DE3907859C2 - Luftgekühltes Kälteaggregat mit einem Kühlmittelkreislauf - Google Patents
Luftgekühltes Kälteaggregat mit einem KühlmittelkreislaufInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Kälteaggregat gemäß dem Oberbegriff
des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren zum Betreiben eines
Kälteaggregats gemäß Anspruch 3.
In der DE 32 28 124 A1 ist eine Kühlvorrichtung mit Abwärmenutzung
zur Kühlung von Kühlwalzen, Farbreiber und Ölkühler
von Rotationsdruckmaschinen beschrieben. Diese Kühlvorrichtung
weist einen Kältemittelkreislauf und einen Kühlmittelkreislauf
auf. Der Kältemittelkreislauf umfaßt einen Verdichter
zum Verdichten des Kältemittels, einen mit dem Verdichter
verbundenen Verflüssiger zum Verflüssigen des von dem Verdichter
zugeführten Kältemittels, ein mit dem Verflüssiger
verbundenes Entspannungsventil zum Entspannen des von dem
Verflüssiger kommenden Kältemittels und einen zwischen das
Entspannungsventil und den Verdichter geschalteten, zum
Wärmeaustausch bzw. zur Kühlung vorgesehenen Verdampfer. Der
Kühlmittelkreislauf zum Abführen der Abwärme eines Kälteverbrauchers
ist mit dem Verdampfer wärmeleitend verbunden und
umfaßt einen von einem Gebläse beaufschlagten Außenwärmetauscher
in Form eines Kühlturms zur Kühlung des Kühlmittels
sowie eine Reihe von Umschaltventilen zur wahlweisen Zuleitung
des Kühlmittels zu dem Verdampfer oder dem Außenwärmetauscher.
Die Steuerung bzw. Betätigung der Umschaltventile
über entsprechend zugeordnete Stellmotoren erfolgt dabei mittels
eines Steuergeräts, das mit Temperaturfühlern zur Messung
der Umgebungstemperatur und der Raumtemperatur verbunden
ist. Als ausgesprochen nachteilig hat sich bei dieser Kühlvorrichtung
deren Konstruktion an sich herausgestellt, die
verhältnismäßig aufwendig und wenig kompakt ausgestaltet ist
und damit einhergehend, nicht zuletzt aufgrund der vielen
einzelnen Bauelemente, Funktionsstörungen unterworfen ist.
Des weiteren ist aus der DE-Lit.-Ki-Klima-Kälte-Heizung,
9/1984, H.-U. Amberg, "Kaltwassererzeugung mit Kälte-/Wärme-Verbund",
337-344, eine Vielzahl von Kälteanlagen bekannt,
die u. a. einen Kältemittelkreislauf und einen Kühlmittelkreislauf
in Form eines Kaltwassernetzes aufweisen. Der Kältemittelkreislauf
einer dieser Anlagen umfaßt dabei einen
Verdichter, einen Kondensator, ein Entspannungsventil und
einen Verdampfer zum Wärmeaustausch bzw. zur Kühlung. In dem
Kühlmittelkreislauf dieser Kälteanlage sind ein mit dem Verdamkpfer
zusammenwirkender Wärmetauscher und ein Außenwärmetauscher
in Form eines Kühlturmes od. dgl. parallel zueinander
geschaltet, jeweils zum Wärmeaustausch bzw. zur Kühlung
des Kühlmittels selbst. Eine wahlweise Zuleitung des Kühlmittels
zu dem dem Verdampfer zugeordneten Wärmetauscher oder zu
dem Außenwärmetauscher folgt in diesem Zusammenhang über
Sperrventile. Weitere Einzelheiten zur konstruktiven Ausbildung
dieser Kälteanlage im Hinblick auf eine gegenseitig
genau abgestimmte Funktionsergänzung zwischen dem energieaufwendig
zu betreibenden Verdampfer einerseits und dem energieunaufwendig
zu betreibenden Außenwärmetauscher sind nicht
vorhanden.
In Fig. 1 ist schließlich noch ein herkömmliches Kälteaggregat
dargestellt, das ein flüssiges Kühlmittel in einem
dem Verdampfer des Kältekreislaufs zugeordneten Wärmetauscher
eines Kühlkreislaufs, beispielsweise bei Klimaanlagen und
Kühlschränken, kühlt. Aus Fig. 1 ist ersichtlich, daß das
Kälteaggregat einen Verdichter 1 aufweist, in dem das Kältemittel
auf hohen Druck bei hoher Temperatur verdichtet wird.
Der Verdichter 1 ist mit einem luftgekühlten Kondensator bzw.
Verflüssiger 2 verbunden, in dem das Kältemittel auf hohen
Druck bei niedriger Temperatur verdichtet wird. Überlicherweise
ist ein Gebläse 3 vorgesehen, um einen Luftstrom durch den
Verflüssiger 2 herbeizuführen, damit das Kältemittel rasch
abkühlt. Der Verflüssiger 2 ist mit einem Entspannungsventil
4 verbunden, in dem das unter hohem Druck stehende Kältemittel
mit niedriger Temperatur auf niedrigeren Druck bei niedriger
Temperatur entspannt wird. Das Entspannungsventil 4 ist
mit einem Verdampfer 5 verbunden, in dem das vom Entspannungsventil
4 kommende und unter niedrigerem Druck stehenden
Kältemittel mit niedriger Temperatur verdampft wird, um durch
die Freisetzung der gebundenen Verdampfungsenergie den Verdampfer
5 zu kühlen. Der Verdampfer 5 ist mit dem Verdichter
1 über einen Kältemittelbehälter 6 verbunden. Auf diese Weise
entsteht ein geschlossener Kreislauf für das Kältemittel, das
diese Anlage unter wiederholtem Durchgang durch die Stufen
der Verdichtung, Verflüssigung und Verdampfung zum Kühlen des
Verdampfers 5 durchläuft. Der Verdampfer 5 ist so angeordnet,
daß ein Wärmeaustausch mit einem diesem zugeordneten Wärmetauscher
10 des zweiten Kühlkreislaufs mit einem Kälteverbraucher
R, beispielsweise einer Klimaanlage oder eines Kühlgeräts,
in der Weise stattfindet, daß das flüssige Kühlmittel
aus dem Kälteverbraucher R den Wärmetauscher 10 durchströmt
und dann durch das kalte Kältemittel in dem Verdampfer 5 abgekühlt
wird. Der in Fig. 1 dargestellte Wärmetauscher 10
weist eine Zulaufleitung 7, eine Ablaufleitung 8 und Wärmetauscherrohre
9 auf, die sich zwischen den Rohrleitungen 7
und 8 entlang dem Verdampfer 5 erstrecken. Das auf diese
Weise heruntergekühlte Kühlmittel wird dem Kälteverbraucher R
zur Klimatisierung oder zur Kühlung des Gefrierfachs etc. zugeführt.
Bei einem solchen luftgekühlten Kälteaggregat für
einen Kälteverbraucher R, beispielsweise eine Klimaanlage
oder einen Kühlschrank, bei denen ein ganzjährig ununterbrochener
Kühlbetrieb erforderlich ist, muß der Verdichter 1 unabhängig
von der jeweiligen Jahreszeit laufend in Betrieb
sein, was zum Verlust einer hohen Energiemenge führt und die
jährlichen Betriebskosten sehr hoch steigen läßt.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein Kälteaggregat
der gattungsgemäßen Art bereitzustellen, das konstruktiv
einfach und kompakt ausgestaltet, besonders funktionssicher
und ausgesprochen energiesparend ist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden
Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung, daß nämlich der
Außenwärmetauscher und der Verflüssiger zueinander räumlich
benachbart angeordnet und zudem durch ein gemeinsames Gebläse
beaufschlagbar sind, läßt sich ein in seiner Bauweise besonders
einfaches, zugleich aber sehr kompaktes Kälteaggregat
erhalten. Insoweit erfolgt der Abtransport der Abwärme von
dem Außenwärmetauscher einerseits und dem Verflüssiger andererseits
durch nur mehr ein einziges Gebläse. Nicht zuletzt
hieraus resultierend stellt sich das Kälteaggregat nach der
Erfindung als ausgesprochen funktionssicher dar. Gleichzeitig
ist das erfindungsgemäße Kälteaggregat hinsichtlich seines
Energieverbrauchs besonders sparsam, da es durch den Umschaltbetrieb
vom Verdampfer auf den Außenwärmetauscher bzw.
von dem Außenwärmetauscher auf den Verdampfer ohne weiteres
möglich ist, niedrige Außentemperaturen, wie sie beispielsweise
im Winter auftreten, auszunutzen. Damit einhergehend
ist es erheblich weniger oft erforderlich, den in dem Kältemittelkreislauf
angeordneten Verdichter des erfindungsgemäßen
Kälteaggregats zum Herunterkühlen des in dem Kühlmittelkreislauf
umlaufenden Kühlmittels in Betrieb zu nehmen, wodurch
der Stromverbrauch wesentlich reduziert werden kann.
Eine besonders vorteilhafte konstruktive Ausgestaltung des
erfindungsgemäßen Kälteaggregats ist in Anspruch 2 beschrieben.
Von besonderer Bedeutung ist schließlich noch das erfindungsgemäße
Verfahren zum Betreiben eines solchen Kälteaggregats
entsprechend Anspruch 3. Auf diese Weise nämlich läßt sich
zusätzlich eine weitere Einsparung an Energie erreichen, da
das dem Außenwärmetauscher und dem Verflüssiger zugeordnete
gemeinsame Gebläse nur dann in Abhängigkeit eines Temperaturfühlers
geschaltet wird, wenn die Temperatur des dem Kälteverbraucher
zuströmenden Kühlmittels einen vorbestimmten Wert
überschreitet.
Nachstehend wird nun das erfindungsgemäße Kälteaggregat
anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme
auf die beigefügte Zeichnung näher beschrieben und
erläutert. Es zeigt
Fig. 1 eine schematische Darstellung
eines herkömmlichen Kälteaggregats, bei dem das
von einem Kälteerzeuger eines zweiten Kühlkreislaufs kommende Kühlmittel
heruntergekühlt wird,
und
Fig. 2 eine schematische Darstellung eines Ausführungs
beispiels des erfindungsgemäßen Kühlaggregats.
Fig. 2 veranschaulicht ein erfindungsgemäßes Ausfüh
rungsbeispiel für ein Kälteaggregat zum Herunterkühlen
eines Kühlmittels in einem Wärmetauscher eines Kälteverbrauchers
R eines zweiten Kühlkreislaufs, beispielsweise in einer Klimaanlage oder einem
Kühlgerät. Das erfindungsgemäße Kälteaggregat mit Luft
kühlung weist einen Verdichter 11 auf, der
ein Kältemittel auf hohen Druck bei hoher Temperatur
verdichtet. Der Verdichter 11 ist mit einem
luftgekühlten Verflüssiger bzw. Kondensator 12 verbun
den, in dem das Kältemittel auf hohen Druck bei niedri
ger Temperatur kondensiert wird. In der unmittelbaren
Umgebung des Verflüssigers 12 befindet sich ein elek
trisch betriebenes Gebläse 13, welches einen Strom von
Außenluft durch den Verflüssiger 12 erzeugt, um das
darin strömende Kältemittel rasch herunterzukühlen. Der
Verflüssiger 12 ist mit einem Entspannungsven
til 14 verbunden, in welchem das flüssige Kältemittel
auf niedrigen Druck bei niedriger Temperatur entspannt
wird. Das Entspannungsventil 14 ist mit einem
Verdampfer 15 verbunden, in welchem
das vom Entspannungsventil 14 kommende Kältemittel, das
unter niedrigem Druck steht und eine niedrige Temperatur
aufweist, verdampft wird, um den Verdampfer 15 durch
die Freisetzung der gebundenen Verdampfungswärme abzu
kühlen. Der Verdampfer 15 ist wiederum über einen Käl
temittelbehälter 16 mit dem Verdichter 11
verbunden. Auf diese Weise entsteht ein geschlossener
Kältemittelkreislauf, wie er auch eingangs erläutert
wurde, in dem das Kältemittel nacheinander und wieder
holt die verschiedenen Schritte der Verdichtung, der
Verflüssigung und der Verdampfung durchläuft.
Der Verdampfer 15 ist so angeordnet, daß ein Wärme
austausch mit einem Wärmetauscher 20 eines Kälteverbrauchers R eines zweiten Kühlkreislaufs,
beispielsweise einer Klimaanlage oder eines Kühl
schranks, in der Weise stattfindet, daß das Kühlmittel des
zweiten Kühlkreislaufs, welches den Wärmetauscher 20 durch
strömt, in dem Verdampfer 15 herunterge
kühlt wird. Der dargestellte Wärmetauscher 20 weist eine Zu
laufleitung 17, eine Ablaufleitung 18 und Wärmetauscher
rohre 19 auf, die dem Verdampfer 15 zugeordnet sind und zwi
schen den Leitungen 17 und 18 verlaufen. Das auf diese
Weise in dem Verdampfer 15 heruntergekühlte Kühlmit
tel wird dem Kälteverbraucher R bzw. der (nicht abgebilde
ten) Klimaanlage zugeführt, um eine Klimatisierung zu
erreichen, oder auch dem (nicht dargestellten) Kühlge
rät, um dessen Gefrierfach zu kühlen.
Erfindungsgemäß weist das luftgekühlte Kälteaggregat ei
nen Außenwärmetauscher 24 auf, der mit dem
Kälteverbraucher R so verbunden ist, daß ein Wärme
austausch zwischen dem im Wärmetauscher 20 fließenden Kühl
mittel und der Außenluft stattfindet. Bei dem darge
stellten Ausführungsbeispiel ist der Außenwärmetauscher 24
auf der Niederdruckseite des Verflüssigers 12 angeord
net, der sich im Freien befindet, während er über ein
Rohrleitungspaar 22a, 22b jeweils mit einem Dreiwegeven
til 21a bzw. 21b verbunden ist.
Die Dreiwegeventile 21a und 21b sind jeweils in die Zu
laufleitung 17 bzw. die Ablaufleitung 18 des Wärmetauschers
20 des Kälteverbrauchers R geschaltet. Die Dreiwegeventile
21a und 21b sind ihrerseits mit einem Temperaturfühler
23 verbunden, der sich in der unmittelbaren Nähe des
Außenwärmetauschers 24 befindet und ein Temperatursignal
abgibt, das die in der unmittelbaren Umgebung des Wärme
tauschers 24 herrschende Temperatur repräsentiert. Die
Dreiwegeventile 21a und 21b werden durch das vom Tempe
raturfühler 23 kommende Temperatursignal so gesteuert,
daß sie entweder die Verbindung zwischen dem Kälteverbraucher
R und der Wärmetauscherrohre 19 im Bereich des Verdampfers 15 herstellen, wenn die in
unmittelbarer Umgebung des Außenwärmetauschers 24 herrschende
Temperatur über einem vorgegebenen Wert liegt, so daß
das Kühlmittel vom Kälteverbraucher R zum Verdampfer 15
fließt, oder daß sie den Außenwärmetauscher 24 mit dem
Kälteverbraucher R verbinden, wenn die Temperatur in der
unmittelbaren Umgebung des Außenwärmetauschers 24 unter ei
nem vorgegebenen Wert liegt, so daß nun das Kühlmittel
vom Kälteverbraucher R zum Außenwärmetauscher 24 strömt. In
diesem Zusammenhang stellen die Dreiwegeventile 21a und
21b jeweils Umschaltventile dar, mit denen sich
der Strömungsweg des vom Kälteverbraucher R kommenden Kühl
mittels umschalten läßt.
Der Temperaturfühler 23 ist außerdem mit dem
Verdichter 11 so verbunden, daß mittels des abgegebe
nen Temperatursignals der Kompressor nur dann in Betrieb
ist, wenn die Außentemperatur einen bestimmten Wert
überschreitet.
Das luftgekühlte Kälteaggregat weist zudem ein elektrisch
betriebenes Gebläse 13 auf, das einen Außenluftstrom
durch den Verflüssiger 12 und durch den
Außenwärmetauscher 24 herbeiführt, während das vom Käl
teverbraucher R kommende Kühlmittel ebenfalls durch den
Wärmetauscher fließt.
Des weiteren weist das erfindungsgemäße luftgekühlte
Kälteaggregat einen zweiten Temperaturfühler 25 auf, der
die Temperatur des durch den Wärmetauscher 20 des Kälteverbrauchers
R zu diesem zurück fließenden Kühlmittels erfaßt.
Der Temperaturfühler 25 ist der Ablauf- bzw. Rückfluß
leitung 18 des Wärmetauschers 20 zugeordnet und gibt ein
zweites Temperatursignal ab, das die Temperatur des Kühl
mittels in der Ablaufleitung 18 anzeigt. Der zweite
Temperaturfühler 25 ist mit dem elektrisch arbeitenden
Gebläse 13 so verbunden, daß das zweite Temperatursignal
das Gebläse nur dann einschaltet, wenn die Temperatur
des Kühlmittels in der Ablaufleitung 18 einen vorgege
benen Wert übersteigt.
Nachstehend werden nun zwei Betriebsarten des erfin
dungsgemäßen Kälteaggregats mit Luftkühlung näher erläu
tert.
Im ersten Fall, bei dem die Außentemperatur einen vor
eingestellten ersten Temperaturwert (beispielsweise 7°C)
übersteigt und somit der normale Kühlbetrieb des Kälteaggre
gats zum Herunterkühlen des Kältemittels und des Kühlmittels im zweiten Kühlkreislauf
erforderlich ist, gibt der Temperaturfühler
23 ein Signal ab, so daß der Verflüssiger 11
und andere Teile des ersten Kühlkreislaufs arbeiten, wäh
rend die Dreiwegeventile 21a und 21b so geschaltet sind,
daß zwischen dem Kälteverbraucher R und den Wärmetauscherrohren 19 im Bereich des Verdampfers 15
eine Verbindung besteht. Bei dieser Schaltung strömt das
flüssige Kühlmittel aus dem Kälteverbraucher R durch das
Dreiwegeventil 21a, die Zulaufleitung 17, die Wärmetau
scherrohre 19, die Rückflußleitung 18 und durch das
Dreiwegeventil 21b zurück zum Kälteverbraucher R. Damit
wird das Kühlmittel in den Wärmetauscherrohren 19 im Bereich des Verdampfers 15 herunterge
kühlt. Das auf dem Verflüssiger 12 angebrachte Gebläse
13 wird gegebenenfalls dann in Betrieb genommen, wenn
die Temperatur des durch die Ablaufleitung 18 zum Kälte
verbraucher R zurückfließenden Kühlmittels beispielsweise
15°C übersteigt, was der zweite Temperaturfühler 25
feststellt. Es ist unter Umständen nicht erforderlich,
das Gebläse 13 einzuschalten, wenn die Temperatur des
flüssigen Kühlmittels unter 13°C liegt.
Im zweiten Fall, bei dem die Außentemperatur auf dem
voreingestellten Wert (beispielsweise 5°C) oder noch
darunter liegt, z. B. in der kalten Jahreszeit, schaltet
der Temperaturfühler 23 die Dreiwegeventile 21a und 21b
so, daß zwischen dem Kälteverbraucher R und dem Außenwärme
tauscher 24 eine Verbindung hergestellt wird. Damit
fließt nun das flüssige Kühlmittel vom Kälteverbraucher R
durch das Dreiwegeventil 21a, die Leitung 22a, den
Außenwärmetauscher 24, die Rückflußleitung 22b und das
Dreiwegeventil 21b zurück zum Kälteverbraucher R. Bei die
ser Betriebsart durchströmt also das flüssige Kühlmit
tel den durch die kalte Außenluft zu kühlenden Außenwärmetau
scher 24, während der erste Kühlkreislauf durch den
Verdichter 11, den Verflüssiger 12, das Ent
spannungsventil 14, den Verdampfer 15 und den Kälte
mittelbehälter 16 durch das vom ersten Temperaturfühler
23 kommende Temperatursignal abgeschaltet wird.
Auch bei dieser Betriebsart kann das auf dem Verflüssi
ger 12 angebrachte Gebläse 13 je nach der vom zweiten
Temperaturfühler 25 festgestellten Temperatur des durch
die Ablaufleitung 18 des Wärmetauschers 20 zum Kälteverbraucher
R zurückfließenden Kühlmittels eingeschaltet werden
oder nicht.
Wie bereits erläutert, ist es erheblich weniger oft er
forderlich, das Kälteaggregat zum Herunterkühlen des Kühl
mittels in Betrieb zu nehmen, da bei kühler bzw. kal
ter Außenluft, beispielsweise im Winter, das Kühlmittel
durch diese heruntergekühlt wird, was den Stromverbrauch
des Geräts ganz erheblich senkt. Da außerdem die zur Er
zielung der erfindungsgemäßen Umschaltfunktionen erfor
derlichen und vorstehend beschriebenen Zusatzeinrichtun
gen vergleichsweise einfach aufgebaut sind und nur weni
ge zusätzliche Einrichtungen benötigt werden, ist es
sehr leicht möglich, diese Bauteile bei einem bereits
installierten herkömmlichen Kälteaggregat mit Luftkühlung
nachträglich einzubauen.
Claims (3)
1. Kälteaggregat mit einem Kältemittelkreislauf, umfassend
einen Verdichter (11), einen Verflüssiger (12), ein Entspannungsventil
(14) und einen Verdampfer (15), und mit einem
Kühlmittelkreislauf zum Abführen der Abwärme eines Kälteverbrauchers
(R), welcher mit dem Verdampfer (15) zur Kühlung
des Kühlmittels wärmeleitend verbunden ist und einen von
einem Gebläse (13) beaufschlagten Außenwärmetauscher (24) zur
Kühlung des Kühlmittels sowie Umschaltventile (21a, 21b) zur
wahlweisen Zuleitung des Kühlmittels zu dem Verdampfer (15)
oder dem Außenwärmetauscher (24) umfaßt,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Außenwärmetauscher (24) und der Verflüssiger (12)
zueinander räumlich benachbart angeordnet und durch ein
gemeinsames Gebläse (13) beaufschlagbar sind.
2. Kälteaggregat nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Umschaltventile (21a, 21b) als Dreiwegeventile ausgebildet
sind.
3. Verfahren zum Betreiben eines Kälteaggregats nach
Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Kühlmittel in Abhängigkeit eines Temperaturfühlers
(23) bei tiefen Außentemperaturen im Außenwärmetauscher (24)
und bei hohen Außentemperaturen im Verdampfer (15) gekühlt
wird, und daß das Gebläse (23) in Abhängigkeit eines weiteren
Temperaturfühlers (25) geschaltet wird, wenn die Temperatur
des dem Kälteverbraucher (R) zuströmenden Kühlmittels einen
vorbestimmten Wert überschreitet.
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