DE3130390C2

DE3130390C2 - Chiller

Info

Publication number: DE3130390C2
Application number: DE19813130390
Authority: DE
Inventors: Hans Gräf; Kornelius Dipl.Ing. 8000 München Sotiriu
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1981-07-31
Filing date: 1981-07-31
Publication date: 1987-02-05
Also published as: DE3130390A1

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Kälteaggregat zur Leistungsanpassung von Kaltwassersätzen an die Wärmeerzeugung von Kühlobjekten bei konstanter Kaltwasservorlauftemperatur. Diese Leistungsanpassung soll dabei mit geringem Aufwand gelöst werden. Die Erfindung sieht hierfür vor, daß das Kühlsystem so dimensioniert ist, daß die Kühlleistung unter allen Betriebsbedingungen, die an den Verbraucher (7) abzuführende Wärmeleistung übersteigt. Die Differenz zwischen Kühlleistung und Wärmeleistung wird über einen Wärmetauscher (8) ausgeglichen. Zur Regelung der Temperatur im Kühlwasserkreis (1) ist eine Regeleinrichtung (9) vorgesehen.The invention relates to a refrigeration unit for adjusting the performance of chillers to the heat generation of cooling objects at a constant cold water flow temperature. This performance adjustment should be achieved with little effort. The invention provides for the cooling system to be dimensioned so that the cooling capacity exceeds the heat output to be dissipated to the consumer (7) under all operating conditions. The difference between cooling capacity and heat output is balanced out via a heat exchanger (8). A control device (9) is provided for regulating the temperature in the cooling water circuit (1).

Description

Die Erfindung betrifft einen Kaltwassersatz mit Leistungsanpassung an die Wärmeerzeugung von Kühlobjekten bei konstanter Kaltwasservorlauftemperatur, bestehend aus einem Kälteaggregat mit wenigstens einem Verdampfer, einem Kompressor, einem Kondensator und einem ein Expansionsventil enthaltenden Kältemittelkreis, sowie einem Kaltwasserkreis, der im Wärmeaustausch mit dem Verdampfer des Kälteaggregates steht und wenigstens einem Verbraucher.The invention relates to a chiller with output adjustment to the heat generation of cooling objects at a constant cold water flow temperature, consisting of a refrigeration unit with at least one evaporator, a compressor, a condenser and a refrigerant circuit containing an expansion valve, as well as a cold water circuit which is in heat exchange with the evaporator of the refrigeration unit and at least one consumer.

Bei herkömmlichen Kühlsystemen ist es bekannt, die Leistungsanpassung von Kaltwassersätzen an die Wärmeerzeugung durch periodisches Ein- und Ausschalten des Kompressors herzustellen. Die hierdurch entstehenden starken Temperaturschwankungen müssen jedoch durch große Pufferbehälter ausgeglichen werden, nachdem mit Rücksicht auf die Lebensdauer des Kompressors die Taktzeiten nicht beliebig verkürzt werden können.In conventional cooling systems, it is known to adjust the performance of chillers to heat generation by periodically switching the compressor on and off. However, the resulting strong temperature fluctuations must be compensated for by large buffer tanks, since the cycle times cannot be shortened arbitrarily due to the service life of the compressor.

Dieser Nachteil kann jedoch dadurch reduziert werden, daß lediglich einzelne Zylinder des Kompressors zu- bzw. abgeschaltet werden. Diese Lösung ist jedoch auf große Anlagen mit mehreren von außen zugänglichen Kompressorzylindern beschränkt, wobei hierzu ein hoher Steuerungsaufwand erforderlich ist.However, this disadvantage can be reduced by only switching individual cylinders of the compressor on or off. However, this solution is limited to large systems with several compressor cylinders accessible from the outside, and this requires a high level of control effort.

Eine andere denkbare Möglichkeit besteht darin, das angesaugte Kältemittel am Kompressoreingang zu drosseln. Auch hier ist ein hoher Steueraufwand mit empfindlichen Ventilen und Regelorganen erforderlich. Außerdem ist infolge nachlassender Kühlung des Kompressors durch das angesaugte Kältemittel der Regelbereich stark eingeschränkt bzw. es wird eine Zusatzkühlung durch Einspritzen von flüssigem Kältemittel in die Ansaugleitung erforderlich.Another possible option is to throttle the refrigerant drawn in at the compressor inlet. This also requires a high level of control effort with sensitive valves and control elements. In addition, the control range is greatly restricted as the compressor cools less effectively due to the refrigerant drawn in, or additional cooling is required by injecting liquid refrigerant into the intake line.

Die Zuführung von heißem Kältemittelgas vom Kompressorausgang in den Verdampfer ist zwar technisch einwandfrei beherrschbar, ein nachträglicher Einbau in handelsübliche Aggregate ist jedoch nicht möglich.Although the supply of hot refrigerant gas from the compressor outlet to the evaporator can be controlled perfectly from a technical perspective, subsequent installation in commercially available units is not possible.

Die Aufgabe der Erfindung besteht daher darin, einen Kaltwassersatz zu schaffen, bei dem die Leistungsanpassung an die Wärmeerzeugung von Kühlobjekten bei konstanter Kaltwasservorlauftemperatur mit geringem Aufwand gelöst wird.The object of the invention is therefore to provide a chiller in which the power adjustment to the heat generation of cooling objects at a constant cold water flow temperature is achieved with little effort.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird das Kälteaggregat gemäß der Erfindung derart ausgebildet, daß die Kühlleistung des Kaltwasserkreises unter allen Betriebsbedingungen die vom Verbraucher abzuführende Wärmeleistung übersteigt, daß im Kaltwasservorlaufkreis ein von einem Wärmeträger durchflossener Wärmetauscher liegt, der die Differenz zwischen Kühlleistung und abzuführender Wärmeleistung ausgleicht.To achieve this object, the refrigeration unit according to the invention is designed in such a way that the cooling capacity of the cold water circuit exceeds the heat output to be dissipated by the consumer under all operating conditions, that a heat exchanger through which a heat transfer medium flows is located in the cold water supply circuit, which compensates for the difference between the cooling capacity and the heat output to be dissipated.

Durch diese Maßnahmen wird eine gute Leistungsanpassung erreicht, ohne daß dies auf Kosten eines hohen Kompressorverschleisses oder eines großen Aufwandes für die Steuerung geht.These measures achieve a good performance adjustment without the expense of high compressor wear or a great deal of effort for the control.

Dabei läßt sich das Kälteaggregat insbesondere derart ausbilden, daß der den Wärmetauscher durchfließende Wärmeträger das verdampfte, komprimierte Kältemittel des Kältemittelkreises ist.In particular, the refrigeration unit can be designed in such a way that the heat transfer medium flowing through the heat exchanger is the evaporated, compressed refrigerant of the refrigerant circuit.

Als Kondensator kann dabei entweder ein luftgekühlter oder ein flüssigkeitsgekühlter Kondensator verwendet werden. Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, daß der Kondensator ein flüssigkeitsgekühlter Kondensator ist, in dessen Kühlkreislauf ein Flüssigkeitskühler und der Wärmetauscher liegt. Dabei kann als Kühlmittel für den Kühlkreislauf des Kondensators ein Wasserglycolgemisch verwendet werden.Either an air-cooled or a liquid-cooled condenser can be used as the condenser. A further embodiment of the invention provides that the condenser is a liquid-cooled condenser, in whose cooling circuit a liquid cooler and the heat exchanger are located. A water-glycol mixture can be used as the coolant for the cooling circuit of the condenser.

Zur Aufrechterhaltung eines ausreichend hohen Temperaturgefälles im Wärmetauscher läßt sich im Kondensatorkühlkreislauf ein zusätzlicher Kühlwassertemperaturregler bzw. abschaltbarer Ventilator vorsehen.To maintain a sufficiently high temperature gradient in the heat exchanger, an additional cooling water temperature controller or switchable fan can be provided in the condenser cooling circuit.

Eine Vereinfachung des Aufbaus ist dadurch erreichbar, daß der Kühlkreislauf zwischen Kondensator und Wärmetauscher aufgetrennt ist und daß das Steuerelement so zwischen Wärmetauscher, Kühler und Kondensator angeordnet ist, daß sich zwei Teilströme bilden und der eine Teilstrom durch den Wärmetauscher am Kühler vorbeigeleitet wird, wogegen der andere durch den Kühler geführt wird.A simplification of the structure can be achieved by separating the cooling circuit between the condenser and the heat exchanger and by arranging the control element between the heat exchanger, cooler and condenser in such a way that two partial flows are formed and one partial flow is guided through the heat exchanger past the cooler, whereas the other is guided through the cooler.

Dadurch kann mit demselben Mischventil sowohl die über den Wärmetauscher rückgeführte Wärmemenge als auch die Temperatur im Kondensatorkühlkreislauf gesteuert werden.This means that the same mixing valve can be used to control both the amount of heat returned via the heat exchanger and the temperature in the condenser cooling circuit.

Anhand der Ausführungsbeispiele nach den Fig. 1 bis 3 wird die Erfindung näher erläutert. Es zeigtThe invention is explained in more detail using the embodiments according to Fig. 1 to 3. It shows

Fig. 1 einen Kaltwassersatz mit einem luftgekühlten Kondensator, Fig. 1 a chiller with an air-cooled condenser,

Fig. 2 einen Kaltwassersatz mit einem flüssigkeitsgekühlten Kondensator, Fig. 2 a chiller with a liquid-cooled condenser,

Fig. 3 einen Kaltwassersatz mit einem flüssigkeitsgekühlten Kondensator und einem gemeinsamen Mischventil für den Kondensatorkühlkreislauf und den Wärmeträgerkreislauf im Wärmetauscher. Fig. 3 a chiller with a liquid-cooled condenser and a common mixing valve for the condenser cooling circuit and the heat transfer medium circuit in the heat exchanger.

Die im Verbraucher 7 der Anordnung nach Fig. 1 entstehende Wärme wird über den Kühlwasserkreis 1 abgeführt. Die Rückkühlung des Wassers erfolgt dabei über den Kältemittelkreis 2. Dieser besteht aus einem Verdampfer 3, einem Kompressor 4, einem Kondensator 5 und einem Expansionsventil 6. Die Funktion eines solchen Kühlkreislaufes ist die, daß Wärmemenge bei tiefer Temperatur abgenommen und bei höherer Temperatur wieder abgegeben wird. Zum Durchlaufen dieses Kreisprozesses muß von einer äußeren Quelle an diesem Kreislauf Arbeit geleistet werden. Die Wärmemenge, die bei der höheren Temperatur abgeführt wird, ist größer als das Wärmeäquivalent der in den Kreisprozeß gesteckten Arbeit. Der Verdampfer 3 besteht im einfachsten Fall aus Kühlschlangen, die beispielsweise als Rohrregister in einem Kühlraum angebracht sind. In diesen Rohren strömt eine Flüssigkeit, das sogenannte Kältemittel, deren Siedetemperatur tiefer liegt als die Temperatur des Kühlraumes, im speziellen Fall tiefer als die Temperatur des vom Verbraucher 7 abgeführten Wassers. Dadurch wird dem Wasser des Kühlwasserkreislaufes Wärmeenergie entzogen, durch die Rohre an das Kältemittel übertragen, das dadurch verdampft wird. Der Dampf wird vom Kompressor 4 abgezogen, der den Druck des gasförmigen Kältemittels so weit erhöht, daß nur die Kondensationstemperatur des Kältemittels hoch genug ist, um im luftgekühlten Kondensator 5 zu kondensieren. Dabei wird die im verdampften Kältemittel enthaltene Wärmeenergie an die Luft abgegeben und das nun wieder flüssige Kältemittel über das Expansionsventil 6 wieder dem Verdampfer 3 zugeführt, in dem ein niedriger Druck herrscht.The heat generated in the consumer 7 in the arrangement shown in Fig. 1 is dissipated via the cooling water circuit 1. The water is cooled down via the refrigerant circuit 2. This circuit consists of an evaporator 3 , a compressor 4 , a condenser 5 and an expansion valve 6. The function of such a cooling circuit is to absorb heat at a low temperature and release it again at a higher temperature. In order for this cycle to run through, work must be done on the circuit by an external source. The amount of heat dissipated at the higher temperature is greater than the heat equivalent of the work put into the cycle. In the simplest case, the evaporator 3 consists of cooling coils which are installed, for example, as pipe registers in a cold room. A liquid, the so-called refrigerant, flows through these pipes and its boiling point is lower than the temperature of the cold room, in this particular case lower than the temperature of the water discharged from the consumer 7 . As a result, heat energy is extracted from the water in the cooling water circuit and transferred through the pipes to the coolant, which is then evaporated. The steam is extracted by the compressor 4 , which increases the pressure of the gaseous coolant to such an extent that only the condensation temperature of the coolant is high enough to condense in the air-cooled condenser 5. The heat energy contained in the evaporated coolant is released into the air and the now liquid coolant is fed back to the evaporator 3 via the expansion valve 6 , where a low pressure prevails.

Zwischen dem Kompressor 4 und dem Kondensator 5 ist der Wärmetauscher 8 eingefügt. Dieser Wärmetauscher wird im Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 vom heißen Kältemitteldampf als Wärmeträger durchströmt und erwärmt dadurch das ihn umströmende Kühlwasser des Kühlwasserkreislaufes 1. Die Regelung der Kühlwassertemperatur wird dadurch erreicht, daß zwischen dem Verbraucher 7, dem Wärmetauscher 8 und dem Verdampfer 3 ein Mischventil 12 eingefügt ist, wobei durch dieses Mischventil das Kühlwasser entweder über den Wärmetauscher oder über einen Nebenschluß an den Wärmetauscher 8 vorbeigeführt werden kann, wobei auch eine stetige Verminderung des durch den Wärmetauscher 8 geführten Kühlwassers durch das Mischventil 12 möglich ist. Gesteuert wird das Mischventil 12 über die Regeleinrichtung 9. Die Störgröße für die Steuerung des Mischventils 12 wird dabei dem Kaltwasservorlauf entnommen. Die Umwälzung des Kühlwassers erfolgt über die Pumpe 11. Grundsätzlich läßt sich diese Anordnung auch mit einem wassergekühlten Kondensator ausführen.The heat exchanger 8 is inserted between the compressor 4 and the condenser 5. In the embodiment according to Fig. 1, hot refrigerant vapor flows through this heat exchanger as a heat transfer medium, thereby heating the cooling water of the cooling water circuit 1 flowing around it. The cooling water temperature is regulated by inserting a mixing valve 12 between the consumer 7 , the heat exchanger 8 and the evaporator 3 , whereby the cooling water can be guided past the heat exchanger 8 either via the heat exchanger or via a shunt, whereby a constant reduction in the cooling water guided through the heat exchanger 8 is also possible through the mixing valve 12. The mixing valve 12 is controlled via the control device 9. The disturbance variable for controlling the mixing valve 12 is taken from the cold water supply. The cooling water is circulated via the pump 11. In principle, this arrangement can also be implemented with a water-cooled condenser.

Zur Vereinfachung des Kühlmittelkreises von flüssigkeitsgekühlten Kondensatoren ist jedoch eine Anordnung vorzuziehen, wie sie in Fig. 2 dargestellt ist. Der Kondensator 13 enthält dabei einen eigenen Kühlmittelkreislauf mit einem Wasserkühler 14, der wiederum über einen Ventilator 15 gekühlt wird. Der Wärmetauscher 8 ist in dem Kühlmittelkreislauf für den Kondensator 13 eingefügt, wobei das Kühlmittel die Rolle des Wärmeträgers übernimmt. Parallel zum Kühler 14 liegt ein Ventil 17, das abhängig von der Kühlmitteltemperatur im Kühlkreislauf des Kondensators 13 über die Steuereinrichtung 20 gesteuert wird. Zusätzlich oder alternativ kann noch eine weitere Steuerung 18 vorgesehen werden, durch die der Ventilator 15 aus- und eingeschaltet wird. Die Umwälzung des Kühlmittels im Kühlkreislauf des Kondensators 13 wird durch eine weitere Pumpe 19 bewerkstelligt.However, to simplify the coolant circuit of liquid-cooled condensers, an arrangement as shown in Fig. 2 is preferable. The condenser 13 contains its own coolant circuit with a water cooler 14 , which in turn is cooled by a fan 15. The heat exchanger 8 is inserted into the coolant circuit for the condenser 13 , with the coolant taking on the role of the heat transfer medium. Parallel to the cooler 14 there is a valve 17 which is controlled by the control device 20 depending on the coolant temperature in the cooling circuit of the condenser 13. In addition or alternatively, a further control 18 can be provided, by which the fan 15 is switched on and off. The circulation of the coolant in the cooling circuit of the condenser 13 is accomplished by a further pump 19 .

Eine Lösung, bei der nur ein Steuerventil verwendet werden muß, zeigt die Fig. 3. Hier liegt zwischen dem Kondensator 13 und dem Wärmetauscher 8 im Kühlmittelkreislauf des Kondensators 13 das Mischventil 12, das gleichzeitig auch vom Kondensator 13 unmittelbar zum Kühler 14 einen Weg freigibt. Gesteuert wird dieses Ventil 12 wiederum von der Kaltwasservorlauftemperatur. Dadurch wird erreicht, daß der Teilstrom durch den Wärmetauscher am Kühler vorbeigeleitet wird, wogegen der am Wärmetauscher vorbeigeleitete Teilstrom durch den Kühler geführt wird. Im Kühlwasserkreis für den Verbraucher ist in diesem Fall kein Ventil erforderlich. Bei dieser Anordnung kann mit demselben Mischventil sowohl die über den Wärmetauscher rückgeführte Wärmemenge als auch die Temperatur im Kondensatorkühlkreislauf gesteuert werden.A solution in which only one control valve needs to be used is shown in Fig. 3. Here, the mixing valve 12 is located between the condenser 13 and the heat exchanger 8 in the coolant circuit of the condenser 13 , which at the same time also opens a path from the condenser 13 directly to the cooler 14. This valve 12 is in turn controlled by the cold water flow temperature. This ensures that the partial flow through the heat exchanger is bypassed by the cooler, whereas the partial flow bypassed by the heat exchanger is led through the cooler. In this case, no valve is required in the cooling water circuit for the consumer. With this arrangement, the same mixing valve can be used to control both the amount of heat returned via the heat exchanger and the temperature in the condenser cooling circuit.

Claims

1. Chiller with output adjustment for the heat generation of cooling objects at a constant cold water flow temperature, consisting of a refrigeration unit with at least one evaporator, a compressor, a condenser and a refrigerant circuit containing an expansion valve, as well as a cold water circuit which is in heat exchange with the evaporator of the refrigeration unit and at least one consumer, characterized in that the cooling capacity of the cold water circuit ( 1 ) exceeds the heat output to be dissipated by the consumer ( 7 ) under all operating conditions, that in the cold water flow circuit there is a heat exchanger ( 8 ) through which a heat transfer medium flows, which compensates for the difference between the cooling capacity and the heat output to be dissipated.

2. Chiller according to claim 1, characterized in that the heat transfer medium flowing through the heat exchanger ( 8 ) is the evaporated, compressed refrigerant of the refrigerant circuit.

3. Chiller according to claim 1 or 2, characterized in that a control element ( 12 ) is located in the cold water supply circuit, by means of which a shunt in the cold water circuit to the heat exchanger ( 8 ) can be produced and which is controlled as a function of a control device which regulates a constant cold water supply temperature.

4. Chiller according to claim 1 or 2, characterized in that the control element is a continuously variable mixing valve.

5. Chiller according to claim 1 or 2, characterized in that the control element consists of two counter-clocked solenoid valves.

6. Chiller according to claim 1 to 5, characterized in that the condenser ( 5 ) is an air-cooled condenser.

7. Chiller according to claim 1 to 5, characterized in that the condenser ( 5 ) is a liquid-cooled condenser.

8. Chiller according to claim 7, characterized in that the heat carrier flowing through the heat exchanger ( 8 ) is the cooling liquid of the liquid-cooled condenser ( 13 ).

9. Chiller according to claim 8, characterized in that a water-glycol mixture is used as coolant for the cooling circuit ( 16 ) of the condenser ( 13 ).

10. Chiller according to one of claims 8 or 9, characterized in that an additional liquid temperature controller ( 20 ) is provided in the condenser cooling circuit ( 16 ), which controls a valve ( 17 ) which is located parallel to the liquid cooler.

11. Chiller according to claims 8 to 10, characterized in that the liquid cooler ( 14 ) contains a fan ( 15 ) which can be switched off via a further control device ( 18 ) depending on the cooling liquid temperature.

12. Chiller according to one of claims 1 or 8, characterized in that the cooling circuit ( 16 ) is constructed between the condenser ( 13 ) and the heat exchanger ( 8 ) and that the control element ( 12 ) is arranged between the heat exchanger ( 8 ), cooler ( 14 ) and condenser ( 13 ) in such a way that two partial flows are formed and one partial flow is guided through the heat exchanger past the cooler, whereas the other is guided through the cooler.