DE60216764T2

DE60216764T2 - Abtauen von kaskadenkühlanlagen mittels co2-heissgas

Info

Publication number: DE60216764T2
Application number: DE60216764T
Authority: DE
Inventors: Skaerbaek Per NIELSEN; Thomas Lund
Original assignee: York Refrigeration ApS
Current assignee: Johnson Controls Denmark ApS
Priority date: 2001-06-13
Filing date: 2002-06-11
Publication date: 2007-10-04
Anticipated expiration: 2022-06-12
Also published as: ATE348301T1; WO2002101305A1; EP1409936B1; EP1409936A1; DK1409936T3; DE60216764D1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Kühlsystem vom Kaskadentyp, welches einen wirksamen Kühlkreislauf umfasst, der mit CO₂ oder einem anderen Kühlmittel funktioniert und einen oder mehrere Kühlkompressoren aufweist, welche in der Weise angeschlossen sind, dass sie Kühlgas aus einem Verdampferapparat saugen und es in eine Kondensatoreinheit komprimieren, die in einem vorgeschalteten zweiten Kühlkreislauf auch als Verdampfer dient, und von welcher aus kondensierte Kühlflüssigkeit zu dem Verdampferapparat befördert wird, während ein Enteisungskreislauf dafür vorgesehen ist, heißes Kühlmittel zu Enteisungszwecken selektiv dem Verdampferapparat zuzuführen.
Enteisung ist notwendig, um Eis zu entfernen, das sich in einer Gefrier- oder Kühleinrichtung angesammelt hat. In den meisten Fällen ist dies eine Frage des korrekten und effizienten Funktionierens der Geräte, in manchen Fällen ist es jedoch ein entscheidender Teil der Funktion. Zu den letzteren Fällen zählt eine Plattengefrieranlage, in welcher das Produkt zwischen zwei Metallplatten gefroren wird, in denen Kühlmittel zirkuliert. Damit das Produkt entnommen werden kann, ist es notwendig, die Platten zu enteisen.
Die Enteisung kann auf verschiedene Arten erfolgen, von denen folgende am gebräuchlichsten sind:

– Besprühen mit heißem Wasser, was sehr verbreitet ist, aber aus hygienischen Gründen nicht sehr praktikabel ist,
– Elektrisches Enteisen durch in der Nähe der Kühloberfläche angeordnete elektrische Heizstäbe. Der hauptsächliche Nachteil besteht darin, dass der Energieverbrauch verglichen mit der Heißgasenteisung viel höher liegt. Wegen des COP (Leistungskoeffizienten) der Enteisungskompressoren (Kühlkapazität-kW pro Energieverbrauchs-kW) ist bei der elektrischen Enteisung die dem Enteisungssystem zugeführte Energie für dieselbe Enteisungskapazität 4–5-mal höher. Ein weiterer Nachteil besteht darin, dass bei Verwendung der elektrischen Enteisung das Eis von außen geschmolzen wird, was bedeutet, dass mehr Eis geschmolzen werden muss, bevor das restliche Eis von der Kühleinrichtung abfällt, und dass der Energieverbrauch zu hoch ist.
– Zirkulieren einer heißen Flüssigkeit (in der Regel eines Glykol/Wasser-Gemisches) in einem separaten Kreislauf innerhalb der Kühl-/Gefriereinrichtung. Beim Enteisen von innen schmilzt zuerst das Eis an der Oberfläche, so dass das Eis so bald wie möglich abfallen kann.
– Heißgasenteisung, wobei Gas in der Kühl-/Gefriereinrichtung bei einer Temperatur über dem Gefrierpunkt kondensiert wird. Die Kondensation erfolgt in demselben Kreislauf, der zum Kühlen/Gefrieren verwendet wird. In manchen Arten von Verdampfern, z.B. bei Plattengefrieranlagen, ist die Heißgasenteisung die einzig mögliche Enteisungslösung.

Wo immer möglich, wird Heißgasentfrostung verwendet. Heißgasentfrostung ist sehr effizient, weil Wärme dorthin geliefert wird, wo das Eis sich angesammelt hat, und sie ist sehr sparsam, da die verwendete Wärme im System vorhanden ist. Für die elektrische Enteisung und die Enteisung mit heißer Flüssigkeit ist eine externe Energiequelle erforderlich, die bei der Heißgasenteisung nicht benötigt wird. Während der Heißgasenteisung dient die Kühl-/Gefriereinrichtung als Sekundärkondensator, der die Wärme verteilt, die sonst in dem Kühlmedium (in der Regel Wasser oder Luft) verteilt wird.
Mit der Wiedereinführung von CO₂ werden immer häufiger Kaskadensysteme verwendet. Aufgrund des hohen Sättigungsdrucks von CO₂ ist es nicht möglich, den Druck innerhalb des normalerweise in Kühlanlagen zu findenden Bereiches zu halten und es gleichzeitig gegen Luft oder Wasser bei Umgebungstemperaturen zu kondensieren. Daher wird ein Kaskadensystem verwendet, wobei eine Sekundärkühlanlage den CO₂-Kondensator kühlt. Die Sekundärkühlanlage kondensiert gegen die verfügbaren Kühlmedien. Die Kondensationstemperatur des CO₂ liegt normalerweise im Bereich von –20°C bis –5°C.
Bei Verwendung eines herkömmlichen Heißgasenteisungsverfahrens würde das Gas, das sonst in dem Kaskadenkühler kondensiert würde, dem Verdampfer zugeführt. Aber bei CO₂ liegt die Kondensationstemperatur, wie oben erwähnt, im Bereich von –20°C bis –5°C, was nicht warm genug ist, um Eis von dem Verdampfer zu entfernen. Beim Enteisen einer Kühleinrichtung ist es natürlich notwendig, die Temperatur der Kühleinrichtung (weit) über 0°C zu bringen.
Eine Lösung dieses Problems könnte es sein, die Temperatur in der Kaskadenkühleinrichtung (z.B. dem Kühlkompressor-Auslass) auf ein Niveau über dem Gefrierpunkt zu erhöhen. Das ist möglich, aber diese Lösung bringt mehrere Nachteile mit sich. Der gesamte energetische Wirkungsgrad des Systems sinkt, und was noch wichtiger ist: Die Komponenten zum Umgang mit dem erhöhten Druck sind bestenfalls teuer oder nicht verfügbar. Außerdem würde ein sehr großer Teil der Anlage sehr hohen Drücken ausgesetzt.
Häufig wird der Enteisungsdruck in dem Verdampfer durch ein Ventil in dem Auslass geregelt. Dieses Ventil schließt sich, wenn der Druck niedriger als der gewünschte Druck ist. Hierdurch wird jedoch das Austreten der während der Enteisung kondensierten Flüssigkeit aus dem Verdampfer eingeschränkt, so dass sich Flüssigkeit in dem Verdampfer sammelt. Das Ansammeln von Flüssigkeit verringert die Oberfläche in dem Verdampfer, die zum Kondensieren zur Verfügung steht, und verringert somit die Gesamtwirksamkeit der Enteisung.
Als Kühlmittel bietet CO₂ einige allgemeine Vorteile:

– Hochwirksames System sowohl hinsichtlich der Größe der Komponenten als auch des Energieverbrauches
– Noch bei niedrigen Verdampfungstemperaturen wirksam. Andere Kühlmittel werden unter –40°C unwirksam; dagegen ist CO₂ bis zu –55°C wirksam, begrenzt nur durch den Tripelpunkt (–56,6°C).
– Ein Austreten von CO₂ zerstört nicht das Produkt im Verarbeitungsbereich, was sich nicht nur auf den Ertrag, sondern auch auf die Versicherungskosten auswirkt.
– CO₂ gilt als sicheres Kühlmittel. Es ist nicht entflammbar, nicht explosiv und für die Mitarbeiter deutlich sicherer als andere Kühlmittel.
– Die niedrige Verdampfungstemperatur ergibt eine höhere Kapazität der Produktionsausrüstung, was in der Regel zu schnellerem Gefrieren führt. Das schnellere Gefrieren wirkt sich positiv auf die Produktqualität aus.
– CO₂ ist ein natürliches Kühlmittel ohne die mit älteren Kühlmitteln wie z.B. CFCs und HCFCs verbundenen Umweltprobleme. CO₂ ist nicht umweltschädlich, so dass vom Umweltstandpunkt aus auch in Zukunft eine uneingeschränkte Verwendung gewährleistet ist.

Die Patentanmeldung DK200100310 beschreibt eine Anlage und ein Verfahren, bei denen CO₂ zum Enteisen verwendet wird. Dieses System ist eine Einheit, die sowohl Enteisung als auch Stillstandskühlung zur Verfügung stellt, wobei z.B. der Systemdruck während des Stillstands niedrig gehalten wird. In einem Kombinationssystem wie in der DK200100310 würde ein Ausfall des Enteisungssystems bedeuten, dass keine Stillstandskühlung zur Verfügung steht, und von manchen Klassifizierungsgesellschaften wird verlangt, dass die Stillstandskühlung durch eine separate Einheit als Teil des Sicherheitssystems erfolgt.
Das oben genannte System ist mit dem "Verteilungssystem" verbunden, das definiert ist als ein Behälter mit Gas/Flüssigkeits-Gleichgewicht samt Rohrleitungen zu den Verbrauchern, z.B. den Verdampfern. Aus der Anwendung und ihren Definitionen ist zu entnehmen, dass die möglichen Verbindungspunkte folgende sind: ein Pumpenabscheider, ein Hochdrucksammler und die Rohrleitungen zu den Verbrauchern.
Das Verbinden des Enteisungskompressors mit der Niederdruckseite des Kühlkreislaufs führt zu einem sehr großen Druckunterschied, den die meisten technischen Kühlkompressoren nicht bewältigen können. Außerdem muss ein mit der Niederdruckseite verbundener Enteisungskompressor (bezogen auf den Hubraum) etwa 4-mal größer sein als ein mit der Hochdruckseite verbundener, um dieselbe Enteisungskapazität zu liefern. Bei Verbindung mit der Hochdruckseite kann Standard-Kühlausrüstung verwendet werden, während das bei Verbindung mit der Niederdruckseite nicht der Fall ist.
Wird der Enteisungskompressor mit dem Hochdrucksammler verbunden, so ist es sehr zweifelhaft, ob in dem Sammler genügend Gas verfügbar ist. Der Sammler sammelt im Wesentlichen Flüssigkeit aus dem Kondensator und enthält in der Regel nicht die großen Gasmengen, die für die Enteisung benötigt werden.
In dem in der DK-B1-174257 beschriebenen System ist das Sauggas für den Kompressor gesättigt, wodurch eine Flüssigkeitsabscheidung erforderlich wird. Für einen sicheren Kompressorbetrieb ist es von entscheidender Bedeutung, sicherzustellen, dass das Sauggas keine Flüssigkeit enthält, und zwar vor allem bei der Verwendung von Kolbenkompressoren.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein System zu bestimmen, das eine Heißgasenteisung von Kaskadenkühlanlagen durchführen kann, vor allem von solchen, die CO₂ im Kältekreislauf verwenden, wobei das System wirksame Enteisung liefern kann und dabei merkliche Vorteile hinsichtlich geringeren Gesamt-Energieverbrauchs der Anlage und einer weitgehenden Verwendung von Standard-Kühlkomponenten bietet.
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Kühlsystem vom Kaskadentyp, bei welchem die Saugseite des Enteisungskompressors mit der Entlastungsseite eines oder mehrerer Kompressoren verbunden ist, wobei der Enteisungskompressor dafür ausgelegt ist, Enteisungsgas bei erhöhtem Druck und erhöhter Temperatur wenigstens einem Verdampferapparat zuzuführen, wobei der Enteisungskompressor derart verbindbar ist, dass er zeitweise als Kühlkompressor parallel zu dem/den einen oder mehreren Kühlkompressoren betreibbar ist.
Durch das erfindungsgemäße System wird der hohe Druck auf ein absolutes Minimum an Komponenten begrenzt, und es werden gleichzeitig so viele Standardkomponenten wie möglich eingesetzt. Mit einem eigens vorgesehenen Enteisungskompressor wird ein anderes Druckniveau nur zum Zweck der Enteisung erzeugt. Auf diese Weise kann der hohe Druck auf den Enteisungskompressor, das Enteisungsrohr, den zu enteisenden Verdampfer und einige Ventile an dem Verdampfer beschränkt bleiben. Die Kaskadenkühleinrichtung, der Kühlkompressor und dazugehörige Ausrüstung können auf der Temperatur/dem Druck gehalten werden, welche/r die insgesamt effizienteste Anlage zum Ergebnis hat, und dennoch Standard-Kühlkomponenten sein. Der Enteisungskompressor ist mit dem Auslass des Kühlkompressors verbunden.
Ein erfindungsgemäßes System verfügt über einen speziell zum Enteisen vorgesehenen Kompressor. Das Sauggas dieses Enteisungskompressors das Auslassgas des Kühlkompressors. Das Gas ist vor dem Eintritt in den Enteisungskompressor gekühlt worden, damit eine zu hohe Auslasstemperatur vermieden wird, die zu einem Problem mit der Schmierung des Enteisungskompressors führen könnte. Außerdem wäre der COP (Kühlkapazität-kW pro Energieverbrauchs-kW) des Enteisungskompressors niedriger, und eine Ölkühlung wäre erforderlich.
Die Kühlung des dem Enteisungskompressor zugeführten Sauggases wirkt sich auf den Gesamt-Energieverbrauch der Anlage aus. Zwei Kühlverfahren werden hier am ehesten verwendet: erstens eine Kühlung mit denselben Medien, die in dem Kondensator des Sekundärsystems verwendet werden (Luft oder Wasser), und zweitens die Verwendung der Kaskadenkühleinrichtung.
Normalerweise würde eine Kaskadenkühleinrichtung das Gas vor dem Kondensieren kühlen, so dass durch Einsatz einer Düse an der richtigen Stelle in der Kaskadenkühleinrichtung eine Zufuhr von gekühltem Gas erreicht würde. In der Kaskadenkühleinrichtung erfolgt das Abkühlen durch das Sekundärsystem, so dass das Sekundärsystem Energie braucht. Ebenso ist es äußerst wichtig, dass das dem Enteisungskompressor zugeführte Gas keine Flüssigkeit enthält. Eine positive Überhitzung ist zur Vermeidung von Flüssigkeitsschlägen (beim Versuch, eine Flüssigkeit zu komprimieren) in dem Kompressor erforderlich.
Die andere Möglichkeit, die mit Luft/Wasser gekühlte Kühleinrichtung, bietet einige Vorteile. Wie schon erwähnt, ist es nicht auf praktikable Weise möglich, das CO₂ gegen Luft/Wasser bei normaler Umgebungstemperatur zu kondensieren; jedoch kann es dafür verwendet werden, das Gas vor dem Eintritt in die Kaskadenkühleinrichtung und den Enteisungskompressor abzukühlen. Der Vorteil liegt darin, dass jedes von der Kühleinrichtung gekühlte kW nicht in der Kaskadenkühleinrichtung entzogen werden muss. Dies führt zu einer Verringerung sowohl der Größe, als auch des Energieverbrauchs des Sekundärsystems. In einer solchen Kühleinrichtung kann das Gas auf eine Temperatur abgekühlt werden, die der Umgebungstemperatur sehr nahe kommt, aber da die Sättigungs-(Kondensations-)-temperatur viel niedriger liegt, ist das Gas immer noch ausreichend überhitzt, um Flüssigkeitsschläge zu vermeiden. Die Auswahl eines dieser beiden Systeme ist eine Frage der Installationskosten gegenüber der Ersparnis bei den Betriebskosten.
Die Enteisungskompressor-Kapazitätsregulierung reguliert nach dem Auslass-(Enteisungs-)-druck. Die Kondensationstemperatur bestimmt den Saugdruck in dem Kühlkreislauf. Dieser Druck wird durch den "warmen" Kühlkreislauf konstant gehalten.
Um eine übermäßige Veränderung der Kompressorkapazitätsstufen und einen unbeabsichtigten Druckanstieg am Ende der Enteisungsperiode zu verhindern, wenn der Bedarf an Enteisungskapazität gering ist, wird zum Umleiten von Heißgas zurück in die Kaskadenkühleinrichtung ein regelbares Umgehungsventil verwendet. Das Umgehungsventil ist in einer Verbindung von der Entlastungsseite des Enteisungskompressors und der Entlastungsseite des einen oder der mehreren Kühlkompressoren angeordnet. Hierdurch wird ein präzises Regeln von Enteisungsdruck und -temperatur ermöglicht, und das Umgehungsventil glättet die Kapazitätsstufen und stellt sicher, dass der Druck den maximalen Auslegungsdruck nicht übersteigt. Durch dieses Regelverfahren wird es unnötig, an jeder Kühleinrichtung Regelventile zum Regeln des Druckes während der Enteisung anzubringen. Die gesamte Regulierung der Enteisung erfolgt durch den Kompressor und das Umgehungsventil.
Der Enteisungsdruck/die Enteisungstemperatur kann für jeden Verdampfer einzeln durch Veränderung des Sollwertes des Enteisungskompressor-Auslassdrucks eingestellt werden. Auf diese Weise ist die Enteisung für den jeweiligen Verdampfertyp optimierbar. Für manche Anwendungen kann eine allmählichere Enteisung vorteilhaft sein, während andere eine schnelle Enteisung erfordern. Zu den bei der Wahl der Enteisungstemperatur anzustellenden Erwägungen zählen Wärmeverlust an die Umgebung, Wasser-/Dampfgehalt der Raumluft und Produktqualität.
In einem erfindungsgemäßen System kann der Kühlmittelauslass aus dem Verdampferapparat über eine flüssigkeitsgeregelte Flüssigkeitsableitungseinrichtung mit der Saugseite des einen oder der mehreren Kühlkompressoren verbunden sein.
Das Entleeren der Kühleinrichtung während der Enteisung ist von großer Bedeutung. Wenn die Kühleinrichtung sich mit Flüssigkeit füllt, wird die für die Kondensation (Enteisung) verfügbare Oberfläche kleiner, und infolgedessen sinkt die mögliche Kapazität, was eine langsamere Enteisung zur Folge hat. Bei dem erfindungsgemäßen System wird zu diesem Zweck eine thermodynamische Flüssigkeitsableitungseinrichtung eingesetzt, die für die Anwendung mit Dampf und Druckluft ausgestaltet ist. Diese Einrichtung lässt Flüssigkeit durch und hält Gas auf, ganz ähnlich wie ein Schwimmerventilmechanismus. Bei Schwimmerventilmechanismen wird eine schwimmende Kugel verwendet, aber diese sind für den benötigten hohen Druck teuer bzw. schwierig zu beschaffen. Die hier verwendete Flüssigkeitsableitungseinrichtung ist einfach gestaltet und kann die Drücke aufnehmen. Der Vorteil besteht darin, dass, wenn der Kompressor den Druck vollständig regelt, die Flüssigkeitsableitungseinrichtung nur die Flüssigkeit in der Gefriereinrichtung ableiten und keine Druckregulierung vornehmen muss. Das Ergebnis ist ein äußerst einfaches System mit effizienter Funktionsweise.
Bei einem System wie dem beschriebenen kommt das gesamte Gas leitende System vom Enteisungskompressor über den Verdampferapparat bis zum Ableitungsrohr des Verdampfers generell ohne Druckregulierungsmittel aus und wird vorzugsweise für den Betrieb bei Drücken nicht über 50 bar ausgelegt.
Es ist jedoch nicht auszuschließen, dass in einer alternativen Ausführungsform der Erfindung ein höherer Druck, z.B. 55 bar, besser geeignet ist.
Insgesamt ist die Anlage im Vergleich zu bekannten Lösungen beträchtlich einfacher, sicher und weniger teuer.
Das hier beschriebene erfindungsgemäße System hat, verglichen mit den Alternativsystemen, mehrere Vorteile:

– Außer dem Enteisungskompressor-Ölabscheider gibt es in dem Hochdrucksystem keine Behälter. Der Ölabscheider hat ein sehr geringes Volumen. Große Volumen unter hohem Druck stellen wegen des hohen Energiegehaltes ein Sicherheitsrisiko dar.
– Der Enteisungsdruck/die Enteisungstemperatur wird durch den Kompressor geregelt. Anstelle der herkömmlichen Saugdruckregulierung reguliert der Kompressor seinen Auslassdruck. Eine Regulierung des Kompressors kann entweder über die normale Kompressor-Kapazitätsstufe durch ein Umgehungsventil erfolgen, um eine feinere Regulierung zu erreichen, oder es kann ein Frequenzumrichter an dem Kompressormotor verwendet werden, um die Drehzahl (RPM) des Kompressors zu regulieren. Dies kann aufgrund der hohen Kapazität in einer einzelnen Kapazitätsstufe in Kolbenkompressoren notwendig sein.
– Bei regulierenden Ventilen für die Kühleinrichtung ist es nicht notwendig. Die gesamte Druck-/Temperaturregulierung erfolgt durch den Kompressor.
– Wenn der Enteisungsdruck durch den Kompressor geregelt wird, braucht nur die Kühleinrichtung von Flüssigkeit entleert zu werden. Wenn Flüssigkeit abgeleitet wird, steht die maximale Oberfläche zum Kondensieren zur Verfügung.
– Die Entleerung wird durch eine thermodynamische Flüssigkeitsableitungseinrichtung, durch eine handelsübliche Komponente für Druckluft und für Dampf oder durch ein Hochdruck-Schwimmerventil gewährleistet.
– Hoher Druck herrscht nur während des Betriebs des Kompressors. Im Ergebnis wird aller Druck ausgeglichen, wenn eine kritische Situation eintritt (z.B. ein Stromausfall, eine falsche Ventilstellung) oder wenn der Nothalt des Kompressors betätigt wird.
– Durch die Entnahme des Auslassgases aus den Kühlkompressoren und nicht aus dem Pumpenabscheider wird der COP (Kühlkapazität-kW pro Energieverbrauchs-kW) stark verbessert und so deutlich höhere Sparsamkeit erreicht. Außerdem werden die Anforderungen hinsichtlich der Kompressorgröße stark verringert.
– In Systemen, wo Enteisung nicht kontinuierlich, sondern in getrennten Intervallen benötigt wird, könnte der Enteisungskompressor als normaler Kühlkompressor verwendet werden. Der zum Enteisen verwendete Kompressor kann ein nur zu diesem Zweck vorgesehener Enteisungskompressor sein, kann aber auch ein beliebiger der Kühlkompressoren sein. Ein erfindungsgemäßes System kann so gestaltet sein, dass es möglich ist, einen oder mehrere von einer Vielzahl Kompressoren in dem System als Enteisungskompressor zu verwenden. Auf diese Weise wird eine erhöhte Sicherheit und Zuverlässigkeit des Systems erreicht. Die Leistung des Kompressors in den beiden Betriebsbedingungen ist gut abgestimmt. Das bedeutet: Beim Betrieb unter Enteisungsbedingungen ist der Ertrag des Kompressors 3–5-mal so hoch wie unter Kühlbedingungen. Dieses Verhältnis wird für eine Enteisung in angemessener Zeit als geeignet erachtet. Somit entspricht, wenn eine Kühleinrichtung zum Enteisen außer Betrieb genommen wird, die überschüssige Kompressorkapazität auf dem Kühlniveau dem Bedarf an Enteisungskapazität.
– Das Gas zum Enteisen wird stark überhitzt, was neben dem eigentlichen Gewinn an Heizkapazität das System vor dem Eintritt in die Kühleinrichtung gegen Kondensation in Rohren und Ventilen schützt. Wenn Flüssigkeit aus hohem Druck in einen Niederdruckbereich eintritt, kann sie in den Niederdruckbereich "einschießen", und es kann dadurch beträchtlicher Schaden entstehen.
– Der Kompressor kann mit der Enteisung "sanft" beginnen, während der Druck zu Beginn der Enteisung hochgefahren wird. Hierdurch wird die Gefahr von Druckstößen und Flüssigkeitsschlägen verringert.
– Es ist möglich, für unterschiedliche Verdampfer individuelle Enteisungsbedingungen zu schaffen, die den individuellen Erfordernissen entsprechen.

Der Energieverbrauch des Systems wird durch Einsatz des erfindungsgemäßen Systems deutlich beeinflusst. In den Verdampfern absorbierte Wärme wird zusammen mit der CO₂-Kompressor-Motorwärme dem sekundären (normalerweise R717-)Kühlsystem in der Kaskadenkühleinrichtung zugeführt. Obwohl die Kaskadentemperaturen fest auf den insgesamt wirksamsten Punkt eingestellt worden sind, erfolgen 60–70% des gesamten Energieverbrauches durch das Sekundärsystem. Wenn der Enteisungskompressor jedoch in Betrieb ist, braucht das Enteisungskompressor-Sauggas nicht durch das Sekundärsystem kondensiert zu werden, was eine Verringerung der erforderlichen Kühlkapazität des Sekundärsystems zur Folge hat.
Das Gas wird nach der Komprimierung in dem Enteisungskompressor in dem zu enteisenden Verdampfer kondensiert. Der COP (Kühlkapazität-kW pro Energieverbrauchs-kW) liegt jedoch in dem Enteisungskompressor viel höher als in dem Kompressor des Sekundärsystems. Der Unterschied hängt natürlich von der Art (Kühlmittel usw.) des Sekundärsystems und der Betriebsbedingungen ab, allgemein gesprochen ist jedoch ein Faktor von zwei realistisch. Das bedeutet, dass pro durch das Enteisungssystem verbrauchter 100 kW der Energieverbrauch des Sekundärsystems um 200 kW sinkt und die sich daraus ergebende Gesamtverringerung 100 kW beträgt.
Bei einem Energieverbrauch von 100 kW liefert der in diesem System eingesetzte Enteisungskompressor eine Heizleistung von ungefähr 600 kW. Soll elektrische Enteisung verwendet werden, so werden die gesamten 600 kW als Elektrizität benötigt. Somit geht es bei dem Vergleich eigentlich um einen Anstieg von 600 kW, verglichen mit einer Verringerung von 100 kW. Soll heißes Glykol verwendet werden, so könnte die Heizeinrichtung in dem System entfernt werden (höchstwahrscheinlich die Warmseite des Sekundärsystems), so dass der Energieverbrauch nur mit der Pumpleistung steigt. Es wird jedoch kein Zugewinn erzielt, der mit dem oben beschriebenen vergleichbar wäre.
In einer erfindungsgemäßen Anlage ist festgestellt worden, dass während der Enteisung große Vorteile hinsichtlich des Gesamtwirkungsgrades entstehen, wie oben erwähnt. Zum Verständnis der Erfindung sei erwähnt, dass es sich bei den verwendeten Kompressoren hauptsächlich um großtechnische Kompressoren für technische Kühlaufgaben handelt, dass die Erfindung jedoch auch in Verbindung mit Anlagen verwendet werden kann, die gewerbliche Kompressoren enthalten, mit denen der vorgegebene Druck und die vorgegebene Temperatur bewältigt werden können. Als Beispiel für Verwendungsorte des Systems können Kühl- und Gefrieranlagen in Metzgereien, in Supermärkten oder in anderen Einzelhandelsgeschäften genannt werden.
Um mit dem erfindungsgemäßen System noch mehr Energie zu sparen, kann die Kapazität des Enteisungskompressors dazu verwendet werden, heißes Gas anderen Elementen als einem herkömmlichen Verdampfer zuzuführen, z.B. Elementen, die aus Heiz-/Verdampferrohen bestehen, welche in Bereichen angeordnet sind, wo sich sonst Eis ansammelt.
Gefriereinrichtungen, die enteist werden müssen, werden oft auf Fangschiffen verwendet, und in solchen Anlagen können Heiz-/Verdampferrohre im Boden im Gefrierbereich installiert werden. In diesem Bereich kommt es typischerweise zu Eisbildungen, die heute mit elektrischen Heizelementen entfernt oder geregelt werden. Durch Ersetzen dieser Elemente durch Heiz-/Verdampferrohre wird weniger elektrischer Strom benötigt, und der Enteisungskompressor wird wirksamer eingesetzt, wodurch in der zweiten Kondensatoreinheit Energie gespart wird.
CO₂ Heißgas aus dem Enteisungskompressor kann zum herkömmlichen Enteisen, zum Heizen und zum Enteisen an allen Stellen, wo die Temperatur unter 10°C liegt, eingesetzt werden.
Im Folgenden wird die Erfindung mit Bezug auf die Zeichnung beschrieben, wobei
1 ein System gemäß der Erfindung zeigt und
2 ein Log(P)-H-Diagramm der erfindungsgemäßen Enteisung in Kaskadensystemen zeigt.
Unter Bezugnahme auf 1, die ein System gemäß der Erfindung zeigt, wird die Funktionsweise des Systems beschrieben. Es sei darauf hingewiesen, dass die Figur zum leichteren Verständnis vereinfacht ist.
Das Gefriersystem 2 funktioniert auf herkömmliche Weise. Der Pumpenabscheider 4 enthält Kühlmittel bei Verdampfungstemperatur. Die Pumpen 6 pumpen Kühlflüssigkeit durch die Ventilstation 10 zu dem Verdampfer 8.
In dem Verdampfer 8 wird die Kühlflüssigkeit teilweise oder vollständig verdampft und durch die Ventilstation 10 zu dem Pumpenabscheider 4 zurückgeführt. Das in dem Verdampfer 8 erzeugte Gas wird durch den Kühlkompressor 12 entfernt, der das Gas auf den Kondensationsdruck komprimiert. Von dem Kühlkompressor 12 aus wird das Gas primär zu der Kaskadenkühleinrichtung 14 geleitet, wo das Gas kondensiert wird, bevor es zu dem Pumpenabscheider 4 zurückgeleitet wird. Eine sekundäre Kondensationseinheit 16 stellt Kühlung für die Kaskadenkühleinrichtung 14 zur Verfügung. Bei dem Gefriersystem 2, wie hier beschrieben, handelt es sich um bekannte Technologie, die als solche nicht von Interesse ist. Das Wesentliche der hier beschriebenen Erfindung ist dagegen das Enteisungssystem.
Der Enteisungskompressor 20 entnimmt Sauggas aus dem Auslass des Kühlkompressors 12 (z.B. bei Kondensationsdruck) und komprimiert es auf den gewünschten Enteisungsdruck. Es sei darauf hingewiesen, dass das Gas aus dem Kühlkompressor 12 deutlich überhitzt ist. Um eine zu hohe Auslasstemperatur (Ölprobleme) aus dem Enteisungskompressor 20 zu vermeiden, könnte es notwendig sein, das Gas vor dem Eintritt in den Enteisungskompressor 20 zu kühlen. Die entsprechende Kühleinrichtung ist auf der Skizze nicht dargestellt, da die Funktion für die prinzipielle Funktion des Enteisungssystems nicht entscheidend ist. Die Kühlung des Gases könnte in einem externen Wärmetauscher oder in der Kaskadenkühleinrichtung 14 erfolgen. Wie erwähnt, ist diese Kühlung des Gases für die prinzipielle Funktion des Systems 2 nicht entscheidend; da sich hieraus jedoch einige Energieeffizienzprobleme ergeben, wird sie später im Einzelnen erläutert.
Von dem Enteisungskompressor 20 aus wird das Gas zu dem Verdampfer 8 geleitet. In 1 wird das Gas zu dem Flüssigkeits-/Gas-"Auslass" 22 des Verdampfers 8 geleitet, was zu einer rückwärtigen Enteisung führt. Über das Enteisen in Vorwärts- und Rückwärtsrichtung gibt es sehr unterschiedliche Ansichten, aber im vorliegenden Fall wird die rückwärtige Enteisung für am wirksamsten erachtet und daher hier beschrieben. Außerdem ist rückwärtige Enteisung sicherer, da das Risiko verringert wird, dass "Flüssigkeitsgeschosse" (liquid bullets) durch das System geschossen werden. In dem Verdampfer 8 kondensiert das Enteisungsgas und wird durch den Flüssigkeits-"Einlass" 24 des Verdampfers 8 ausgeleitet. Die Rückführung dieser (momentan unter hohem Druck stehenden) Flüssigkeit erfolgt über die normale Rückführungsleitung 26 zu dem Pumpenabscheider 4, jedoch muss der Druck vor dem Eintritt in die Rückführungsleitung 26 auf den Verdampfungsdruck reduziert werden. Dies erfolgt in einem Hochdruck-Schwimmerventil 28 oder einer Komponente mit denselben Eigenschaften. Zweck dieser Komponente 28 ist es, den Druck zu reduzieren, aber auch zu ermöglichen, dass alle Flüssigkeit aus dem Verdampfer 8 abgeleitet wird, wobei jedoch während der Enteisung kein Gas durchgelassen wird. Durch die Verwendung dieses Schwimmerventils 28 (oder dergleichen) wird der Verdampfer 8 während der Enteisung immer vollständig entleert, was zu einer wirksamen Enteisung führt. Außerdem wird, da der Verdampfer 8 zu Beginn der Enteisung mit Flüssigkeit aus dem Gefrierkreislauf gefüllt ist, mit dem Schwimmerventilsystem 28 eine schnelle und wirksame Entleerung sichergestellt.
Eine Kleinigkeit ist bei dieser Anordnung zu beachten. Während des Gefrierkreislaufes könnte das Schwimmerventil 28 eine Überbrückungsfunktion annehmen und alle zu dem Verdampfer 8 gepumpte Flüssigkeit in die Rückführungsleitung 26 zurück umleiten. Dies wird durch zusätzlichen Einsatz eines Ventils 30 in Reihe mit dem Schwimmerventil 28 vermieden. Dieses Ventil 30 verfügt über einen Öffnungsdruck, der größer ist als der Druckverlust in dem Verdampfer 8, und bleibt daher während des Gefrierkreislaufs geschlossen.
Die Regulierung des Druckes während der Enteisung erfolgt durch die Kapazitätsregulierung des Kompressors 20. Die Kapazitätsregulierung des Kompressors 20 reguliert entsprechend dem Auslassdruck, im Gegensatz zur "normalen" Saugdruckregulierung. Diese Regulierungsmethode ist in Wärmepumpen üblich. Der Saugdruck für den Enteisungskompressor 20 (z.B. der Kondensationsdruck in dem CO₂-Kreislauf) wird durch die sekundäre Kondensationseinheit 16 konstant gehalten. Es bietet einige Vorteile, den Druck mit dem Kompressor 20 zu regulieren, während das Schwimmerventil 28 den Verdampfer 8 entleert (ungeachtet des Drucks):

– Es wird nicht pro Verdampfer 8 ein Regelventil verwendet, sondern die Regeleinrichtung befindet sich an nur einem Punkt, wodurch einfacheres Regeln ermöglicht wird. Außerdem zählen Druckregler für einen Druck von 50 bar nicht zur Standard-Kühlausrüstung.
– Durch eine Änderung des Sollwerts des Kompressor-Auslassdrucks wird es möglich, die Enteisung an die zu enteisende Komponente anzupassen. Zum Beispiel ist in einer Plattengefrieranlage 8 die Enteisungszeit von großer Bedeutung, und entsprechend würde für das Regelsystem des Kompressors die Höchsttemperatur festgelegt, während es in einer Luftkühleinrichtung in einem Gefrier-Lagerraum erwünscht sein könnte, das Eindringen von Wärme in den Raum zu minimieren. Dies könnte durch eine Enteisung bei niedrigerer Temperatur über einen längeren Zeitraum erreicht werden.
– Der Verdampfer 8 wird, wie erwähnt, vollständig entleert und bietet daher die maximale Oberfläche für die Kondensation. Sobald das Gas kondensiert ist, also z.B. seine latente Wärme abgegeben hat, ist es für den Enteisungsvorgang kaum noch von Nutzen. Durch Entfernen der Flüssigkeit kann die maximale Enteisungskapazität erreicht werden.
– Wenn keine Enteisung erforderlich ist, kann der Enteisungskompressor 20 in einen Leerlauf-Modus versetzt werden, womit Verschleiß durch übermäßige Start- und Stoppsituationen vermieden wird.
– Wenn während eines längeren Zeitraums keine Enteisung erforderlich ist, kann der Enteisungskompressor 20 angehalten oder als Kühlkompressor 12 verwendet werden.

Um eine übermäßige Veränderung der Kompressor-Kapazitätsstufen zu vermeiden, ist ein regelbares Umgehungsventil 32 in einer Verbindung von der Entlastungsseite des Enteisungskompressors und der Entlastungsseite des einen oder der mehreren Kühlkompressoren angeordnet, um Heißgas zurück in den Kaskadenkühler 14 umzuleiten.
2 zeigt ein Log(P)-H-Diagramm der erfindungsgemäßen Enteisung in Kaskadensystemen. Das Diagramm stellt den normalen Kühlkreislauf 34 dar. Das Kühlmittel wird vom Verdampfungsdruck 38 auf den Kondensationsdruck 40 komprimiert. Durch das Auslassen aus dem Kompressor 42 wird das Gas gekühlt und dann kondensiert, bevor es wieder auf den Verdampfungsdruck 36 entspannt wird (flashed back). In dem erfindungsgemäßen System ist der Enteisungskompressor 20 nach der Kühlkompressor-Auslassöffnung 42, und bevor die Kondensation 44 in dem Kondensator/der Kaskadenkühleinrichtung erfolgt, angeschlossen.
In anderen bekannten System zur CO₂-Enteisung ist der Enteisungskompressor an der Saugseite des Kühlkompressors 46 oder nach dem Kondensator/der Kaskadenkühleinrichtung 48 angeschlossen.

Claims

Kühlsystem vom Kaskadentyp (2), umfassend einen wirksamen, kühlenden Kreislauf, der mit CO₂ oder einem anderen Kühlmittel funktioniert und umfassend einen oder mehrere Kühlkompressoren (12), die so verbunden sind, dass sie Kühlgas von einem Verdampferapparat (8) saugen und das Gas in eine Kondensatoreinheit (14) komprimieren, welche Kondensatoreinheit auch als Verdampfer in einem vorgekoppelten zweiten Kühlkreislauf (16) funktioniert, und von welcher Einheit kondensierte Kühlflüssigkeit zum Verdampferapparat (8) geleitet wird, worin ein Enteisungskreislauf (18) für die selektive Versorgung des genannten Verdampferapparats (8) mit heissem Kühlmittel für Enteisungszwecke angeordnet ist, wobei der Enteisungskreislauf (18) einen Enteisungskompressor (20) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass die Saugseite des Enteisungskompressors (20) mit der Entlastungsseite von einem oder mehreren der Kühlkompressoren (12) verbunden ist, wobei der Enteisungskompressor (20) dafür ausgelegt ist, Enteisungsgas bei erhöhtem Druck und Temperatur wenigstens einem Verdampferapparat (8) zuzuführen, wobei der Enteisungskompressor (20) derart verbindbar ist, dass er sich zeitweise als Kühlkompressor in parallel mit dem oder den genannten einen oder mehreren Kühlkompressoren (12) betriebbar ist.
Kühlsystem nach Anspruch 1, worin die Saugseite des Enteisungskompressors (20) mit der Entlastungsseite eines oder mehrerer Kühlkompressoren (12) durch eine vorzugsweise aus der Kondensatoreinheit (14) gestalteten Enthitzungseinheit verbunden ist.
System nach Anspruch 1, worin ein regelbares Überlaufventil (32) in einem Anschluss zwischen der Entlastungsseite des Enteisungskompressors (20) und der Entlastungsseite eines oder mehrerer Kühlkompressoren (12) angeordnet ist.
System nach Anspruch 1, worin der Kühlmittelauslass des Verdampferapparats (8) während der Enteisung mit der Saugseite eines oder mehrerer Kühlkompressoren (12) durch ein flüssigkeitsbetriebenes Flüssigkeitsableitungsgerät (28) verbunden ist.
System nach Anspruch 1, worin das ganze Gasleitungssystem zwischen dem Enteisungskompressor (20) durch den Verdampferapparat (8) und dem Auslassrohr (24) des Verdampferapparats (8) generell ohne Druckreguliermittel und für Betrieb bei Drücke ausgelegt ist, die nicht 50 bar überschreiten.
System nach Anspruch 1, worin die Entlastungsseite des Enteisungskompressors (20) mit irgendeinem oder mehreren von einer Reihe von Verdampfereinheiten (8) während der Enteisung im genannten Verdampferapparat selektiv schaltbar ist, während die übrigen Einheiten noch während der Kühlung betriebbar sind.
System nach Anspruch 1, worin wenigstens ein Kühlkompressor (12) parallel zu einem oder mehreren Kompressoren schaltbar ist, so dass er zeitweise als Enteisungskompressor (20) betriebbar ist.