DE4220919C2 - Kälteanlage zum Heizen und Kühlen - Google Patents

Description

Beim Transport verderblicher Güter muß der Laderaum gekühlt werden. Dabei ist es auch bekannt, periodisch Wärme zuzu­ führen, um den Verdampfer der Kühlanlage zu enteisen. Auch an sehr kalten Tagen muß dem Laderaum Wärme zugeführt wer­ den, um ein zu starkes Kühlen oder Vereisen zu vermeiden.

Ein bekanntes Verfahren (GB-A 2 115 540) zum Zuführen von Wärme besteht darin, heißes Kompressorgas aus dem normalen Kältemittel­ kreislauf unmittelbar zum Verdampfer zu führen, um die gewünschte Wärme zu erzeugen. Wird vom Kühlen auf Heizen umgeschaltet, so verbleibt ein großer Teil des Kältemittels in aktiven Abschnitten der Anlage und steht zum Wärmen nicht zur Verfügung. Hiervon geht die Erfindung aus.

US 34 219 102 beschreibt eine Anlage zum Zuführen von heißem komprimiertem Gas vom Kompressor zu einem Sammler, um diesen mit Druck zu beaufschlagen und somit flüssiges Kältemittel aus dem Sammler in die Anlage zu drücken.

US 47 48 818 und 49 12 933 beschreiben eine Anlage mit einer Kältemittelleitung zur Verbindung des Sammlers mit einem Ansaugspeicher. Die erstgenannte Druckschrift lehrt, daß die Anlage gleichzeitig 1. auf Wärmen umschaltet und 2. eine Strömungsmittelverbindung zwischen dem Speicher und dem Sammler herstellt. Die letztgenannte Druckschrift sieht eine Verbindung zwischen dem Speicher und dem Sammler unmittelbar zeitlich vor jedem Heizvorgang vor und beläßt ein Ventil in seiner Stellung zum Kühlen während einer bestimmten Zeit­ spanne. Dies bedingt den Abfluß von im Kondensator befind­ lichem flüssigem Kältemittel in den Sammler. In einer anderen Betriebsweise dieser Druckschrift wird die Verbin­ dung zwischen dem Speicher und dem Sammler vor Einleiten eines Heizvorgangs hergestellt und die Verbindung bleibt während des Heizvorgangs bestehen.

Beide Anlagen sind in der Lage zusätzliches Kältemittel in den Heizkreislauf nach Beginn eines Heizvorgangs einzufüh­ ren. Nach dieser anfänglichen Zufuhr von Kältemittel ist jedoch die Kapazität beider bekannter Anlagen zum Zuführen von zusätzlichem Kältemittel durch die Temperatur/den Druck des Kondensators begrenzt, der während des Heizvorgangs bei Umgebungstemperatur liegt. Dieser Mangel kann insbesondere bei niedrigen Umgebungstemperaturen und bei länger andauern­ dem Heizen zu Problemen führen.

Ferner ist es bekannt, daß beim längeren Heizen kleinere Lecks der Ventile bei derartigen Kälteanlagen dazu führen, daß Kältemittel zurück in den Kondensator gelangt und in die Kältemittelleitungen, die beim Heizvorgang nicht benutzt werden. Diese Tendenz zeigt sich stärker bei niedriger Um­ gebungstemperatur, wenn die Kondensatorschlange die kälteste Temperatur der Anlage hat.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, dafür zu sorgen, daß die Anlage zu jeder Zeit während der Heizphase auf eine Absaugphase umschalten kann, in der in inaktive Bereiche eingedrungenes Kältemittel in den aktiven Heizkreis zurückgewonnen wird.

Ferner soll in der Heizphase ausreichend Kältemittel zur Verfügung stehen und überschüssiges flüssiges Kältemittel im Sammler gespeichert werden, welches auf Abruf zur Ver­ fügung steht.

Die genannte Aufgabe ist erfindungsgemäß durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.

Hierbei ist ein Kompressor, ein Kondensator und ein Verdampfer vorgesehen. Der Kompressor liefert komprimiertes Gas zu einem Dreiwege-Ventil, das das heiße Gas in der Kühl­ phase zum Kondensator leitet, wobei es zu einem Sammler, einem Expansionsventil und durch den Verdampfer zurück zum Kompressor gelangt. Wird das Dreiwege-Ventil umgeschaltet, so gelangt das heiße Gas unmittelbar zum Verdampfer. Eine Zweigleitung verläuft von der Heißgasleitung zur Verbin­ dungsleitung zwischen dem Kondensator und dem Verdampfer stromauf des Sammlers. Eine Absaugleitung ver­ bindet den Auslaß des Kondensators mit der Verbindungs­ leitung zwischen dem Auslaß des Verdampfers und dem Ansaug­ kanal des Kompressors. In den Kältemittelleitungen sind Ventile vorgesehen, so daß bei entsprechender Betätigung das Dreiwege-Ventil heißes Gas nur in den Sammler leitet. Der Abschnitt der Leitung stromab des Sammlers, die Heißgaslei­ tung und die Absaugleitung zwischen dem Kondensator­ auslaß und dem Kompressoreinlaß stehen alle in Verbindung mit der Ansaugseite des Kompressors. Der Kompressor kann somit diesen Abschnitt der Kälteanlage auf einen niedrigen Druck bringen, dabei Kältemittel entfernen und dieses über das Dreiwege-Ventil und einen Teil der Heißgasleitung zum Sammler führen.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist nachstehend anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Kälteanlage in der Heizphase,

Fig. 2 eine der Fig. 1 entsprechende schematische Darstellung in der Rückgewinnungsphase und

Fig. 3 eine graphische Darstellung der theoretischen Fähigkeiten verschiedener Kompressoren zum Evakuieren.

In den Fig. 1 und 2 bezeichnet 10 eine Kälteanlage mit Verdichter, wie sie für Transportzwecke benutzt wird. Die Anlage 10 ist normalerweise auf der Vorderseite eines Last­ wagens oder Anhängers angeordnet. Die Anlage besteht aus einem Kolbenkompressor 12 mit einer ersten Stufe 14 mit vier Zylindern und einer zweiten Stufe 16 mit zwei Zylindern. Die Stufen sind getrennt dargestellt, doch können sie auch in einem einzigen Block zusammengebaut sein. Für beide ist ein Schmiermittelvorrat im Kurbelwellengehäuse 18 vorgesehen. Die Kälteanlage besteht in dieser Reihenfolge aus der ersten Stufe 14, einer Zwischenleitung 20, der zweiten Stufe 16, einem Ölabscheider 22, einem Dreiwege-Ventil 23, Kondensa­ tor 24, Sammler 26, Filtertrockner 27, thermostatisches Expansionsventil 28, Verdampfer 30, Speicher 32 und Druckregler 33.

Der Kompressor 12 wird von einem Motor in üblicher Weise angetrieben. Die Kälteerzeugung ist Stand der Technik und wird kurz erläutert.

Wird der Kompressor 12 vom Motor angetrieben, so setzt er das Kältemittel in der Anlage unter Druck, das seine Temperatur und den Druck erhöht und drückt das komprimierte Kältemittel zusammen mit Schmieröl aus der zweiten Stufe 16 in die Druckleitung 38. Im Ölabscheider 22 werden das Schmieröl und das heiße Kältemittelgas voneinander getrennt, das Öl wird gesammelt und über die Ölleitung 36 zurück zum Kompressor geführt. Das heiße, im wesentlichen ölfreie gas­ förmige Kältemittel strömt vom Ölabscheider 22 durch die Druckleitung 40 zum Dreiwege-Ventil 23, das von einem Mikro­ prozessor 34 gesteuert wird. In der Kühlphase leitet das Ventil 23 das heiße Gas durch einen Einlaß 25 und über den Auslaß 29 zum Kondensator 24, wo das Gas kondensiert und über eine Leitung 42 und ein Rückschlagventil 44 zu einem T-Stück 46 und durch die Leitung 48 zum Sammler 26 strömt. Flüssiges Kältemittel aus dem Sammler strömt dann durch die Leitung 52, Filtertrockner 27, ein Magnetventil 56 und einen Wärmetauscher 60 zu dem thermostatischen Hauptexpansions­ ventil 28. Flüssiges Kältemittel wird teilweise verdampft und entspannt, worauf es in den Verdampfer 30 gelangt, in dem das übrige flüssige Kältemittel verdampft, worauf das gasförmige Kältemittel durch die Leitung 35 zum Speicher 32, durch den Regler 33 und zurück zur ersten Stufe 14 strömt. Das Ventil 28 wird von einem Thermostat 66 und einer Ausgleichsleitung 68 gesteuert.

Das Ausführungsbeispiel beinhaltet sowohl ein mehrstufiges Kältesystem als auch ein temperaturabhängiges Kältesystem. Das mehrstufige System ist in üblicher Weise aufgebaut und besteht aus einem thermostatischen Expansionsventil 70, das einen Teil des flüssigen Kältemittels aus der Leitung 52 entspannt, worauf es durch eine Zwischenstufen-Einspritz­ leitung 70 mit einem Rückschlagventil 72 zur Verbindungs­ leitung 20 zwischen den beiden Stufen 14 und 16 strömt.

Das temperaturabhängige Steuersystem besteht aus einem Ventil 78, das abhängig von der Auslaßtemperatur der zweiten Stufe 16 betätigt wird, die von einem Temperatursensor 80 erfaßt wird, so daß der Kältemittelstrom durch eine Leitung 82 zur Verbindungsleitung 20 gesteuert wird, um eine gewünschte Auslaßtemperatur des Gases am Kompressor zu erhalten.

In der Heizphase wird in Fig. 1 das Dreiwege-Ventil 23 umgeschaltet, so daß das heiße Gas aus dem Kompressor vom zweiten Auslaß 31 durch eine Heißgasleitung 84 zu einem T-Stück 86 in der Flüssigleitung 52 strömt, wobei das T-Stück 86 zwischen dem Sammler und dem Verdampfer stromab des Hauptexpansionsventils liegt. In der Heißgasleitung 84 liegt unterhalb der Verdampferschlange 30 eine Heizung 88 mit Abtropfsammler. Ein Magnetventil 90 liegt in der Heiß­ gasleitung ziemlich nahe am Dreiwege-Ventil 23. Das Magnet­ ventil 90 dient zum Absperren bzw. Öffnen der Heißgas­ leitung. Eine Zweigleitung 92 ist an ein T-Stück 94 in der Heißgasleitung 84 angeschlossen und führt über ein Rück­ schlagventil 95 zu dem T-Stück 46. Das Rückschlagventil öffnet in Richtung Sammler 26.

Eine Absaugleitung 96 zur Kältemittelrückgewinnung ist an ein T- Stück 97 in der Leitung 42 zwischen dem Kondensator und stromauf des Rückschlagventils 44 angeschlossen. Die Absaugleitung 96 verbindet den Auslaß des Kondensators 24 mit der Leitung 35 am Auslaß des Verdampfers 30 vor dem Speicher 32. In der Leitung 96 liegen ein Magnetventil 98, das nahe dem Konden­ sator 24 angeordnet ist und ein Rückschlagventil 100 stromab, das in Richtung Speicher 32 öffnet. Ein Druckgeber 102 liegt ebenfalls in der Absaugleitung 96.

Die Steuerung aller Bauteile der Kühlanlage obliegt einer elektronischen Steuereinheit 34, die vorzugsweise einen Mikroprozessor mit Speichermöglichkeiten und Programm aufweist. Von besonderem Interesse ist hier die Steuerung des Dreiwege-Ventils 23 und der Magnetventile 56, 90 und 98. Die Steuereinheit erhält ein Eingangssignal vom Druckgeber 102 in der Absaugleitung 96 sowie vom Druckgeber 104 für den Druck in der Auslaßleitung des Kompressors und von einem Druckgeber 106 für den ansaugseitigen Druck des Kom­ pressors.

In der Kühlphase strömt das Kältemittel über das Dreiwege­ Ventil 23 und den ersten Auslaß 29 direkt zum Kondensator. Jetzt sind das Magnetventil 90 in der Heißgasleitung 84 und das Magnetventil 98 in der Absaugleitung 96 ge­ schlossen. Somit strömt Kältemittel aus dem Kondensator durch das offene Magnetventil 96 in den üblichen Kälte­ mittelkreislauf.

In der Heizphase führt das Dreiwege-Ventil 23 das heiße Gas vom zweiten Auslaß 31 in die Heißgasleitung. Jetzt ist das Magnetventil 90 offen und Heißgas strömt durch die Heizung 88 und den Verdampfer 30, um den Laderaum zu erwärmen oder in der üblichen Weise zu enteisen. Dabei ist das Magnet­ ventil 98 für die Rückgewinnung geschlossen.

In der Heizphase kann das Magnetventil 56 offen oder ge­ schlossen sein, abhängig von einem Steuersignal aus der Steuereinheit 34, das abhängig vom Gasauslaß-Druckgeber 104 erzeugt wird. Ist das Ventil in der Heizphase offen, so läßt sich der Kompressor-Auslaßdruck begrenzen, da flüssiges Kältemittel mit hohem Druck im Sammler durch das Hauptexpan­ sionsventil 28 oder die temperaturabhängigen Expansions­ ventile 70 bzw. 78 abströmen kann.

Die Rückgewinnungsphase kann zweistufig oder einstufig durchgeführt werden. Das zweistufige Verfahren ist besonders dann wirksam, wenn die Steuereinheit 34 eine Heiz- bzw. Ent­ eisungsphase verlangt, kurz bevor auf die Heizphase überge­ gangen wird. Zunächst wird das Dreiwege-Ventil 23 betätigt, um das heiße Gas in die Heißgasleitung 84 zu führen, es wird das Magnetventil 90 in der Heißgasleitung und das Magnet­ ventil 56 in der Flüssigleitung geschlossen. So gelangt das Gas aus dem Kompressor über das Dreiwege-Ventil 23 in die Heißgasleitung und über die T-Stücke 94 und 46 zum Sammler 26. Die Ansaugseite des Kompressors 12 ist mit den Kältemit­ telleitungen verbunden, in denen das Magnetventil 90 in der Heißgasleitung und das Magnetventil 56 in der Flüssigleitung liegen. Jetzt wird vom Kompressor dieser Teil der Kühlanlage ausgepumpt und damit flüssiges Kältemittel entfernt, das in der Heizung 88 und in der Heißgasleitung sowie im Verdampfer und den angeschlossenen Leitungen vorhanden ist. Dies erfolgt während einer bestimmten Zeitdauer, beispielsweise von 40 Sekunden bis zu einer Minute und bis ein entsprechender Druck beispielsweise vom Ansaugdruckgeber 106 angezeigt wird.

Nach diesem ersten Schritt folgt der zweite Schritt durch Öffnen des Magnetventils 98 in der Absaugleitung 96. Jetzt dient der Ansaugdruck des Kompressors zum Evakuieren praktisch des gesamten flüssigen Kältemittels vom ersten Auslaß 29 des Dreiwege-Ventils bis zum Kondensator und der Absaugleitung 96. Dies erfolgt während einer bestimmten Zeitdauer, die in der Steuereinheit 34 program­ miert ist und die von einem Signal des Druckgebers 102 in der Absaugleitung 96 bzw. vom Ansaugdruckgeber 106 beendet werden kann.

In dieser Betriebsweise der Anlage kann der Druck im Kondensator 24, der Flüssigleitung 52 und der Heißgasleitung 84 auf einen Wert abgesenkt werden, der dem Druckverhältnis entspricht, das der Kompressor 12 aufbringen kann. Bei­ spielsweise ist in dem Ausführungsbeispiel der Kompressor zweistufig und kann ein Gesamtdruckverhältnis von 400 : 1 aufbringen. Bei einer ambienten Auslaßbedingung von bei­ spielsweise 50°C, bei der für R-22 der Sättigungsdruck etwa 5,9 bar beträgt, kann ein zweistufiger Kompressor die Anlage auf etwa 99 kPa unterhalb ein Bar evakuieren, was eine Sättigungstemperatur von weniger als -100°C ergibt.

Ein einstufiger Druckkompressor mit einem Verhältnis von 60 : 1 kann unter gleichen Umgebungsbedingungen die Anlage auf etwa 35 kPa unterhalb ein Bar auspumpen, was einer Sättigungstemperatur von etwa -80°C entspricht.

Die Darstellung in Fig. 3 zeigt diese Verhältnisse für einen zweistufigen Kompressor mit 400 : 1 (untere Linie) und einen einstufigen Kompressor mit dem Verhältnis 60 : 1 in einem weiten Bereich von Umgebungstemperaturen. Alle Werte gelten für R-22.

Das Rückgewinnungssystem ist in Verbindung mit dem Einleiten einer Heizphase beschrieben worden, um das maximale Volumen an Kältemittel in den Heizkreislauf einzuspeisen. Ein weiterer wesentlicher Vorteil der Anlage besteht darin, daß zu jedem Zeitpunkt in der Heiz- oder Enteisungsphase eine Rückgewinnungsphase zeitweise durchgeführt werden kann, ohne daß während dieser Zeitspanne die Heizleistung dieser Anlage nennenswert verringert wird.

Wie bereits vorstehend erwähnt wurde kann während längerer Heizphasen flüssiges Kältemittel durch kleinere Lecks in den Ventilen der Anlage in inaktive kältere Teile der Anlage eintreten. Erfindungsgemäß kann die Anlage so gesteuert wer­ den, daß sie während solcher längerer Heizzeiten zeitweise in die Rückgewinnungsphase geschaltet wird, um das ausge­ tretene Kältemittel wieder in den Heizkreislauf einzu­ speisen. So kann der Mikroprozessor beispielsweise programmiert werden, um eine zeitweise Rückgewinnungsphase durchzuführen, wenn die Anlage für eine bestimmte Zeitdauer, beispielsweise 6 Stunden nicht in der Kühlphase war. Das Umschalten auf die Rückgewinnungsphase kann also zeitlich vorgegeben werden, beispielsweise, daß in einer Heizphase eine zeitweise Rückgewinnungsphase alle 4 Stunden o. ä. durchgeführt wird. Das Umschalten auf eine zeitweise Rück­ gewinnungsphase kann auch druckabhängig erfolgen, beispiels­ weise vom Auslastdruck des Kompressors, wenn dieser unter einen bestimmten Wert abfällt.

Unabhängig vom Programm des Mikroprozessors für eine zeitweise Rückgewinnungsphase wird beim Auftreten eines Rückgewinnungssignals von der Steuereinheit das Magnetventil 90 in der Heißgasleitung geschlossen, das Magnetventil in der Flüssigleitung geschlossen und das Magnetventil 98 geschlossen, so daß die Anlage sofort evakuiert wird und in die inaktiven Teile der Anlage einge­ tretenes Kältemittel in den Heizkreislauf zurückgeführt wird.

Die erfindungsgemäße Anlage eignet sich somit besonders für den Gütertransport, wobei durch Heiz- und Kühlphasen eine eingestellte Sollwerttemperatur eingehalten wird und während der Heizphase eine vergrößerte Heizkapazität ermöglicht wird.

Claims (7)

1. Kälteanlage zum Heizen und Kühlen, mit einem Kompressor (12), einem Kondensator (24), einem Expansions­ ventil (28) und einem Verdampfer (30), die mit einer Kältemittelleitung verbunden sind, mit einer Heißgasleitung (84), welche die Auslaßseite des Kompressors (12) mit dem Einlaß des Verdampfers (30) verbindet und ein Heißgas-Absperrventil (Magnetventil 90) aufweist, und mit einer Ventilanordnung (Dreiwegeventil 23), welche die Auslaßseite des Kompressors (12) wahlweise mit der Heißgasleitung (84) oder der zum Kondensator führenden Kältemittelleitung verbindet, mit einem ersen Rückschlagventil (44) zwischen dem Kondensator (24) und dem Expansionsventil (28), welches in Richtung auf das Expansionsventil geöffnet ist; und mit einem Kältemittelsammler (26) und einem nachgeordneten Kältemittel- Absperrventil (Magnetventil 56) zwischen dem ersten Rückschlagventil (44) und dem Expansionsventil (28); dadurch gekennzeichnet, daß die Auslaßseite des Kondensators (24) mit der Saugseite des Kompressors (12) über eine Absaugleitung (96) verbunden ist, in welcher hintereinander, in Richtung des Kompressors gesehen, ein Absaug-Absperrventil (Magnetventil 98) und ein in Richtung zur Saugseite des Kompressors geöffnetes, zweites Rückschlagventil (100) angeordnet ist, und mit einem dritten Rückschlagventil (95), welches die Heißgasleitung (84) zwischen der Ventilanordnung und dem Heißgas-Absperrventil mit der Eingangsseite des Kältemittelsammlers (26) verbindet und in Richtung auf den Kältemittelsammler geöffnet ist.

2. Kälteanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Absperrventile aus Magnetventilen (56, 90, 98) bestehen.

3. Verwendung einer Kälteanlage nach Anspruch 1 oder 2, für den Transport von Kühlgut, dessen Temperatur durch Heiz- und Kühlphasen eingehalten werden soll.

4. Verfahren zum Betreiben einer Kälteanlage nach Anspruch 1 bis 3, mit einer Steuereinheit für die Heiz- und Kühlphase, wobei die Heizphase durch Umschalten der Ventilanordnung, Öffnen des Heißgas-Absperrventils und Schließen des Kältemittel-Absperrventils eingleitet wird, dadurch gekennzeichnet, daß vor dem Öffnen des Heißgas-Absperrventils eine erste Absaugphase durchgeführt wird, in welcher das Absaug-Absperrventil und das Heißgas-Absperrventil geschlossen bleiben, und das Kältemittel stromab dieser beiden Absperrventile abgesaugt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß in einer zweiten Absaugphase das Absaug- Absperrventil geöffnet und das Kältemittel stromaufwärts aus den Rohrleitungen und aus dem Kondensator abgesaugt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß an der Saugseite des Kompressors ein Drucksensor angeordnet ist, und daß die jeweilige Absaugphase von der Steuereinheit beendet wird, wenn der Meßwert des Drucksensors einen vorgegebenen Wert unterschreitet.

7. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die jeweilige Absaugphase nach einer vorgegebenen Zeitspanne von der Steuereinheit beendet wird.