegels 147 im Verdampfer 140 mit der Kältemittelpegelmessvorrichtung schwierig sein. Deshalb kann es schwierig sein, einen stabilen Kältemittelpegel 147 im Verdampfer 140 aufrechtzuerhalten. Hier beschriebene Systeme und Verfahren können dazu beitragen, einen stabilen Kältemittelpegel 147 im Verdampfer 140 zu erzielen.
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Im Kälteanlagensystem 100 kann einen Kältemittelfluss zum Verdampfer 140 durch eine Expansionsvorrichtung 130 gesteuert werden. Im Allgemeinen führt ein Öffnen der Expansionsvorrichtung 130 dazu, dass mehr Kältemittel in den Verdampfer 140 fließt und der Flüssigkältemittelpegel 147 steigt; während ein Schließen der Expansionsvorrichtung 130 dazu führt, dass weniger Kältemittel in der Verdampfer 140 fließt und der Flüssigkältemittelpegel 147 sinkt.
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Das Kälteanlagensystem 100 umfasst die Steuereinheit 160. Die Steuereinheit 160 ist dazu ausgelegt, einen durch die Flüssigkältemittelpegelmessvorrichtung 122 gemessenen Flüssigkältemittelpegel (und/oder Veränderungen des Flüssigkältemittelpegels) und eine durch den Temperatursensor 155 gemessene Temperatur zu empfangen. Die Steuereinheit 160 ist dazu ausgelegt, die Expansionsvorrichtung 130 entsprechend den Eingängen von der Flüssigkältemittelpegelmessvorrichtung 122 und/oder dem Temperatursensor 155 zu steuern.
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Wie in 1B dargestellt ist, hat der Verdampfer 140 ein erstes Ende 140a und ein zweites Ende 140b. Ein Kältemitteleinlass ist nahe dem ersten Ende 140a angeordnet, und der Kältemittelauslass ist nahe dem zweiten Ende 140b angeordnet. Der Verdampfer 140 hat eine Länge L1 in einer Längsrichtung, die durch die Länge L1 definiert ist. Im Betrieb ist eine Ölkonzentration des Kältemittels im Inneren des Verdampfers 140 im Allgemeinen an einer Stelle, die nahe am zweiten Ende 140b liegt, relativ höher als an anderen Stellen entlang der durch die Länge L1 definierten Längsrichtung.
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In der Längsrichtung ist die Überlauföffnung 142 entlang der Länge L1 relativ nahe am zweiten Ende 140b und nicht am ersten Ende 140a angeordnet, wo die Ölkonzentration des Kältemittels allgemein relativ hoch sein kann. In einer vertikalen Richtung, die durch eine Höhe H des Verdampfers 140 definiert ist, ist die Überlauföffnung 142 in einer Höhe angeordnet, die ungefähr der Höhe H1 der oberen Reihe 144T der Wärmeaustauschrohre 144 in Bezug auf den Boden 146 des Verdampfers 140 entspricht. In einigen Ausführungsformen kann der Kältemittelpegel 147 so ausgelegt sein, dass er gerade einmal ausreicht, um im Betrieb die Oberseite 147 des Rohrbündels 144 zu benetzen. Die Überlauföffnung 142 kann in einer dem Kältemittelpegel 147 entsprechenden Höhe angeordnet sein, die gerade ausreicht, um die Oberseite 147 zu benetzen.
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Es ist davon auszugehen, dass die Überlauföffnung 142 an anderen Stellen des Verdampfers, wie etwa ungefähr einem Mittelpunkt der Länge L1, angeordnet sein kann. Das Konzept des Verdampfers 140 und/oder des Kälteanlagensystems 100 kann sich verändern, was Veränderungen bei der Stelle der relativ hohen Ölkonzentration bewirken kann. In diesen Ausführungsformen kann die Überlauföffnung 142 dort angeordnet werden, wo die Ölkonzentration im Vergleich zu anderen Stellen im Verdampfer 140 relativ hoch ist.
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In der dargestellten Ausführungsform ist die Überlauföffnung 142 dazu ausgelegt, in Fluidverbindung mit einem Kältemittelreservoir 180 zu stehen. Das Kältemittelreservoir 180 kann beispielsweise zum Auffangen des Überlaufkältemittels ausgelegt sein.
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Je höher der Kältemittelpegel 147 im Verdampfer ist, umso höher ist im Allgemeinen der Durchsatz des Überlaufkältemittels durch die Überlauföffnung 142. Je niedriger der Kältemittelpegel 147 im Verdampfer ist, umso geringer ist der Durchsatz des Überlaufkältemittels durch die Überlauföffnung 142. Da die Überlauföffnung 142 jedoch ungefähr in der Höhe H1 angeordnet ist, kann manchmal, wenn der Kältemittelpegel 147 niedriger ist als die Überlauföffnung 142, kein Kältemittel durch die Überlauföffnung 142 auslaufen.
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Es ist davon auszugehen, dass die in 1A und 1B gezeigte Ausführungsform beispielhaft ist. Ein Kälteanlagensystem kann so ausgelegt sein, dass es mehr oder weniger Bestandteile und/oder andere als in 1A und 1B gezeigte Auslegungen hat.
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Mit Rückbezug auf 1A stellen Pfeile in 1A allgemein eine Kältemittelfließrichtung dar, wenn sich das Kälteanlagensystem in einem Kühlmodus befindet. Das Kältemittel wird durch den Kompressor 110 komprimiert. Das komprimierte Kältemittel wird zum Kondensator 120 geleitet. Das komprimierte Kältemittel kann im Kondensator 120 zu flüssigem Kältemittel kondensiert werden. Die Flüssigkältemittelpegelmessvorrichtung 122 ist dazu ausgelegt, den Flüssigkältemittelpegel 128 (oder Veränderungen des Flüssigkältemittelpegel) im Kondensator 120 zu messen, und kann die Messinformationen an die Steuereinheit 160 übertragen.
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Das Kältemittel wird aus dem Kondensator 120 heraus durch den Wärmetauscher 150 in die Expansionsvorrichtung 130 geleitet. Das Kältemittel wird durch die Expansionsvorrichtung 130 expandiert, was im Ergebnis auch eine Temperatur und einen Druck des Kältemittels senkt. Das Kältemittel wird dann in den Verdampfer 140 geleitet, um Wärme mit einem Prozessfluid wie etwa Wasser auszutauschen, das durch die Wärmeaustauschrohre 144 strömt.
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Das Kältemittel kann im Verdampfer 140 verdampft werden. Das verdampfte Kältemittel kann in eine Saugleitung 127 der Kältemittelleitungen 125 geleitet werden. Das verdampfte Kältemittel kann dann zurück zum Kompressor 110 geleitet werden.
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Das flüssige Kältemittel hat im Verdampfer 140 den Flüssigkältemittelpegel 147. Wenn der Flüssigkältemittelpegel 147 ausreicht, um die obere Reihe 144T der Wärmeaustauschrohre 144 zu benetzten, kann ein Teil des flüssigen Kältemittels durch die Überlauföffnung 142 überlaufen. Das durch die Überlauföffnung 142 übergelaufene Kältemittel kann Schmiermittel wie etwa Öl enthalten. Das Überlaufkältemittel wird dann in den Wärmetauscher 150 geleitet. Der Wärmetauscher 150 kann dazu ausgelegt sein, eine Wärmequelle aufzunehmen, um Kältemittel im Überlaufkältemittel beispielsweise auf eine Überhitzungstemperatur zu verdampfen. Der Ölanteil wird im Wärmetauscher 150 im Allgemeinen nicht verdampft und bleibt in einer flüssigen Form. Der Ölanteil und das verdampfte Kältemittel können zur Saugleitung 127 zurückgeleitet werden. Das Öl zur Saugleitung 127 zurückzuleiten, kann dazu beitragen, Öl im Kältemittel im Verdampfer 140 zu steuern und zu verhindern, dass dem Kompressor 110 Öl ausgeht.
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Der Temperatursensor 155 ist dazu ausgelegt, die Temperatur des den Wärmetauscher 155 verlassenden, aus dem Überlaufkältemittel verdampften Kältemittels zu messen. Der Temperaturmesswert wird an die Steuereinheit 160 übertragen.
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Die Steuereinheit 160 kann dazu ausgelegt sein, die Expansionsvorrichtung zu öffnen oder zu schließen, um einen Kältemittelfluss zum Verdampfer 140 zu regeln. Ein Regeln des Kältemittelflusses zum Verdampfer 140 kann zu Veränderungen des Flüssigkältemittelpegel 147 im Verdampfer 140 sowie des Kältemittelpegel im Kondensator 120 führen. Deshalb kann die Steuereinheit 160 auch eine Kältemittelverteilung zwischen dem Kondensator 120 und dem Verdampfer 140 regeln.
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Die Steuereinheit 160 kann dazu ausgelegt sein, das Kälteanlagensystem 100 in mehreren Betriebsarten zu betreiben. Beispielsweise kann die Steuereinheit 160 in einer Betriebsart zum Aufrechterhalten eine Kältemittelpegel 128 im Kondensator 120 dazu ausgelegt sein, die Expansionsvorrichtung 130 so zu steuern, dass der durch die Flüssigkältemittelpegelmessvorrichtung 122 gemessene Flüssigkältemittelpegel 128 im Kondensator 120 ungefähr der gleiche bleibt. Wenn der durch die Flüssigkältemittelpegelmessvorrichtung 122 gemessene Flüssigkältemittelpegel 128 nach oben geht, kann die Steuervorrichtung 160 dazu ausgelegt sein, die Expansionsvorrichtung 130 zu öffnen, um mehr Kältemittel in den Verdampfer 140 fließen zu lassen. Wenn umgekehrt der durch die Flüssigkältemittelpegelmessvorrichtung 122 gemessene Flüssigkältemittelpegel 128 nach unten geht, was anzeigt, dass der Flüssigkältemittelpegel 128 im Kondensator 120 sinkt, kann die Steuereinheit 160 dazu ausgelegt sein, die Expansionsvorrichtung 130 zu schließen, um das in den Verdampfer 140 fließende Kältemittel einzuschränken.
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In einer anderen Betriebsart zur Aufrechterhaltung einer Kältemittelüberhitzungstemperatur wird die durch den Temperatursensor 155 gemessene Temperatur des aus dem Überlaufkältemittel verdampften Kältemittels durch die Steuereinheit 160 verwendet, um die Expansionsvorrichtung 130 zu steuern. Weil die Überlauföffnung 142 an einer Stelle angeordnet werden kann, die einem gewünschten Kältemittelpegel im Verdampfer 140 entspricht, kann diese Betriebsart auch dazu beitragen, den Flüssigkältemittelpegel 147 im Verdampfer 140 aufrechtzuerhalten. In dieser Betriebsart kann die Steuereinheit 160 dazu ausgelegt sein, die Expansionsvorrichtung 130 so zu steuern, dass die durch den Temperatursensor 155 gemessene Temperatur des verdampften Kältemittels in einem relativ kleinen Überhitzungstemperaturbereich wie etwa von 1 - 10°C Überhitzung bleibt. Es ist davon auszugehen, dass die Steuereinheit 160 dazu ausgelegt sein kann, die Temperatur des aus dem Überlaufkältemittel verdampften Kältemittels auf anderen Werten zu halten. Wenn die durch den Temperatursensor 155 gemessene Temperatur nach oben geht, was anzeigt, dass der Durchsatz des Überlaufkältemittels und der Flüssigkältemittelpegel abnehmen, kann die Steuereinheit 160 dazu ausgelegt sein, die Expansionsvorrichtung 130 zu öffnen, so dass mehr Kältemittel in den Verdampfer 140 geleitet werden kann. Wenn die durch den Temperatursensor 155 gemessene Temperatur nach unten geht, was anzeigt, dass der Durchsatz des Überlaufkältemittels und der Flüssigkältemittelpegel zunehmen, kann die Steuereinheit 160 dazu ausgelegt sein, die Expansionsvorrichtung 130 zu schließen, so dass weniger Kältemittel in den Verdampfer 140 geleitet werden kann.
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Die Steuereinheit 160 kann auch dazu ausgelegt sein, in einer anderen Betriebsart zu arbeiten, in welcher die Steuereinheit 160 den Flüssigkältemittelpegel im Kondensator 120 oder die durch den Temperatursensor 155 gemessene Temperatur aufrechterhalten kann. Die Steuereinheit 160 kann auch dazu ausgelegt sein, die Expansionsvorrichtung 130 so zu steuern, dass der Flüssigkältemittelpegel im Kondensator 120 und/oder die durch den Temperatursensor 155 gemessene Überhitzungstemperatur verändert werden können bzw. kann. Beispielsweise können bei unterschiedlichen Belastungsbedingungen die gewünschten Kältemittelpegel im Kondensator 120 und Verdampfer 140 unterschiedlich sein. Indem der im Kondensator 120 gemessene Flüssigkältemittelpegel und die durch den Temperatursensor 155 gemessene Überhitzungstemperatur verwendet werden, können verschiedene Kältemittelverteilungen des Kältemittels zwischen dem Kondensator 120 und dem Verdampfer 140 erzielt werden.
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2 stellt ein Verfahren 200 zum Betrieb eines Kälteanlagensystems wie etwa des wie in 1A dargestellten Kälteanlagensystems 200 dar. Das Verfahre 200 kann beispielsweise durch eine Steuereinheit wie etwa die Steuereinheit 160 des wie in 1A dargestellten Kälteanlagensystems 100 durchgeführt werden. Das Verfahren 200 kann zum Beispiel einen Kälteanlagensystembetrieb steuern, um einen Flüssigkältemittelpegel in einem Kondensator (z.B. dem Kondensator 120 in 1A) auf einem Kondensatorpegelsollwert zu halten.
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Bei 210 wird die Steuereinheit instruiert, den Kondensatorpegelsollwert einzustellen. Der Sollwert kann durch einen Benutzer anfänglich oder während des Betriebs eingestellt werden. Das Verfahren 200 kann auch dazu ausgelegt sein, den Kondensatorpegelsollwert einzustellen (siehe unten). Der Kondensatorpegelsollwert wird allgemein als gewünschter Flüssigkältemittelpegel im Kondensator (z.B. der Kältemittelpegel 128 im Kondensator 120 in 1A) bezeichnet. Anfänglich kann der Kondensatorpegelsollwert auf ein Niveau eingestellt werden, das gerade ausreicht, um einen Unterkühlungsabschnitt zu bedecken, aber einen Kondensierabschnitt nicht unterzutauchen (wie etwa den Unterkühlungsabschnitt 123 und dem Kondensierabschnitt 129 in 1A), wobei davon ausgegangen wird, dass der Kondensatorpegelsollwert auf andere Pegel eingestellt werden kann. Ein anfänglicher Sollwert kann durch das Verfahren verändert werden, wie nachstehend erörtert wird. Der Flüssigkältemittelpegel im Kondensator kann durch eine Flüssigkältemittelpegelmessvorrichtung wie etwa die Flüssigkältemittelpegelmessvorrichtung 122 in 1A gemessen werden.
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Bei 220 wird die Steuereinheit instruiert, einen Überlaufüberhitzungstemperatursollwert (Ts) einzustellen. Die Überlaufüberhitzungstemperatur wird als eine gewünschte Temperatur des Kältemitteldampfs bezeichnet, der sich aus dem Verdampfen von Kältemittel aus dem Überlaufkältemittel durch eine Überlauföffnung eines Verdampfers (wie etwa die Überlauföffnung 142 in 1A) durch einen Wärmetauscher (wie etwa den Wärmetauscher 150 in 1A) ergibt. Der Ts kann durch einen Benutzer oder einen Hersteller des Kälteanlagensystems eingestellt werden. Nachdem Ts eingestellt wurde, verwendet das Verfahren 200 im Allgemeinen denselben Wert, obwohl klar sein sollte, dass das Verfahren dazu ausgelegt sein kann, den Ts beispielsweise entsprechend einer Betriebsart und/oder Belastung des Kälteanlagensystems zu verändern. Die Temperatur des verdampften Überlaufkältemittels kann in Korrelation zu einem Durchsatz des Überlaufkältemittels durch die Überlauföffnung gesetzt werden. Die Korrelation zwischen der Temperatur des Überhitzungskältemittels und des Durchsatzes des Überlaufkältemittels kann beispielsweise in einer Laborumgebung eingestellt werden. Der Überlaufüberhitzungstemperatursollwert Ts kann in Korrelation zu einem bestimmten Durchsatz des Überlaufkältemittels stehen. Der Ts kann auf Grundlage eines gewünschten Durchsatzes des Überlaufkältemittels bestimmt werden. In einigen Ausführungsformen kann der Ts in einem leichten Überhitzungstemperaturbereich wie etwa in einem Bereich von ca. 1 bis ca. 10°C Überhitzung liegen.
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Es ist anzumerken, dass durch ein Steuern der Überhitzungstemperatur auch die Ölkonzentration im Überlaufkältemittel gesteuert werden kann. Je höher die Überhitzungstemperatur ist, umso höher ist im Allgemeinen die Ölkonzentration. In einigen Ausführungsformen beträgt beispielsweise, wenn das Überlaufkältemittel den Verdampfer verlässt, die Ölkonzentration im Überlaufkältemittel ca. 2% bis ca. 4%. Kältemittel im Überlaufkältemittel kann im Wärmetauscher stromab von der Überlauföffnung verdampft werden. In einer Ausführungsform beträgt, wenn die Überhitzungstemperatur ca. 5°C bis ca. 10°C beträgt, die Ölkonzentration in dem den Wärmetauscher verlassenden Überlaufkältemittel ca. 75%.
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Bei 230 ist ein Temperatursensor (z.B. der Temperatursensor 155 in 1A) dazu ausgelegt, eine Temperatur des verdampften Kältemittels aus der Überlaufkältemittelüberhitzung (Tm) zu messen. In einigen Ausführungsformen kann die Temperaturmessung in Echtzeit erfolgen. Der gemessene Tm-Wert kann an die Steuereinheit übertragen werden.
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Bei 240 wird die Steuereinheit instruiert, Ts und Tm zu vergleichen. Wenn Tm < Ts ist, was anzeigt, dass der Durchsatz des Überlaufkältemittels höher ist als der gewünschte Durchsatz, geht das Verfahren zu 250 weiter. Ein relativ hoher Durchsatz des Überlaufkältemittels steht im Allgemeinen in Korrelation zu einem relativ hohen Kältemittelpegel im Verdampfer (z.B. dem Kältemittelpegel 147 im Verdampfer 140). Deshalb zeigt, wenn Tm < Ts ist, dies im Allgemeinen an, dass der Kältemittelpegel im Verdampfer möglicherweise höher ist als der gewünschte Pegel. Es kann wünschenswert sein, den Flüssigkältemittelpegel im Verdampfer zu senken und den Kältemittelfluss zum Kondensator zu erhöhen.
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Bei 250 wird der Kondensatorpegelsollwert erhöht. Da das Kälteanlagensystem im Allgemeinen dazu ausgelegt ist, den Flüssigkältemittelpegel auf dem Kondensatorpegelsollwert zu halten, kann, wenn der Kondensatorpegelsollwert erhöht wird, das Kälteanlagensystem dazu ausgelegt sein, den Kältemittelpegel im Kondensator zu erhöhen. Im Ergebnis kann der Kältemittelpegel im Verdampfer gesenkt werden.
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Um den Kältemittelpegel im Kondensator zu erhöhen, geht das Verfahren zu 260 weiter. Bei 260 wird die Steuereinheit instruiert, eine Expansionsvorrichtung (d.h. die Expansionsvorrichtung 130 in 1A) zu schließen, die dazu ausgelegt ist, einen Kältemittelfluss zum Verdampfer zu regeln. Indem die Expansionsvorrichtung zunehmend (oder vollständig) geschlossen wird, wird der Kältemittelfluss zum Verdampfer reduziert. Im Ergebnis wird der Flüssigkältemittelpegel im Verdampfer reduziert, während der Flüssigkältemittelpegel im Kondensator erhöht wird. Das Verfahren 200 geht dann zu 270 weiter.
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Wenn Tm > Ts ist, was anzeigt, dass der Durchsatz des Überlaufkältemittels geringer ist als der gewünschte Durchsatz, geht das Verfahren 200 zu 252 weiter. Ein relativ geringer Durchsatz des Überlaufkältemittels steht im Allgemeinen in Korrelation zu einem relativ niedrigen Kältemittelpegel im Verdampfer (z.B. dem Kältemittelpegel 147 im Verdampfer 140). Deshalb zeigt, wenn Tm > Ts ist, dies im Allgemeinen an, dass der Kältemittelpegel im Verdampfer möglicherweise niedriger ist als der gewünschte Pegel. Es kann wünschenswert sein, den Flüssigkältemittelpegel im Verdampfer zu erhöhen und den Kältemittelpegel im Kondensator zu senken.
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Bei 252 wird der Kondensatorpegelsollwert gesenkt. Da das Kälteanlagensystem im Allgemeinen dazu ausgelegt ist, den Flüssigkältemittelpegel auf dem Kondensatorpegelsollwert zu halten, kann, wenn der Kondensatorpegelsollwert gesenkt wird, das Kälteanlagensystem dazu ausgelegt sein, den Kältemittelpegel im Verdampfer zu erhöhen. Im Ergebnis kann der Kältemittelpegel im Verdampfer erhöht werden.
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Um den Kältemittelpegel im Verdampfer zu erhöhen, geht das Verfahren 200 zu 262 weiter. Bei 262 wird die Steuereinheit instruiert, die Expansionsvorrichtung zu öffnen (oder vollständig zu öffnen), die dazu ausgelegt ist, den Kältemittelfluss zum Verdampfer zu regeln. Indem die Expansionsvorrichtung geöffnet wird, wird den Kältemittelfluss zum Verdampfer erhöht. Im Ergebnis wird der Flüssigkältemittelpegel im Verdampfer erhöht, während der Flüssigkältemittelpegel im Kondensator gesenkt wird. Das Verfahren 200 geht dann zu 270 weiter.
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Das Verfahren 200 kann bei 270 einen Kältemittelaustrittsprüfmodus umfassen. Bei 270 wird der Kondensatorpegelsollwert mit einem vorbestimmten Kältemittelniedrigpegelschwellenwert im Kondensator verglichen. Wenn der Kondensatorpegelsollwert niedriger ist als der vorbestimmte niedrige Kältemittelschwellenwert, geht das Verfahren 200 zu 280 weiter. Bei 280 wird eine Fehlermeldung bereitgestellt, die einen niedrigen Kältemittelpegel im Kondensator angibt, der ein mögliches Auslaufen von Kältemittel im Kälteanlagensystem anzeigen kann.
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Die Möglichkeit, ein Auslaufen von Kältemittel anhand des Verfahrens 200 zu erfassen, ergibt sich daraus, dass eine Gesamtmenge des Kältemittels zwischen dem Verdampfer und dem Kondensator verteilt ist. Indem die Temperatur verdampften Kältemittels Tm auf Ts gehalten wird, kann der Flüssigkältemittelpegel (oder die Menge des Kältemittels) im Verdampfer auf einem relativ stabilen Pegel gehalten werden. Ein niedriger Kältemittelpegel (oder die geringe Menge des Kältemittels) im Kondensator kann einen Verlust an der Gesamtmenge des Kältemittels und deshalb ein mögliches Auslaufen von Kältemittel anzeigen, was anzeigt, dass die Kälteanlage möglicherweise ein Zufüllen von Kältemittel benötigt.
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Das Kälteanlagensystem kann anfänglich mit einer gewünschten Menge des Kältemittels beschickt werden. Die Gesamtmenge des Kältemittels wird zwischen dem Kondensator und dem Verdampfer verteilt. Der Kältemittelpegel im Kondensator wird anfänglich allgemein als optimaler Pegel ausgelegt, wie etwa zum Beispiel ein Pegel, der gerade ausreicht, den Unterkühlungsabschnitt unterzutauchen, aber nicht den Kondensierabschnitt unterzutauchen. Der Kältemittelpegel im Verdampfer kann anfänglich allgemein dazu ausgelegt sein, gerade auszureichen, um eine Oberseite von Wärmeaustauschrohren in einem gefluteten Verdampfer zu benetzen. Während des Betriebs kann, wenn ein Auslaufen von Kältemittel besteht, die Gesamtmenge des Kältemittels weiterhin abnehmen. Im Ergebnis kann im Verfahren 200 der Kondensatorpegelsollwert (d.h. die Kältemittelmenge im Kondensator) kontinuierlich gesenkt werden, um den Kältemittelpegel im Verdampfer auf dem gewünschten Pegel zu halten. Das Verfahren 200 kann dazu ausgelegt sein, den Kondensatorpegelsollwert mit dem vorbestimmten Kältemittelniedrigpegelschwellenwert zu vergleichen. Wenn der Kondensatorpegelsollwert den Pegelschwellenwert erreicht oder darunter liegt, wird die Fehlermeldung bereitgestellt, um einen Benutzer daran zu erinnern, eine Prüfung auf Auslaufen des Kältemittels hin vorzunehmen und/oder Kältemittel nachzufüllen.
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Der Ts kann in Korrelation zu einem gewünschten Kältemittelpegel im Verdampfer und/oder einem gewünschten Überlaufkältemittel-(oder, anders ausgedrückt, Ölrücklauf-)-Durchsatz aus der Überlauföffnung gesetzt werden. Je höher der Ts ist, umso höher ist im Allgemeinen der gewünschte Kältemittelpegel im Verdampfer, und umso höher ist der Überlaufkältemitteldurchsatz. Es ist davon auszugehen, dass Ts beispielsweise auf Grundlage eines Belastungszustands im Kälteanlagensystem und/oder eines gewünschten Ölrücklaufdurchsatzes verändert werden kann. Indem der Ts verändert wird, kann der gewünschte Kältemittelpegel und/oder Überlaufkältemitteldurchsatz durch das Verfahren 200 erzielt werden.
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Die Kältemittelpegel im Kondensator und Verdampfer müssen möglicherweise je nach der Betriebsart des Kälteanlagensystems ausbalanciert werden. In einigen Ausführungsformen kann es, wenn die Belastung hoch ist, wünschenswert sein, den Kältemittelpegel im Kondensator zu erhöhen, während der Kältemittelpegel im Verdampfer gesenkt wird. Wenn die Belastung hoch ist, kann es wünschenswert sein, den Kältemittelpegel im Verdampfer zu erhöhen, während der Kältemittelpegel im Kondensator gesenkt wird. Ein Fachmann auf dem Gebiet kann nachvollziehen, dass sich das Verfahren 200 dazu anpassen lässt, die von den Belastungsbedingungen abhängige Kältemittelbalancesteuerung im Betrieb mit aufzunehmen.
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Es sollte klar sein, dass das Verfahren 200 beispielhaft ist. Andere Ausführungsformen von Verfahren zum Steuern des Kälteanlagensystems können zusätzliche oder weniger Prozesse umfassen. Beispielsweise kann das Verfahren in einigen Ausführungsformen entweder nur den Kondensatorpegelsollwert oder den Überhitzungstemperatursollwert, aber nicht beide einstellen.
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Es ist davon auszugehen, dass die Steuereinheit andere Eingänge in das Verfahren 200 einbeziehen kann, um das Kälteanlagensystem zu steuern. Beispielsweise kann es bei einem wassergekühlten Kondensator wünschenswert sein, die Temperatur des in den Kondensator eintretenden Wassers zu messen, weil sich die Temperatur des in den Kondensator eintretenden Wassers auf die Temperatur des aus dem Kondensator ausgeleiteten Kältemittels auswirken kann. Wenn die Temperatur des in den Kondensator eintretenden Wassers nahe an oder niedriger als Tm ist, kann es sein, dass das aus dem Kondensator ausgeleitete Kältemittel nicht zu Kältemittel des Überlaufkältemittels auf die gewünschte Überhitzungstemperatur verdampfen kann. In dieser Situation muss die Steuereinheit das Kälteanlagensystem möglicherweise durch andere Verfahren steuern. Umgekehrt kann eine höhere Temperatur des in den Kondensator eintretenden Wassers bewirken, dass die Überhitzungstemperatur des aus dem Überlaufkältemittel verdampften Kältemittels sich nach oben verschiebt. Das Verfahren 200 kann modifiziert werden, um die Temperaturverschiebung zu kompensieren.
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Es ist davon auszugehen, dass, wenn sich auch die wie in 1A und 1B offenbarten Ausführungsformen auf einen Kondensator mit einem Unterkühlungsabschnitt und einen gefluteten Verdampfer richten, die hier offenbarten Ausführungsformen angepasst werden können, um mit anderen Arten von Kondensatoren und Verdampfern verwendet zu werden. Im Allgemeinen kann die Überlauföffnung an einer Position an einem Verdampfer angeordnet werden, die in Korrelation zu einem gewünschten Kältemittelpegel steht. Wenn sich der Kältemittelpegel im Verdampfer auf dem gewünschten Kältemittelpegel befindet, kann ein Teil des Kältemittels durch den Überlauftank überlaufen. Ein Wärmetauscher kann dazu ausgelegt sein, das Überlaufkältemittel aufzunehmen und Kältemittel des Überlaufkältemittels auf eine leichte Überhitzung zu verdampfen, wenn das aus dem Überlaufkältemittel verdampfte Kältemittel den Wärmetauscher verlässt. Ein Kältemittelfluss zum Verdampfer kann so gesteuert werden, dass die Temperatur des verdampften Kältemittels auf der Überhitzung gehalten werden kann. Ein Ölanteil des Überlaufkältemittels kann zu Schmierungszwecken zurück zum Kompressor geleitet werden. Die Verfahren 200 können allgemein dazu angepasst sein, mit anderen Kondensator- und Verdampferauslegungen zu funktionieren, um Kältemittelpegel in den Verdampfern und/oder Kondensatoren aufrechtzuerhalten/zu verändern oder einen Auslaufen von Kältemittel zu erfassen.
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In einigen Ausführungsformen kann ein Fluidreservoir (wie etwa das Kältemittelreservoir 180) zwischen der Überlauföffnung und dem Wärmetauscher angeordnet sein. Das Fluidreservoir kann dazu ausgelegt sein, das Überlaufkältemittel vorübergehend zu sammeln. Das Fluidreservoir kann dazu beitragen, einen anderen Weg zum Steuern des Ölrücklaufs in das Kälteanlagensystem hinzuzufügen.
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Die hier offenbarten Ausführungsformen können zur Steuerung eines Kälteanlagenbetriebs beitragen. Im Allgemeinen kann eine Flüssigkältemittelpegelmessvorrichtung (z.B. die Flüssigkältemittelpegelmessvorrichtung 122 in 1) dazu verwendet werden, zum Aufrechterhalten oder Steuern eines Kältemittelpegels im Kondensator (z.B. dem Kondensator 120 in 1) während eines Kälteanlagenbetriebs beizutragen. Eine Überlaufölrücklaufvorrichtung eines Verdampfers (z.B. des Verdampfers 140 in 2), die eine Überlauföffnung (z.B. die Überlauföffnung 142 in 1) umfassen kann, ein stromab der Überlauföffnung angeordneter Wärmetauscher (z.B. der Wärmetauscher 150 in 1) und ein Temperatursensor (z.B. der Temperatursensor 155 in 1) können dazu beitragen, einen Kältemittelpegel im Verdampfer aufrechtzuerhalten oder zu steuern. Die Überlaufvorrichtung kann auch zum Ölrücklauf aus dem Verdampfer und/oder zur Erfassung eines Auslaufens von Kältemittel beitragen. Die Kombination aus der Flüssigkältemittelpegelmessvorrichtung des Kondensators und der Überlaufölrücklaufvorrichtung kann zur Steuerung des Kälteanlagensystems beitragen.
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In dieser Offenbarung kann die durch den Temperatursensor (z.B. den Temperatursensor 155) gemessene Temperatur des aus dem Überlaufkältemittel aus dem Verdampfer (z.B. dem Verdampfer 140) verdampften Kältemittels in Korrelation zum Durchsatz des Überlaufkältemittels aus dem Verdampfer gesetzt werden. Es ist davon auszugehen, dass andere Verfahren und Vorrichtungen zum Messen des Durchsatzes des Überlaufkältemittels verwendet werden können. In einigen Ausführungsformen können die Temperatursensoren beispielsweise dazu ausgelegt sein, Temperaturen des in einen Wärmetauscher (z.B. den Wärmetauscher 150) fließenden und diesen verlassenden Kältemittels zu messen. Ein Temperaturunterschied zwischen den zwei Temperaturen kann in Korrelation zum Durchsatz beispielsweise des Überlaufkältemittels aus dem Verdampfer gesetzt und deshalb dazu verwendet werden, den Kältemittelpegel im Verdampfer (z.B. dem Verdampfer 140) anzuzeigen. Im Allgemeinen können alle Verfahren und Vorrichtungen geeignet sein, die einen mit dem Kältemitteldurchsatz in Korrelation stehenden Parameter messen können.
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Aspekte
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Alle Aspekte 1 - 6 können mit allen Aspekten 7 - 27 kombiniert werden. Alle Aspekte 7 - 19 können mit allen Aspekten 20 - 27 kombiniert werden.
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Aspekt 1. Kälteanlagensystem, Folgendes umfassend.
- einen Kondensator;
- einen Verdampfer, wobei der Verdampfer eine Überlauföffnung hat, die dazu ausgelegt ist, Kältemittel aus dem Verdampfer überlaufen zu lassen;
- eine Expansionsvorrichtung, die dazu ausgelegt ist, einen Kältemittelfluss in den Verdampfer zu regeln,
- einen Wärmetauscher;
- eine Wärmequelle; und
- einen Temperatursensor; wobei
- der Wärmetauscher dazu ausgelegt ist, durch die Überlauföffnung übergelaufenes Kältemittel aufzunehmen;
- der Wärmetauscher dazu ausgelegt ist, die Wärmequelle aufzunehmen, um das übergelaufene Kältemittel im Wärmetauscher zu verdampfen;
- der Temperatursensor dazu ausgelegt ist, eine Temperatur des übergelaufenen Kältemittels zu messen, wenn das übergelaufene Kältemittel den Wärmetauscher verlässt;
- wenn die Temperatur des übergelaufenen Kältemittels über einem Temperaturschwellenwert liegt, die Expansionsvorrichtung dazu ausgelegt ist, den Kältemittelfluss in den Verdampfer zu erhöhen; und wenn die Temperatur des übergelaufenen Kältemittels unter dem Temperaturschwellenwert liegt, die Expansionsvorrichtung dazu ausgelegt ist, den Kältemittelfluss in den Verdampfer zu verringern.
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Aspekt 2. Kälteanlagensystem nach Aspekt 1, wobei die Überlauföffnung an einer Stelle angeordnet ist, die einem gewünschten Kältemittelpegel im Verdampfer entspricht.
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Aspekt 3. Kälteanlagensystem nach den Aspekten 1 - 2, wobei es sich bei der Wärmequelle um Kältemittel aus dem Kondensator handelt.
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Aspekt 4. Kälteanlagensystem nach den Aspekten 1 - 3, wobei es sich bei dem Temperaturschwellenwert um 1 bis 10°C Überhitzung handelt.
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Aspekt 5. Kälteanlagensystem nach den Aspekten 1 - 4, darüber hinaus umfassend:
- eine Kältemittelpegelmessvorrichtung; wobei die Kältemittelpegelmessvorrichtung dazu ausgelegt ist, einen Kältemittelpegel im Kondensator zu messen;
- wobei, wenn der Kältemittelpegel über einem Kältemittelpegelsollwert liegt, die Expansionsvorrichtung dazu ausgelegt ist, den Kältemittelfluss in den Verdampfer zu erhöhen; und wenn der Kältemittelpegel unter einem Kältemittelpegelsollwert liegt, die Expansionsvorrichtung dazu ausgelegt ist, den Kältemittelfluss in den Verdampfer zu verringern.
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Aspekt 6. Kälteanlagensystem nach den Aspekten 1 - 5, wobei, wenn eine Belastung des Kälteanlagensystems zunimmt, die Expansionsvorrichtung dazu ausgelegt ist, den Kältemittelfluss in den Verdampfer zu veringern; und wenn die Belastung des Kälteanlagensystems abnimmt, die Expansionsvorrichtung dazu ausgelegt ist, den Kältemittelfluss in den Verdampfer zu erhöhen.
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Aspekt 7. Kälteanlagensystem, Folgendes umfassend.
- einen Kondensator;
- einen Verdampfer, wobei der Verdampfer eine Überlauföffnung hat, die dazu ausgelegt ist, Kältemittel aus dem Verdampfer überlaufen zu lassen;
- eine Expansionsvorrichtung, die dazu ausgelegt ist, einen Kältemittelfluss zum Verdampfer zu regeln,
- ein Durchsatzmessgerät; wobei das Durchsatzmessgerät dazu ausgelegt ist, einen Durchsatz des Überlaufkältemittels aus der Überlauföffnung zu messen; und
- wobei die Expansionsvorrichtung dazu ausgelegt ist, entsprechend dem Durchsatz des Überlaufkältemittels aus der Überlauföffnung geregelt zu werden.
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Aspekt 8. Kälteanlagensystem nach Aspekt 7, wobei die Expansionsvorrichtung dazu ausgelegt ist, den Kältemittelfluss zum Verdampfer zu regeln, um den Durchsatz des Überlaufkältemittels auf einem gewünschten Durchsatz zu halten.
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Aspekt 9. Kälteanlagensystem nach den Aspekten 7 - 8, wobei die Expansionsvorrichtung dazu ausgelegt ist, den Kältemittelfluss zum Verdampfer zu erhöhen, wenn der Durchsatz des Überlaufkältemittels unter einem gewünschten Durchsatz liegt; und
- die Expansionsvorrichtung dazu ausgelegt ist, den Kältemittelfluss zum Verdampfer zu verringern, wenn der Durchsatz des Überlaufkältemittels über dem gewünschten Durchsatz liegt.
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Aspekt 10. Kälteanlagensystem nach den Aspekten 7 - 9, darüber hinaus umfassend:
- einen Wärmetauscher, wobei der Wärmetauscher dazu ausgelegt ist, das Überlaufkältemittel durch den Verdampfer aufzunehmen; und
- eine Wärmequelle; wobei der Wärmetauscher dazu ausgelegt ist, die Wärmequelle aufzunehmen, um Kältemittel aus dem Überlaufkältemittel zu verdampfen.
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Aspekt 11. Kälteanlagensystem nach den Aspekten 7 - 10, wobei es sich bei dem Durchsatzmessgerät um einen Temperatursensor handelt, der dazu ausgelegt ist, eine Temperatur des den Wärmetauscher verlassenden, aus dem Überlaufkältemittel verdampften Kältemittels zu messen.
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Aspekt 12. Kälteanlagensystem nach Aspekt 11, wobei die Expansionsvorrichtung dazu ausgelegt ist, den Kältemittelfluss zum Verdampfer so zu regeln, dass die Temperatur des aus dem Überlaufkältemittel verdampften Kältemittels auf Überhitzung gehalten wird.
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Aspekt 13. Kälteanlagensystem nach den Aspekten 11 - 12, wobei die Temperatur zwischen ca. 1 bis ca. 10°C Überhitzung liegt.
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Aspekt 14. Kälteanlagensystem nach den Aspekten 10 - 13, wobei es sich bei der Wärmequelle um Kühlmittel aus dem Kondensator handelt.
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Aspekt 15. Kälteanlagensystem nach den Aspekten 10 - 14, wobei die Expansionsvorrichtung dazu ausgelegt ist, den Kältemittelfluss zum Verdampfer zu erhöhen, wenn die Temperatur des den Wärmetauscher verlassenden, aus dem Überlaufkältemittel verdampften Kältemittels über einer gewünschten Temperatur liegt, und den Kältemittelfluss zum Verdampfer zu verringern, wenn die Temperatur des den Wärmetauscher verlassenden, aus dem Überlaufkältemittel verdampften Kältemittels unter einer gewünschten Temperatur liegt.
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Aspekt 16. Kälteanlagensystem nach den Aspekten 7 - 15, darüber hinaus umfassend.
- eine Kältemittelpegelmessvorrichtung; wobei die Kältemittelpegelmessvorrichtung dazu ausgelegt ist, einen Kältemittelpegel im Kondensator zu messen;
- wobei, wenn der Kältemittelpegel über einem Kältemittelpegelsollwert liegt, die Expansionsvorrichtung dazu ausgelegt ist, den Kältemittelfluss in den Verdampfer zu erhöhen; und wenn der Kältemittelpegel unter dem Kältemittelpegelsollwert liegt, die Expansionsvorrichtung dazu ausgelegt ist, den Kältemittelfluss in den Verdampfer zu verringern.
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Aspekt 17. Kälteanlagensystem nach den Aspekten 7 - 16, wobei der Verdampfer ein Rohrbündel enthält und die Überlauföffnung entsprechend einer Höhe einer oberen Rohrreihe des Rohrbündels in Bezug auf einen Boden des Verdampfers angeordnet ist.
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Aspekt 18. Kälteanlagensystem nach den Aspekten 7 - 17, wobei die Überlauföffnung in einer Höhe angeordnet ist, die einem gewünschten Flüssigkältemittelpegel im Verdampfer entspricht.
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Aspekt 19. Kälteanlagensystem nach den Aspekten 7 - 18, wobei die Überlauföffnung in Fluidverbindung mit einem Kältemittelreservoir steht.
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Aspekt 20. Verfahren zum Betreiben eines Kälteanlagensystems, Folgendes umfassend:
- Kältemittel durch eine Überlauföffnung eines Verdampfers des Kälteanlagensystems überlaufen zu lassen, wobei eine Menge des Überlaufkältemittels in Korrelation zu einem Kältemittelpegel im Verdampfer steht;
- eine Wärmequelle bereitzustellen, um Kältemittel aus dem Überlaufkältemittel zu verdampfen;
- eine Temperatur des aus dem Überlaufkältemittel verdampften Kältemittels zu messen; und
- einen Kältemittelfluss zum Verdampfer so zu ändern, dass die Temperatur des aus dem Überlaufkältemittel verdampften Kältemittels auf dem gewünschten Temperatursollwert gehalten wird.
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Aspekt 21. Verfahren nach Aspekt 20, darüber hinaus umfassend: einen gewünschten Temperatursollwert für das aus dem Überlaufkältemittel verdampfte Kältemittel zu bestimmen.
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Aspekt 22. Verfahren nach den Aspekten 20 - 21, darüber hinaus umfassend:
- die Überlauföffnung in einer Höhe anzuordnen, die einem gewünschten Flüssigkältemittelpegel im Verdampfer in Bezug auf einen Boden des Verdampfers entspricht.
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Aspekt 23. Verfahren nach den Aspekten 20 - 22, wobei der gewünschte Temperatursollwert in einem Überhitzungstemperaturbereich des Kältemittels liegt.
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Aspekt 24. Verfahren nach den Aspekten 20 - 23, wobei es sich bei dem gewünschten Temperatursollwert um 1 bis 10°C Überhitzung handelt.
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Aspekt 25. Verfahren nach den Aspekten 20 - 24, darüber hinaus umfassend:
- den Flüssigkältemittelpegel im Kondensator zu messen; und
- den Kältemittelfluss zum Verdampfer so zu verändern, dass der gemessene Flüssigkältemittelpegel auf einem Kondensatorflüssigkältemittelpegelsollwert gehalten wird.
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Aspekt 26. Verfahren nach den Aspekten 24 - 25, darüber hinaus umfassend:
- den Flüssigkältemittelpegelsollwert im Kondensator zu senken, wenn die Temperatur des aus dem Überlaufkältemittel verdampften Kältemittels ansteigt; und
- den Flüssigkältemittelpegelsollwert im Kondensator zu erhöhen, wenn die Temperatur des aus dem Überlaufkältemittel verdampften Kältemittels abnimmt.
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Aspekt 27. Verfahren nach den Aspekten 23 - 26, darüber hinaus umfassend:
- eine Warnmeldung bereitzustellen, wenn der Flüssigkältemittelpegelsollwert unter einem Kältemittelpegelsollwert liegt.
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Im Hinblick auf die vorstehende Beschreibung sollte klar sein, dass im Einzelnen Änderungen vorgenommen werden können, ohne vom Umfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Die technische Beschreibung und die dargestellten Ausführungsformen sollen als lediglich beispielhaft angesehen werden, wobei der wahre Umfang und Aussagegehalt der Erfindung durch die weitgefasste Bedeutung der Ansprüche angegeben ist.
