DE3735808A1 - Waermerueckgewinnungs- und unterkuehlungsanlage sowie verfahren zum erzeugen von ganzjaehriger unterkuehlung in einer kaelteanlage - Google Patents
Waermerueckgewinnungs- und unterkuehlungsanlage sowie verfahren zum erzeugen von ganzjaehriger unterkuehlung in einer kaelteanlageInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich allgemein auf kommerzielle und
industrielle Kälteanlagen und betrifft insbesondere
Umkehrzykluskondensatoranordnungen für solche Kälteanlagen.
Der Kältefachmann kennt den jahreszeitlichen klimatischen
Einfluß auf große kommerzielle und industrielle Kälteanlagen
der beschriebenen Art. Die Hauptfunktion von solchen Anlagen
ist es, ganzjährig für eine wirksame Kühlung von Vorrichtungen
oder Einheiten zu sorgen, die durch die Anlagenverdampfer
gekühlt werden, und die wirksamste Kühlung wird erzielt, indem
deren Expansionsventilen unterkühltes flüssiges Kältemittel
zugeführt wird. Die Unterkühlung wird von Haus aus während des
Winters und während der Zwischenjahreszeiten erzielt, indem
herkömmliche Kondensatorflutung und/oder Mehrwegkondensatoren
zum Steuern oder Aufrechterhalten des
Mindestkompressorkopfdruckes, der für den gesamten
Anlagenbetrieb erforderlich ist, benutzt werden, wie es in der
US-PS 33 58 469 beschrieben ist. Diese Unterkühlung kann zu
beträchtlichen Energie- oder Leistungseinsparungen führen,
sofern sie nicht erzielt werden muß durch Ausgleichen der
Energieverwendung durch die Benutzung von herkömmlichen
mechanischen Unterkühlern in der Flüssigkeitsleitung zu den
Expansionsventilen, um Spülgas aufgrund der
Flüssigkeitsleitungsdruckverminderung während des Abtauens mit
Gas zu verhindern, wie es in der US-PS 31 50 498 beschrieben
ist. Die Vorteile der Flüssigkältemittelunterkühlung bei
effizientem betrieb der Anlagenkompressoren und -verdampfer
sowie die potentiellen Leistungseinsparungen, die dadurch
erzielt werden, sind bekannt. Bislang ist jedoch das
Installieren von herkömmlichen mechanischen Unterkühlern für
die Verwendung während des Sommerbetriebes die Hauptlösung für
einen effizienten Anlagenkühlbetrieb während heißen Wetters
geblieben.
Das Arbeiten mit Wärmerückgewinnung ist ebenfalls bekannt und
kann zu beträchtlichen Energie- oder Leistungseinsparungen
während des Winters und der Zwischenjahreszeiten führen, je
nach den relativen Kosten von elektrischer Kompressorleistung
und von Heizbrennstoff. Wenn der Kompressorkopfdruck erhöht
wird, gibt es ein höheres Wärmerückgewinnungspotential, aber
bei einem höheren Energieverbrauch durch die Kompressoren, wie
es in der US-PS 45 22 037 beschrieben ist.
Eine Kälteanlage, die mit der Erfindung versehen ist, hat eine
Wärmerückgewinnungsschlange mit einer ersten
Ventileinrichtung, welche in einer
Wärmerückgewinnungsbetriebsart während des Winterbetriebes die
Schlange wahlweise zwischen die Kompressor- und die
Kondensatoreinrichtung schaltet, und eine zweite
Ventileinrichtung, die in einer Unterkühlungsbetriebsart
während des Sommerbetriebes die Schlange wahlweise zwischen
die Kondensatoreinrichtung und ein Sammelgefäß der Anlage
schaltet. Die Erfindung beinhaltet weiter ein Verfahren zum
Durchführen eines Umkehrzyklusbetriebes der
Wärmerückgewinnungsschlange in ihren saisonalen
Wärmerückgewinnungs- und Unterkühlungsbetriebsarten.
Das Hauptziel der Erfindung ist also die Schaffung einer
Kälteanlage, welche ganzjährig für eine tiefe Unterkühlung des
flüssigen Kältemittels sorgt, ohne daß mechanische Unterkühler
benutzt werden.
Weiter soll durch die Erfindung für eine wirksamere
Luftkonditionierungsfeuchtigkeitssteuerung durch Rückerhitzung
während des Sommerbetriebes gesorgt werden.
Gemäß der Erfindung wird eine Wärmerückgewinnungsschlange in
einer Umkehrzyklus-Unterkühlungs- und fühlbaren
Rückerhitzungsbetriebsart zur Verbesserung des
Klimatisierungskomforts und zur Verbesserung der Kühlleistung
benutzt.
Schließlich wird gemäß der Erfindung ein Kompensationsfaktor
für die Kältemittelüberfüllmenge geschaffen, die typisch einem
Betrieb der Kompressoren mit niedrigem Kopfdruck und
volumetrischer Expansion während des Betriebes in der wärmeren
Jahreszeit zugeordnet ist.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden unter
Bezugnahme auf die Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigt
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer mit der
Erfindung versehenen Kälteanlage in der
Betriebsart bei gemäßigter Jahreszeit,
Fig. 2 eine schematische Darstellung für die
Sommerbetriebsart und
Fig. 3 eine schematische Darstellung für die
Winterbetriebsart.
Zu Erläuterungszwecken ist eine geschlossene Kälteanlage, die
mit der Erfindung versehen ist, als eine kommerzielle
Multiplexanlage dargestellt, die Doppel- oder
Zwillingsparallelkompressoren hat und in einem
Lebensmittelsupermarkt installiert ist, um mehrere gesonderte
Vorrichtungen zu betreiben, beispielsweise Kühltruhen und
Gefriertheken, es ist aber klar, daß eine solche Anlage auch
an andere kommerzielle oder industrielle Zwecke angepaßt
werden kann. Der Begriff "Oberseite" wird hier in
herkömmlichem Sinn verwendet und bedeutet den Teil der Anlage
von dem Kompressorauslaß bis zu den
Verdampferexpansionsventilen, und der Begriff "Unterseite"
bedeutet den Teil der Anlage von den Expansionsventilen bis
zur Kompressorsaugseite.
Gemäß Fig. 1 enthält die Kälteanlage zwei Kompressoren 10 und
11, die parallel geschaltet sind und jeweils eine Saug- oder
Niederdruckseite 12 haben, auf der sie mit einem vorbestimmten
Saugdruck arbeiten, und eine Auslaß- oder Hochdruckseite 13,
die mit einem gemeinsamen Auslaßsammler 14 verbunden ist, über
den heißes, komprimiertes, gasförmiges Kältemittel zum
Kondensieren abgegeben wird. Der Auslaßsammler 14 ist über ein
Umschaltventil 15 in einer Auslaßleitung 16 mit einem
Kondensator 17 verbunden, der geteilte Kühlschlangenabschnitte
18 und 19 hat und auf übliche Weise außen auf dem Dach R eines
Gebäudes befestigt ist. Der Kondensatorkühlschlangenabschnitt
18 ist mit der Kompressorauslaßleitung 16 durch eine
Einlaßzweigleitung 18 a und mit einer Kältemittelausflußleitung
20 durch eine Auslaßzweigleitung 18 b verbunden. Der
Kondensatorkühlschlangenabschnitt 19 ist mit der Auslaßleitung
16 durch eine Einlaßzweigleitung 19 a und mit der
Kältemittelauslaßleitung 20 durch eine Auslaßzweigleitung 19 b
verbunden. Das Kältemittel wird durch den Luftstrom, der durch
den Kondensator 17 hindurchgeht, auf seine
Kondensationstemperatur und seinen Kondensationsdruck
heruntergebracht, und die Auslaßleitung 20 wird über ein
Vierwegeumschaltventil 21 und eine Kondensatleitung 22 mit
einem Sammelgefäß 23 verbunden, das eine
Flüssigkältemittelquelle für den Betrieb der Anlage bildet.
Ein Flutventil 24 ist in der Kondensatleitung 22 auf übliche
Weise vorgesehen, um für variables Fluten des Kondensators zu
sorgen und die Kompressorkopfdrücke auf oder über einem
vorgewählten Minimum zu halten, beispielsweise während des
Winter- oder Kaltwetterbetriebes. Das Sammelgefäß 23, das ein
Auffang- oder Durchflußsammelgefäß sein kann, ist mit einer
Flüssigkeitssammelleitung 25 verbunden, die flüssiges
Kältemittel Flüssigkeitszweigleitungen 26 zuführt, welche zu
Verdampferschlangen 27, 28 und 29 führen, die verschiedenen
gekühlten Vorrichtungen (nicht dargestellt) zugeordnet sind
und für zahlreiche Verdampfer repräsentativ sind, welche an
die Kälteanlage angeschlossen sein können. Der Einlaß jedes
Verdampfers 27, 28, 29 wird durch ein Expansionsventil 30
gesteuert, das auf herkömmliche Weise das in die Verdampfer
eingeleitete Kältemittel dosiert. Die Auslässe der Verdampfer
sind über Saugzweigleitungen 31 mit einer saugseitigen
Sammelleitung 32 verbunden, die mit der Saugseite 12 der
Kompressoren 10 und 11 verbunden ist und über die
dampfförmiges Kältemittel aus den Verdampfern zu den
Kompressoren zurückgeleitet wird, um den grundlegenden
Kältekreislauf zu schließen. Die Verdampfer der zu kühlenden
Vorrichtungen können wahlweise abgetaut werden, was
üblicherweise periodisch erforderlich ist, und zwar durch
elektrisches Abtauen oder durch Abtauen mit Heißgas. Der
Aufbau und die Arbeitsweise der bis hierher beschriebenen
Anlage sind ausführlicher in den US-PS 34 27 819 und 45 22 037
beschrieben.
Gegenstand der Erfindung ist eine Wärmerückgewinnungsschlage
35, die wahlweise in die Kälteanlage geschaltet wird, um im
Umkehrzyklus in einer Winterwärmerückgewinnungsbetriebsart und
in einer Sommerunterkühlungs- und -wiedererhitzungsbetriebsart
zu arbeiten. Die Wärmerückgewinnungsschlange 35 ist in einer
Luftfördereinheit 36 angeordnet, welche in
Luftströmungsverbindung mit einem Gebäude- oder Lagerraum S
ist, der zu erwärmen oder zu kühlen ist. Die Luftfördereinheit
36, die aus der US-PS 45 02 292 bekannt ist, weist hier einen
Luftkanal 37 auf, der einen Lufteinlaß und in
Strömungsrichtung hintereinander angeordnete Komponenten hat,
nämlich einen Luftfilter 38, ein Gebläse 39, eine
Luftkonditionierschlange 40, welche Teil einer separaten
Klimaanlage oder Wärmepumpe (nicht dargestellt) ist, die
Wärmerückgewinnungsschlange 35 und einen zusätzlichen
Raumlufterhitzer 41.
Gemäß den Fig. 1 und 3 hat die Wärmerückgewinnungsschlange 35
Leitungsanschlüsse 42 und 43 auf entgegengesetzten Seiten, von
denen der erste Leitungsanschluß 42 über eine Leitung 44 mit
dem Umschaltventil 15 verbunden ist. Ein
Einfachrückschlagventil 45 in der Leitung 44 gestattet einen
Kältemitteldurchfluß nur von dem Ventil 15 zu der
Wärmerückgewinnungsschlange 35. Der zweite Leitungsanschluß 43
ist mit einer Leitung 46 verbunden, mit der über ein T-Stück
47 eine weitere Leitung 48 verbunden ist, die ihrerseits an
die Einlaßzweigleitung 19 a über ein weiteres T-Stück 49
angeschlossen ist, das zu dem
Kondensatorkühlschlangenabschnitt
Leitung 48 vorgesehenes Einfachrückschlagventil 50 beschränkt
den Kältemitteldurchfluß darin auf die Richtung allein zu dem
Kondensatorabschnitt 19 und verhindert einen Durchfluß in
umgekehrter Richtung. Ein Einfachrückschlagventil 51 ist
außerdem in der Zweigleitung 19 a stromaufwärts des T-Stücks 49
vorgesehen, um den Kältemitteldurchfluß in der Zweigleitung
19 a allein auf die Richtung zu dem Kondensatorabschnitt 19 zu
beschränken. Während des Winterbetriebes, wenn Wärme in dem
Lagerraum S erforderlich ist, wird das Umschaltventil 15 durch
einen Lagerraumthermostat 52 betätigt, der die Temperatur der
Raumluft abkühlt, so daß die Auslaßsammelleitung 14 mit der
Leitung 44 verbunden und heißes, komprimiertes Kältemittel
durch die Wärmerückgewinnungsschlange 35 geleitet wird, um die
dem Raum zugeführte Luft zu erhitzen, welche durch den
Ventilator 39 durch die Luftfördereinheit 36 hindurchgeleitet
wird. Die Temperatur des Kältemittels wird auf einen Punkt
unmittelbar oberhalb der Sättigung erniedrigt, und das
Kältemittel strömt dann durch die Leitungen 46, 48 und 19 a zu
dem Kondensatorabschnitt 19, in welchem das Kältemittel
vollständig kondensiert wird und eine tiefe Unterkühlung von
Haus aus im Winterbetrieb erzielt wird. Unterkühltes
Kältemittelkondensat strömt aus dem Kondensatorabschnitt 19
durch die Leitungen 19 b und 20 zu dem zweiten Umschaltventil
21, das die Leitung 20 mit der Kondensatleitung 22 und dem
Sammelgefäß 23 während des Betriebes im Winter und bei
gemäßigtem Wetter verbindet. Die Auslaßzweigleitung 18 b des
Kondensatorabschnitts 18 enthält ein Einfachrückschlagventil
53 zum Verhindern des Zurückfließens von kondensiertem
Kältemittel in diesen Abschnitt während des Winterbetriebes.
Die Einfach- oder Einwegrückschlagventile 45, 51 und 53 können
einen bekannten, herkömmlichen Aufbau haben und entweder ein
Pendelsperrelement (nicht dargestellt) aufweisen, das durch
Schwerkraft normalerweise schließt, oder ein federbelastetes
Element (nicht dargestellt), das unter einer Federdruckkraft
vernachlässigbarer Größe normalerweise geschlossen ist, wobei
jedes derartige Element unter dem Kältemittelströmungsdruck
nur in einer Richtung öffnet. Das Rückschlagventil 50 ist
vorzugsweise ein federbelastetes Rückschlagventil, wobei die
Federkraft etwa 0,014-0,034 MPa (2-5 ψ) beträgt, und wird
im Sommerbetrieb durch die zusätzliche Kraft des oberseitigen
Druckabfalls mit einer Größe von 0,14-0,7 bar (2-10 ψ) an
dem Kondensatorabschnitt 19 normalerweise geschlossen
gehalten. Das Rückschlagventil 50 ist in der Lage, im
Sommerbetrieb unter ungewöhnlichen Kältemittelpumpbedingungen
in pendelnden Kompressoren od. dgl. zu öffnen, um einen
hydrostatischen Zustand des Kältemittels zu beseitigen, der
sich in der Schlange 35 entwickelt, und für Druckausgleich zu
sorgen, um Schlagen oder Klopfen zu verhindern.
Es ist klar, daß die Kältemittelkondensation mit kleinerer
Kondensatoroberfläche bei kaltem Wetter leicht erzielt wird,
und daß der Kühlschlangenabschnitt 18 zu dieser Zeit von dem
Kältekreislauf isoliert werden kann, um die
Kondensationskapazität zu reduzieren. Das Flutventil 24 kann
bei extrem kaltem Wetter erforderlich sein, um den
Kondensatorabschnitt 19 rückzufluten und seine
Kondensationskapazität wirksam zu reduzieren, um minimalen
Kompressorkopfdruck aufrechtzuerhalten. Das Umschaltventil 15
ist so ausgebildet, daß es die Leitung 16 mit einer
Auslaßleitung 54 während der Wärmerückgewinnungsbetriebsart
verbindet, wenn die Kompressorauslaßseite mit der
Wärmerückgewinnungsschlange 35 verbunden ist. Die
Auslaßleitung 54 ist mit der Saugseite 12 eines der
Kompressoren 10, 11 oder mit der an diesen angeschlossenen
saugseitigen Sammelleitung 32 verbunden, und ein Kapillarrohr
55 gewährleistet, daß das Kältemittel, das aus dem
Kondensatorabschnitt 18 über die Leitung 16 abgelassen wird,
eine Phasenänderung in die Dampfphase erfährt, wenn es zur
Kompressorsaugseite geht. Auf diese Weise wird jegliches
restliche Kältemittel aus dem Kühlschlangenabschnitt 18
abgelassen, wodurch die Kältemittelüberfüllmenge reduziert
wird, die normalerweise in der Anlage für den
ganzjährigen Betrieb erforderlich ist, was im folgenden noch
näher erläutert ist.
Gemäß den Fig. 1 und 2 ist die Wärmerückgewinnungsschlange 35
im Sommerbetrieb umgekehrt in die Anlage geschaltet. Eine
Leitung 58 verbindet das T-Stück 47 (Leitungen 46, 48) mit
einer weiteren Öffnung des Umschaltventils 21, um einen
offenen Leitungsanschluß auf einer Seite der
Wärmerückgewinnungsschlange 35 zu schaffen, und die andere
Seite der Wärmerückgewinnungsschlange 35 hat eine weitere
Leitung 59, die sich zwischen der Leitung 44 auf der
stromabwärtigen Seite des Rückschlagventils 45 und einer
vierten Öffnung in dem Umschaltventil 21 erstreckt. Fig. 1
zeigt das Umschaltventil 21 in der Position für normalen
Betrieb bei gemäßigtem Wetter, bei dem der Kondensatausfluß
aus dem Kondensator 17 über die Leitung 20 direkt in die
Leitung 22 und das Sammelgefäß 23 abgeleitet wird. In der
Sommerbetriebsart, für die die Darstellung in Fig. 2 gilt, ist
das Umschaltventil 21 so eingestellt, daß es den
Kondensatausfluß aus der Leitung 20 in die Leitung 58 auf
einem umgekehrten Strömungsweg durch die
Wärmerückgewinnungsschlange 35 und zurück durch die Leitungen
44, 59 zu dem Umschaltventil 21 und von da aus zu der
Kondensatleitung 22 und dem Sammelgefäß 23 leitet. Eine
weitere Leitung 60, die zwischen der
Wärmerückgewinnungsschlange 35 und der saugseitigen
Sammelleitung 32 vorgesehen ist, dient zum Ablassen von
restlichem Kältemittel aus der Wärmerückgewinnungsschlange 35
während inaktiver Perioden (bei gemäßigtem Wetter). Die
Leitung 60 ist wie dargestellt mit der Leitung 59 verbunden
und wird durch ein normalerweise geschlossenes Magnetventil 61
gesteuert, obgleich die Leitung 60 an irgendeiner Stelle
angeschlossen sein kann, an der sich eine Gefälleströmung des
Kältemittels zu der Saugseite 12 der Kompressoreinrichtung 10,
11 ergibt. Es sei erneut angemerkt, daß die
Wärmerückgewinnungsschlange 35 das Kältemittel nicht
vollständig in den Sättigungszustand herunterbringt, so daß
das Kältemittel für den Wiedereintritt in die saugseitige
Sammelleitung 32 und die Rückkehr zu den Kompressoren ohne
stoßweises Fließen im wesentlichen in einer Dampfphase sein
wird.
Im Betrieb der Kälteanlage während gemäßigten klimatischen
Wetterbedingungen wie im Frühling und im Herbst wird das
Auslaßleitungsumschaltventil 15 die Kompressorsammelleitung 14
über die Leitung 16 mit beiden äußeren Kondensatorabschnitten
18 und 19 verbinden, und das Umschaltventil 21 wird die
Ausflußleitung 20 direkt mit der zu dem Sammelgefäß 23
führenden Kondensatleitung 22 verbinden. In dieser
Zwischensaisonbetriebsart ist die Wärmerückgewinnungsschlange
35 von dem Kältekreis durch die Umschaltventile 15 und 21 und
das Rückschlagventil 50 isoliert, und das Magnetventil 61 ist
geöffnet, um das Herauspumpen des Kältemittels aus der
Wärmerückgewinnungsschlange 35 über die Leitung 60 zur
Saugseite zu gestatten. Die Kondensationskapazität der
Kondensatorabschnitte 18 und 19 wird auf herkömmliche Weise
durch Pendelzonenkondensatorventilatoren (nicht dargestellt)
od.dgl. gesteuert, um Überhitzung zu beseitigen und das
Kältemittel auf eine unterkühlte flüssige Phase zu reduzieren.
Während des Kaltwetterbetriebes (Fig. 3), wenn der Lagerraum
S Wärme benötigt, wird der Thermostat 52 das Umschaltventil
15 so einstellen, daß es die Kompressorauslaßsammelleitung 14
mit der zu der Wärmerückgewinnungsschlange 35 führenden
Leitung 44 verbindet, wodurch die Auslaßleitung 16 abgetrennt
wird, die zu den Kondensatorzweigleitungen 18 a, 19 a führt. Die
Luftzirkulation durch die Luftfördereinheit 36 ruft einen
Wärmeaustausch in der Wärmerückgewinnungsschlange 35 auf
normale Weise hervor, wodurch Energie des überhitzten
Kältemittels (von 75% aufwärts) auf die umgewälzte Raumluft
übertragen und des Kältemittel so auf seinen Sättigungswert
abgekühlt wird. Das Kältemittel strömt dann durch die
Leitungen 46 und 48 und durch das Rückschlagventil 50 in den
Kondensatorabschnitt 19, um die endgültige Kondensation auf
eine unterkühlte flüssige Phase abzuschließen, und das
Kältemittelkondensat fließt dann durch die Leitung 20, das
Umschaltventil 21 und die Leitung 22 zu dem Sammelgefäß 23.
Der äußere Kondensator 17 bewirkt die Kältemittelabkühlung
oder -kondensation durch den durch ihn hindurchgehenden
Umgebungsluftstrom und ist gemäß
Entwurfseintrittslufttemperaturen und
-wärmeunterdrückungsbelastungen bemessen, um die
Sommererfordernisse zu erfüllen. Die Kondensationskapazität
des außen angebrachten Kondensators 17 überschreitet daher
stark die Winteranforderungen, und der geteilte Kondensator
18, 19 gestattet, eine Hälfte des außen angebrachten
Kondensators von dem Kältekreis abzutrennen. Tiefe
Kältemittelunterkühlung kann von Haus aus während des Winters
und während gemäßigter Wetterbedingungen erzielt werden, indem
die Kondensatorkapazität gesteuert wird, und Hauptziel ist es,
einen effizienten Kältebetrieb zu schaffen, indem ein
minimaler Kompressorkopfdruck aufrechterhalten wird,
beispielsweise durch Drosseln des Flutventils 24, um den
Kondensatorabschnitt 19 rückzufluten und dessen effektive
Wärmeaustauschfläche zu reduzieren.
Das Betriebsverfahren bei Sommerwetter ergibt das Potential
der Erfindung, bei der die Betriebsart mit umgekehrtem
Kältemitteldurchfluß durch die Wärmerückgewinnungsschlange 35
tiefe Unterkühlung und
Luftkonditionierungsfeuchtigkeitssteuerung durch
Wiedererhitzen bewirkt. In der Sommerunterkühlungsbetriebsart
(Fig. 2) ist das Umschaltventil 15 so eingestellt, daß das von
den Kompressoren abgegebene Kältemittel über die Leitung 16
beiden Kondensatorabschnitten 18 und 19 für maximale
Außenkondensationskapazität zugeführt wird, um die
Entwurfseintrittslufttemperaturen und
Wärmeunterdrückungsbelastungen zu decken. Das Umschaltventil
21 wird durch einen zweiten Thermostat 62, der auf die
Temperatur des Gebäuderaums S anspricht, betätigt, so daß es
die Kondensatleitung 20 mit den Leitungen 58, 46, verbindet
und Kältemittelkondensat in umgekehrtem Kreislauf durch die
Wärmerückgewinnungsschlange 35 und zurück durch die Leitung 59
leitet, von wo aus es über das Ventil 21 zur Kondensatleitung
22 und in das Sammelgefäß 23 gelangt. Das Umschaltventil 21
ist vorzugsweise ein langsam arbeitendes Ventil, damit das
ausfließende Kältemittelkondensat in der Leitung 20 in die
Leitung 58 und zu der Wärmerückgewinnungsschlange 35 gelangen
kann, ohne einen hydrostatischen Pumpzustand zu erzeugen, der
sonst aufgrund einer Kältemittelphasenänderung in den
stromabwärtigen Leitungen eine Schlag- oder Klopfwirkung
erzeugen könnte. Der außen angebrachte Kondensator 17 ist zwar
üblicherweise so bemessen, daß die normalen
Sommerkälteforderungen der Anlagenverdampfer 27, 28 und 29
erfüllt werden, es gibt jedoch wenig Unterkühlungswirkung,
wenn überhaupt, in dem Kältemittelkondensat in der
Flüssigkeitsleitung 25 in einer herkömmlichen Kälteanlage.
Gemäß der Erfindung ist aber die Wärmerückgewinnungsschlange
35 in dem stromabwärtigen Luftstrom der
Luftkonditionierschlange 38 in der Luftfördereinheit 36
angeordnet, so daß der Strom von kalter Versorgungsluft auf
der Schlange 38 durch die Wärmerückgewinnungsschlange 35 in
Wärmeaustauschbeziehung mit dem darin befindlichen
Kältemittelkondensat hindurchgeht. Die Beiträge durch das in
umgekehrtem Kreislauf durch die Schlange 35 hindurchgehende
Kältemittel und der mit diesem stattfindende Wärmeaustausch
der konditionierten Luft sind, daß (1) die Temperatur der
kalten konditionierten Luft durch Erwärmen oder
"Wiedererhitzen" um einige Grad auf einen höheren Wert
gebracht wird, so daß die Raumversorgungsluft nicht auf oder
nahe der Sättigung ist und die Raumluftentfeuchtung sowie
-kühlung gesteigert werden, und (2) das kondensierte flüssige
Kältemittel in der Wärmeaustauschschlange 35 wesentlich
unterkühlt wird, um die Leistung der Verdampfer 27, 28 und 29
zu verbessern. Kurz gesagt, die Sommerbetriebsart der
Wärmerückgewinnungsschlange 35, in der mit umgekehrtem
Kreislauf gearbeitet wird, sorgt sowohl für
Luftkonditionierungswiedererhitzung als auch für tiefe
Unterkühlung des Kältemittels, und zwar ohne die Verwendung
von separaten Wiedererhitzungs- oder mechanischen
Unterkühlervorrichtungen, wie sie gegenwärtig benutzt werden,
und diese Unterkühlung führt zu beträchtlichen
Kompressorenergiebedarf- und -leistungseinsparungen
Im Sommerbetrieb gibt es zwei Betriebsfaktoren, die
ausgeglichen werden müssen. Ein Grundfaktor ist es, für einen
Kältebetrieb mit gutem Wirkungsgrad zu sorgen, insbesondere
bei der Aufrechterhaltung der richtigen Temperaturen in
Lebensmittelkühltheken und -gefriertruhen, in denen frische
bzw. gefrorene Produkte für den Verbraucher bereitgehalten
werden, und es ist erwünscht, die relative Luftfeuchtigkeit
des Lagerraums niedrig zu halten, so daß die Verdampfer 27-29
der zu kühlenden Vorrichtungen längere Zeit mit einem Minimum
an Vereisung arbeiten können. Der zweite Faktor, der
heutzutage bei der Lebensmittellagerung im Handel besonders
wichtig ist, besteht darin, den Lagerraum S auf einer kühlen
Temperatur zu halten, die die Kunden als angenehm empfinden,
weshalb durch richtige Klimatisierung eine optimale
Temperatur/Feuchtigkeit-Komfortzone in dem Lagerraum S
geschaffen wird. Im Betrieb der Kälteanlage nach der Erfindung
wird die Komfortzone als überragender Faktor angesichts der
Tatsache betrachtet, daß die Kälteanlagenkomponenten so
bemessen sind, daß sie die richtigen Entwurfskälteforderungen
sogar ohne Sommertiefunterkühlung mit umgekehrtem Kreislauf
erfüllen. Deshalb betreibt die zweite Thermostatsteuerung 62
die Wärmerückgewinnungsschlange 35 ständig in ihrer
Unterkühlungs- und Wiedererhitzungsbetriebsart mit umgekehrtem
Kreislauf während des Sommers zu allen Zeiten, zu denen die
Klimaanlage 40 in Betrieb ist, ausgenommen dann, wenn in der
Komfortzone des Raums S vorbestimmte Werte überschritten werden,
beispielsweise eine Temperatur von 24°C und eine relative
Luftfeuchtigkeit von 50% oder eine Temperatur von 26°C und
eine relative Luftfeuchtigkeit von 25%. Wenn festgestellt
wird, daß die Lagerraumtemperatur über einem solchen Wert ist,
wird das Umschaltventil 21 umgeschaltet, um die
Wärmerückgewinnungsschlange 35 abzutrennen und das Unterkühlen
zu unterbrechen, damit die maximalen
Luftkonditioniertemperaturen erzielt werden (selbst auf Kosten
von höheren Werten der relativen Luftfeuchtigkeit), bis die
Komfortzone in dem Lagerraum S wieder auf eine vorgewählte
Temperatur gebracht worden ist, in welchem Zeitpunkt der
Unterkühlungskältemittelkreis wieder hergestellt wird.
Die Erfindung ist außerdem von Vorteil beim Reduzieren der
Kältemittelüberfüllungsmenge, die für den sich über das ganze
Jahr erstreckenden Kälteanlagenbetrieb erforderlich ist. Der
Zustand des Kältemittels verändert sich zwischen dem Sommer-
und dem Winterbetrieb in einer herkömmlichen Kälteanlage
beträchtlich. Im Sommer ist das Volumen des Kältemittels
beträchtlich größer, und zwar wegen der üblicherweise höheren
Kältemitteltemperaturen, die durch die höheren
Kompressorkopfdrücke erzeugt werden, und wegen der
Kältemittelkondensation, die nur die Entwurfsforderungen
erfüllt, mit dem Ergebnis, daß das Sammelgefäß 23
üblicherweise mit überschüssigem Kältemittel gefüllt ist.
Diese Überfüllungsmenge ist jedoch während des Winterbetriebes
erforderlich, bei dem ein dichterer unterkühlter
Kältemittelzustand auf natürliche Weise erzielt wird. Bei der
Erfindung kann diese Kältemittelentwurfsüberfüllmenge, die bis
zu etwa 113 kg oder 30% betragen kann, wesentlich reduziert
werden, beispielsweise um 40%, und zwar aufgrund der Reduktion
des außen angebrachten geteilten Kondensators (auf die Hälfte)
und des Ablassens in der Winterbetriebsart, und die
Verwendung der Wärmerückgewinnungsschlange 35, die für eine
tiefe Unterkühlung und eine Fest-Flüssig-Phase in der
Sommerbetriebsart sorgt, kann eine zusätzliche Reduktion von
10% der erforderlichen Überfüllmenge ergeben, wodurch
beträchtliche Senkungen der Kältemittelkosten erzielt werden.
Vorstehende Darlegungen zeigen, daß die angestrebten Ziele und
Vorteile der Erfindung vollständig erreicht worden sind. Die
Begriffe "Winter" und "Sommer" in bezug auf die
Umgebungstemperatur- oder klimatischen Wetterbedingungen sind
nicht saisonal begrenzt, sondern werden in breiterem Sinne
benutzt, um Zeitperioden anzugeben, in denen die Kälteanlage
in unterschiedlichen Betriebsarten arbeitet, wenn
Lagerraumerwärmung und -kühlung verlangt werden. Die
Verwendung von umgebungskompensierten Steuergeräten und
anderen Temperatur/Feuchtigkeit-Meßvorrichtungen statt der
Thermostaten 52 und 62 zum Steuern des Umschaltens der Ventile
15 und 21 ist möglich.
Claims (21)
1. Umkehrzyklus-Wärmerückgewinnungs- und Unterkühlungsanlage
in Kombination mit einer Kälteanlage, die eine
Kompressoreinrichtung (10, 11) mit einer Saug- und einer
Auslaßseite (12, 13) sowie einen Kondensator (17), ein
Sammelgefäß (23) und eine Verdampfereinrichtung (27, 28, 29)
hat, gekennzeichnet durch eine
Wärmrückgewinnungs- und Unterkühlungsschlange (35), durch
eine erste Einrichtung (15) zum wahlweisen Schalten der
Schlange (35) in Kältemittelströmungsrichtung in Reihe
zwischen die Auslaßseite (13) der Kompressoreinrichtung (10,
11) und den Kondensator (17) zur Wärmerückgewinnung in einer
Winterkühlbetriebsart der Kälteanlage, und durch eine zweite
Einrichtung (21) zum Schalten der Schlange (35) in
Kältemittelströmungsrichtung in Reihe zwischen den Kondensator
(17) und das Sammelgefäß (23) zum Unterkühlen von
Kältemittelkondensat in einer Sommerkühlbetriebsart.
2. Wärmerückgewinnungs- und Unterkühlungsanlage nach Anspruch
1, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Einrichtung ein
Umschaltventil (21) aufweist, das mit der
Kältemittelausgangsseite des Kondensators (17) verbunden ist
und eine erste Stellung hat, in der es die
Kondensatorausgangsseite mit der Wärmerückgewinnungs- und
Unterkühlungsschlange (35) in der Sommerkühlbetriebsart zum
Unterkühlen von Kältemittelkondensat verbindet, sowie eine
zweite Stellung, in der es die Ausgangsseite des Kondensators
(17) mit dem Sammelgefäß (23) in der Winterkühlbetriebsart und
in einer dritten Kühlbetriebsart während gemäßigten
klimatischen Bedingungen verbindet.
3. Wärmerückgewinnungs- und Unterkühlungsanlage nach Anspruch
1 oder 2, gekennzeichnet durch eine Luftfördereinheit (36),
die in der Lage ist, Raumluft in einem Gebäude jahreszeitlich
zu konditionieren, durch eine separate Klimaanlage,
deren Luftkonditionierschlange (40) in der
Luftfördereinheit (36) angeordnet ist und dazu dient, die
Raumluft während der Sommerkühlbetriebsart der Kälteanlage
zu kühlen, wobei die Wärmerückgewinnungs- und
Unterkühlungsschlange (35) in der Luftfördereinheit (36) in
Luftströmungsrichtung stromabwärts der
Luftkonditionierschlange (40) angeordnet und in
Wärmeaustausch mit der gekühlten Raumluft ist, um für eine
Wiedererwärmung dieser Raumluft zu sorgen und die
Unterkühlung des Kältemittelkondensats in der Kälteanlage
während der Sommerkühlbetriebsart derselben zu bewirken, wobei
die Wärmerückgewinnungs- und Unterkühlungsschlange (35) die
Raumluft in der Winterkühlbetriebsart der Kälteanlage
erwärmt, wenn die separate Klimaanlage außer Betrieb ist.
4. Wärmerückgewinnungs- und Unterkühlungsanlage nach Anspruch
1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Einrichtung ein
erstes Umschaltventil (15) auf der Auslaßseite (13) der
Kompressoreinrichtung (10, 11) aufweist und daß die zweite
Einrichtung ein zweites Umschaltventil (21) auf der
Kältemittelausgangsseite des Kondensators (10, 11) aufweist,
wobei das erste Umschaltventil (15) eine erste Stellung hat,
in der es die Wärmerückgewinnungs- und Unterkühlungsschlange
(35) in der Winterkühlbetriebsart zwischen die
Kompressorauslaßseite (14) und den Kondensator (17) schaltet,
und eine zweite Stellung, in der es in der
Sommerkühlbetriebsart und in einer dritten Kühlbetriebsart
während gemäßigten klimatischen Bedingungen die
Kompressorauslaßseite (14) zu dem Kondensator (17) in
Bypassbeziehung zu der Schlange (35) schaltet, und wobei das
zweite Umschaltventil (21) eine erste Stellung hat, in der es
die Kältemittelausgangsseite des Kondensators (17) in
Reihenströmungsbeziehung mit der Schlange (35) in der
Sommerkühlbetriebsart verbindet, und eine zweite Position, in
der es die Kondensatorausgangsseite mit dem Sammelgefäß (23)
in der Winterkühlbetriebsart sowie in der dritten
Kühlbetriebsart verbindet.
5. Wärmerückgewinnungs- und Unterkühlungsanlage nach Anspruch
4, gekennzeichnet durch eine erste Leitung (44), die ein
Rückschlagventil (45) aufweist, welches das erste
Umschaltventil (15) mit der Wärmerückgewinnungs- und
Unterkühlungsschlange (35) in einseitiger Strömungsrichtung
in der ersten Stellung des ersten Umschaltventils (15)
verbindet, und durch eine zweite Leitung (46, 48), die ein
zweites Rückschlagventil (50) aufweist, welches die Schlange
(35) in einseitiger Strömungsrichtung mit dem Kondensator
(17) verbindet.
6. Wärmerückgewinnungs- und Unterkühlungsanlage nach Anspruch
4 oder 5, gekennzeichnet durch eine Abfühleinrichtung (52,
62) zum Betätigen des ersten und des zweiten Umschaltventils
(15, 21) auf klimatische Temperaturbedingungen hin.
7. Wärmerückgewinnungs- und Unterkühlungsanlage nach Anspruch
6, gekennzeichnet durch eine Luftfördereinheit (36) zum
jahreszeitlichen Konditionieren von Raumluft in einem Gebäude,
wobei die Wärmerückgewinnungs- und Unterkühlungsschlange (35)
in der Luftfördereinheit (36) angeordnet ist und die durch
diese hindurchgeleitete Raumluft in der Winterkühlbetriebsart
erwärmt.
8. Wärmerückgewinnungs- und Unterkühlungsanlage nach Anspruch
7, dadurch gekennzeichnet, daß die Luftfördereinheit (36)
eine Luftkonditionierschlange (40) zum Kühlen der Raumluft
während der Sommerkühlbetriebsart aufweist, wobei die
Wärmerückgewinnungs- und Unterkühlungsschlange (35)
stromabwärts der Luftkonditionierschlange (40) angeordnet ist
und zum Wiedererwärmen der gekühlten Raumluft sowie zum
Unterkühlen des Kältemittelkondensats in der
Sommerkühlbetriebsart dient.
9. Wärmerückgewinnungs- und Unterkühlungsanlage nach Anspruch
8, dadurch gekennzeichnet, daß die Abfühleinrichtung (52, 62)
eine Einrichtung aufweist zum Abfühlen von Temperatur und
Feuchtigkeit der Raumluft in einer Komfortzone in dem Gebäude
und zum Trennen der Wärmerückgewinnungs- und
Unterkühlungsschlange (35) von ihrem Unterkühlungs- und
Wiedererwärmungsbetrieb während der Sommerkühlbetriebsart,
wenn Temperatur und Feuchtigkeit in der Komfortzone
vorbestimmte Werte übersteigen.
10. Wärmerückgewinnungs- und Unterkühlungsanlage nach einem
der Ansprüche 4 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die
Wärmerückgewinnungs- und Unterkühlungsschlange (35) von ihren
Oberseitenverbindungen mit der Kälteanlage in der zweiten
Stellung des ersten und des zweiten Umschaltventils (15, 21)
isoliert ist und daß eine Einrichtung (60, 61) vorgesehen
ist zum Verbinden der Schlange (35) mit der Saugseite (12)
der Kompressoreinrichtung (10, 11), um Kältemittel aus der
Schlange (35) abzupumpen.
11. Wärmerückgewinnungs- und Unterkühlungsanlage nach
Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die letztgenannte
Einrichtung eine Leitung (60) aufweist, die ein normalerweise
geschlossenes Ventil (61) hat, das geöffnet wird, wenn das
erste und das zweite Umschaltventil (15, 21) in ihrer zweiten
Stellung sind.
12. Wärmerückgewinnungs- und Unterkühlungsanlage nach einem
der Ansprüche 4 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der
Kondensator (17) ein geteilter Kondensator mit einem ersten
und einem zweiten Kondensatorabschnitt (18, 19) ist, wobei
das erste Umschaltventil (15) die Kondensatorabschnitte (18,
19) von der Kompressorauslaßseite (13) in seiner ersten
Stellung trennt, und einer Einrichtung (54) zum Ablassen von
restlichem Kältemittel aus dem ersten Kondensatorabschnitt
(18), wenn das erste Umschaltventil (15) in seiner ersten
Stellung ist.
13. Wärmerückgewinnungs- und Unterkühlungsanlage nach
Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Ablaßeinrichtung
(54) eine Leitungsverbindung von dem einen
Kondensatorabschnitt (18) über das erste Umschaltventil (15)
zu der Saugseite (12) der Kompressoreinrichtung (10, 11)
aufweist.
14. Wärmerückgewinnungs- und Unterkühlungsanlage nach
Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Ablaßeinrichtung
(54) weiter eine Kältemittelexpansionseinrichtung (55) zum
Zurückleiten nur von Kältemitteldampf über die
Leitungsverbindung (54) zu der Kompressorsaugseite (12)
aufweist.
15. Wärmerückgewinnungs- und Unterkühlungsanlage nach
Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die
Expansionseinrichtung (55) ein Kapillarrohr ist.
16. Wärmerückgewinnungs- und Unterkühlungsanlage nach einem
der Ansprüche 12 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die
Wärmerückgewinnungs- und Unterkühlungsschlange (35) in
Reihenströmungsbeziehung mit dem zweiten Kondensatorabschnitt
(19) in der Winterkühlbetriebsart verbunden ist und daß das
Rückschlagventil (50) stromaufwärts der
Reihenströmungsverbindung eine Kältemittelströmung aus der
Schlange (35) in Richtung weg von dem zweiten
Kondensatorabschnitt (19) verhindert.
17. Wärmerückgewinnungs- und Unterkühlungsanlage nach
Anspruch 16, gekennzeichnet durch ein weiteres
Rückschlagventil (53) auf der Kältemittelausgangsseite des
ersten Kondensatorabschnitts (18) zum Verhindern des
Zurückströmens von Kältemittelkondensat durch dieses hindurch
aus dem zweiten Kondensatorabschnitt (19).
18. Wärmerückgewinnungs- und Unterkühlungsanlage in
Kombination mit einer Kälteanlage, die eine
Kompressoreinrichtung (10, 11) mit einer Saug- und einer
Auslaßseite (12, 13), einen Kondensator (17), ein
Sammelgefäß (23) und mehrere Verdampfer (27, 28, 29)
aufweist, gekennzeichnet durch eine
Wärmerückgewinnungsschlange (35), die in einer
Luftfördereinheit (36) angeordnet ist, welche zum
jahreszeitlichen Konditionieren von Luft, d. h. zum Erwärmen
und Kühlen von Raumluft in einem Gebäude vorgesehen ist,
wobei die Wärmerückgewinnungsschlange (35) einen ersten und
einen zweiten Leitungsanschluß (42, 43) hat und wahlweise in
die Kälteanlage geschaltet ist zum Umkehrzyklusbetrieb
zwischen einer Erwärmungsbetriebsart und einer
Unterkühlungsbetriebsart, durch ein erstes Umschaltventil
(15), das auf der Auslaßseite (13) der Kompressoreinrichtung
(10, 11) angeordnet ist und eine Sommerstellung hat, in der
es die Auslaßseite (13) mit dem Kondensator (17) verbindet,
und eine Winterstellung, in der es die Auslaßseite (13) mit
dem ersten Leitungsanschluß (42) der
Wärmerückgewinnungsschlange (35) verbindet, durch ein zweites
Umschaltventil (21), das stromaufwärts des Sammelgefäßes (23)
angeordnet ist und eine Sommerstellung sowie eine
Winterstellung hat, wobei das zweite Umschaltventil (21) den
Kondensator (17) mit dem zweiten Leitungsanschluß (43) der
Wärmerückgewinnungsschlange (35) und den ersten
Leitungsanschluß (42) der Wärmerückgewinnungsschlange (35)
mit dem Sammelgefäß (23) in seiner Sommerstellung verbindet,
und wobei das zweite Umschaltventil (21) den Kondensator (17)
mit dem Sammelgefäß (23) in seiner Winterstellung verbindet.
19. Verfahren zum Erzeugen einer ganzjährigen Unterkühlung in
einer Kälteanlage, die eine Kompressoreinrichtung mit einer
Auslaßoberseite und einer Saugunterseite, einen Kondensator
eine Wärmerückgewinnungsschlange, ein Sammelgefäß und eine
Verdampfereinrichtung hat, gekennzeichnet durch folgende
Schritte:
sequentielles Schalten des Kondensators, des Sammelgefäßes und der Verdampfereinrichtung zwischen die Auslaß- und die Saugseite der Kompressoreinrichtung in einer normalen Kühlbetriebsart während gemäßigten klimatischen Bedingungen,
sequentielles Schalten der Wärmerückgewinnungsschlange und des Kondensators, des Sammelgefäßes und der Verdampfereinrichtung zwischen die Auslaß- und die Saugseite der Kompressoreinrichtung in einer zweiten Kühlbetriebsart während Winterklimabedingungen,
sequentielles Schalten des Kondensators, der Wärmerückgewinnungsschlange und des Sammelgefäßes sowie der Verdampfereinrichtung zwischen die Auslaß- und die Saugseite der Kompressoreinrichtung in einer dritten Kühlbetriebsart während Sommerklimabedingungen, und wahlweises Betreiben einer separaten Luftkühleinrichtung, die in Luftströmungsrichtung stromaufwärts der Wärmerückgewinnungsschlange angeordnet ist, in der dritten Kühlbetriebsart.
sequentielles Schalten des Kondensators, des Sammelgefäßes und der Verdampfereinrichtung zwischen die Auslaß- und die Saugseite der Kompressoreinrichtung in einer normalen Kühlbetriebsart während gemäßigten klimatischen Bedingungen,
sequentielles Schalten der Wärmerückgewinnungsschlange und des Kondensators, des Sammelgefäßes und der Verdampfereinrichtung zwischen die Auslaß- und die Saugseite der Kompressoreinrichtung in einer zweiten Kühlbetriebsart während Winterklimabedingungen,
sequentielles Schalten des Kondensators, der Wärmerückgewinnungsschlange und des Sammelgefäßes sowie der Verdampfereinrichtung zwischen die Auslaß- und die Saugseite der Kompressoreinrichtung in einer dritten Kühlbetriebsart während Sommerklimabedingungen, und wahlweises Betreiben einer separaten Luftkühleinrichtung, die in Luftströmungsrichtung stromaufwärts der Wärmerückgewinnungsschlange angeordnet ist, in der dritten Kühlbetriebsart.
20. Verfahren nach Anspruch 19, gekennzeichnet durch Trennen
der Wärmerückgewinnungsschlange von der
Kältemittelströmungsverbindung mit der
Kompressorauslaßoberseite in der normalen Kühlbetriebsart und
Verbinden der Wärmerückgewinnungsschlange mit der
Saugunterseite, um Kältemittel aus der
Wärmerückgewinnungsschlange abzupumpen.
21. Verfahren nach Anspruch 19 oder 20, wobei die
Kälteanlage eine Kältemittelausgangsleitung an dem
Kondensator und ein Vierwegeumschaltventil in dieser
Ausgangsleitung aufweist, gekennzeichnet durch Betreiben des
Umschaltventils in der dritten Kühlbetriebsart so, daß die
Kältemittelausströmung in einem Unterkühlungskreis aus dem
Kondensator durch die Wärmerückgewinnungsschlange abgeleitet
und über das Umschaltventil zurückgeleitet wird, um dem
Sammelgefäß unterkühltes Kältemittel zuzuführen.
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