DE3609313C2 - - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Nutzung von
Verflüssigungswärme einer Kälteanlage mit einem ersten
und einem nachgeschalteten zweiten Wärmetauscher zum
Verflüssigen des Kältemittels, mit einem Sammelbehälter
für flüssiges Kältemittel nach dem zweiten Wärmetau
scher, einem Expansionsventil und einem Verdampfer, wo
bei in dem ersten Wärmetauscher mit Hilfe eines Wärme
träger-Kreislaufes einem Verbraucher die benötigte Wärme
zur Verfügung gestellt wird, insbesondere zur Anwendung
in einem Heizsystem, und wobei in dem zweiten Wärmetau
scher eine weitere Wärmeabfuhr mit Hilfe eines Kühlmit
tel-Kreislaufes erfolgt. Außerdem betrifft die Erfindung
eine Kälteanlage zur Durchführung des Verfahrens.
Bei aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannten Ver
fahren dieser Art wird zur Wärmerückgewinnung die Ver
flüssigungswärme des Kältemittelkreislaufes im ersten
Wärmetauscher an einen flüssigen Wärmeträger abgegeben,
der in einem Heizkreislauf zirkuliert. Zur Einhaltung
einer gleichbleibend hohen Wärmeträgervorlauftemperatur
wird der Wärmeträgerstrom durch Regelorgane eingeregelt.
Besteht kein Bedarf an Heizwärme bei gleichzeitigem Be
darf an Nutzkälte, so wird der zweite Wärmetauscher
selbsttätig durch ein Kühlmittel, z. B. Luft, beauf
schlagt und die Verflüssigungswärme an die Umgebung ab
gegeben. Dieser Betriebszustand dauert so lange, bis die
Wärmeabfuhr durch den ersten Wärmetauscher wieder in
Gang kommt.
Da die maximale Temperatur des Kühlmittels in der Regel
z. B. um mindestens 3 bis 10 K - im Winter noch viel mehr -
tiefer ist als die geforderte und eingeregelte Tempera
tur des Wärmeträgers, wird das Kältemittel im Falle des
reinen Kälteerzeugungsbetriebs bei niedrigeren Tempera
turen verflüssigt als beim Betrieb mit Rückgewinnung der
Verflüssigungswärme. Dies hat zur Folge, daß mit dem
Umschalten vom reinen Kälteerzeugungsbetrieb auf Betrieb
mit Wärmerückgewinnung die Kälteleistung der Kälteanlage
geringer wird, und zwar um so mehr, je größer die Diffe
renz zwischen Wärmeträgertemperatur und Kühlmittel
temperatur ist. Dies ist für Kälteanlagen, die ja in
erster Linie zur Erzeugung von Nutzkälte dienen, ungün
stig und bekannterweise nur durch eine kostenaufwendige
Überdimensionierung des Verdichters zu beheben.
Aus der DE-OS 27 45 938 ist ein Verfahren zur Nutzung
der Verflüssigungswärme einer Kälteanlage bekannt gewor
den, in der zwei hintereinandergeschaltete Wärmetau
scher und ein Sammelbehälter angeordnet sind. Die Rege
lung des Wärmeträgers im ersten Wärmetauscher erfolgt
über einen Temperaturfühler, der einen Thermostaten be
tätigt.
Aus der US-PS 40 68 494 ist bekannt, zur Verminderung
der Kälteleistung bei gleichzeitiger Nutzung der Ver
flüssigerwärme einen Kältemittelsammler vorzusehen; da
bei ist ein Steuerventil nach dem Verflüssiger vorgese
hen, mit dem das Flüssigkeitsniveau bzw. die wirksame
Wärmetauscherfläche im Kondensator verändert wird.
In beiden Fällen allerdings besteht das Problem, daß
beim Betrieb mit Rückgewinnung der Verflüssigungswärme
eine Minderung der Kälteleistung gegenüber dem Betrieb
ohne oder nur mit verminderter Rückgewinnung stattfinden
kann.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, das Ver
fahren der eingangs genannten Art so weiterzubilden, daß
beim Betrieb mit Rückgewinnung der Verflüssigungswärme
keine Minderung der Kälteleistung gegenüber dem Betrieb
ohne oder mit nur verminderter Rückgewinnung stattfin
det. Gleichzeitig soll hiermit eine einfache Regelung
der Wärmeträgertemperatur verbunden sein. Schließlich
soll eine Kälteanlage zur Durchführung des Verfahrens
geschaffen werden, die einen kostengünstigen Aufbau mit siche
rer Betriebsweise verbindet.
Die Lösung dieser Aufgabe besteht beim eingangs genann
ten Verfahren erfindungsgemäß darin, daß der Öffnungs
querschnitt eines zwischen dem zweiten Wärmetauscher und
dem Sammelbehälter angeordneten Durchfluß-Steuerventils
bei steigender Temperatur des Wärmeträgers vergrößert
wird und daß das Niveau des flüssigen Kältemittels im
zweiten Wärmetauscher und damit dessen wirksame Wärme
tauschfläche in Abhängigkeit des Öffnungsgrades des
Steuerventils verändert wird.
Es wird also die zur Verflüssigung dienende Wärmetausch
fläche des zweiten Wärmetauschers durch eine Kältemit
telniveauregelung verändert, so daß der erste Wärmetau
scher (Heizverflüssiger) dementsprechend mehr oder weni
ger die Verflüssigung des Kältemittels übernehmen muß.
Dies bedeutet eine Regelung der im ersten Wärmetauscher
rückgewonnenen und durch den Wärmeträger abgeführten
Wärmeleistung in Abhängigkeit von der Wärmeträgertempe
ratur. Da gleichzeitig der zweite Wärmetauscher während
der Laufzeit des Verdichters dauernd oder doch zumindest
fast dauernd vom Kühlmittel beaufschlagt wird, ergibt
sich folgender wesentlicher Vorteil. Das Kältemittel
steht vor seinem Fluß zum Entspannungsorgan immer im
Wärmetausch mit dem Kühlmittel, wodurch in einem Grenz
falle (keine Wärmerückgewinnung) der erste Wärmetauscher
funktionslos ist, und die Verflüssigung im zweiten Wär
metauscher bei einer Temperatur erfolgt, die durch die
Kühlmitteltemperatur bestimmt ist und die tiefer liegt
als die Verflüssigungstemperatur bei Wärmerückgewinnung.
Im anderen Grenzfalle (Wärmerückgewinnung) wird eine
Unterkühlung des im ersten Wärmetauscher bei erhöhter
Temperatur verflüssigten Kältemittels auf eine Unterküh
lungstemperatur erreicht, die ebenfalls durch die Kühl
mitteltemperatur bestimmt ist und die deutlich unter der
Verflüssigungstemperatur des ersten Wärmetauschers
liegt. Bei teilweiser Wärmerückgewinnung treten die bei
den genannten Betriebsweisen gemischt auf. Das dem Ent
spannungsorgan zuströmende Kältemittel hat somit in al
len Betriebsweisen der Kälteanlage weitgehend gleichen
vom Kühlmittel aufgeprägten Zustand (Enthalpie), so daß
die Kälteleistung der Anlage von einem Wechsel der Be
triebsweisen weitgehend unberührt bleibt.
Als Kühlmittel kommt Wasser in Frage, das in einem über
einen Kühlturm geführten Kreislauf zirkuliert oder das
einem Wasserversorgungsnetz, einem Brunnen oder einem
Gewässer entnommen wird und nach Wärmeaufnahme an die
Umgebung abgeführt wird. Ebenso vorteilhaft ist es, Außen
luft als Kühlmittel zu verwenden.
Insgesamt gesehen wird durch das erfindungsgemäße Ver
fahren sowohl dem Wärmerückgewinnungsbetrieb als auch
dem Kältebetrieb voll Rechnung getragen, in dem eine
einfache Regelung der Leistung bzw. Temperatur der rück
gewonnenen Wärme mit der Ausschaltung von Einflüssen der
verschiedenen Betriebsweisen auf die Kälteleistung ver
eint wurde.
Um eine ausreichende Unterkühlung bzw. Verflüssigung des
Kältemittels sicherzustellen, ist es vorteilhaft, wenn
der zweite Wärmetauscher für die Abfuhr der gesamten
Verflüssigungswärme ausgelegt ist. Auch ist es empfeh
lenswert, die Kühlmittelbeaufschlagung bei intermittie
rendem Betrieb des Verdichters über die Laufzeit des
Verdichters hinaus auszudehnen, vorteilhaft um 1 bis 3
Minuten.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung kann zur Steue
rung des Durchfluß-Steuerventils der Kältemitteldruck im
ersten Wärmetauscher verändert werden.
Eine Kälteanlage, die in bevorzugter Weise zur Durchfüh
rung des Verfahrens verwendet werden kann, ist dadurch
gekennzeichnet, daß der erste Wärmetauscher höher als
der zweite Wärmetauscher angeordnet ist und kältemittel
seitig eine mit Gefälle verlaufende Verbindung zum zwei
ten Wärmetauscher aufweist.
Mittels des Durchfluß-Steuerventils wird die Beeinflus
sung des Kältemittelstandes im zweiten Wärmetauscher und
somit eine einfache Ausschaltung bzw. Freigabe von Wärme
tauschfläche durch mehr oder minder starkes Drosseln
des Kältemittelabflusses auf sehr kostengünstige Weise
erreicht, während die angegebenen Möglichkeiten zur
Kühlmittelbeaufschlagung des zweiten Wärmetauschers eine
leichte Anpassung an vorgegebene Betriebsmöglichkeiten
gestatten. Hierbei ist es besonders günstig, daß mit
einer Verringerung der für die Verflüssigung vorgesehe
nen Wärmetauschfläche des zweiten Wärmetauschers zwangs
läufig eine Vergrößerung der für die Kältemittelunter
kühlung einsetzbaren Heizfläche des zweiten Wärmetauschers
erfolgt.
Eine weitere vorteilhafte Verbesserung der erfindungs
gemäßen Kälteanlage kann dahin gehen, daß das Steuerventil
der Kältemittelsammler einen freien Gasraum besitzt,
welcher unter Zwischenschaltung eines Differenzdruckven
tils mit dem Innenraum des ersten Wärmetauschers verbun
den ist.
Anhand der Zeichnung, in der zwei Ausführungsbeispiele
einer erfindungsgemäßen Kälteanlage dargestellt sind,
sollen die Erfindung sowie weitere vorteilhafte Aus
gestaltungen und Verbesserungen der Erfindung näher er
läutert und beschrieben werden.
Hierbei zeigt:
Fig. 1 das Schaltbild einer Kälteanlage mit Wärme
rückgewinnung, die zur Durchführung des erfin
dungsgemäßen Verfahrens geeignet ist und
Fig. 2 eine Ausführungsvariante des Gegenstands der
Fig. 1.
In den einzelnen Figuren wiederkehrende gleiche Einzel
teile sind nur insoweit mit Bezugszeichen versehen, als
dies für das Verständnis erforderlich ist.
Die Kälteanlage gemäß Fig. 1 weist einen Kältemittel
kreislauf 10 auf, der, in Strömungsrichtung des Kälte
mittels gesehen, folgende Bauteile enthält: einen Ver
dichter 12, den ersten Wärmetauscher 14, der als Heiz
verflüssiger dient, den zweiten Wärmetauscher 16, der
als Zusatzverflüssiger und/oder Unterkühler eingesetzt
ist, ein Entspannungsorgan 18, z. B. in Form eines Expan
sionsventils, sowie einen Verdampfer 20, der die Nutz
kälte z. B. an einen Kühlraum abgibt. An die wärme
abgebende Seite des ersten Wärmetauschers 14, der vor
zugsweise aus einem Röhrenkesselverflüssiger besteht,
ist ein Heizkreislauf 22 angeschlossen, in dem ein flüs
siger Wärmeträger, vorzugsweise Wasser, zirkuliert. Der
Heizkreislauf enthält eine Wärmeträgervorlaufleitung 24
mit eingefügter Umwälzpumpe 26, die zu einem oder mehre
ren Wärmeverbrauchern 28 führt. Eine Wärmeträger
rücklaufleitung 30 führt vom Wärmeverbraucher 28 zum
ersten Wärmetauscher 14 zurück, so daß der Heizkreislauf
geschlossen ist. Die Wärmeverbraucher können Bestandteil
z. B. einer Heizungsanlage und/oder Brauchwasserberei
tungsanlage sein.
Der zweite Wärmetauscher 16, der vorzugsweise als Röh
renkesselverflüssiger ausgebildet ist, liegt tiefer als
der erste Wärmetauscher 14, so daß die kältemittelsei
tige Verbindung 32, z. B. in Form einer Rohrleitung, mit
Gefälle vom unteren Ausgang des ersten Wärmetauschers 14
zum oberen Eingang des zweiten Wärmetauschers 16 ver
läuft. Die wärmeabgebende Seite des zweiten Wärmetau
schers 16 ist Bestandteil eines Kühlmittelkreis
laufs 34, der eine Vorlaufleitung 36 aufweist, die zu
einem Außenluftwärmetauscher 38 führt. Dieser ist vor
zugsweise als Kühlturm ausgebildet, wobei die Vorlauf
leitung 36 zu den Sprühdüsen des Kühlturmes führt. Für
die Rückführung des abgekühlten Kühlmittels dient die
Rücklaufleitung 40 mit eingefügter Zirkulationspumpe 42.
Das im Kühlmittelkreislauf 34 enthaltene Kühlmittel ist
flüssig, es besteht vorzugsweise aus Wasser.
In der Rohrleitung 44, die kältemittelseitig den unteren
Bereich (Ausgang) des zweiten Wärmetauschers 16 mit dem
Entspannungsorgan 18 verbindet, ist in der Nähe des
zweiten Wärmetauschers 16 das Durchflußregelorgan 46
eingefügt, das als thermostatisches Regelventil ausge
bildet ist. Das Durchflußregelorgan 46 ist durch eine
gestrichelt angedeutete Wirkleitung 48 mit dem Tempera
turfühler 50 verbunden, der in der Nähe des ersten Wär
metauschers 14 in der Wärmeträgervorlaufleitung 24 ange
ordnet ist. Der Temperaturfühler 50 wirkt derart auf das
Durchflußregelorgan 46 ein, daß bei ansteigender Tempe
ratur des Wärmeträgers der Durchflußquerschnitt des
Durchflußregelorgans größer, bei fallender Temperatur
dagegen kleiner und gegebenenfalls ganz abgesperrt wird.
Stromabwärts des Durchflußregelorgans 46 ist die Rohr
leitung 44 an den unteren, flüssiges Kältemittel führen
den Bereich des Kältemittelsammlers 52 angeschlossen,
der aus einem liegenden, zylindrischen Behälter besteht.
Der oberhalb des flüssigen Kältemittels 54 sich befin
dende freie Raum 56 ist oben durch eine Verbindungslei
tung 58 mit eingefügtem Differenzdruckventil 60 mit dem
gasförmiges Kältemittel führenden Innenraum, (also mit
dem oberen Endbereich des Innenraums), des ersten Wärme
tauschers 14 verbunden. Das Differenzdruckventil 60 be
wirkt, daß im freien Raum 56 ein niedrigerer Druck als
im Innenraum des ersten Wärmetauschers 14 herrscht.
Hierzu läßt das Differenzdruckventil gasförmiges Kälte
mittel nur in Richtung zum freien Raum 56 durchtreten,
wobei das Differenzdruckventil durch selbsttätiges Ver
ändern seines Durchflußquerschnitts im freien Raum 56
einen gegenüber dem Wärmetauscher 14 um vorzugsweise 1
bis 2 bar geringeren Druck aufrechterhält.
Während des Betriebs der Anlage ist der Verdichter 12,
der vorzugsweise als Verdrängungsverdichter ausgebildet
ist, die Umwälzpumpe 26, die Zirkulationspumpe 42 sowie
erforderlichenfalls der Lüfter 62 des Außenluftwärmetau
schers 38 in Funktion, wobei in vorliegender Erfindung
in jedem Fall davon ausgegangen wird, daß die gewünschte
Wärmeträgertemperatur höher ist als die Kühlmitteltempe
ratur, die im vorliegenden Beispiel vom Zustand der Auß
enluft (Temperatur, Feuchte) abhängt. Weiter wird ange
nommen, daß die Wärmeträgertemperatur beispielsweise 60°
Celsius betragen soll, während die Wärmeträgerrück
lauftemperatur üblicherweise um 3 bis 10 k niedriger
liegt. Der im Heizkreislauf 22 zirkulierende Wärmeträ
gerstrom ist wie üblich weitgehend konstant. Der im
Kühlmittelkreislauf 34 umlaufende Wasserstrom
ist ebenfalls weitgehend konstant, er führt die im zwei
ten Wärmetauscher 16 aufgenommene Wärme über den als
Außenluftwärmetauscher 38 dienenden Kühlturm in bekannter
Weise ab. Die in der Kälteanlage in bekannter Weise er
zeugte Nutzkälte wird vom Verdampfer, die Verflüssi
gungswärme von den Wärmetauschern abgegeben.
Besteht jetzt am Wärmeverbraucher 28 kein oder nur ge
ringer Wärmebedarf, weil z. B. ein als Wärmeverbraucher
dienender Warmwasserspeicher aufgeladen ist, so macht
sich dies durch einen Anstieg der Wärmeträgervorlauf
temperatur bemerkbar. Dieser Temperaturanstieg wird vom
Temperaturfühler 50 erfaßt, der das Durchflußregelorgan
46 über die Wirkleitung 48 weiter oder ganz öffnet, so
daß eventuell im zweiten Wärmetauscher 16 vorhandenes
Kältemittelkondensat rasch zum Kältemittelsammler 52
abfließen kann, und daher die Wärmetauschfläche des
zweiten Wärmetauschers 16 weitgehend freigegeben ist. Da
wegen der fehlenden Wärmeabnahme des Wärmeverbrauchers
28 im ersten Wärmetauscher 14 keine oder nur eine geringe
Verflüssigung des vom Verdichter 12 zugeführten Kälte
mitteldampfes erfolgen kann, wird der erste Wärmetau
scher 14 vom dampfförmigen Kältemittel durchströmt, und
es übernimmt jetzt der zweite Wärmetauscher 16 die Ver
flüssigung des gesamten zugeführten Kältemitteldampfes
unter Abfuhr der Verflüssigungswärme über den Wärmeträ
gerzwischenkreislauf 34 und den Außenluftwärmetauscher
38 an die Umgebungsluft, die im vorliegenden Beispiel
eine Temperatur von 10°Celsius aufweisen soll. In die
ser Betriebsweise bestimmt der Zustand der Umgebungsluft
den Verflüssigungsdruck. Hierbei ist zu bemerken, daß
der zweite Wärmetauscher 16 ebenso wie der erste Wärme
tauscher 14 für die Abfuhr der gesamten Verflüssigungs
wärme der Kälteanlage dimensioniert sein muß.
Steigt jetzt der Wärmebedarf der Wärmeverbraucher 28 auf
ein Maximum an, so macht sich dies durch einen Abfall
der Wärmeträgervorlauftemperatur bemerkbar, mit der Fol
ge, daß der Temperaturfühler 50 über die Wirkleitung 48
eine Drosselung des Durchflußquerschnittes des Durch
flußregelorgans 46 veranlaßt. Hierdurch wird der Abfluß
des verflüssigten Kältemittels aus dem zweiten Wärme
tauscher 16 eingeschränkt oder gegebenenfalls zeitweise
völlig unterbunden, das Niveau des Kältemittelkondensats
64 steigt infolge des aus dem ersten Wärmetauscher zu
fließenden Kältemittelkondensats rasch an und verdeckt
die für die Verflüssigung des Kältemitteldampfes vorge
sehene Wärmetauschfläche, gegebenenfalls auf ein Mini
mum, so daß vom zweiten Wärmetauscher 16 keine oder
höchstens geringe Verflüssigungswärme über den Wärmeträ
gerkreislauf 34 an die Umgebungsluft abgegeben
wird. Während dieser Betriebsperiode strömt flüssiges
Kältemittel unter dem Druck des freien Raumes 56 aus dem
Kältemittelsammler 52 zum Entspannungsorgan 18, so daß
ein einwandfreier Betrieb sichergestellt ist. Da die
Verflüssigungs-Wärmetauschfläche des zweiten Wärme
tauschers 16 in der vorliegenden Betriebsweise ausge
schaltet ist, wird jetzt die gesamte Verflüssigungswärme
der Kälteanlage im ersten Wärmetauscher 14 an den Heiz
kreislauf 22 abgegeben und im Wärmeverbraucher 28 nutz
bar gemacht. Der Verflüssigungsdruck im ersten Wärmetau
scher 14 wird von der Vorlauftemperatur des Wärmeträger
kreislaufes 24, die im vorliegenden Beispiel 60°Celsius
beträgt, bestimmt.
Da die Wärmeträgervorlauftemperatur mit 60°Celsius und
somit die Verflüssigungstemperatur bzw. der Verflüssi
gungsdruck jetzt wesentlich höher ist als der Verflüssi
gungsdruck bzw. die Verflüssigungstemperatur bei der
erstbeschriebenen Betriebsweise der Anlage, bei der die
Verflüssigung im zweiten Wärmetauscher 16 unter dem Ein
fluß der Umgebungslufttemperatur von 10°Celsius erfolg
te, wäre mit dem Übergang von der erstbeschriebenen auf
die zweitbeschriebene Betriebsweise der Kälteanlage eine
wesentliche Verminderung der vom Verdampfer 20 abgegebe
nen Kälteleistung verbunden, wenn nicht folgende Maß
nahme vorgesehen wäre. Es bleibt nämlich jetzt der Kühl
mittelkreislauf 34 und der Außenluftwärmetau
scher 38 voll oder zumindest der Leistung der Kälteanla
ge entsprechend in Betrieb, so daß das unten aus dem
ersten Wärmetauscher 14 durch die Verbindung 32 in den
zweiten Wärmetauscher 16 oben einfließende Kältemittel
kondensat zusammen mit dem dort angestauten Kältemittel
kondensat 64 im zweiten Wärmetauscher 16 auf eine durch
die Umgebungsluft bestimmte Temperatur unterkühlt wird,
wobei die gesamte Wärmetauschfläche des zweiten Wärme
tauschers 16 zur Unterkühlung eingesetzt ist. In diesem
unterkühlten Zustand strömt dann das flüssige Kältemit
tel in entsprechendem Maße durch das Durchflußregelorgan
46 dem Kältemittelsammler 52, dem Drosselorgan 18 und
dem daran angeschlossenen Verdampfer 20 zu. Durch die
Unterkühlung des Kältemittels ist die Kälteleistung des
Verdampfers 20 gegenüber dem erstbeschriebenen Betrieb
nicht oder kaum vermindert, so daß die Kälteanlage beim
Wechsel der vorbeschriebenen Betriebsweisen kaum Einbuße
an Kälteleistung erfährt. Es ist daher auch keine Über
dimensionierung der Kältemittelanlage erforderlich, wie
sie bei herkömmlichen Anlagen zum Ausgleich der Kälte
minderleistung beim Wechsel der Betriebsarten erforder
lich ist. Selbstverständlich muß dafür Sorge getragen
werden, daß kein kondensiertes Kältemittel durch die
Verbindungsleitung 58 vom ersten Wärmetauscher 14 zum
Kältemittelsammelbehälter 52 fließen kann. Auch ist zu
beachten, daß zur Vermeidung von Betriebsstörungen gege
benenfalls ein gewisser, wenn auch geringer Durchfluß
durch das Durchflußregelorgan gewährleistet sein sollte.
Durch die Niveauregelung des Kältemittelkondensats im
zweiten Wärmetauscher 16 wird nicht nur eine Minderung
der Kälteleistung bei Betriebsartwechsel der Anlage ver
mieden, sondern auch auf einfache Weise eine Wärme
trägervorlauftemperaturregelung des Heizkreislaufs 22
erzielt. Denn je nachdem wie viel Wärmetauschfläche des
zweiten Wärmetauschers 16 durch das Kältemittelkondensat
64 abgedeckt ist, wird die Verflüssigung des Kältemit
tels mehr oder weniger in den ersten Wärmetauscher zur
Aufrechterhaltung der Nutzwärmeleistung bzw. der einge
stellten Wärmeträgervorlauftemperatur verlegt. Dies be
deutet, daß jedem Grad des Wärmebedarfs des Wärmever
brauchers 28 ein bestimmtes Niveau des Kältemittelkon
densates im zweiten Wärmetauscher 16 zugeordnet ist. So
ist zur Aufrechterhaltung der eingestellten Wärmeträger
vorlauftemperatur bei fehlender Wärmeabnahme des Wärme
verbrauchers 28 das Niveau des Kältemittelkondensats im
zweiten Wärmetauscher 16 derart eingeregelt, daß seine
gesamte Wärmetauschfläche zur Verflüssigung des Kälte
mitteldampfes freigegeben ist und keine Unterkühlungs
heizfläche vorhanden ist, wogegen bei voller Wärmeabnah
me des Wärmeverbrauchers 28 das Niveau des Kältemittel
kondensats 64 so hoch ist, daß die gesamte Wärmetausch
fläche des zweiten Wärmetauschers 16 für eine Verflüssi
gung des Kältemitteldampfes nicht mehr zur Verfügung
steht, sondern nur zur Unterkühlung des Kältemittelkon
densats eingesetzt ist. Bei mittlerem Wärmebedarf des
Kältemittelverbrauchers 28 wird sich ein mittleres Nive
au des Kältemittelkondensats einstellen, das zwischen
den beiden vorgenannten Extremwerten liegt. Bei vorste
henden Ausführungen ist unterstellt, daß die Arbeits
kennlinie des Durchflußregelorgans 46 zur Einstellung
der gewünschten Wärmeträgervorlauftemperatur während des
Betriebs verändert werden kann.
Soll gemäß einer Ausführungsvariante als Kühlmittel
Kühlwasser eingesetzt werden, so wird anstelle der Rück
laufleitung 40 eine Kühlwasserzuflußleitung und anstelle
der Vorlaufleitung 36 eine Kühlwasserabflußleitung an
den zweiten Wärmetauscher 16 angeschlossen. Durch die
Kühlwasserzuflußleitung wird Kühlwasser, das einem Ver
sorgungsnetz, einem Brunnen oder einem Gewässer entnom
men wurde, dem zweiten Wärmetauscher 16 zugeführt. Das
erwärmte Kühlwasser fließt durch die Kühlwasserabfluß
leitung ab und wird z. B. in die Kanalisation oder ein
Gewässer geleitet. Der Betrieb der Anlage läuft wie wei
ter oben beschrieben ab. Da Kühlwasser der vorgenannten
Art in der Regel wesentlich kälter ist, als der im Heiz
kreislauf zirkulierende Wärmeträger, treten die weiter
oben genannten Vorteile auch bei vorliegender Ausfüh
rungsvariante auf, die wegen ihrer Einfachheit in den
Zeichnungen nicht dargestellt ist.
Fig. 2 zeigt die vorbeschriebene Kälteanlage in einer
weiteren Ausführungsvariante. Ein wesentlicher Unter
schied besteht darin, daß der zweite Wärmetauscher 116
unmittelbar luftgekühlt ist und der Druck des Kältemit
tels im ersten Wärmetauscher 114 als Regelgröße erfaßt
wird. Wie weiter aus Fig. 2 ersichtlich, ist der zweite
Wärmetauscher 116 durch einen Ventilator 68 mit Außen
luft als Kühlmittel beaufschlagt. Zur Verbesserung der
Wärmeübertragung ist der zweite Wärmetauscher 116 kühl
mittelseitig mit Rippen 66 versehen. Nach der Wärmeauf
nahme strömt das Kühlmittel ins Freie ab.
Das Durchflußregelorgan 146 ist durch die Steuerleitung
148 mit dem Druckfühler 150 verbunden, der den entspre
chenden Zustand des gasförmigen Kältemittels im ersten
Wärmetauscher 114 erfaßt. Dieser Zustand ist abhängig
von der Temperatur des im Heizkreislauf 22 zirkulieren
den Wärmeträgers, er ist somit ein Abbild dieser Tempe
raturen. Der Fachmann erkennt leicht, daß die Kälteanla
ge gemäß Fig. 2 entsprechend jener gemäß Fig. 1 arbei
tet, so daß sich weitere Ausführungen hierüber erübri
gen.
Aus der vorangegangenen Beschreibung der Ausführungs
beispiele erkennt man leicht, daß durch die Niveaurege
lung des Kältemittelkondensats eine Temperaturregelung
des Wärmeträgers erzielt und gleichzeitig eine Verminde
rung der Kälteleistung beim Wechsel der Betriebsarten
vermieden wird.
Zusammenfassend kann gesagt werden:
Um bei einer Kälteanlage mit Rückgewinnung der Verflüs
sigungswärme einer Minderung der Kälteleistung beim Um
schalten von reinem Kälteerzeugungsbetrieb auf gleich
zeitigen Kälteerzeugungs- und Wärmerückgewinnungsbetrieb
zu begegnen, wird das anfallende Kältemittelkondensat
vor seiner Zufuhr zum Entspannungsorgan 18 unterkühlt.
Hierzu wird ein zweiter Wärmetauscher 16 eingesetzt, der
einem als Verflüssiger dienenden ersten Wärmetauscher 14
kältemittelseitig nachgeschaltet ist und der von einem
Kühlmittel beaufschlagt wird, dessen Temperatur wesent
lich niedriger ist als die Verflüssigungstemperatur im
ersten Wärmetauscher 14; 114. Die wirksame Wärmetausch
fläche des zweiten Wärmetauschers 16 wird hierbei durch
Anstau von Kältemittelkondensat in Abhängigkeit vom Tem
peraturniveau der rückgewonnenen Verflüssigungswärme an
den jeweiligen Betriebszustand angepaßt, wodurch gleich
zeitig eine einfache Regelung dieses Temperaturniveaus
erreicht wird.
Claims (5)
1. Verfahren zur Nutzung von Verflüssigungswärme
einer Kälteanlage, mit einem ersten und einem nach
geschalteten zweiten Wärmetauscher zum Verflüssigen des
Kältemittels, mit einem Sammelbehälter für flüssiges
Kältemittel nach dem zweiten Wärmetauscher, einem Expan
sionsventil und einem Verdampfer, wobei in dem ersten
Wärmetauscher mit Hilfe eines Wärmeträger-Kreislaufes
einem Verbraucher die benötigte Wärme zur Verfügung ge
stellt wird, insbesondere zur Anwendung in einem Heiz
system, und wobei in dem zweiten Wärmetauscher eine wei
tere Wärmeabfuhr mit Hilfe eines Kühlmittel-Kreislaufes
erfolt, dadurch gekennzeichnet, daß der Öffnungsquer
schnitt eines zwischen dem zweiten Wärmetauscher (16;
116) und dem Sammelbehälter (52) angeordneten Durch
fluß-Steuerventils (46; 146) bei steigender Temperatur
des Wärmeträgers vergrößert wird und daß das Niveau des
flüssigen Kältemittels im zweiten Wärmetauscher (16;
116) und damit dessen wirksame Wärmetauschfläche in Ab
hängigkeit des Öffnungsgrades des Steuerventils (46;
146) verändert wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich
net, daß der zweite Wärmetauscher (16; 116) für die Ab
fuhr der gesamten Verflüssigungswärme ausgelegt ist.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge
kennzeichnet, daß der Kältemitteldruck im ersten Wärme
tauscher (14; 114) zur Steuerung des Ventils (46) ver
ändert wird.
4. Kälteanlage zur Durchführung des Verfahrens nach
einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß
der erste Wärmetauscher (14; 114) höher als der zweite
Wärmetauscher (16; 116) angeordnet ist und kältemittel
seitig eine mit Gefälle verlaufende Verbindung (32) zum
zweiten Wärmetauscher (16; 116) aufweist.
5. Kälteanlage nach Anspruch 4, dadurch gekenn
zeichnet, daß das Steuerventil (46; 146) der Kältemit
telsammler (52) einen freien Gasraum (56) besitzt, wel
cher unter Zwischenschaltung eines Differenzdruckventils
(60) mit dem Innenraum des ersten Wärmetauschers (14;
114) verbunden ist.
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