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Die
Erfindung betrifft einen Kältemittelkreislauf
für eine
Wärmepumpe
bestehend aus einem Verdichter 1, einem Kondensator 4,
mindestens einem Verdampfer 11, 11', 18, 18' und einem Expansionsventil 13, 13', 23, 23' die mit darin
angeordneten Überwachungsorganen
zum Kältemittelkreislauf
verbunden sind.
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Wärme- oder
Kälte bereitstellende
Prozesse verdampfen Kältemittel
in sogenannten Verdampfern, die als Lamellen- oder Plattenwärmetauscher von
Kältemittel
durchflossen werden. Wird die Oberflächentemperatur des Verdampfers
wegen geringer Temperatur des Mediums zu niedrig (nahe oberhalb und
unterhalb von 0°C),
so kondensiert Feuchte, der Verdampfer bereift oder vereist. Der
Energiequelle kann unter diesen Bedingungen kaum mehr Leistung entzogen
werden. Deshalb ist es nötig,
dass der Verdampfer abgetaut wird.
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Die
Abtauvorgänge
wurden bisher realisiert durch Prozessumkehrverfahren sowie Sammel- und Nachverdampfungseinrichtungen
von Kältemittel oder
es wurde eine Fremdheizung eingesetzt. Dies ist mit dem Nachteil
verbunden, dass die dafür
nötige Energie
dem System verloren geht und die Verdampfer zudem schnell abgetaut
werden müssen,
da sie in dieser Zeit dem System keine Energie liefern können.
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Derartige
Abtaueinrichtungen werden in verschiedenen Druckschriften beschrieben.
Den beschriebenen Abtaueinrichtungen ist gemein, dass unter Verwendung
der Heißgasanteile
eine möglichst schnelle
Abtauung angestrebt wird.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es die für die Verdampfung ohnehin nachteiligen
Restenergie im niedrigen Temperaturbereich aus dem Kondensationsprozess
auszunutzen.
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Die
Lösung
der Aufgabe besteht darin, dass im Kältemittelkreislauf mindestens
zwei Verdampfer angeordnet sind, wobei der im Abtauzustand befindliche
Verdampfer zuerst von dem vom Kondensator kommenden Kältemittel
durchströmt
wird und das Kältemittel
danach dem der Energieaufnahme dienenden Verdampfer zugeführt wird
und die parallel angeordneten Systeme wechselseitig, durch die entsprechende
Schaltung der zugeordneten Ventile betreibbar sind.
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Durch
die Anordnung von mindestens zwei Verdampfern wird die für die Abtauvorgänge aufzuwendende
Energiemenge minimiert. Weiterhin wird der Wirkungsgrad des Verdampfers
dadurch verbessert, dass mittels der Absenkung der Zuflusstemperatur
des Kältemittels
in den Verdampfer eine bessere Ausnutzung der Kälteleistung erfolgt.
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Durch
Parallelanordnung der Verdampfer und entsprechende Zuordnung von
Schaltelementen kann jeweils der eine Verdampfer abgetaut werden und
der andere für
die Leistungsaufnahme verwendet werden, was zur Erhöhung des
Wirkungsgrades beiträgt
und einen kontinuierlichen Betrieb zuläßt, der nur vom Umschaltprozess
beeinflusst wird.
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Würde der
Prozess, in dem das Kältemittel Wärme an den
abzutauenden Verdampfer abgibt nicht erfolgen, so stellte sich sonst
für den
Entspannungsprozess über
das Expansionsventil folgender Nachteil ein: Bei der Entspannung
beginnt durch schnelles Nachlassen des Drucks ein kleiner Teil des Kältemittels
zu verdampfen, die Energie hierzu wird sogleich aus der Flüssigkeit
entnommen und die Flüssigkeit
kühlt sich
ab. Allerdings stehen die gasförmigen
Anteile im späteren
Verdampfungsprozess nicht mehr der Wärmeaufnahme zur Verfügung. Je geringer
das Temperaturniveau ist, von dem aus entspannt werden muss, desto
weniger Gasanteile entstehen im Kältemittel nach dem Entspannen
und umso effektiver ist die nachfolgende Energieaufnahme.
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Die
Ausbildung der Energieaufnahme mit zwei Rohrschlangen je Verdichter
vereinfacht den Aufbau des Systems und kommt mit nur zwei steuerbaren
Ventilen aus.
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Werden
als Verdampfer Register mit nur einer Rohrschlange verwendet, so
besteht durch entsprechende Schaltanordnungen die Möglichkeit
die Verdampfer gleichzeitig Energie aufnehmen zu lassen und durch
Zuschaltung eines Wärmetauschers
in den flüssigen
Kältemittelkreislauf
eine weitere Absenkung der Temperatur des Kältemittels z.B. durch Abgabe
eines Teils der Restenergie auszunutzen.
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Mehrere
Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind nachfolgend näher
beschrieben.
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Es
zeigt
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1a und 1b den
Einsatz von zwei Verdampfern mit je zwei Rohrschlangen
(Betriebszustand
a 1a; Betriebszustand b 1b)
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2a und 2b den
Einsatz von zwei Verdampfern mit je einer Rohrschlange
(Betriebszustand
a 2a; Betriebszustand b 2b)
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3 Kältemittelkreislauf
wie in 2a und 2b, jedoch
beide Verdampfer nehmen Energie auf, ein Abtauen der Verdampfer
ist nicht notwendig
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4 Kältemittelkreislauf
wie in 3, jedoch mit zusätzlichem Wärmetauscher Das Kreislaufsystem
nach 1a und 1b besteht
aus einem Verdichter 1, dem als Sicherheitsdruckwächter ein
Saugdruckpressostat 2 vorgeschaltet und ein Hochdruckpressostat 3 nachgeordnet
ist. In einem nachfolgenden Kondensator 4 wird Energieleistung des
dampfförmigen
Kältemittels
an einen Verbraucher abgegeben, wobei sich das Kältemittel verflüssigt. Es
gelangt über
die Druckleitung 5 und einen Sauggaswärmetauscher 6 in den
Kältemittelsammler 7,
fließt
durch einen Trockner 8 und ein Schauglas 9 zu
den Verdampfereinheiten 11 bzw. 11'. Über die steuerbaren Ventile 10, 10', beispielsweise
Magnetventile, wird die Flussrichtung des Kältemittels geregelt und je
nach Stellung der Magnetventile auf / zu wird festgelegt, welcher
der beiden Verdampfer 11, 11' abgetaut wird und welcher der
beiden Verdampfer 11, 11' Energie aufnimmt. Beide Verdampfer 11, 11' sind in dem
in der 1a und 1b dargestellten Beispiel
mit einem doppelten Rohrregister ausgestattet.
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Die
beiden Verdampfer 11, 11' enthalten jeweils ein Abtauregister 12, 12' und ein Verdampferregister 14, 14' mit je einem
Expansionsventil 13, 13'. Das verdampfte Kältemittel
wird über
die Saugleitungen 15, 15', 15" vom Kompressor 1 angesaugt
und passiert dabei den Sauggastauscher 6 und wird überhitzt.
Die Verdampfer 11 bzw. 11' nehmen in der vorliegenden Anordnung
abwechselnd Energie (beispielsweise aus der Luft oder Erdreich) über die
Verdampferregister 14, 14' auf und geben diese über den
Kondensator 4 an den Verbraucher ab. Zeitgleich wird der
gerade nicht beaufschlagte Verdampfer 11' bzw. 11 über das
jeweilige Abtauregister 12 bzw. 12' abgetaut.
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In 1a ist
der Betriebszustand dargestellt, in dem über den Verdampfer 11' mit seinem
Verdampferregister 14' Energie
aufgenommen wird und der Verdampfer 11 mit dem Abtauregister 12 abgetaut
wird (Betriebszustand a). Der Lauf des Kältemittelstroms ist danach
wie folgt:
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Im
Verdichter 1, dem als Sicherheitsdruckwächter ein Saugdruckpressostat 2 vorgeschaltet und
ein Hochdruckpressostat 3 nachgeordnet ist wird gasförmiges Kältemittel
unter Druck verdichtet, wobei die Temperatur z.B. bezogen auf das
Kältemittel R134a
von ca. 0° C
auf 60° C
und der Druck von ca. 1,7 bar auf 13,5 bar steigen.
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In
dem Kondensator 4 wird ein Teil des Energiegehalts des
Kältemittels
an einen Verbraucher abgegeben, wobei das Kältemittel verflüssigt wird.
Die Temperatur fällt
dabei auf 40° C.
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Das
Kältemittel
gelangt über
die Druckleitung 5, die üblicherweise als Kupferleitung
ausgeführt
ist über
z.B. den Sauggaswärmetauscher 6 in den
Kältemittelsammler 7.
Im Sauggaswärmetauscher 6,
auch Rekuperator genannt, gibt das Kältemittel Wärme an die dampfförmige Seite – das Kältemittel
das vom Verdampfer 14' kommt – des Kreislaufs
ab.
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Das
flüssige
Kältemittel
verliert im Sauggaswärmetauscher
auf der Flüssigseite
dabei ca.5° C Temperatur,
die sogenannte Unterkühlung,
die für eine
bessere Ausnutzung der Energie am Verdampfer sorgt. Das flüssige Kältemittel
gelangt danach in den Kältemittelsammler 7.
Von hier aus strömt
das Kältemittel
ohne gasförmige
Anteile durch einen Trockner 8, der eventuell noch im Kältemittel
befindendes Wasser und Verunreinigungen abscheidet. Anschließend kann
zur visuellen Kontrolle ein Schauglas 9 angeordnet sein,
in dem der Fluss zum Abtauregister 12 beobachtet werden
kann.
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In
dem in 1a gezeigten Betriebszustand soll das Kältemittel über das
Verdampferregister 14' des
Verdampfers 11' Energie
aufnehmen und über das
Abtauregister 12 soll ein Teil der Energie des Kältemittels
dafür sorgen,
daß der
Verdampfer 11 abtaut. Das Ventil 10' ist geöffnet, das Ventil 10 ist
geschlossen. Die Bereitschaft zur Energieaufnahme bzw. zum Abtauen
wird beispielsweise durch eine druckgesteuerte, thermostatische
oder elektronische Steuerung geregelt.
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Bei
dem in 1a dargestellten Kältemittelkreislauf bei dem
das Ventil 10'geöffnet und
das Ventil 10 geschlossen ist, wird das Kältemittel
zuerst durch das Abtauregister 12 des Verdampfers 11 geführt, wo
es für
den Abtauvorgang Restenergie abgibt. Die Temperatur sinkt um ca.
5° C je
nach Auslegung des Abtauregisters 12.
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Es
findet somit etwa eine Verringerung der Temperatur von 35° C zu 30° C statt.
Die freigesetzte Energie wird über
das Abtauregister 12 abgegeben um die Verdampferoberfläche des
Verdampferregisters 14 abzutauen. Das gekühlte Kältemittel
passiert anschließend
das Ventil 10'. Über das
Ventil 10',
entweder ein elektronisches oder ein thermostatisches Regelventil
mit Druckausgleich oder ein sogenanntes MOB-Ventil (Maximum Operating
Pressure) wird das Kältemittel
dem Energie aufnehmenden Verdampfer 14' eingespritzt und dabei auf ca.
1,7 bar entspannt.
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Die
Wärme,
die das Kältemittel
an den abzutauenden Verdampfer abgegeben hat stellt sonst für den Entspannungsprozess über das
Expansionsventil ohne Unterkühlung
folgenden Nachteil dar: Bei der Entspannung beginnt durch schnelles
Nachlassen des Drucks ein kleiner Teil des Kältemittels zu verdampfen, die
Energie hierzu wird sogleich aus der Flüssigkeit entnommen und die
Flüssigkeit
kühlt sich ab.
Allerdings stehen die gasförmigen
Anteile im späteren
Verdampfungsprozess nicht mehr der Wärmeaufnahme zur Verfügung. Je
geringer das Temperaturniveau ist, von dem aus entspannt werden
muss, desto weniger Gasanteile entstehen im Kältemittel nach dem Entspannen
und umso effektiver ist die nachfolgende Energieaufnahme.
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Durch
die Entspannung von 13,5 bar auf ca. 1,7 bar sinkt die Temperatur
des Kältemittels
von ca. 30° C
auf –10° C. Danach
nimmt das Kältemittel
bis zum Erreichen des dampfförmigen
Zustandes im Verdampfer Energie auf und erwärmt sich dabei auf –5° C.
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Nach
dem Verdampfen wird das gasförmige Kältemittel über eine
Saugleitung 15' angesaugt.
Die Saugleitung 15' mündet mit
Saugleitung 15 in einer gemeinsamen Saugleitung 15".
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Als
Optimierungsmöglichkeit
wird das heiße Gas
mittels des Sauggaswärmetauschers 6 auf
ca. 0 ° C
erwärmt,
damit durch die sogenannte Überhitzung
des Kältemittels
im Sauggaswärmetauscher 6 kein
flüssiges
Kältemittel
in den Verdichter 1 gelangen und ihn beschädigen kann.
Alternativ kann auch ein Flüssigkeitsabscheider
eingebaut werden. Schließlich
wird das Kältemittel
vom Kompressor/Verdichter 1 angesaugt. Saugdruckpressostat 2 vor
und Hochdruckpressostat 3 nach dem Verdichter dienen der
Sicherung der Anlage und schalten diese bei Störung ab.
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Soll
der Verdampfer 11' abgetaut
werden, so ist das Magnetventil 10 geöffnet und das Magnetventil 10' geschlossen
(Betriebszustand b).
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Wie
in 1b dargestellt, fließt nun das Kältemittel
zunächst
durch das Abtauregister 12'des Verdampfers 11' und anschließend über das
Magnetventil 10 zum Verdampferregister des Verdampfers 11.
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In
den 1a und 1b ist
jeweils die Flüssigphase
des Kältemittels,
also vom Verdichter zum jeweiligen Verdampfer durch eine durchgehende
Linie dargestellt, während
die dampfförmige
Phase des Kältemittels,
vom Verdampfer zum Verdichter, mit einer Strich-Punkt-Punkt-Linie
dargestellt ist.
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In
der 2a und 2b ist
ein Kältemittelkreislauf
bei der Verwendung von zwei Verdampfern 18, 18' mit je einer
Rohrschlange 19, 19' dargestellt. Der
Kältemittelkreislauf
nach 2a und 2b besteht
aus einem Verdichter 1, dem als Sicherheitsdruckwächter ein
Saugdruckpressostat 2 vorgeschaltet und ein Hochdruckpressostat 3 nachgeordnet
ist.
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In
dem Kondensator 4 wird Energieleistung des dampfförmigen Kältemittels
an einen Verbraucher abgegeben, wobei sich das Kältemittel verflüssigt. Das
flüssige
Kältemittel,
das den Kondensator 4 verlässt gelangt über einen
Kondensationsdruckregler 27 in einen Kältemittelsammler 28.
Es wird den Verdampferregistern 19, 19' der Verdampfer 18, 18' über die
Druckleitung 16, 16a, 16a' und 16b, 16b' zugeführt Das
System enthält
z.B. zwei Verdampfer-Einheiten 18, 18', denen in Verdampfungsrichtung
(als Strich-Punkt-Pfeil eingezeichnet) jeweils ein Trockner 21, 21' und ein Schauglas 22, 22' vorgeordnet
sind, gegen die Verdampfungsrichtung ein Rückschlagventil 21, 21'. Die Verdampfer
sind mit einem Expansionsventil 23, 23' ausgestattet.
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Die
steuerbaren Ventile 17 und 17', z.B. Magnetventile regeln den
Zufluss zu den Verdampferregistern 19 und 19' gegen die Verdampfungsrichtung beim
Abtaueffekt. Die steuerbaren Ventile 24, 24' regeln in Verdampfungsrichtung
die Absaugung in den Verdichter 1. Das verdampfte Kältemittel
wird über die
Saugleitungen 15 vom Kompressor 1 angesaugt und
passiert dabei den Flüssigkeitsabscheider 25 und
den Startregler 26 um den Kältekreislauf erneut zu beginnen.
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Die
Verdampfer 18, 18' nehmen
in der vorliegenden Anordnung abwechselnd Energie (beispielsweise
aus der Luft) über
die Verdampferregister 19 und 19' auf und geben diese nach Verdichtung
im Verdichter 1 im Kondensator 4 an den Verbraucher ab.
Zeitgleich wird der gerade nicht beaufschlagte Verdampfer abgetaut
(2a und 2b).
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In
den in den 2a und 2b dargestellten
Kältekreisläufen wird
durch entsprechende Schaltung der Ventile 17 und 17' und der Ventile 23'und 23 der
Kältemittelfluss
so gesteuert, dass in einem Verdampfer das vom Kältemittelsammler 28 kommende
flüssige
Kältemittel
zunächst
dem Verdampfer zugeführt
wird der abzutauen ist. Bei 2a (Betriebszustand
a) ist dies der Verdampfer 18'; bei 2b (Betriebszustand
b) ist dies der Verdampfer 18. Danach wird das Kältemittel
dem zweiten Verdampfer über
das Expansionsventil 23 bzw. 23' zugeführt. Auf diese Weise wird der
gerade nicht beaufschlagte Verdampfer abgetaut (2a und 2b).
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Zur
besseren Verständlichkeit
wurde in den 2a und 2b der
Flüssiglauf
des Kältemittels mit
dicken Strichen eingezeichnet, während
das Kältemittel
in der Dampfphase als Strich-Punkt-Punkt-Linie dargestellt ist. Die dicken
ausgezogenen Linien stellen den jeweilig aktiven Kreislauf dar,
während
die dünnen
Linien die gerade nicht aktivierten Leitungsverbindungen darstellen.
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In 2a (Betriebszustand
a) nimmt z.B. der Verdampfer 18 Energie auf und der Verdampfer 18' wird abgetaut.
Der Kältemittelkreislauf
ist wie folgt:
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Im
Verdichter 1, dem als Sicherheitsdruckwächter ein Saugdruckpressostat 2 vorgeschaltet und
ein Hochdruckpressostat 3 nachgeordnet ist wird gasförmiges Kältemittel
unter Druck verdichtet, wobei bezogen auf beispielsweise das Kältemittel 134a die
Temperatur von 0° C
auf 60° C
und der Druck von 1,7 bar auf 13,5 bar steigen.
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In
einem Kondensator 4 wird ein Teil des Energiegehalts des
Kältemittels
an einen Verbraucher abgegeben, wobei das Kältemittel verflüssigt wird. Die
Temperatur des Kältemittels
fällt durch
die Energieabgabe auf ca. 35° C.
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Das
Kältemittel
passiert z.B. einen Kondensationsdruckregler 27 der beispielsweise
den nötigen Vordruck
bei der hier angenommenen Verwendung eines thermostatischen Expansionsventils 23 bzw. 23' regelt (bei
elektronischem Expansionsventil nicht notwendig). Im Kältemittelsammler 28 sammelt
sich flüssiges
Kältemittel,
das von hier aus ohne gasförmige
Anteile über
die Druckleitung 16a, 16a' zum abzutauenden Verdampfer 18' fließt.
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Um über das
Verdampferregister 19 des Verdampfers 18 Energie
aufzunehmen sind die Magnetventile 17' und 24 geöffnet, das
Magnetventil 29, das nur für den Parallelbetrieb (in dem
beide Verdampfer Energie aufnehmen) benötigt wird ist ebenso geschlossen
wie die Magnetventile 17 und 24'. Das Kältemittel durchläuft nun
zunächst
das Verdampferregister 19' gegen
die übliche
durch das Einspritzventil 23' definierte
Aufnahmerichtung (als Strich-Punkt-Pfeil in der Zeichnung dargestellt)
und taut den Verdampfer ab. Dabei verliert das Kältemittel je nach Auslegung
des Verdampfers etwa 5° C
Temperatur und kühlt
auf 30° C
ab.
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Das
Kältemittel
passiert weiter das Rückschlagventil 21' und wird über die
Druckleitung 16b zum Verdampfer 18 geführt. Dabei
wird das Kältemittel über den
Trockner 21, der eventuell sich im Kältemittel befindendes Wasser
oder Fremdstoffe abscheidet geleitet und fließt anschließend zur visuellen Kontrolle
durch das Schauglas 22 ehe es über das Expansionsventil 23 in
das Verdampferregister 19 eingespritzt wird. Durch die
Entspannung sinkt der Druck von 13,5 bar auf 1,7 bar und die Temperatur sinkt
dabei von 30° C
auf ca. –10° C. Darauffolgend nimmt
das Kältemittel
bis zum Erreichen des dampfförmigen
Zustandes im Verdampfer Energie auf und erwärmt sich auf ca. –5° C.
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Das
mit Energie angereicherte, gasförmige Kältemittel
passiert das Magnetventil 24 und erreicht über die
Sauggasleitung 15, die mit 15' in der gemeinsamen Sauggasleitung 15" mündet einen
Flüssigkeitsabscheider 25,
damit keine flüssigen
Restbestände
in den Verdichter gelangen können.
Ein Startregler 26 schützt
beispielsweise den Kompressor vor Überlastung, in dem er den Eingangsdruck
für den Kompressor
bestimmt. Das Kältemittel
gelangt über den
Saugpressostaten 2 zum Kompressor 1 wo es auf
13,5 bar komprimiert und auf 60° C
erhitzt wird. Alternativ kann auch wie zuvor in 1 beschrieben ein
Sauggaswärmetauscher 6 die Überhitzung
des Kältemittels
anstelle des Flüssigkeitsabscheiders 25 übernehmen.
Vom Kompressor 1 angetrieben strömt das Kältemittel über einen Hochdruckpressostaten 3 zum
Kondensator 4 wobei die gewonnene Energiemenge an einen
Verbraucher abgegeben wird und das Kältemittel sich dabei verflüssigt. Das
flüssige Kältemittel
wird erneut gesammelt und dem Kältekreislauf
zur Verfügung
gestellt.
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Soll
der Verdampfer 18 abgetaut werden, so sind die Magnetventile 17 und 24' geöffnet, 17' und 24 sowie 82 sind
geschlossen. Durch diese Schaltung wird der Verdampfer 18 über das
Verdampferregister 19 abgetaut und der Verdampfer 18' nimmt über das
Verdampferregister 19' Energie
auf (2b: Betriebszustand b). Der Prozessablauf ist der
gleiche wie vorher beschrieben. Der Wechsel der Funktion der jeweiligen
Verdampfer wird zeitgesteuert, durch ein Thermostat oder elektronisch
geregelt.
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Es
ist auch möglich
wie 3 zeigt, dass beide Verdampfer 18, 18' über ihre
Register 19, 19' Energie
aufnehmen, z.B. wenn ein Abtauen eines Verdampfers nicht nötig ist,
beispielsweise bei tiefen Außentemperaturen
und damit einhergehender geringer Feuchte der Luft.
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Bei
einem Prozessablauf nach 3 wird keine Abtauung eines
Verdampfers benötigt,
daher sind beide Verdampfer einsatzbereit und es können über das
geöffnete
Magnetventil 29 beide Verdampfer zur Energieaufnahme mit
Kältemittel
beschickt werden. Die Ventile 17 und 17' sind geschlossen 24 und 24' geöffnet. Durch
Energieaufnahme über
die Verdampferregister 19 und 19' beider Verdampfer 18 und 18' können z.B.
Bedarfsspitzen beim Verbraucher abgedeckt werden.
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In 4 wird
die Anordnung nach 3 um einen zusätzlichen
Wärmetauscher 30 ergänzt, der zwischen
dem Kältemittelsammler 28 und
den Verdampferregistern 19, 19'angeordnet ist. Der Wärmetauscher 21 wird über die
vom Kältemittelsammler 28 kommende
Druckleitung 33 mit flüssigem
Kältemittel gespeist.
Die Zuschaltung erfolgt dadurch, dass das Magnetventil 31' geschlossen
und das Magnetventil 31 geöffnet ist. Wird hingegen der
Wärmetauscher 30 abge schaltet,
so schließt
das Magnetventil 30, das Magnetventil 30 ist geöffnet. Damit
keine Rückströmung über die
Leitung 33 erfolgt ist Rückschlagventil 32 angeordnet,
das nur die Durchströmung
des Wärmetauschers über das
geöffnete
Magnetventil 31 zulässt.
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Wird
der Wärmetauscher 30 durchströmt, so kann
er Energie abgeben, z.B. an die ihn umgebende Raumluft.