DE202007017723U1 - Anlage für die Kälte-, Heiz- oder Klimatechnik, insbesondere Kälteanlage - Google Patents

Anlage für die Kälte-, Heiz- oder Klimatechnik, insbesondere Kälteanlage Download PDF

Info

Publication number
DE202007017723U1
DE202007017723U1 DE202007017723U DE202007017723U DE202007017723U1 DE 202007017723 U1 DE202007017723 U1 DE 202007017723U1 DE 202007017723 U DE202007017723 U DE 202007017723U DE 202007017723 U DE202007017723 U DE 202007017723U DE 202007017723 U1 DE202007017723 U1 DE 202007017723U1
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
evaporator
expansion valve
working medium
refrigerant
heat exchanger
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Lifetime
Application number
DE202007017723U
Other languages
English (en)
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Individual
Original Assignee
Individual
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Individual filed Critical Individual
Publication of DE202007017723U1 publication Critical patent/DE202007017723U1/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Lifetime legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25BREFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B29/00Combined heating and refrigeration systems, e.g. operating alternately or simultaneously
    • F25B29/003Combined heating and refrigeration systems, e.g. operating alternately or simultaneously of the compression type system
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25BREFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B40/00Subcoolers, desuperheaters or superheaters
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25BREFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B2400/00General features or devices for refrigeration machines, plants or systems, combined heating and refrigeration systems or heat-pump systems, i.e. not limited to a particular subgroup of F25B
    • F25B2400/05Compression system with heat exchange between particular parts of the system
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25BREFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B2700/00Sensing or detecting of parameters; Sensors therefor
    • F25B2700/21Temperatures
    • F25B2700/2116Temperatures of a condenser
    • F25B2700/21163Temperatures of a condenser of the refrigerant at the outlet of the condenser
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25BREFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B5/00Compression machines, plants or systems, with several evaporator circuits, e.g. for varying refrigerating capacity
    • F25B5/04Compression machines, plants or systems, with several evaporator circuits, e.g. for varying refrigerating capacity arranged in series

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Thermal Sciences (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Compression-Type Refrigeration Machines With Reversible Cycles (AREA)
  • Air Conditioning Control Device (AREA)

Abstract

Anlage für die Kälte-, Heiz- oder Klimatechnik, insbesondere Kälteanlage (40, 40'), mit einem Arbeitsmediumkreislauf, welcher in Strömungsrichtung hintereinander einen Verdichter (12), einen Kondensator (11), ein Expansionsventil (15) und einen Verdampfer (14) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass zum Konstanthalten der Temperatur des flüssigen Arbeitsmediums vor dem Expansionsventil (15) Mittel (25) vorgesehen sind, welche das zum Expansionsventil (15) strömende flüssige Arbeitsmedium thermisch an das vom Expansionsventil (15) zum Verdampfer (14) strömende Arbeitsmedium ankoppeln.

Description

  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der auf einem thermodynamischen Kreisprozess beruhenden Kältetechnik und Klimatechnik einschliesslich Wärmepumpensystemen. Sie betrifft eine Anlage für die Kälte-, Heiz oder Klimatechnik gemäss dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
  • Bekannt ist in der Kältetechnik zum Einen der Trockenexpansionsbetrieb, bei dem das Arbeitsmedium bzw. Kältemittel über ein Einspritzventil eine Druckreduktion erfährt und vom flüssigen Zustand in ein Flüssigkeits-/Dampf-Gemisch übergeht, im nachfolgenden Verdampfer vollständig verdampft, um dann mit leicht überhitztem Dampf den Verdampfer zu verlassen und so durch Wärmeaufnahme ein zweites Medium (z.B. eine Sole) herunterkühlt.
  • Zum anderen kennt man den Thermosiphonbetrieb, bei dem das Kältemittel aus einem Ausgleichs- und Abscheidegefäss dem Verdampfer entweder mittels Schwerkraft oder mit Hilfe einer Pumpe als Flüssigkeit zugeführt wird. Beim Austritt aus dem Verdampfer können durchaus noch Flüssigkeitsanteile im Dampf enthalten sein, so dass in der Regel keine Überhitzung des Kältemittels am Verdampferaustritt entsteht.
  • Aus der US-A-5,243,837 ist weiterhin eine Kälteanlage bekannt (siehe die dortige 1), deren grundsätzlicher Aufbau in 1 wiedergegeben ist. Die bekannte Kälteanlage 10 der 1 umfasst einen Kältemittelkreislauf, in dem in Strömungsrichtung hintereinander ein Verdichter 12, ein Kondensator 11, ein Wärmetauscher 13 ein Expansions- bzw. Einspritzventil 15 und ein Verdampfer 14 angeordnet sind. Im Kondensator 11 wird das verdichtete Kältemittel durch Wärmeaustausch mit einem über die Verbindungsleitungen 16 und 17 zu- bzw. abgeführten Medium verflüssigt. Als Medium kommt auch Luft in Betracht, die durch den Kondensator 11 strömt. Im Wärmetauscher 13 wird das im Kondensator 11 verflüssigte Kältemittel durch Wärmeaustausch mit dem zum Verdichter 12 strömenden Saugdampf unterkühlt, während der Saugdampf seinerseits überhitzt wird. Das unter Druck stehende flüssige, unterkühlte Kältemittel wird im Expansionsventil 15 kontrolliert entspannt, wobei der Volumenstrom des Kältemittels geregelt wird. Das entspannte Flüssig/Dampf-Gemisch verdampft im Verdampfer 14 und kühlt dabei ein durch Verbindungsleitungen 18, 19 zu- bzw. abgeführtes Sekundärmedium ab. Die Verdampfungskälte kann aber auch direkt über eine Kaltfläche zur Kühlung eines Raumes abgegeben werden. Das verdampfte Kältemittel verlässt den Verdampfer 14 leicht überhitzt. Die (interne) Unterkühlung des flüssigen Kältemittels vor der Expansion im Expansionsventil 15 steigert den Wirkungsgrad der Kälteanlage. Die damit verbundene nachfolgende grosse Überhitzung des verdampften Kältemittels im Wärmetauscher 13 wirkt sich jedoch negativ auf die Effizienz des Verdichtungsprozesses aus.
  • In der genannten US-A-5,243,837 ist deshalb vorgeschlagen worden (siehe die dortige 2), eine weitere Unterkühlung des flüssigen Kältemittels direkt im Verdampfer vorzunehmen, der einen integrierten Unterkühler aufweist. Eine solche Lösung ist in 2 wiedergegeben, wo in der Kälteanlage 20 der Verdampfer 21 zusätzlich mit einem internen Unterkühler ausgestattet ist.
  • Zur Erhöhung der Wirtschaftlichkeit derartiger Kälteanlagen ist in der WO-A1-2004/020918 vom Anmelder vorgeschlagen worden, modular aufgebaute Kältesysteme mit drehzahlveränderlichen Verdichtern einzusetzen, bei denen je nach angeforderter Kälteleistung einzelne Module zu- oder abgeschaltet werden bzw. individuell in ihrer Leistung verändert werden, um die durch das Zu- und Abschalten ganzer Module bedingten Leistungssprünge auszugleichen. Durch den modularen Aufbau des Kältesystems ergeben sich pro einzelnem Modul besonders günstige, kleine Kältemittelfüllungen. Darüber hinaus wird mit dem wechselnden Einsatz mehrerer Module eine Redundanz erreicht, die Unterbrüche in den auf die Kälteerzeugung angewiesenen Verfahrensprozessen vermeiden hilft. Die einzelnen Module haben dabei den in 3 gezeigten Aufbau einer Kälteanlage 30 mit einem Zweistufen-Verdampfer 22, der eine erste Verdampferstufe 23 und eine nachgeschaltete zweite Verdampferstufe 24 in Form eines Internen Wärmetauschers (IWT) umfasst.
  • Allen diesen Systemen haften unter Praxisbedingungen mehr oder weniger grosse Nachteile an: Trockenexpansionssysteme haben den Vorteil der einfachen Bauart und kleinen Kältemittelinhalte. Der Anlagenwirkungsgrad wird im Wesentlichen beeinflusst durch eine möglichst kleine Verdampfungsüberhitzung und eine möglichst hohe Verdampfungstemperatur. Für den Verdichter ist dies aber von Nachteil und er verlangt eine entsprechend hohe Überhitzung (Liefergradverbesserung, Schmierung, etc.). Der Schnittpunkt dieser beiden gegenläufigen Forderungen (kleine Überhitzung für den Verdampfer, grosse Überhitzung für den Verdichter) gibt die optimale Anlagenkennlinie (wirtschaftlichster Betrieb).
  • Es ist nun in der WO-A1-2005/073645 vom Anmelder vorgeschlagen worden, diese Abhängigkeit zwischen kleinster Überhitzung für den Verdampfer und grosser Überhitzung für den Verdichter zu durchbrechen. Dabei wird versucht, den Prozess für eine gegebene Kälteleistung Q0 mit dem dafür benötigten kleinsten physikalisch möglichen Massenstrom zu fahren, was zu erheblichen wirtschaftlichen und energetischen Vorteilen führt. Die dort vorgeschlagene Lösung kann sowohl bei Trockenexpansionssystemen mit nachgeschaltetem Internen Wärmeaustauscher (gemäss 1), also mit einem Wärmeaustausch (13) zwischen Kältemittelflüssigkeitsleitung vor dem Expansionsventil 15 einerseits und dem Saugdampf nach dem Verdampfer 14 andererseits, als auch bei Zweistufenverdampfungssystemen gemäss 3 eingesetzt werden.
  • Allen herkömmlichen Systemen sind aber je nach Betriebsbedingungen kältemittelseitig relativ grosse Temperaturschwankungen vor dem Expansionsventil (Einspritzventil) 15 und vor dem Verdichter 12 eigen. Diese Temperaturen des Kältemittels (vor dem Einspritzventil 15 und vor dem Verdichter 12) wurden bis anhin nicht konstant gehalten oder exakt geregelt. Oft wurde, wenn überhaupt, nur der Hoch- oder Saugdruck geregelt und/oder konstant gehalten. Dies führte zu mehr oder weniger grossen Schwankungen und Rückkoppelungen (Aufschaukeln) des Kältesystems und somit zu unstabilen Regelkreisen und Verlusten im Wirkungsgrad. Die hauptsächlichen Faktoren für diese Schwankungen sind einerseits der sich mit der veränderten Temperatur des Kältemittels veränderte Eintrittsdampfgehalt in den Verdampfer, welcher Auswirkungen auf die Einspritzventil- und Verdampferleistung sowie das Regelverhalten des Einspritzventils und dessen Leistung, respektive den geförderten Kältemittelmassenstrom hat. Andererseits ergeben sich auch Wirkungen beim Saugdampf am Eintritt in den Verdichter 12, wo die veränderte Temperatur wegen des der jeweiligen Temperatur (und dem jeweiligen Druck) zugeordneten spezifischen Volumens einen Einfluss auf das Fördervolumen des Verdichters 12, also wiederum des geförderten Massenstroms, hat. Diese sich infolge der Temperaturänderungen ständig verändernden Massenströme bringen mehr oder weniger grosse Störfaktoren in den Regelkreis der Kälteanlage ein, was zu Schwankungen im Prozess und somit zu Leistungsverminderungen führt.
  • Ein stabiler Betrieb der Anlage wird in der WO-A1-2005/073645 dadurch erreicht, dass:
    • – Die Temperatur des Kältemittels vor dem Einspritzventil 15 auf einen definierten Temperaturwert konstant gehalten wird; oder
    • – die Temperatur des Kältemittels vor dem Verdichter auf einen definierten Temperaturwert konstant gehalten wird; wobei
    • – diese beiden Massnahmen für sich alleine oder in Kombination miteinander eingesetzt werden.
    • – Die drei ersten Massnahmen mit einer Trockenexpansionsventilsteuerung herkömmlich nach MSS (minimalstem stabilem Signal) mit oder ohne IWT (interner Wärmeaustauscher) betrieben werden.
    • – Das Einspritzventil 12 mit der Temperatur zwischen Flüssigkeitsleitung vor dem Einspritzventil 12 und Druckmessung nach dem Einspritzventil 12, der so genannten Zweistufenverdampferregelung (gemäss der WO-A1-2004/020918 ), geregelt wird.
  • Diese Massnahmen wie Kältemittelflüssigkeitstemperaturkonstanthaltung vor dem Einspritzventil 12, Saugdampftemperaturkonstanthaltung vor dem Verdichter 12, Zweistufenverdampferprozess (mit entsprechender Regelung des Einspritzventils 12) führen alleine oder in beliebiger Kombination zu einem stabilen Betrieb der Kälteanlagen (auch bei grossen Leistungsänderungen). Kommt dabei gemäss 3 ein Zweistufen-Verdampfer 22 zum Einsatz, können zusätzlich kleinste Temperaturdifferenzen zwischen dem zu kühlenden Medium einerseits und der Verdampfungstemperatur T0 (bei Saugdruck) andererseits erzielt werden. Diese Temperaturdifferenz kann in jedem Fall kleiner sein, als wenn das Kältemittel bei Trockenexpansionsbetrieb den Verdampfer 14 „überhitzt" verlässt.
  • Durch den gewonnenen stabileren Betrieb ergeben sich Energie- und Kostenersparnisse und es wird möglich, speziell in Kombination mit der Zweistufenverdampfungstechnik (3) Prozesse mit wesentlich kleineren Temperaturdifferenzen der zu kühlenden Medien zu den jeweiligen Verdampfungstemperaturen, zu fahren. Dadurch können Prozesse auf einfache und kostengünstige Weise gefahren werden, welche heute in dieser Art nicht möglich sind.
  • Die bekannte Lösung zur Stabilisierung des Kältesystems erlaubt eine deutliche Verbesserung des Betriebsverhaltens und der Effizienz, stellt aber zugleich auch Anforderungen an die Regelung des Systems.
  • Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Anlage für die Kälte-, Heiz- oder Klimatechnik, insbesondere eine Kälteanlage, zu schaffen, bei der auf besonders einfache Weise stabile Betriebsverhältnisse erreicht werden können.
  • Die Aufgabe wird durch die Gesamtheit der Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Ein wesentlicher Punkt der Erfindung besteht darin, dass zum Konstanthalten der Temperatur des flüssigen Arbeitsmediums bzw. Kältemittels vor dem Expansionsventil Mittel vorgesehen sind, welche das zum Expansionsventil strömende flüssige Arbeitsmedium thermisch an das vom Expansionsventil zum Verdampfer strömende Arbeitsmedium ankoppeln.
  • Eine bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass die Mittel zum Konstanthalten der Temperatur des flüssigen Arbeitsmediums vor dem Expansionsventil einen Stabilisator in Form eines Wärmetauschers umfassen, welcher auf der einen Seite von dem vom Expansionsventil zum Verdampfer strömenden Arbeitsmedium durchströmt wird und auf der anderen Seite von dem zum Expansionsventil strömenden flüssigen Arbeitsmedium durchströmt wird. Insbesondere wird der Stabilisator von dem Arbeitsmedium im Gleichstrom oder Gegenstrom durchströmt. Andere Arten der Führung der Ströme des Arbeitsmediums im Stabilisator sind aber ebenfalls denkbar.
  • Gemäss einer anderen Ausgestaltung der Erfindung ist dem Verdampfer ein Interner Wärmetauscher nachgeschaltet, in welchem auf der einen Seite das aus dem Verdampfer kommende Arbeitsmedium nachverdampft und/oder überhitzt wird, und auf der anderen Seite das aus dem Kondensator kommende Arbeitsmedium vor dem Eintritt in den Stabilisator unterkühlt wird. Insbesondere ist der Interne Wärmetauscher als thermisch langer Wärmetauscher ausgebildet.
  • Die Leistung der Anlage lässt sich dadurch erhöhen, dass zwischen dem Kondensator und dem Internen Wärmetauscher ein externer Unterkühler eingefügt ist und/oder dass zwischen dem Verdichter und dem Kondensator ein Abwärmenutzungstauscher angeordnet ist. Die im Abwärmenutzungstauscher gewonnene Wärmeenergie kommt dabei in der Regel einem zweiten Prozess zugute wie (z.B. Brauchwasser, Heizung).
  • Die Erfindung soll nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen im Zusammenhang mit der Zeichnung näher erläutert werden. Es zeigen
  • 1 eine Kälteanlage nach dem Stand der Technik für Trockenexpansionsbetrieb mit nachfolgender Überhitzung/Unterkühlung;
  • 2 eine auf 1 aufbauende, aus dem Stand der Technik bekannte Kälteanlage mit im Verdampfer integrierter zusätzlicher Unterkühlung;
  • 3 eine Kälteanlage nach dem Stand der Technik mit Zweistufen-Verdampfer;
  • 4 eine Kälteanlage gemäss einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung mit einem direkt am Expansionsventil angeordneten Stabilisator;
  • 5 eine auf 4 aufbauende Kälteanlage gemäss einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung mit zusätzlichem Abwärmenutzungstauscher und externem Unterkühler
  • 6 im Druck-Enthalpie-Diagramm ein mit einer Anlage nach 5 gefahrener Kreisprozess, bei dem der Interne Wärmetauscher (26) als reiner Überhitzer arbeitet; und
  • 7 im Druck-Enthalpie-Diagramm ein mit einer Anlage nach 5 gefahrener Kreisprozess, bei dem der Interne Wärmetauscher (26) als dritte Verdampferstufe arbeitet.
  • In 4 ist eine Kälteanlage gemäss einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung in einem stark vereinfachten Schema wiedergegeben. Die Kälteanlage 40 hat einen Arbeitsmedium- bzw. Kältemittelkreis, in dem in Strömungsrichtung des Arbeitsmediums bzw. Käl temittels hintereinander ein Verdichter 12, ein Kondensator 11, ein Expansionsventil 15 und ein Verdampfer 14 angeordnet sind. Das Kältemittel (z.B. vom Typ R134a) wird in üblicher Weise im Verdichter 12 komprimiert, dann im Kondensator durch Wärmeaustausch mit einem externen Medium (Luft, Wasser oder dgl.) verflüssigt und dann zum (in der Regel steuerbaren) Expansionsventil 15 geführt, wo es kontrolliert entspannt wird. Das entspannte flüssige Kältemittel, das hier bereits Dampfanteile aufweisen kann, wird dem Verdampfer 14 zugeführt, wo es durch Verdampfung Wärme von einem über Verbindungsleitungen 18, 19 zu- und weggeführten Sekundärmedium aufnimmt bzw. dieses Medium abkühlt.
  • Da sich nach dem Entspannen des Kältemittels im Expansionsventil 15 die relativ konstante Verdampfungstemperatur des Kältemittels bei dem dort herrschenden Druck einstellt, kann diese Temperatur herangezogen werden, um die Temperatur des Kältemittels vor dem Expansionsventil 15 zu stabilisieren. Hierzu wird gemäss 4 zwischen Expansionsventil 15 und dem Verdampfer ein Stabilisator 25 in Form eines Wärmetauschers eingefügt, der den Kältemittelstrom zum Expansionsventil 15 thermisch an den vom Expansionsventil 15 zum Verdampfer 14 geführten Kältemittelstrom ankoppelt. Durch diese stabilisierende Ankoppelung können die im System andernfalls auftretenden Regelschwankungen auf einfache Weise weitgehend vermieden werden.
  • Besonders günstig ist das Betriebsverhalten der Kälteanlage 40, wenn dem Verdampfer 14 ein Interner Wärmetauscher (IWT) 26 nachgeschaltet ist, der als zweite bzw. dritte Verdampfungsstufe (7) oder reiner Überhitzer (6) arbeiten kann. Das aus dem Verdampfer 14 kommende Kältemittel (Dampf oder Flüssigkeits-Dampf-Gemisch mit niedrigem Flüssigkeitsanteil) wird auf der einen Seite durch den Internen Wärmetauscher 26 zum Verdichter 12 geschickt. Auf der anderen Seite des Internen Wärmetauschers 26 fliesst kondensiertes Kältemittel zum Stabilisator 25 und wird dabei im Internen Wärmetauscher 26 unterkühlt.
  • Im Druck(p)-Enthalpie(h)-Diagramm der 6, in dem die Phasengrenzkurve eines beispielhaften Kältemittels und (gestrichelt) eine typische Kurve konstanter Temperatur eingezeichnet sind, ergeben sich für den zugehörigen Kreisprozess A-B-C-D die folgenden Schritte: Im Prozessschritt A wird das aus dem Internen Wärmetauscher 26 austretende überhitzte Kältemittel verdichtet. Im Prozessschritt B wird das verdichtete Kältemittel enthitzt, kondensiert, extern und intern unterkühlt und zuletzt im Stabilisator 25 in der Temperatur noch weiter abgesenkt. Im Prozessschritt C wird das flüssige Kältemittel expandiert. Im letzten Prozessschritt D wird das expandierte Kältemittel im Stabilisator 25 teilverdampft, im Verdampfer 14 vollständig verdampft und leicht überhitzt, und im Internen Wärmetauscher 26 weiter überhitzt, um dann wieder zum Verdichter zu gelangen.
  • Im vergleichbaren Druck-Enthalpie-Diagramm der 7 wirkt der Interne Wärmetauscher 26 demgegenüber als dritte Verdampferstufe mit entsprechend geringerer Überhitzung, was zu einer Verschiebung der Prozessschritte A' und B' führt.
  • Der Stabilisator 25 ist gewissermassen die erste Verdampferstufe und immer in Betrieb und kühlt die Kältemittelflüssigkeit je nach Tauschergüte („thermischer Länge") praktisch herunter bis zur Verdampfungstemperatur (die „thermische Länge" des Warmetauschers ist dabei ein Mass für die Annäherung der Ausgangstemperaturen auf der Primär- bzw. Sekundärseite des Wärmetauschers an die jeweiligen Eintrittstemperaturen der (entgegengesetzten) Sekundär- bzw. Primärseite; bei einem Wärmetauscher mit einer grossen thermischen Länge sind diese beiden Temperaturen annähernd gleich). Die zweite Verdampferstufe wird durch den Verdampfer 14 selbst gebildet. Eine dritte Verdampferstufe ergibt sich, wenn der IWT 26 zur Verdampfung von Restflüssigkeit eingesetzt wird, wie dies im Diagramm der 7 gezeigt ist.
  • Durch den Stabilisator 25 ist der Kältemittelstrom nach dem Expansionsventil 15 beim Eintritt in die erste Verdampferstufe (Stabilisator 25) praktisch ohne oder nur mit geringfügigem Dampfanteil durchsetzt. Dieser Umstand bringt auch Vorteile in Bezug auf eine Fehlverteilung bei z.B. Plattenwärmetauschern.
  • Je nach Eintrittstemperatur der Kältemittelflüssigkeit in diese erste Verdampferstufe (abhängig vom vorangehenden Prozess, resp. der Eintrittstemperatur in den IWT bzw. die dritte Verdampferstufe 26, der Güte des Wärmetauschers, etc.) wird mehr oder weniger Flüssigkeit für die Stabilisierung verdampft. Dieser Verdampfungsprozess bringt keine direkte Leistungssteigerung der Anlage und dient nur der Konstanthaltung des Prozesses (indirekte Leistungssteigerung), welcher sonst durch den Einsatz eines thermisch langen Wärmetauschers als IWT sehr unstabil und kaum beherrschbar wird, speziell wenn in dieser Stufe verdampft wird (dritte Verdampfungsstufe; 7).
  • Selbstverständlich ist diese Art der Stabilisierung nicht auf Systeme mit Zweistufenverdampfung (mit dem IWT 26 als zweite Verdampfungsstufe) beschränkt, sondern bietet auch bei allen herkömmlichen Verdampfungsprozessen wie z.B. der Trockenexparision Vorteile.
  • Die zweite Verdampfungsstufe, der eigentliche Verdampfer 14, welcher ein Sekundärmedium (Wasser, Sole, Luft, etc.) herunterkühlt, wird so mit einem je nach Prozess variierenden Anteil an bereits verdampftem Kältemittel (ca. 0–45%, je nach Kältemittel) angefahren. Die Austrittsbedingungen des Kältemittels aus dieser zweiten Stufe können je nach Kältemittelflüssigkeits-Eintrittstemperatur in den IWT 26 unterschiedlich sein: Das austretende Kältemittel kann gasförmig überhitzt sein (6) oder in Form von Nassdampf vorliegen (7).
  • Es wird angestrebt, diese zweite Verdampferstufe 14 mit einer minimalen Überhitzung (1–8K) zu verlassen, wenn nicht auf kleinste Temperaturdifferenzen des Sekundärmediums (Sole etc.) zu achten ist und deshalb auch die Verdampfungstemperatur nicht gesenkt wird (andernfalls wird auf der Grenzlinie aus dem Verdampfer 14 ausgetreten mit ca. Sattdampf oh ne Überhitzung). Die dritte Stufe, der IWT 26, dient dann ausschliesslich der Überhitzung des Arbeitsmediums bzw. Kältemittels (6).
  • Geht dies wegen der vorgängig erwähnten Einsatzbedingungen der Verdichter oder zu hoher Heissgastemperaturen nicht, muss das Kältemittel die zweite Verdampferstufe (Verdampfer 14) mit einem Anteil Flüssigkeit verlassen, welcher in der dritten Stufe verdampft und so die Sauggaseintrittstemperatur des Kältemittels in den Verdichter 12 auf einen zulässigen Wert begrenzt (7). Der Interne Wärmeaustauscher 26 bildet jetzt zusammen mit dem eigentlichen Verdampfer 14 einen Zweistufenverdampfer (ZSV). Zusammen mit dem Stabilisator 25 als weiterer Verdampferstufe ergibt sich insgesamt ein Dreistufenverdampfer 25, 14, 26. Der Anteil flüssigen Kältemittels in der letzten Verdampferstufe, dem IWT 26, ist dabei in jedem Fall ein Verlust, da dieser Anteil der Verdampferleistung nicht dem abzukühlenden Sekundärmedium (Sole etc.) zu gute kommt.
  • Der Betrieb der Anlage mit Stabilisator 25 und rein überhitzendem Internem Wärmetauscher IWT bzw. dritter Verdampfungsstufe 26 lässt sich wie folgt beschreiben: In der ersten Verdampferstufe (Stabilisator 25) wird Kältemittel verdampft, um die Kältemittelflüssigkeit bis nahe an die Verdampfungstemperatur herunter zu kühlen und so einen stabilen Betrieb zu erhalten. In der zweiten Verdampferstufe (Verdampfer 14) wird dann Kältemittel verdampft, um mit dem kleinstmöglichen Massenstrom die grösstmögliche Leistung zu übertragen (definiert durch einen Prozess, bei welchem der gleiche Massenstrom durch alle Leitungen fliesst). Dabei wird ein thermisch langer Interner Wärmetauscher 26 benutzt, um die Kältemittelflüssigkeit durch die kalten Sauggase möglichst tief hinunter zu kühlen.
  • Erwärmen sich dabei die Sauggase unzulässig hoch, wird diese Erwärmung begrenzt durch eine Restverdampfung des Kältemittels auf der Saugseite im Wärmetauscher 26 (7), was einen Einfluss auf die Kältemittelflüssigkeitstemperatur hat, welche stärker abgesenkt wird als ohne diese Restverdampfung, jedoch auch die Sauggastemperatur begrenzt und im Prozess gegenüber einer reinen Saugdampfüberhitzung ohne Begrenzung der Sauggastemperatur einen Verlust an Kälteleistung bedeutet. Da die Stabilisierung bereits durch den Stabilisator 25 erfolgt, kann die Anlage in beiden Betriebsarten (6 oder 7) gefahren werden: Je nach Anforderung kann der Wärmetauscher 26 als „trockener" Überhitzer oder als zusätzliche dritte Verdampfungsstufe betrieben werden. Ob die erste oder zweite Betriebsart vorliegt, wird nur durch die Kältemittelflüssigkeitseintrittstemperaturen in den Wärmetauscher 26 und die Sauggasaustrittstemperatur (Einsatzgrenzen der Verdichter, Öl, Heissgastemperatur) bestimmt und kann sich deshalb z.B. im Tages- und/oder Jahresverlauf und ebenso bei einer Betriebspunktumschaltung (z.B. Bedarf von Sole einmal bei 0°C und einmal bei –25°C) ständig ändern.
  • Wird zusätzlich die Anlage aus mehreren einzelnen, weitgehend gleichartigen Modulen aufgebaut, kann man mit demselben Modul ein Temperaturregime von Wärmepumpen-, Klima- bis Tiefkühltemperaturen fahren (Verdichter mit starkem Motor, elektronischem Einspritzventil, richtiger Bestimmung der Wärmetauscher) und praktisch jedes Leistungsspektrum abdecken durch die Frequenzregelung und die Anzahl der vorhandenen bzw. eingeschalteten Module und dies mit der immer gleichen Technik (gleichartigen Modulen). Eine besonders hohe Wirtschaftlichkeit lässt sich dabei dadurch erreichen, dass in jedem der Module mit dem kleinstmöglichen Massenstrom kälteseitig die grösstmögliche Leistung im Verdampfer 14 an das Sekundärmedium übertragen wird. Selbstverständlich kann die Kälteanlage durch zusätzliche Komponenten erweitert werden, wie dies in 5 für die Kälteanlage 40' beispielhaft dargestellt ist. in diesem Ausführungsbeispiel ist zwischen dem Verdichter 12 und dem Kondensator 11 zusätzlich ein Abwärmenutzungstauscher 27 eingefügt, der durch Wärmeaustausch mit einem über die Verbindungsleitungen 29 und 31 zu- und weggeführten externen Medium einen Teil der Kompressionswärme abführt. Desgleichen kann zwischen dem Kondensator 11 und dem Internen Wärmetauscher 26 ein externer Unterkühler 28 eingefügt sein, der durch Wärmeaustausch mit einem über die Verbindungsleitungen 32 und 33 zu- und weggeführten externen Medium eine erste Unterkühlung des kondensierten Kältemittels bewirkt.
  • Diese Mehrstufenunterkühlung eröffnet durch eine externe Begrenzung der Sauggastemperaturen die Möglichkeit, die Sauggastemperatur als Sicherheit zu begrenzen. Jede weitere Abkühlung der Kältemittelflüssigkeit nach dem Kondensator 11 und vor dem IWT 26 durch einen oder mehrere externe Unterkühler 28 ist in jedem Fall ein Leistungsgewinn und sollte – wenn möglich – vorgesehen werden. Die unteren Grenzen werden wiederum durch die Einsatzgrenzen der Verdichter 12 bestimmt. In Extremfällen könnte eine zu geringe Gesamtüberhitzung erfolgen und der Verdichter 12 könnte durch Flüssigkeitsschläge zerstört werden. Weiterhin sind auch immer die tiefstmöglichen Kondensationstemperaturen anzustreben.
  • Geht man von einem Betrieb im Sommer aus, so wird oft an den heissesten Tagen die grösste Kälteleistung benötigt. Die Aussentemperatur bestimmt bei luftgekühlten Verflüssigern den Verflüssigungsdruck (Temperatur) und die Kältemittelflüssigkeitstemperatur in dem IWT 26. Dabei können die Sauggastemperaturen einen zu hohen Wert erreichen (Begrenzung durch den externen Unterkühler 28 oder Verdampfung im IWT 26 als dritter Verdampfungsstufe; bei diesen hohen Sauggastemperaturen ist ein externer Unterkühler 28 am wirkungsvollsten).
  • Sinkt die Lufttemperatur in der Nacht oder im Winter, kann oder soll mit tieferen Kondensationstemperaturen gefahren werden, was automatisch tiefere Kältemittelflüssigkeitstemperatur in dem IWT 26 zur Folge hat, so dass die Sauggastemperatur nicht mehr begrenzt werden muss und der IWT 26 als Wärmetauscher ohne Verdampfung funktioniert. Auch der externe Unterkühler 28 kann hier noch eine Leistungssteigerung bewirken, jedoch nie mehr in dem Masse wie im Sommer. Dabei verdampft im Stabilisator 25 je nach Sommer- oder Winter-, Tag- oder Nachtbetrieb, mit oder ohne externen Unterkühler 28, unterschiedlich viel Kältemittel.
  • Es versteht sich von selbst, dass sich die vorstehenden Erläuterungen zwar nur auf eine Kälteanlage bezogen haben, dass sich die dargestellten Lösungsprinzipien im Rahmen der Erfindung jedoch ohne weiteres auf andere thermodynamische Anlage der Klima- und Heiztechnik anwenden lassen. Die Bauarten der eingesetzten Wärmetauscher können dabei beliebig sein (z.B. Plattenwärmeaustauscher oder andere).
  • Insgesamt ergibt sich mit der Erfindung eine hocheffiziente thermodynamische Anlage mit besonders stabilem Betriebsverhalten, die sich durch einen sehr einfachen Aufbau auszeichnet.
  • 10, 20, 30, 40, 40'
    Kälteanlage
    11
    Kondensator
    12
    Verdichter
    13
    Wärmetauscher
    14
    Verdampfer
    15
    Expansionsventil (Einspritzventil)
    16, 17
    Verbindungsleitung
    18, 19
    Verbindungsleitung
    21
    Verdampfer
    22
    Zweistufen-Verdampfer
    23
    erste Verdampferstufe
    24
    zweite Verdampferstufe
    25
    Stabilisator
    26
    interner Wärmetauscher (IWT)
    27
    Abwärmenutzungstauscher
    28
    externer Unterkühler
    29, 31
    Verbindungsleitung
    32, 33
    Verbindungsleitung

Claims (7)

  1. Anlage für die Kälte-, Heiz- oder Klimatechnik, insbesondere Kälteanlage (40, 40'), mit einem Arbeitsmediumkreislauf, welcher in Strömungsrichtung hintereinander einen Verdichter (12), einen Kondensator (11), ein Expansionsventil (15) und einen Verdampfer (14) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass zum Konstanthalten der Temperatur des flüssigen Arbeitsmediums vor dem Expansionsventil (15) Mittel (25) vorgesehen sind, welche das zum Expansionsventil (15) strömende flüssige Arbeitsmedium thermisch an das vom Expansionsventil (15) zum Verdampfer (14) strömende Arbeitsmedium ankoppeln.
  2. Anlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zum Konstanthalten der Temperatur des flüssigen Arbeitsmediums vor dem Expansionsventil (15) einen Stabilisator (25) in Form eines Wärmetauschers umfassen, welcher auf der einen Seite von dem vom Expansionsventil (15) zum Verdampfer (14) strömenden Arbeitsmedium durchströmt wird und auf der anderen Seite von dem zum Expansionsventil (15) strömenden flüssigen Arbeitsmedium durchströmt wird.
  3. Anlage nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Stabilisator (25) von dem Arbeitsmedium im Gleichstrom oder Gegenstrom durchströmt wird.
  4. Anlage nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass dem Verdampfer (14) ein Interner Wärmetauscher (26) nachgeschaltet ist, in welchem auf der einen Seite das aus dem Verdampfer (14) kommende Arbeitsmedium nachverdampft und/oder überhitzt wird, und auf der anderen Seite das aus dem Kondensator (11) kommende Arbeitsmedium vor dem Eintritt in den Stabilisator (25) unterkühlt wird.
  5. Anlage nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Interne Wärmetauscher (26) als thermisch langer Wärmetauscher ausgebildet ist.
  6. Anlage nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Kondensator (11) und dem Internen Wärmetauscher (26) ein externer Unterkühler (28) eingefügt ist.
  7. Anlage nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Verdichter (12) und dem Kondensator (11) ein Abwärmenutzungstauscher (27) angeordnet ist.
DE202007017723U 2007-11-21 2007-11-21 Anlage für die Kälte-, Heiz- oder Klimatechnik, insbesondere Kälteanlage Expired - Lifetime DE202007017723U1 (de)

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
PCT/CH2007/000583 WO2009065233A1 (de) 2007-11-21 2007-11-21 Anlage für die kälte-, heiz- oder klimatechnik, insbesondere kälteanlagen

Publications (1)

Publication Number Publication Date
DE202007017723U1 true DE202007017723U1 (de) 2008-03-20

Family

ID=39198872

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
DE202007017723U Expired - Lifetime DE202007017723U1 (de) 2007-11-21 2007-11-21 Anlage für die Kälte-, Heiz- oder Klimatechnik, insbesondere Kälteanlage

Country Status (4)

Country Link
US (1) US20100251760A1 (de)
EP (1) EP2215412A1 (de)
DE (1) DE202007017723U1 (de)
WO (1) WO2009065233A1 (de)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP2187149A3 (de) * 2008-11-18 2012-01-18 Weska Kälteanlagen Gmbh Wärmepumpenanlage
EP2473795A2 (de) * 2009-08-31 2012-07-11 Karsten Uitz Wärmepumpe
EP4407256A1 (de) * 2023-01-26 2024-07-31 IKG Performance Engineering GbR Kompressionsanlage mit überkopf tichelmann wärmetauschern

Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP2532081B1 (de) 2010-02-03 2014-04-09 ABB Technology AG Umschaltmodul zur begrenzung und/oder unterbrechung des stroms einer stromleitung
CN101957062B (zh) * 2010-11-09 2012-10-10 吴秀华 内外吸热高效节能热水器
DE102019008914A1 (de) * 2019-12-20 2021-06-24 Stiebel Eltron Gmbh & Co. Kg Wärmepumpe mit optimiertem Kältemittelkreislauf

Family Cites Families (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US2079687A (en) * 1932-04-04 1937-05-11 Fourness Dev Corp Ltd Refrigerating system
DE2758737A1 (de) * 1977-12-29 1979-07-05 Siemens Ag Verfahren zum betreiben einer waermepumpe
US4259848A (en) * 1979-06-15 1981-04-07 Voigt Carl A Refrigeration system
AU636726B2 (en) * 1990-03-19 1993-05-06 Mitsubishi Denki Kabushiki Kaisha Air conditioning system
US5092138A (en) * 1990-07-10 1992-03-03 The University Of Maryland Refrigeration system
US5243837A (en) * 1992-03-06 1993-09-14 The University Of Maryland Subcooling system for refrigeration cycle
US5207077A (en) * 1992-03-06 1993-05-04 The University Of Maryland Refrigeration system
FR2815397B1 (fr) * 2000-10-12 2004-06-25 Valeo Climatisation Dispositif de climatisation de vehicule utilisant un cycle supercritique
AT503557B1 (de) * 2002-08-28 2007-11-15 Bms Energietechnik Ag Kälteanlage und verfahren zum betrieb einer kälteanlage
ATE426785T1 (de) * 2004-01-28 2009-04-15 Bms Energietechnik Ag Hocheffiziente verdampfung bei kalteanlagen mit dem dazu nítigen verfahren zum erreichen stabilster verhaltnisse bei kleinsten und/oder gewunschten temperaturdifferenzen der zu kuhlenden medien zur verdampfungstemperatur
JP2005226972A (ja) * 2004-02-16 2005-08-25 Denso Corp 冷凍装置
US7600390B2 (en) * 2004-10-21 2009-10-13 Tecumseh Products Company Method and apparatus for control of carbon dioxide gas cooler pressure by use of a two-stage compressor

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP2187149A3 (de) * 2008-11-18 2012-01-18 Weska Kälteanlagen Gmbh Wärmepumpenanlage
EP2473795A2 (de) * 2009-08-31 2012-07-11 Karsten Uitz Wärmepumpe
EP4407256A1 (de) * 2023-01-26 2024-07-31 IKG Performance Engineering GbR Kompressionsanlage mit überkopf tichelmann wärmetauschern
WO2024156782A1 (de) * 2023-01-26 2024-08-02 IKG Performance Engineering GbR Kompressionsanlage mit überkopf tichelmann wärmetauschern

Also Published As

Publication number Publication date
US20100251760A1 (en) 2010-10-07
EP2215412A1 (de) 2010-08-11
WO2009065233A1 (de) 2009-05-28

Similar Documents

Publication Publication Date Title
DE10138255B4 (de) Anordnung für Kaskadenkälteanlage
DE60314559T2 (de) Verfahren zum Erhöhen der Leistungsfähigkeit einer Dampfverdichtungsanordnung mittels Verdampferheizung
EP0855009B1 (de) Sorptionswärmewandleranlage mit zusatzkomponenten
EP1789732B1 (de) Kältekreislauf und verfahren zum betreiben eines kältekreislaufes
DE2754626C2 (de) Mit einer Energiequelle relativ niedriger Temperatur, insbesondere Solarenergie, arbeitende Kälteanlage
EP1914491B1 (de) Kälteanlage
EP1483490A1 (de) Krafterzeugungsanlage
DE202007017723U1 (de) Anlage für die Kälte-, Heiz- oder Klimatechnik, insbesondere Kälteanlage
DE60022251T2 (de) Kälteanlage mit einem einen optimierten Verbrauch bietenden Kältekreislauf
DE69513765T2 (de) Kälteanlage
EP3099985B1 (de) Kälteanlage
DE3440253A1 (de) Kuehlvorrichtung
DE102011012644A1 (de) Kälteanlage
EP0239837A2 (de) Verfahren zur Rückgewinnung von Verflüssigungswärme einer Kälteanlage und Kälteanlage zur Durchführung des Verfahrens
EP1570215B1 (de) Verdampfungsprozesssteuerung in der kältetechnik
WO2004055454A1 (de) Kältemittelkreislauf für eine kfz-klimaanlage
EP3922925A1 (de) Verfahren zum betrieb einer kompressionskälteanlage und kompressionskälteanlage
EP2063201B1 (de) Verfahren zum Betreiben einer Kälteanlage
DE112021007291T5 (de) Wärmequellenmaschine einer Kühlvorrichtung und Kühlvorrichtung einschließlich derselben
EP3583365B1 (de) Verfahren zum betreiben einer wärmepumpe
EP0184181B1 (de) Wärmepumpe
DE2837696A1 (de) Verfahren und vorrichtung in einem kuehlmittelkreislauf
DE2438418A1 (de) Gaskompressor der verdraengerbauart, insbesondere fuer kaeltemaschinen
EP3922931B1 (de) Kompressionskälteanlage und verfahren zum betrieb selbiger
DE10338388B3 (de) Verfahren zur Regelung einer Klimaanlage

Legal Events

Date Code Title Description
R207 Utility model specification

Effective date: 20080424

R150 Utility model maintained after payment of first maintenance fee after three years

Effective date: 20101206

R151 Utility model maintained after payment of second maintenance fee after six years

Effective date: 20131127

R152 Utility model maintained after payment of third maintenance fee after eight years
R071 Expiry of right