DE3530242C2

DE3530242C2 -

Info

Publication number: DE3530242C2
Application number: DE3530242A
Authority: DE
Inventors: Lev Ionovic Goldstein; Valentin Petrovic Kalasov; Jurij Pavlovic Kiev Su Pleskanovskij; Vladimir Filippovic Leningrad Su Didenko; Boris Seilichovic Kiev Su Chaitin
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1985-08-23
Filing date: 1985-08-23
Publication date: 1991-07-25
Also published as: DE3530242A1; US4631926A

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Kälteerzeugung für die mehrstufige Kühlung von Pro dukten der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 (Verfahren) bzw. 4 (Vorrichtung) angegebenen Gattung.

Aus der DE-OS 19 00 814 ist ein derartiges Verfahren und eine Einrichtung zur Kälteerzeugung bekannt, bei welcher zumindest ein Teil des Kältemittels beim Durchlaufen der Verdichtungsphase abgekühlt werden soll. Zu diesem Zweck wird das verdichtete Kältemittel auf mehrere parallele Kreisläufe aufgeteilt und in diesen auf unterschiedlich hohe Druckwerte entspannt. Der beim Wärmeaustausch mit dem Kühlgut erzeugte Dampf wird einem Verdichter zuge führt, der eine den Kreisläufen entsprechende Anzahl an Verdichterstufen aufweist, so daß der in einer Zwischen stufe zugeführte Dampf eine Abkühlung des teilweise ver dichteten Dampfes einer tieferliegenden Stufe bewirkt. Um das den einzelnen parallelgeschalteten Verdampfer- Kreisläufen zugeführte Kältemittel auf den im jeweiligen Verdampferkreislauf herrschenden Druck zu entspannen, ist in der Zulaufleitung jedes Verdampfers eine Verstell drossel angeordnet, die von einem Füllstandsanzeiger ge steuert wird, welche in jedem Kreislauf zwischen dem Ver dampfer und dem Verdichter angeordnet sind. Das Kühlgut wird nacheinander durch mehrere parallel geschaltete Verdampfungsaggregate transportiert und kann während seines Durchlaufs stufenartig abge kühlt werden, da in den einzelnen Kreisläufen aufgrund der unterschiedlichen Verdampfungsdrücke entsprechend unterschiedliche Temperaturen herrschen. Nachteilig ist jedoch der relativ hohe Energiebedarf, der durch die bei der Drosselung des flüssigen Kältemittels notwendigerweise entstehenden Verluste verursacht wird. Darüber hinaus ist eine gezielte Abkühlung des Kühlgutes auf bestimmte Zwischentemperaturen in mehreren zeitlich aufeinanderfol genden Stufen nicht vorgesehen.

Aus dem SU Urheberschein 8 00 519 ist es bekannt, das flüssige unter dem Verdichterdruck stehende Kältemittel nicht in einer üblichen Drossel, sondern durch eine sog. Impulsförderung auf den im Verdampfer herrschenden Druck zu entspannen, bevor dieses Kältemittel in den Verdampfer eingespeist wird. Bei den insbesondere in Hochseefischtrawlern einge bauten Kälteanlagen, die nach diesem Prinzip arbeiten, ist in der Zulaufleitung zwischen dem Kondensator und dem Verdampfer ein regenerativer Wärmetauscher und als Impulsförderer ein Magnetventil angeordnet, welches durch das im Verdampfer erzeugte Druckintervall periodisch aus seiner voll geschlossenen in seine voll offene Stellung gesteuert wird. Durch diese periodische Betätigung des praktisch ohne Drosselverluste arbeitenden Magnetventils werden bei jedem Öffnungszyklus vorbestimmte Mengen an flüssigem Kältemittel in den Verdampfer eingespeist. Beim Verdampfen jeder Kältemittelportion erhöht sich der Druck im Verdampfer. Nach Überschreiten eines eingestellten Druckwertes spricht ein Druckrelais an, dessen Ausgangs signal ein Schließen des Magnetventils bewirkt. Da die Kältemittelzufuhr zum Verdampfer gesperrt ist, sinkt der Verdampferdruck auf einen vorgegebenen Wert, bei dessen Erreichen das Druckrelais erneut anspricht und das Magnet ventil voll öffnet. Die Dauer der Öffnungs- und Schließ- Perioden des Magnetventils bestimmt somit die im Verdampfer erzeugte Kälteleistung. Das Steuerverhalten dieser Anlagen ist jedoch nicht optimal, weil die Grenzwerte des Druck intervalls im Verdampfer, bei denen das Magnetventil ge öffnet bzw. geschlossen wird, einerseits von der Konden sationstemperatur der Kältemitteldämpfe und andererseits von der Verdampfungstemperatur des flüssigen Kältemittels bestimmt werden und damit zu weit auseinanderliegen, was insbesondere bei zyklisch anfallenden größeren Kühlgut mengen zu Energieverlusten führt. Nachteilig ist weiter hin, daß zu Beginn eines Kühlvorgangs die Menge des dem Verdampfer zugeführten flüssigen Kältemittels möglichst der Temperatur des Kühlguts entsprechen soll und sich am Ende des Kühlvorgangs nach Erreichen der tiefen End temperatur des Kühlguts ein Kältemittelüberschuß ansammelt.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Kälte erzeugung für die mehrstufige Kühlung von Produkten zu schaffen, das betriebssicher ist und eine Senkung des Energieverbrauchs ermöglicht. Der Kälteerzeuger soll bei verringertem Energiebedarf und verringertem Verdichtungs grad der Kältemitteldämpfe eine erhöhte Betriebssicher heit und Lebensdauer besitzen.

Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 (Verfahren) bzw. 4 (Vorrichtung) gelöst.

Die erfindungsgemäß vorgesehene stufenweise Abkühlung des Kühlgutes hat den Vorteil, daß das in einer ersten Stufe von der Umgebungstemperatur bis auf etwa die Ge friertemperatur abgekühlte Kühlgut in einer zweiten Stufe so lange auf dieser Gefriertemperatur gehalten werden kann, bis die im Kühlgut enthaltene Flüssigkeit vollständig gefroren ist, bevor es in einer weiteren Stufe auf die tiefe Endtemperatur abgekühlt wird. Da in der Gefrierstufe die Verdampfungstemperatur des flüssigen Kältemittels hinreichend hoch ist, ergibt sich ein entsprechend ver ringerter Energieverbrauch. Darüber hinaus ermöglicht der erfindungsgemäße Kälteerzeuger einen verringerten Verdichtungsgrad der Kältemitteldämpfe, was den Energie verbrauch weiter vermindert und seine Betriebssicherheit sowie seine Lebensdauer erhöht.

Zweckmäßige Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Er findung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung im einzelnen erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 das Funktionsschema eines Kälteerzeugers;

Fig. 2 eine Wärmetauscherplatte in perspektivischer Darstellung;,

Fig. 3 den Schnitt III-III in Fig. 2;

Fig. 4 einen Verteiler für das flüssige Kältemittel im Längsschnitt;

Fig. 5 einen Schnitt V-V in Fig. 4;

Fig. 6 ein Zustandsdiagramm des Kältemittels in jeder Stufe seines Verdampfungstemperatur intervalls.

Der in Fig. 1 dargestellte Kälteerzeuger enthält im ge schlossenen Kreislauf einen Verdampfer 1, einen Flüssig keitsabscheider 2, einen Kompressor 3, einen Ausdampfer 4, einen Kondensator 5, einen Druckbehälter 6, ein Mittel 7 zur Impulsförderung des flüssigen Kältemittels und einen Verteiler 8.

Im Inneren eines Gehäuses 9 sind sechs Wärmetauscherplatten 10 angeordnet, die mit einem gemeinsamen Saugrohr 11 verbun den sind. Jede Wärmetauscherplatte 10 enthält einen Zulauf stutzen 12 und einen Ablaufstutzen 13 für das Kältemittel sowie sechs Kanäle 14 für den Kältemitteldurchlauf (Fig. 2, 3). An eine äußere Wärmetauscherplatte 10 sind vier Tempe raturgeber 15 mit je einem Temperaturrelais 16 angeschlos sen. Der Verteiler 8 enthält ein zylindrisches Gehäuse 17, an dessen Mantel gleichmäßig nach der Zahl der Wärme tauscherplatten 10 sechs Bohrungen mit darin eingesetzten Röhrchen 18 ausgebildet sind. Jedes Röhrchen 18 ist mit einem der Kanäle 14 der entsprechenden Wärmetauscherplatte 10 verbunden. In eine Bohrung 19 im Gehäuseboden 20 ist ein Rohr 21 für die Zuleitung des flüssigen Kältemittels eingesetzt.

An den Flüssigkeitsabscheider 2 sind vier Druckgeber 22 mit je einem Differenzdruckrelais 23 angeschlossen. Der Flüssigkeitsabscheider 2 ist mit dem Ausdampfer 4 über ein Rücklaufrohr 24 verbunden, an das ein Temperaturgeber 25 mit einem Temperaturrelais 26 angeschlossen ist. Der Kompressor 3 steht mit dem Ausdampfer 4 über ein Rücklauf rohr 27 und ein Magnetventil 28 in Verbindung.

Fig. 6 ist ein TS-Diagramm für einen Abkühlvorgang des Kühlguts nach dem erfindungsgemäßen Verfahren. Auf der Zustandskurve 29 für das Kältemittel sind der kritische Punkt 30 des Kältemittelzustands und Zwischenpunkte 31 bis 36 eingezeichnet, die Zustände des flüssigen Kälte mittels bei einer dreistufigen Kühlung kennzeichnen. Inner halb und außerhalb der Grenzkurve 29 sind drei Verdampfungs bereiche 37, 38, 39 für das Kältemittel dargestellt, die den drei Stufen der gewählten Verdampfungstemperatur-Bereiche entsprechen. In diesen Bereichen 37, 38, 39 geben auf der Grenzkurve 29 die Punkte 40, 41, 42 den jeweiligen Verdampfungsbeginn und die Punkte 43, 44, 45 das Ver dampfungsende des Kältemittels in jeder Stufe an. Außer halb der Kurve 29 kennzeichnen die Punkte 46, 47, 48 der Bereiche 37, 38, 39 den Verdichtungsbeginn und die Punkte 49, 50, 51 das Verdichtungsende der Kältemitteldämpfe. Der Punkt 52 auf der Grenzkurve 29 kennzeichnet den Kon densationsbeginn der Kältemitteldämpfe.

Der in Fig. 1 dargestellte Kälteerzeuger arbeitet wie folgt:
Vor der Inbetriebnahme des Kältemittelerzeugers werden die gewünschte Endtemperatur des Kühlgutes sowie inner halb des durch die Art des verwendeten Kältemittels be stimmten Verdampfungstemperaturbereichs drei Verdampfungs stufen gewählt. Da die Verdampfungstemperatur des Kälte mittels für jede Stufe bekannt ist, ergibt sich ein ent sprechendes Druckintervall für diese Verdampfungs- bzw. Kühlstufe. Entsprechend der für jede Stufe eingestellten Druckdifferenz im Verdampfer werden elektrische Signale zum Öffnen oder Schließen des Impulsfördermittels 7 er zeugt und dem Impulsfördermittel 7 zugeführt. In jeder Stufe beträgt die eingestellte Druckdifferenz im Verdampfer 0,01 bis 0,05 MPa.

Das Impulsfördermittel 7 speist das flüssige Kältemittel impulsweise in den Verteiler 8, aus dem es auf die Rohre 18 gleichmäßig verteilt den Kanälen 14 der entsprechenden Wärmetauscherplatten 10 des Verdampfers 1 zugeführt wird. Infolge des niedrigen Drucks im Verdampfer beginnt das Kältemittel zu verdampfen, was einen Wärmeentzug aus dem Kühlgut bewirkt. Innerhalb der Grenzkurve 29 in Fig. 6 verdampft das Kältemittel in den Bereichen 37, 38, 39 zwischen den Punkten 40, 41, 42 für den Verdampfungsbe ginn bis zu den Punkten 43, 44, 45 für das Verdampfungs ende.

Sobald beim Abkühlen einer Flüssigkeit das Kühlgut eine Kühltemperatur von 5° oberhalb der Verdampfungstempera tur des Kältemittels oder beim Abkühlen eines festen Kühl guts dessen Kühltemperatur 8° über der für diese Stufe eingestellten Verdampfungstemperatur des Kältemittels erreicht hat, schalten die Temperaturgeber 15 der zuge hörigen Temperaturrelais 16 den Kühlvorgang von dem der ersten Kühlstufe entsprechenden Bereich 37 auf den der zweiten Kühlstufe entsprechenden Bereich 38 und von diesem auf den der dritten Kühlstufe entsprechenden Bereich 39 um, d. h. von einer Kühlstufe mit einem höheren Ver dampfungstemperaturbereich auf eine Kühlstufe mit einem niedrigeren Verdampfungstemperaturbereich.

Die Verdampfung des portionsweise bzw. impulsartig einge speisten flüssigen Kältemittels bewirkt jeweils einen Druckanstieg im Verdampfer 1. Auf den eingestellten oberen bzw. unteren Grenzwert dieses Druckanstiegs sprechen die Druckgeber 22 mit den zugehörigen Differenzdruckrelais 23 an. Aus dem Verdampfer 1 strömt ein zweiphasiges Kälte mittelgemisch in den Flüssigkeitsabscheider 2, aus dem die flüssige Kältemittelkomponente in das Saugrohr 11 des Verdampfers zurückgeführt wird. Die Kältemitteldämpfe strömen aus dem Flüssigkeitsabscheider 2 zum Kompressor 3. Die in diesem erfolgende Komprimierung beginnt im TS- Diagramm nach Fig. 6 in den Punkten 46, 47, 48 für die drei Bereiche 37, 38, 39. Die beim Komprimieren erwärmten Kältemitteldämpfe gelangen über den Ausdampfer 4 in den Kondensator. Im TS-Diagramm nach Fig. 6 erfolgt die Kom primierung des Kältemittels zwischen den Punkten 46, 47, 48 und den Punkten 49, 50, 51 für die den Kühlstufen ent sprechenden Bereiche 37, 38, 39. Im Ausdampfer 4 werden die erwärmten Kältemitteldämpfe durch Verdampfen des aus dem Flüssigkeitsabscheider 2 periodisch abgezogenen flüssi gen Kältemittels gekühlt. Dieser periodische Abzug des flüssigen Kältemittels über das Rohr 24 erfolgt auf ein Signal des dem Temperaturgeber 25 zugeordneten Temperatur relais 25. Der Kondensator 5 führt die Wärme der Kälte mittel in die Umgebungsluft ab, wobei das Kältemittel aus dem Trockendampfzustand der Punkte 49, 50, 51 im TS- Diagramm nach Fig. 6 in den Sattdampfzustand des Punktes 52 für den Kondensationsbeginn übergeht. Aus dem Konden sator 5 fließt das gekühlte Kältemittel in den Druckbe hälter 6 (im TS-Diagramm ist dieser Übergangszustand des flüssigen Kältemittels durch die Punkte 31, 33, 35 auf der Grenzkurve 29 zu den Punkten 32, 34, 36 gekennzeichnet).

Bei geringer Wärmebelastung des Verdampfers 1 wird das flüssige Kältemittel im Druckbehälter 6 gespeichert. Bei maximaler Wärmebelastung des Verdampfers werden größere Mengen des flüssigen Kältemittels über den Impulsförderer 7 und den Verteiler 8 in den Verdampfer 1 eingespeist.

Claims

1. Verfahren zur Kälteerzeugung für die mehrstufige Kühlung von Produkten, bei welchem im geschlossenen Kreislauf
ein flüssiges Kältemittel entspannt und in mehreren Teilströmen aufgeteilt verdampft wird,
das nach dem Verdampfen noch vorhandene zweiphasige Kältemittelgemisch in einem Flüssigkeitsabscheider getrennt wird,
der Kältemitteldampf komprimiert und durch Abkühlung kondensiert wird und
das abgekühlte Kältemittelkondensat in geregelter Menge dem Verdampfungsvorgang zugeführt wird,
dadurch gekennzeichnet,
daß das flüssige Kältemittel impulsartig in Portionen dem Verdampfer zugeführt wird,
daß das Kühlgut in mehreren aufeinanderfolgenden Kühl stufen bis auf seine gewünschte Endtemperatur abgekühlt wird,
daß in jeder Kühlstufe eine Druckdifferenz für den Verdampfungsdruck in Abhängigkeit von dem Temperatur intervall dieser Kühlstufe eingestellt wird, und
daß die Temperatur des Kühlguts erfaßt und bei Erreichen der für jede Kühlstufe vorgegebenen Endtemperatur der Kühlvorgang von einer Kühlstufe mit einem höheren Ver dampfungstemperaturbereich auf die folgende Kühlstufe mit einem niedrigeren Verdampfungstemperaturbereich umgeschaltet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Kühlung von Flüssigkeiten die Verdampfungs temperatur des flüssigen Kältemittels auf mindestens 5°C niedriger als die Endtemperatur der abzukühlenden Flüssigkeit eingestellt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei Kühlung von festem Kühlgut die Verdampfungs temperatur des Kältemittels in jeder Kühlstufe auf mindestens 8°C niedriger als die Endtemperatur des in dieser Kühlstufe abzukühlenden Kühlguts eingestellt wird.

4. Kählteerzeuger mit geschlossenem Kältemittelkreislauf zur mehrstufigen Kühlung von Produkten, bestehend
aus einem Kompressor zum Verdichten des Kältemittel dampfes,
aus einem Kondensator zum Abkühlen und Verflüssigen des Kältemitteldampfes,
aus einem den Durchsatz des flüssigen Kältemittels steuernden Entspannungsglied,
aus einem in einem Gehäuse angeordneten Verdampfer und
aus einem Flüssigkeitsabscheider, der über eine Rücklauf leitung mit dem Verdampfer verbunden ist und Regler für das dem Verdampfer vorgeschaltete Dosierelement aufweist, dadurch gekennzeichnet,
daß das Entspannungsglied ein Impulsfördermittel (7) ist, das durch ein elektrisches Signal öffnet und schließt,
daß an den Flüssigkeitsabscheider (2) mehrere Druckgeber (22) mit Druckdifferenz-Relais (23) angeschlossen sind,
die das elektrische Signal zum Öffnen und Schließen des Impulsförderers erzeugen, und
daß im Verdampfer (1) Temperaturgeber (15) sowie auf die Endtemperatur jeder Kühlstufe eingestellte Tempe raturrelais (16) angeordnet sind, die bei Erreichen der eingestellten Endtemperatur der jeweiligen Kühlstufe den Kühlvorgang auf die folgende Kühlstufe mit niedrigerem Verdampfungstemperaturbereich umschalten.

5. Kälteerzeuger nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Kondensator (5) und das Impulsförder mittel (7) ein Druckspeicher (6) eingeschaltet ist.

6. Kälteerzeuger nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß im Gehäuse des Verdampfers (1) mehrere von flüssigem Kältemittel durchströmte Kühlplatten angeordnet sind, die einströmseitig an einen gemeinsamen Kältemittel verteiler (8) und abströmseitig an ein gemeinsames Saugrohr (11) angeschlossen sind.

7. Kälteerzeuger nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Verteiler (8) ein zylindrischer Behälter ist, in dessen Mantel (17) winkelversetzte Anschlußstutzen (18) für die zu den einzelnen Kühlplatten (10) führenden Kältemittelleitungen angeordnet sind.