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Klimaanlage, insbesondere für Schienenfahrzeuge Die Erfindung betrifft
eine Klimaanlage, insbesondere für Schienenfahrzeuge, mit aus einem Expansions-
und einem Verdichterteil bestehender, von einem elektrisch beheizten Kaltdampfkessel
gespeister Kaltdampfmaschine, die-mit einem um luftführenden Querschnitt des Klimaaggregates
angeordneten Kältemittelverdampfer zusammenarbeitet und mit wenigstens einem aus
dem Versorgungsnetz des Fahrzeugs gespeisten, z.B.
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Antriebszwecken der Klimaanlage dienenden Elektromotor.
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Bei Klimaanlagen für Schienenfahrzeuge besteht eines der wesentlichsten
Probleme darin, daß einerseits je Wageneinheit nur eine beschränkte elektrische
Anschlußleistung verfügbar ist und andererseits alle elektrischen Einrichtungen
des Wagens für den Betrieb bei den unterschiedlichen Stromarten und Betriebs spannungen
der verschiedenen Bahnverwaltungen geeignet sein müssen.
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Die unterschiedlichen klimatischen Verhäitnisse innerhalb des Einsatzbereiches
des betreffenden Wagens, die Anschaffungskosten aowie Gesichtspunkte eines wirtschaftlichen
und störungsfreien Betriebes sind weitere wichtige, für die Auslegung der Klimaanlage
mitbestimmende Faktoren.
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Bei kompressorbetriebenen Klimaanlagen für Schienenfahrzeuge erfolgte
die erforderliche Anpassung an die jeweils vorhandene Versorgungsspannung bisher
mittels aufwendiger Umformeranlagen.
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Bei der eingangs genannten, nach dem Prinzip der Kaltdampfmaschine
arbeitenden Klimaanlage sind zwar die hohen Kosten einer Umformeranlage vermieden,
da die Kälteerzeugung durch elektrische Heizelemente erfolgt, doch kann in Anbetracht
der begrenzten Leistung der Expansionsmaschine der Kaltdampfanlage auf den Antrieb
des Kondensatorlüfters und der Flüssigkeitspumpe durch einen Elektromotor nicht
verzichtet werden. Zur Anpassung an die äeweilige Versorgungsspannung ist dann eine
entsprechende schaltungsmäßige Gruppierung des Elektromotors mit den Heizwiderständen
des Kaltdampfkessels erforderlich0 Dem Vorteil des Entfalls der Umformeranlage steht
bei der bekannten Klimaanlage der Nachteil einer relativ geringen Kalteleistung
gegenüber, die nur in Ländern mit gemäßigtem Klima zur Deckung des tatsächlichen
Kühlbedarfes ausreicht, Es ist nun das Ziel der vorliegenden Erfindung, eine Klimaanlage
der eingangs genannten Art in dem Sinne zu verbessern, daß sie, unabhängig von der
jeweiligen Versorgungsspannung, bei allen in Frage kommenden klimatischen Verhältnissen
eine zufriedenstellende Kälteleistung abgibt, ohne daß es hiezu kostspieliger Umformeranlagen
bedarf. Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe durch einen vom Kältekreislauf der
Kaltdampfmaschine getrennten zweiten Kältekreislauf erreicht, der aus einem vom
Elektromotor angetriebenen, mit einem im luftführenden Querschnitt des Klimaaggregates
angeordneten zweiten Kältemittelverdampfer zusammenarbeitenden Motorverdichter besteht,
sowie durch im Kaltdampfkessel angeordnete elektrische Heizwiderstände, die dem
z.B. auf 1000 V ausgelegten Verdichtermotor bei höherer Spannung des Versorgungsnetzes,
z.B. 1500 bzw. 3000 V, voschaltbar sind.
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Damit ist nicht nur auf einfache Weise die geforderte Anschlußmöglichkeit
an das betreffende Versorgungsnetz gegeben, sondern auch~eine in allen Fällen ausreichende
Kälteleistung gewährleistet, die je nach Bedarf nur dem einen oder aber beiden Kältekreisen-der
Klimaanlage entnommen werden kann. Außerdem bietet einexsolche Anlage alle Voraussetzungen
für eine feinstufige Regelung durch die verschiedenen möglichen Schaltkombinationen
der vorhandenen Heizwiderstände.
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Bei einer Klimaanlage mit von einem Elektromotor angetriebenem ladegenerator
für die Fahrzeugbatterie enthält gemäß einer bevorzugten Ausführung der Erfindung
der Kaltdampfkessel weitere Heizwiderstände, über die auch der dem Ladegenerator
zugeordnete Elektromotor bei über seiner Nennspannung liegender Spannung des Versorgungsnetzes
an dieses anschließbar ist. Damit wird auch dieser Elektromotor, der hinsichtlich
des Anschlusses an die jeweilige Versorgungsspannung ähnliche Probleme wie der Verdichtermotor
aufwirft, in vorteilhafter Weise in das erfindungsgemäße System miteinbezogen.Dies
ist insbesondere für die künftige Entwicklung des Eisenbahnwesens von Bedeutung,
da der bisher vorherrschende Antrieb des Ladegenerators von der Radachse her bei
den beabsichtigten, wesentlich erhöhten Fahrtgeschwindigkeiten kaum mehr angewendet
werden wird0 Erfindungsgemäß ist es weiters von besonderem Vorteil, wenn im Kaltdampfkessel
zusätziich angeordnete Heizwiderstände als Regelwiderstände in den Ankerstromkreis
des Verdichtermotors einschaltbar sind. Diese Ausbildung bietet die Möglichkeit
einer präzisen Regelung der Kälteleistung durch Drehzahländerung des Verdichtermotors
mittels der einzeln oder in Gruppen in den Ankerstromkreis einschaltbaren Ankerwiderstände.
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Um die Wärmeleistung des Kaltdampfkessels auch dem Heizbetrieb nutzbar
zu machen, können schließlich nach einem weiteren Erfindungsmerkmal dem Luftheizteil
des Klimaaggregates und den Fahrzeugnebenräumen zugeordnete Wärmetauscher an vom
Wärmeträger des Kaltdampfkessels gespeiste Heizkreise angeschlossen sein. Diese
Anordnung kann sowohl bei Einkanal- als auch bei Zweikanal-Klimaanlagen mit gleichem
Vorteil benutzt werden.
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Die Erfindung wird nachstehend anhand eines in der Zeichnung dargestellten,
schematischen Ausführungsbeispieles näher erläutert. Die einzige Figur zeigt die
Gesamtanordnung einer Klimaanlage nach der Erfindung.
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Die dargestellte Klimaanlage für einen Personenwagen umfaßt zwei
voneinander getrennte Kältesysteme, von denen das eine nach dem Kompressorsystem
und das andere nach dem Prinzip der Kaltdampfmaschine arbeitet. Das erste Kältesystem
fat einen von einem Elektromotor 1 mit 1000 Volt Nennspannung betriebenen Kältemittelverdichter
2 mit nachgeschaltetem, gebläsegekühlten Kondensator 3, von dem das verflüssigte,
vom Sammler 7 aufgenommene oultemittel in die Rohrschlangen des Kältemittelverdampfers
19 gelangt, welcher innerhalb des Klimaaggregates im Luftstrom des vorgeschalteten
Gebläses 20 angeordnet ist. Das im Verdampfer 19 unter Wärmeaufnahme verdampfte
Kältemittel wird von dort zur Saugseite des Versichters 2 zurückgeleitet.
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Das zweite Kältesystem umfaßt eine Kaltdampfmaschine 4, deren Expansionsteil
4' über ein iiagnetventil 31 aus einer im Kaltdampfkessel 9 angeordneten Rohrschlange
mit dampfförmigem Kältemittel gespeist wird. Als Wärmeträger enthält der Kaltdampfkessel
9 beispielsweise ein Wasser-Glysantin-Gemisch. Der Verdichterteil der Kaltdampfmaschine
4 ist mit 4" bezeichnet.
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Der im Expansionsteil 4' reduzierte Kaltdampf etrömt in den nachgeschalteten
woraensator 5, der von einem von
der Kaltdampfmaschine 4 angetriebenen
Gebläse belüftet ist. Das im Kondensator 5 unter Wärmeabgabe verflüssigte Kältemittel
wird vom Sammler 8 aufgenommen und von diesem zum Teil von der ebenfalls von der
Kaltdampfmaschine 4 angetriebenen Flüssigkeitspumpe 6 in die Rohrschlange 10 des
Kaltdampfkessels 9 zurückgeleitet.
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Der übrige Teil des Kältemittels strömt zu einem zweiten, im luftführenden
Querschnitt des Klimaaggregates 15 angeordneten Kältemittelverdampfer 18, in welchem
es unter Wärmeentzug verdampft, und wird von dort zum Verdichterteil 4" der Kaltdampfmaschine
4 zurückgeführt.
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Der Kaltdampfkessel 9 enthält Heizwiderstände 11 und 12, von denen
die ersteren über eine automatische Umschalteinrichtung 30 als V@rschaltwiderstände
in den Stromkreis des Verdichtermotors 1 einschaltbar sind.
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In ähnlicher Weise dienen auch die Heizwiderstände 12 als über die
Umschalteinrichtung 30 einschaltbare Vorschaltwiderstände für einen weiteren, mit
einem Generator 13 gekuppelten Elektromotor 14. Der Generator 13 dient als Ladegenerator
für die nicht dargestellte Fahrzeugbatterie. Gegebenenfalls kann in den ladepausen
auch anstelle des Motors 14 eine ihm elektrisch äquivalente zusätzliche Heizgruppe
12' eingeschaltet werden.
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Die dargestellte Klimaanlage verfügt auch noch über zwei voneinander
getrennte, vom Wärmeträger aus dem Kaltdampfkessel 9 gespeiste Heizkreise, von denen
der eine dem Klimaaggregat 15 und der andere den Nebenräumen des Wagens zugeordnet
ist.
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Der erstgenannte Heizkreis umfaßt zwei Wärmetauscher 16 und 17, welche
in zwei voneinander separierten Luftquerschnitten des Klimaaggregates 15 angeordnet
und je über ein Magnetventil 21, 22 mit von einer Umwälzpumpe 23 aus dem Kaltdampfkessel
9 entnommenem Wärmeträger gespeist sind. Nach der Wärmeabgabe in den
Wärmetauschern
16 und 17 gelangt der Wärmeträger wieder in den Kaltdampfkessel 9 zurück.
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Der zweite Heizkreislauf umfaßt eine weitere Umwälzpumpe 24, welche
die in den Nebenräumen des Wagens angeordneten Konvektionsheizkörper 27, 28 und
29 mit aus dem Kaltdampfkessel 9 entnommenem Wärmeträger speist. Der in den Heizkörpern
27 bis 29 abgekühlte Wärmeträger wird gleichfalls in den Kaltdampfkessel 9 zurückgeleitet.
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Im Falle des dargestellten Ausführungsbeispieles handelt es sich
um eine Zweikanal-Klimaanlage, bei welcher die im Klimagerät 15 temperierte Luft
den Fahrgasträumen über getrennte Kanäle 25 und 26 zugeführt wird. Der den größeren
Querschnitt aufweisende Kanal 25 dient dabei in bekannter Weise für die ständige
Zufuhr eines Grundanteiles nach den jeweiligen Außenverhältnissen temperierter Luft,
wogegen der durch den Kanal 26 kleineren Querschnittes geleitete wärmere Luftstrom
zum Ausgleich von Wärmebedarfsdifferenzen in den einzelnen Fahrgasträumen dient.
Die Zuteilung dieses wärmeren Luftstremes wird für jedes Abteil nach den individuellen
Erfordernissen raumthermostatisch geregelt.
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Für die Klimaanlage nach der Erfindung ergibt sich nun für die einzelnen
Klimaperioden die folgende Betriebsweise: Im Heizbetrieb wird der Wärmeträger des
Kaltdampfkessels 9 durch die Heizwiderstände 11 und zusätzlich noch durch eine ebenfalls
im Kaltdampfkessel 9 angeordnete weitere Heizgruppe 11' beheizt, welche von der
Umschalteinrichtung 30 anstelle des Kompress@rmo@ors 1 als elektrisches Äquivalent
für diesen mit den Heizwiderständen 11 in Serie geschaltet wird. Für den Fall, daß
in dieser Betriebsphase zugleich eine Batterieladung erförderlich ist, kommt noch
die Heizleistung
der Vorschaltwiderstände 12 für den Lademotor
14 hinzu. Damit steht im Kaltdampfkessel 9 eine verhältnismäßig große Heizleistung
zur Verfügung, die bei geschlossenem Magnetventil 31 für den Kältekreislauf der
Kaltdampfmachine 4 über die vorerwähnten beiden Heizkreise auf die Wärmetauscher
16 und 17 des Klimaaggregates 15 und die heizkörper 27, 28 und 29 für die nebenräume
aufgeteilt wird.
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Auf ähnliche Weise kann auch die Beheizung des Gebrauchswasserbehälters
des betreffenden Wagens erfolgen.
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Die Aufteilung der vom Klimaaggregat 15 abgegebenen Heizleistung
auf die beiden Kanäle 25 und 26 erfolgt durch entsprechende Steuerung der Magnetventile
21 und 22 in bekannter, hier nicht er erläuterter Art. hinsichtlich der Regelung
der Heizleistung im Heizkreislauf gilt ge@erell der Grundsatz, daß zuerst immer
die dem Verdichtermotor 1 zugeordneten Heizwiderstände 11 und 11' weggeschaltet
werden, da die Heizwiderstände 12 für den Lademotor 14 als Grundleistung für die
Beheizung des Kaltdampfkessels 9 solange nicht abgeschaltet werden dürfen, als die
Fahrzeugbatterie einer Ladung bedarf. @a es sicn aber hier nur um eine Leistung
in einer Größenordnung von etwa 6 kW handelt, bestehen keine Schwierigkeiten, diese
Leistung im Heizbetrieb auch tatsächlich zu verbrauchen.
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Die Beheizung der Nebenräume und die Speisung anderweitiger Wärmeverbraucher
mit dem Wärmeträger des Kaltdampfkessels 9 bietet gegenüber der herkömmlichen Art
der Wärmeversorgung dieser Verbraucher erhebliche Vorteile. bisher wurde der Wärmebedarf
dieser Verbraucher durch elektrische Widerstandsheizkörper gedeckt, die entweder
direkt mit Heizspannung (1000, 1500 oder 3000 Volt) versorgt wurden oder mit einer
aus dem Umformer stammenden Spannung. Erstere Ausführung hatte den Nachteil der
Hochspannungszuführung in das Wageninnere und einer damit verbundenen aufwändigeren
Ausführung, wogegen sich bei der letztgenannten Art der Wärmeversorgung eine zusätzliche
Belastung des Umformers ergab, sodaß dieser mit einer höheren Leistung ausgestattet
werden mußte.
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Im Übergangsbetrieb wird der über den Kanal 25 den Fahrgasträumen
zugeführte Luftanteil weder beheizt noch gekühlt, sondern mit Außentemperatur eingebracht.
Für den Ausgleich der Wärmebedarfsdifferenzen in den einzelnen Abteilen steht- die
über den Kanal 26 kleineren Querschnittes gefüilrte,vom Wärmetauscher 17 beheizte
Luft zur Verfügung.
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Bei voller besetzung aer Fahrgasträume könnte in diesem Fall der Wärmebedarf
auf liull sinken. Dies würae eine Ausschaltung der Heizwiderstände 11 und 11' bedingen,
wobei jedoch die Heizwiderstände 12, soferne zu diesem Zeitpunkt eine Batterieladung
nötig ist, eingeschaltet bleiben. In einem solchen Fall müßte zwecks Verwertung
dieser überschüssigen energie die Kaltdampfmaschine 4 durch Öffnen des Magnetventils
31 eingeschaltet werden. Auf diese Reise gelingt es durch die geringfügige Absenkung
der Temperatur des für den Kanal 25 bestimmten Luftstromes und entsprechende Nachheizung
desselben diese überschüssige heizenergie zu verbrauchen. Ein derartige Fall wird
jedoch nur sehr selten auftreten, da im allgemeinen stets auch noch ein bedarf an
Iieizleistung für die Erwärmung des Gebrauchswassers bzw. zum Betrieb der Nebenraumheizkörper
27 - 29 vorhanden sein wird.
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Im normalen Kühlbetrieb wird der dem Kanal 25 zugeteilte Grundluftanteil
entsprechend den vorhandenen Außenverhältnissen gekühlt und der Isesetzungsausgleich
durch den über den Kanal 26 geleiteten, vom Wärmetauscher 17 beheizten Zusatzluftstrom
vorgenommen. Je nach der geforderten Kühlleistung wird entweder mit der gesamten
Anlage, also Motorverdichter 2 und Raltdampfmaschine 4, gefahren, wobei der Motorverdichter
2, dieser Betriebssituation entsprechend, intermittierend eingeschaltet wird, oder
die Kühileistung wird bei mäßigem Kühlbedarf allein durch die Kaltdampfmaschine
4 gedeckt.
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Bei extremen Außentemperaturen ist die Anlage auf starken Kühlbetrieb
umzuschalten. In dieser Betriebsphase
erübrigt sicn eine zusätzliche
Beheizung der durch den Kanal 26 geführten Zusatzluft. Die gesamte zur Verfügung
stehende Energie sowohl des Veraicntermotors 1 als auch der Heizwiderstände 11 und
12 wird zur Erzeugung der Kälteleistung herangezogen.
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Aufgabe der für die Erfindung nicht maßgeblichen unu aaher nicht
im Detail beschriebenen Umschalteinrichtung 30 ist die selbsttätige Anpassung des
elektrischen Teiles der Klimaanlage an die jeweils vorhandene Versorgungsspannung
durch sinngemäße Gruppierung der rotoren 1 bzw. 14 und der ihnen zugeordneten Heizwiderstände
11, 11' bzw. 12, 12'.
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Dabei ist bei der höchsten vorkommenden Spannung, also bei 3000 V,
eine Serienschaltung des jeweiligen L;otors mit den Xeizwiaerstänãen, bei 1500 V
eine Serien-Parallelschaltung derselben und bei der niedrigsten Spannung, also 1000
V, eine reine Parallelschaltung von Motor und Heizwiderständen vorgesehen.
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Wenn die Klimaanlage, abweichend vom gezeigten ÄtiS-führungsbeispiel,
bei einem Einkanalsystem angewendet werden soll, werden entsprechende Heizkörper
in den einzelnen Fahrgasträumen für den erwähnten Besetzungsausgleich benötigte
Bei bisher bekannten Klimaanlagen solcher Art wird ale dafür erforderliche sieizenergie
ebenfalls dem Umformer entnommen, sodaß dieser mit einer erheblich vergrößerten
Leistung ausgestattet werden muß. Wird hingegen das erfindungsgemäße Prinzip angewändt
, so kann die Heizenergie für diese Raumheizkörper in einfacher Weise ebenfalls
der Kaltdampfkessel 9 entnommen werden, wodurch sich im Vergleich zu den bekannten
Anlagen wesentliche Vorteile, vor allem hinaichtlich der Anlagekosten ergeben.