DE3907859C2 - Luftgekühltes Kälteaggregat mit einem Kühlmittelkreislauf - Google Patents

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.