EP0851183A2 - Kälteanlage - Google Patents

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EP0851183A2
EP0851183A2 EP97122135A EP97122135A EP0851183A2 EP 0851183 A2 EP0851183 A2 EP 0851183A2 EP 97122135 A EP97122135 A EP 97122135A EP 97122135 A EP97122135 A EP 97122135A EP 0851183 A2 EP0851183 A2 EP 0851183A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
refrigerant
line
refrigeration system
iii
refrigerant circuit
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP97122135A
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
EP0851183A3 (de
Inventor
Burkhard Rüssmann
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
L & R Kaltetechnik GmbH
Original Assignee
L & R Kaltetechnik GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by L & R Kaltetechnik GmbH filed Critical L & R Kaltetechnik GmbH
Publication of EP0851183A2 publication Critical patent/EP0851183A2/de
Publication of EP0851183A3 publication Critical patent/EP0851183A3/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B7/00—Compression machines, plants or systems, with cascade operation, i.e. with two or more circuits, the heat from the condenser of one circuit being absorbed by the evaporator of the next circuit
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B30/00—Heat pumps
    • F25B30/02—Heat pumps of the compression type

Definitions

  • the invention relates to a refrigeration system for generating low temperatures, including several thermally coupled Refrigerant circuits, with each circuit having at least one Compressor, a condenser, an expansion valve and has an evaporator and via a pressure line, a Liquid line, an injection line and a Suction line is closed.
  • the invention is therefore based on the object To provide refrigeration system of the type mentioned above, in which Temperatures of around -125 ° C and lower at comparative low pressures can be achieved.
  • This task is characterized by the characteristics of the Main claim solved.
  • the thermal coupling via heat exchanger takes place and the refrigerant of each downstream Refrigerant circuit in the heat exchanger via the refrigerant of the upstream refrigerant circuit is pre-cooled.
  • a temperature of up to about -125 ° C and lower be achieved.
  • the heat exchanger as Plate heat exchangers are designed and that the Plate heat exchangers work in counterflow. This is one low-loss heat transfer possible in the heat exchangers, what the achievement of a low temperature in the third Refrigerant cycle favors. Furthermore, the Evaporator side of the for thermal coupling of the Refrigerant circuits serving heat exchangers in each Evaporator outlet area with the hot inlet side of the condenser, so that on the on one side a residual evaporation of the refrigerant and on the on the other hand, cooling the refrigerant as far as possible is favored.
  • first refrigerant circuit as Refrigerant a pentafluoroethane / trifluoroethane mixture
  • second refrigerant circuit as refrigerant trifluoromethane
  • third refrigerant circuit as a refrigerant Tetrafluoromethane
  • These refrigerants exhibit the properties necessary for the operation of the system h, p-diagram and are CFC-free. It continues to act are approved safety refrigerants that are not flammable.
  • the refrigerant in the first Refrigerant circuit evaporates at around -40 ° C and around -45 ° C is liquefied that the refrigerant in the second Refrigerant circuit evaporates at around -75 ° C and at around -30 ° C is liquefied and that the refrigerant in the third Refrigerant circuit evaporates at around -130 ° C and at around -65 ° C is liquefied. So there are three different ones Temperatures for different purposes, process engineering and production processes, tapped.
  • the third refrigerant circuit is advantageous the pressure line with the suction line via a bypass line connectable, so that in this refrigerant circuit particularly high pressure start of the refrigeration system in the Bypass is possible.
  • the bypass line can expediently be via a Solenoid valve can be opened or closed, which is a enables convenient control.
  • Another useful embodiment of the invention provides that in at least one refrigerant circuit Liquid line is connected to a container.
  • the container can easily be used as a buffer for the refrigerant flow to serve.
  • At least one Refrigerant circuit is a partial flow of the refrigerant from the Pressure line via a branch line into a Heat exchanger directed there gives heat to that in the The refrigerant located in the suction line is removed via a Return line fed back to the pressure line. This leads to to overheat the one in the suction line Refrigerant and for further cooling of the Pressure line supplied refrigerant and contributes to Performance increase in the refrigeration system and to protect the Compressor at.
  • the partial flow is advantageously via a valve adjustable and can therefore be used on different Working conditions are adjusted.
  • Refrigerant circuits in your liquid line Solenoid valve, a sight glass and a filter dryer have, is a shift of the refrigerant in The refrigeration system cannot come to a standstill the condition of the refrigerant improves as well as the Performance of the filter dryer can be checked.
  • Another preferred embodiment of the invention provides that the compressor of each refrigerant circuit via vibration compensators with the pipe system is connected and that in the pressure line of each Refrigerant circuit a silencer is provided, so that mechanical vibrations of the compressor on the one hand and Pulsation vibrations of the refrigerant on the other hand Line system can be decoupled as far as possible.
  • low and low are in the refrigerant circuits High pressure side of the compressor with one each Pressure meter and a pressure switch.
  • the refrigerant circuits may become inadmissible if they occur Pressure peaks can be switched off.
  • Refrigeration system three cooling levels I, II, III, with the Cold level I almost the input level with the highest Temperature level and cold level III the output level with represents the lowest temperature level.
  • the cold levels I, II, III are thermal via heat exchangers 6, 20 coupled so that a cascade refrigeration system is created.
  • cold level I is now closer described.
  • the refrigeration cycle of cold level I points as Basic building blocks a condenser 11, an expansion valve 2, an evaporator 201 and a compressor 15.
  • Compressor 15 is connected to the condenser 11 via a Pressure line D
  • the Evaporator 201 in turn with the compressor 15 via a Suction line S connected to the cooling circuit of cooling level I.
  • the refrigerant is at about -40 ° C in Evaporator 201 evaporates.
  • a mixture is used as the refrigerant from 50% pentafluoroethane and 50% trifluoroethane.
  • the compressor 15 is over Vibration compensators 14 with the pipe system of Refrigeration circuit I connected.
  • the vibration compensators 14 keep mechanical vibrations of the compressor from Remote pipe system, causing damage or cracks be avoided.
  • the Vibration compensator 14 in the pressure line D is a Muffler 16 downstream to keep away from Pulsation vibrations of the refrigerant from the pipe system.
  • the refrigerant then passes into an oil separator 17, which is used to separate compressor oil from the refrigerant serves and via a ball shut-off valve 92 Return line feeds the oil to the compressor again.
  • a heat exchanger 12 is provided in the pressure line D.
  • the vaporous refrigerant is then air-cooled Condenser 11 liquefied with a further decrease in temperature and gets into the liquid line F.
  • a liquid collector 10 In the Liquid line F is still a liquid collector 10 provided, which is quasi as a buffer for the volume flow of the refrigerant acts.
  • a blow-off valve ensures 8 for the reduction of inadmissible peak pressures, if this not previously by the pressure switches 23 or 24 took place.
  • the liquid collector 10 is a service valve 9 downstream.
  • a Filter dryer 5 To freeze the expansion valve 2 and to avoid contamination of the refrigerant is a Filter dryer 5 provided. About a sight glass 4 can Level of the refrigerant and its moisture content in the liquid line F and thus also the Performance of the filter dryer 5 can be checked.
  • a solenoid valve 3 provided that when the refrigerant circuit is at a standstill shuts off so that there is no relocation of the Refrigerant is coming.
  • the refrigerant then continues through a heat exchanger 13 headed.
  • the heat exchanger also has the function of Liquid separator, which will be explained later.
  • the Heat exchanger 13 is the heat of the in Liquid line F refrigerant to the in the Suction line S, coming from the evaporator 201 vaporous refrigerant transferred.
  • the heat exchanger 13 is used in this regard to supercool the liquid Refrigerant and therefore leads to an increase in Cooling capacity. This flows from the heat exchanger 13 liquid refrigerant then into the expansion valve 2. That Expansion valve 2 leads via the injection line E. Evaporator 201 the expanded refrigerant.
  • the cold level is I with the cold level II coupled together via the heat exchanger 20
  • the Heat exchanger 20 is a counter-current plate heat exchanger is the evaporator 201 with a through the Heat exchanger 20 formed condenser 202 of the cold stage II connects.
  • Through the plate heat exchanger is one low-loss heat transfer from cold level II to Cold level I possible. So the working temperature in Evaporator 201 in about -40 ° C and in the condenser 202 in about -30 ° C.
  • the expansion valve 2 via suitable measuring devices 21 with the output of the Evaporator 201 connected to the suction line S, which the Measure the pressure and temperature of the refrigerant vapor.
  • This is the one flowing into the evaporator Refrigerant flow or the overheating of the refrigerant vapor regulated.
  • the refrigerant vapor then passes through the Suction line S to the heat exchanger 13 and takes there how already explained, heat from in the liquid line F refrigerant present, causing additional overheating of the refrigerant in the suction line S.
  • the Heat exchanger 13 also serves as Liquid separator, which is used in the refrigerant vapor to remove any residual liquid that may still be present.
  • Liquid separation and overheating are said to be one Avoid damaging the compressor 15.
  • the cold stages II and III constructed similarly to cold stage I and only have minor changes. Because the cold level I in detail has been described, should be used for cold levels II and III only the differences are explained.
  • cold level II is one in the refrigeration cycle Connection line V 'with an overflow valve 7' intended.
  • This connecting line V ' connects the Pressure line D 'with the suction line S'. Because at a standstill the refrigeration system gradually starts to cool down again Ambient temperature can heat up in the piping system enormous pressures occur. To damage the Preventing the pipe system therefore opens it Overflow valve 7 'when a certain one is reached Peak pressure and releases the connecting line V 'that in turn in connection with a surge tank 18 'stands. Pressure peaks in the surge tank 18 ' A blow-off line A is supplied via the blow-off valve 8 '.
  • the thermal coupling takes place Cold level II with cold level III via the heat exchanger 6, which on the cold stage II an evaporator 601 and in cold stage III forms a condenser 602.
  • the Heat exchanger 6 is a counter-current plate heat exchanger, which transmit the thermal energy with little loss can.
  • a bypass line B is also provided, which the Connects pressure line D '' with suction line S ''.
  • the Bypass line B has a solenoid valve 31. Because at the start the cold level III from the ambient temperature due to the Refrigerant properties are particularly high pressures, the solenoid valve 31 is first opened during startup and so that the bypass line B is released. Only when that Refrigerant of cold level III through the condenser 602 has given off sufficient heat and the pressure in the Line system has dropped, the solenoid valve 31 is again closed. This is a gentle start of cold stage III possible in bypass operation. In cold stage III is behind the expansion valve 2 ′′ provided an evaporator 1, which removes the necessary heat of vaporization from the ambient air.
  • the evaporator 1 can have appropriate thermal Insulations 100 are placed in rooms where extreme low temperatures are necessary or desirable.
  • the Compressor 15 of the cold stage I started, which the Working temperature of the first cold stage I in the evaporator 201 is brought to about -40 ° C. Due to the heat transfer in the Heat exchanger 20 is already the refrigerant in the Cold stage II pre-cooled and the working pressure reduced to here too the pressure level has dropped so much that the Compressor 15 'which can additionally compress refrigerant, without unwanted pressure peaks.
  • the Operating temperature of the evaporator 601 is then approximately - 75 ° C.
  • This temperature level is correspondingly above the Transfer heat exchanger 6 to cold stage III, whereby again a pre-cooling of the refrigerant used there takes place and in a corresponding manner when a certain reduced pressure levels also the compressor 15 '' cold stage III starts to work.
  • the achievable Temperature level in evaporator 1 during continuous operation is in around -125 ° C.
  • the temperature level of the condenser 202 or the condenser 602 is about -30 ° C or -65 ° C.
  • temperatures are also lower than -125 ° C achievable. According to the invention there is also Possibility of using other refrigerants with only two Cold levels similarly low temperatures at similar to achieve low pressures.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Kälteanlage zur Erzeugung von tiefen Temperaturen, wobei mehrere thermisch gekoppelte, geschlossene Kältemittelkreisläufe vorgesehen sind. Dabei sind vorzugsweise drei Kältemittelkreisläufe mit unterschiedlichen geeigneten Kältemitteln vorgesehen, wobei die thermische Kopplung über Wärmetauscher erfolgt und das Kältemittel eines jeden nachgeschalteten Kältemittelkreislaufs im Wärmetauscher über das Kältemittel des jeweils zuvorgeschalteten Kältemittelkreislaufs vorgekühlt wird. Dadurch ist es möglich, auch bei vergleichsweise niedrigen Arbeitsdrücken Temperaturen bis zu etwa -125°C zu erzielen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Kälteanlage zur Erzeugung von tiefen Temperaturen, umfassend mehrere thermisch gekoppelte Kältemittelkreisläufe, wobei jeder Kreislauf mindestens einen Verdichter, einen Verflüssiger, ein Expansionsventil und einen Verdampfer aufweist und über eine Druckleitung, eine Flüssigkeitsleitung, eine Einspritzleitung und eine Saugleitung geschlossen wird.
Derartige Kälteanlagen, weisen den Nachteil auf, daß bei ihnen eine Erzeugung von sehr tiefen Temperaturen von etwa -125°C nur bei sehr hohen Drücken und/oder bei Verwendung von brennbaren Kältemitteln möglich ist.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Kälteanlage der oben genannten Art bereitzustellen, bei der Temperaturen von etwa -125°C und tiefer bei vergleichsweise niedrigen Drücken erreicht werden können.
Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Hauptanspruchs gelöst. Erfindungsgemäß ist dabei vorgesehen, daß mindestens zwei, vorzugsweise drei Kältemittelkreisläufe mit unterschiedlichen geeigneten Kältemitteln vorgesehen sind, wobei die thermische Kopplung über Wärmetauscher erfolgt und das Kältemittel eines jeden nachgeschalteten Kältemittelkreislaufs im Wärmetauscher über das Kältemittel des vorgeschalteten Kältemittelkreislaufs vorgekühlt wird. Somit kann bei vergleichsweise niedrigen Drücken (ca. 15 bis 18 bar) eine Temperatur von bis zu etwa -125°C und tiefer erzielt werden.
Gemäß einer sinnvollen Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, daß die Wärmetauscher als Plattenwärmetauscher ausgeführt sind und daß die Plattenwärmetauscher im Gegenstrom arbeiten. Dadurch ist eine verlustarme Wärmeübertragung in den Wärmetauschern möglich, was die Erzielung einer tiefen Temperatur im dritten Kältemittelkreislauf begünstigt. Desweiteren wird so die Verdampferseite der zur thermischen Kopplung der Kältemittelkreisläufe dienenden Wärmetauscher jeweils im Bereich des Verdampferaustritts mit der heißen Eingangsseite des Verflüssigers in Verbindung gebracht, so daß auf der einen Seite eine Restverdampfung des Kältemittels und auf der anderen Seite eine weitmöglichste Abkühlung des Kältemittels begünstigt wird.
Zweckmäßig ist es, wenn im ersten Kältemittelkreislauf als Kältemittel eine Pentafluorethan/Trifluorethan-Mischung, im zweiten Kältemittelkreislauf als Kältemittel Trifluormethan und im dritten Kältemittelkreislauf als Kältemittel Tetrafluormethan eingesetzt wird. Diese Kältemittel weisen die für den Betrieb der Anlage notwendigen Eigenschaften im h,p-Diagramm auf und sind FCKW-frei. Weiterhin handelt es sich bei ihnen um zugelassene Sicherheitskältemittel, die nicht brennbar sind.
Gemäß einer sinnvollen Weiterbildung des Erfindungsgedankens ist vorgesehen, daß das Kältemittel im ersten Kältemittelkreislauf bei etwa -40°C verdampft und bei etwa -45°C verflüssigt wird, daß das Kältemittel im zweiten Kältemittelkreislauf bei etwa -75°C verdampft und bei etwa -30°C verflüssigt wird und daß das Kältemittel im dritten Kältemittelkreislauf bei etwa -130°C verdampft und bei etwa -65°C verflüssigt wird. So sind drei unterschiedliche Temperaturen für unterschiedliche Zwecke, verfahrenstechnische Prozesse und Produktionsabläufe, abgreifbar.
Wenn bei mindestens einem Kältemittelkreislauf die Druckleitung über eine Verbindungsleitung mit der Saugleitung verbindbar ist und die Saugleitung mit einem Druckbehälter verbunden ist. So können beim Anlaufbetrieb der Kälteanlage Druckspitzen abgefangen werden.
Vorteilhafterweise ist bei dem dritten Kältemittelkreislauf die Druckleitung mit der Saugleitung über eine Bypassleitung verbindbar, so daß in diesem Kältemittelkreislauf der unter besonders hohem Druck erfolgende Anlauf der Kälteanlage im Bypass möglich ist.
Zweckmäßigerweise kann die Bypassleitung über ein Magnetventil geöffnet bzw. geschlossen werden, was eine komfortable Ansteuerung ermöglicht.
Eine weitere sinnvolle Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, daß bei mindestens einem Kältemittelkreislauf die Flüssigkeitsleitung in Verbindung mit einem Behälter steht. Der Behälter kann leicht als Puffer für den Kältemittelstrom dienen.
Zweckmäßigerweise wird bei mindestens einem Kältemittelkreislauf ein Teilstrom des Kältemittels von der Druckleitung über eine Abzweigungsleitung in einen Wärmetauscher geleitet, gibt dort Wärme an das in der Saugleitung befindliche Kältemittel ab und wird über eine Rückführleitung wieder der Druckleitung zugeführt. Dies führt zu einer Überhitzung des in der Saugleitung befindlichen Kältemittels und zu einer weiteren Abkühlung des der Druckleitung wieder zugeführten Kältemittels und trägt zur Leistungssteigerung in der Kälteanlage und zur Schonung des Verdichters bei.
Vorteilhafterweise ist der Teilstrom über ein Ventil einstellbar und kann somit an unterschiedliche Arbeitsbedingungen angepaßt werden.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß in mindestens einem Kältemittelkreislauf das in der Flüssigkeitsleitung befindliche Kältemittel durch einen Wärmetauscher geleitet wird und dort Wärme an das in der Saugleitung befindliche Kältemittel abgibt. Hierdurch ist ebenso eine Leistungssteigerung der Kälteanlage bzw. eine Schonung des Verdichters erzielbar.
Wenn gemäß einer zweckmäßigen Weiterbildung der Erfindung die Kältemittelkreisläufe in ihrer Flüssigkeitsleitung ein Magnetventil, ein Schauglas und einen Filtertrockner aufweisen, ist eine Verlagerung des Kältemittels im Stillstand der Kälteanlage nicht möglich, desweiteren kann der Zustand des Kältemittels verbessert sowie die Leistungsfähigkeit des Filtertrockners überprüft werden. Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, daß der Verdichter eines jeden Kältemittelkreislaufs über Schwingungskompensatoren mit dem Leitungssystem verbunden ist und daß in der Druckleitung eines jeden Kältemittelkreislaufs ein Geräuschdämpfer vorgesehen ist, so daß mechanische Schwingungen des Kompressors einerseits und Pulsationsschwingungen des Kältemittels andererseits vom Leitungssystem weitmöglichst entkoppelt werden können.
Es ist vorteilhaft, wenn in der Druckleitung eines jeden Kältemittelkreislaufs ein Ölabscheider vorgesehen ist, so daß Kompressoröl vom Kältemittel abgeschieden und diesem wieder zurückgeführt werden kann.
Vorteilhafterweise weist der in den Kältemittelkreisläufen in der Saugleitung vorgesehene Wärmetauscher gleichzeitig die Funktion eines Flüssigkeitsabscheiders auf, so daß evtl. vorhandene Restflüssigkeit im Kältemittel abgeschieden und eine Beschädigung des Verdichters vermieden werden kann.
Vorteilhafterweise sind in den Kältemittelkreisläufen Niederund Hochdruckseite des Verdichters jeweils mit einem Druckmesser und einem Druckschalter versehen. Auf diese Weise können die Kältemittelkreisläufe bei Auftreten unzulässiger Druckspitzen abgeschaltet werden.
Im folgenden wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Kälteanlage näher erläutert. Dabei zeigt
  • Fig. 1 ein Systemschema der erfindungsgemäßen Kälteanlage.
    • Wie aus Fig. 1 ersichtlich, weist eine erfindungsgemäße Kälteanlage drei Kältestufen I, II, III auf, wobei die Kältestufe I quasi die Eingangsstufe mit dem höchsten Temperaturniveau und die Kältestufe III die Ausgangsstufe mit dem niedrigsten Temperaturniveau darstellt. Die Kältestufen I, II, III werden thermisch über Wärmetauscher 6, 20 gekoppelt, so daß eine Kaskaden-Kälteanlage entsteht.
    Im folgenden wird nun zunächst die Kältestufe I näher beschrieben. Der Kältekreislauf der Kältestufe I weist als Grundbausteine einen Verflüssiger 11, ein Expansionsventil 2, einen Verdampfer 201 und einen Verdichter 15 auf. Der Verdichter 15 ist mit dem Verflüssiger 11 über eine Druckleitung D, der Verflüssiger 11 mit dem Expansionsteil 2 über eine Flüssigkeitsleitung F, das Expansionsventil 2 mit dem Verdampfer 201 über eine Einspritzleitung E und der Verdampfer 201 wiederum mit dem Verdichter 15 über eine Saugleitung S zum Kältekreislauf der Kältestufe I verbunden. In der Kältestufe I wird das Kältemittel bei etwa -40°C im Verdampfer 201 verdampft. Als Kältemittel wird eine Mischung aus 50% Pentafluorethan und 50% Trifluorethan eingesetzt.
    Während des Betriebs wird das von der Saugleitung S kommende, dampfförmige Kältemittel vom Verdichter 15 komprimiert, wobei Arbeitsdruck und Arbeitstemperatur des Kältemittels erheblich erhöht werden.
    Wie an Fig. 1 weiter ersichtlich, ist der Verdichter 15 über Schwingungskompensatoren 14 mit dem Leitungssystem des Kältekreislaufs I verbunden. Die Schwingungskompensatoren 14 halten dabei mechanische Schwingungen des Kompressors vom Leitungssystem fern, wodurch Beschädigungen bzw. Risse vermieden werden. Desweiteren sind beidseitig des Verdichters 15, also sowohl auf der Niederdruckseite als auch auf der Hochdruckseite je ein Druckschalter 23 bzw. 24 und ein über ein Kugelabsperrventil 93 angeschlossenes Manometer 22 bzw. 25 vorgesehen. Während der Druckschalter 23 auf der Niederdruckseite bei Überschreitung von 1 bar den Verdichter 15 abschaltet, erfolgt dies auf der Hochdruckseite durch den Druckschalter 24 bei Überschreitung von 24 bar. Im Normalbetrieb der Kälteanlage ist dies aus sicherheitstechnischen Gründen notwendig. Dem Schwingungskompensator 14 in der Druckleitung D ist ein Geräuschdämpfer 16 nachgeschaltet zum Fernhalten von Pulsationsschwingungen des Kältemittels vom Leitungssystem. Anschließend gelangt das Kältemittel in einen Ölabscheider 17, der zum Abscheiden von Kompressoröl aus dem Kältemittel dient und über eine ein Kugelabsperrventil 92 aufweisende Rückführleitung das Öl dem Kompressor erneut zuführt. Zur Wärmerückgewinnung der Wärme des Kältemittel-Heißdampfes ist in der Druckleitung D ein Wärmetauscher 12 vorgesehen. Das dampfförmige Kältemittel wird anschließend im luftgekühlten Verflüssiger 11 unter weiterer Temperaturabnahme verflüssigt und gelangt in die Flüssigkeitsleitung F. In der Flüssigkeitsleitung F ist weiterhin ein Flüssigkeitssammler 10 vorgesehen, welcher quasi als Puffer für den Volumenstrom des Kältemittels fungiert. Desweiteren sorgt ein Abblasventil 8 zum Abbau von nicht erlaubten Spitzendrücken, falls dies nicht vorher bereits durch die Druckschalter 23 bzw. 24 erfolgte. Dem Flüssigkeitssammler 10 ist ein Serviceventil 9 nachgeschaltet. Um eine Vereisung des Expansionsventils 2 und um eine Verschmutzung des Kältemittels zu vermeiden, ist ein Filtertrockner 5 vorgesehen. Über ein Schauglas 4 kann der Füllstand des Kältemittels sowie deren Feuchtigkeitsgehalt in der Flüssigkeitsleitung F und damit auch die Leistungsfähigkeit des Filtertrockners 5 kontrolliert werden. In der Flüssigkeitsleitung F ist weiterhin ein Magnetventil 3 vorgesehen, welches beim Stillstand des Kältemittelkreislaufs absperrt, damit es nicht zu einer Verlagerung des Kältemittels kommt. Im Bereich der Flüssigkeitsleitung F wird das Kältemittel dann weiter durch einen Wärmetauscher 13 geleitet. Der Wärmetauscher hat ferner die Funktion eines Flüssigkeitsabscheiders, was später noch erläutert wird. Im Wärmetauscher 13 wird die Wärme des in der Flüssigkeitsleitung F befindlichen Kältemittels an das in der Saugleitung S befindliche, vom Verdampfer 201 kommende dampfförmige Kältemittel übertragen. Der Wärmetauscher 13 dient also in dieser Hinsicht zur Unterkühlung des flüssigen Kältemittels und führt daher zu einer Erhöhung der Kälteleistung. Ausgehend vom Wärmetauscher 13 strömt das flüssige Kältemittel dann in das Expansionsventil 2. Das Expansionsventil 2 führt über die Einspritzleitung E dem Verdampfer 201 das expandierte Kältemittel zu.
    Wie bereits erwähnt, ist die Kältestufe I mit der Kältestufe II über den Wärmetauscher 20 miteinander gekoppelt, wobei der Wärmetauscher 20 ein im Gegenstrom arbeitender Platten-Wärmetauscher ist, der dem Verdampfer 201 mit einem durch den Wärmetauscher 20 gebildeten Verflüssiger 202 der Kältestufe II verbindet. Durch den Platten-Wärmetauscher ist eine verlustarme Wärmeübertragung von der Kältestufe II auf die Kältestufe I möglich. So beträgt die Arbeitstemperatur im Verdampfer 201 in etwa -40°C und im Verflüssiger 202 in etwa -30°C.
    Wie ferner aus Fig. 1 ersichtlich, ist das Expansionsventil 2 über geeignete Meßeinrichtungen 21 mit dem Ausgang des Verdampfers 201 mit der Saugleitung S verbunden, welche den Druck und die Temperatur des Kältemitteldampfes messen. Hierüber wird der in den Verdampfer einströmende Kältemittelstrom bzw. die Überhitzung des Kältemitteldampfes geregelt. Der Kältemitteldampf gelangt dann über die Saugleitung S zum Wärmetauscher 13 und nimmt dort, wie bereits erläutert, Wärme vom in der Flüssigkeitsleitung F befindlichen Kältemittel auf, was zu zusätzlicher Überhitzung des Kältemittels in der Saugleitung S führt. Der Wärmetauscher 13 dient gleichzeitig als Flüssigkeitsabscheider, der dazu dient, im Kältemitteldampf eventuell doch noch vorliegende Restflüssigkeit abzuscheiden.
    Flüssigkeitsabscheidung und Überhitzung sollen eine Beschädigung des Verdichters 15 vermeiden.
    Wie der Fig. 1 zu entnehmen ist, sind die Kältestufen II und III ähnlich wie die Kältestufe I aufgebaut und weisen nur geringfügige Änderungen auf. Da die Kältestufe I ausführlich beschrieben worden ist, sollen für die Kältestufen II und III nur die Unterschiede erläutert werden.
    So wird die zweite Kältestufe II mit dem Kältemittel Trifluormethan betrieben. Es ist ersichtlich, daß hinter dem Ölabscheider 17' in der Druckleitung D' ein Ventil 91' vorgesehen ist, in Abhängigkeit von dessen Einstellung (Querschnitt) ein Teilstrom des Kältemittels über eine Abzweigungsleitung T' dem Wärmetauscher 13' zugeführt wird. Der von der Abzweigungsleitung T' kommende Heißdampf des Kältemittels gibt somit einen Teil seiner Wärme an das in der Saugleitung S' befindliche Kältemittel ab und dient somit zur Erhitzung von eventueller Restflüssigkeit des in der Saugleitung S' befindlichen Kältemitteldampfes. Der über die Abzweigungsleitung T' abgezweigte und im Wärmetauscher 13' leicht abgekühlte Heißdampf des Kältemittels wird über die Rückführleitung R' der Druckleitung D' wieder zugeführt.
    Desweiteren ist im Kältekreislauf der Kältestufe II eine Verbindungsleitung V' mit einem Überströmventil 7' vorgesehen. Diese Verbindungsleitung V' verbindet die Druckleitung D' mit der Saugleitung S'. Da beim Stillstand der Kälteanlage das Kältemittel sich allmählich wieder auf Umgebungstemperatur erwärmen kann, können im Leitungssystem enorme Drücke auftreten. Um eine Beschädigung des Leitungssystems zu verhindern, öffnet daher das Überströmventil 7' beim Erreichen eines bestimmten Spitzendrucks und gibt die Verbindungsleitung V' frei, die ihrerseits in Verbindung mit einem Druckausgleichsbehälter 18' steht. Druckspitzen im Druckausgleichsbehälter 18' werden über das Abblasventil 8' einer Abblasleitung A zugeführt.
    Wie bereits erwähnt, erfolgt die thermische Kopplung der Kältestufe II mit der Kältestufe III über den Wärmetauscher 6, welcher auf der Kältestufe II einen Verdampfer 601 und in der Kältestufe III einen Verflüssiger 602 bildet. Auch der Wärmetauscher 6 ist ein im Gegenstrom arbeitender Platten-Wärmetauscher, welcher die Wärmeenergie verlustarm übertragen kann.
    Im Kältekreislauf der Kältestufe III wird als Kältemittel Tetrafluormethan verwendet. Im Unterschied zur Kältestufe II ist zusätzlich eine Bypassleitung B vorgesehen, welche die Druckleitung D'' mit der Saugleitung S'' verbindet. Die Bypassleitung B weist ein Magnetventil 31 auf. Da beim Anlauf der Kältestufe III aus der Umgebungstemperatur aufgrund der Kältemitteleigenschaften besonders hohe Drücke vorliegen, wird das Magnetventil 31 beim Anlauf zunächst geöffnet und damit die Bypassleitung B freigegeben. Erst wenn das Kältemittel der Kältestufe III durch den Verflüssiger 602 ausreichend Wärme abgegeben hat und der Druck im Leitungssystem gesunken ist, wird das Magnetventil 31 wieder geschlossen. So ist ein schonender Anlauf der Kältestufe III im Bypassbetrieb möglich. In der Kältestufe III ist hinter dem Expansionsventil 2'' ein Verdampfer 1 vorgesehen, welcher der Umgebungsluft die notwendige Verdampfungswärme entzieht.
    So kann der Verdampfer 1 über entsprechende thermische Isolierungen 100 in Räumen plaziert werden, wo extrem niedrige Temperaturen notwendig bzw. erwünscht sind.
    Es ist noch darauf hinzuweisen, daß die Bauteile der Kältekreisläufe mit der gleichen Bezugsziffer auch vergleichbare Funktion aufweisen und daher bereits in der Kältestufe I beschriebene Bauteile nicht noch einmal näher erläutert worden sind. Die Ventile 9, 91, 92 und 93 sind betriebsmäßig nicht absperrbar.
    Ausgehend von der Umgebungstemperatur des Kältemittels in allen drei Kältestufen I, II, III weisen die Kältestufen in Abhängigkeit der Kältemitteleigenschaften hohes Druckniveau auf, wobei das Druckniveau von Kältestufe I bis hin zur Kältestufe III erheblich zunimmt, wobei die Stufen II und III die bereits beschriebenen zusätzlichen Sicherheits- bzw. Anlaufeinrichtungen V, B, 7, 31 aufweisen.
    Bei Inbetriebnahme der Kälteanlage wird daher zunächst der Verdichter 15 der Kältestufe I gestartet, wodurch die Arbeitstemperatur der ersten Kältestufe I im Verdampfer 201 auf ca. -40°C gebracht wird. Durch den Wärmeübergang im Wärmetauscher 20 wird somit bereits das Kältemittel in der Kältestufe II vorgekühlt und der Arbeitsdruck reduziert bis auch hier das Druckniveau so weit gesunken ist, daß der Verdichter 15' das Kältemittel zusätzlich verdichten kann, ohne daß es zu unerwünschten Druckspitzen kommt. Die Betriebstemperatur des Verdampfers 601 beträgt dann in etwa - 75°C. Dieses Temperaturniveau wird entsprechend über den Wärmetauscher 6 auf die Kältestufe III übertragen, wodurch wiederum eine Vorkühlung des dort verwendeten Kältemittels stattfindet und in entsprechender Weise bei Erreichen eines bestimmten abgesenkten Druckniveaus auch der Verdichter 15'' der Kältestufe III zu arbeiten beginnt. Das erreichbare Temperaturniveau im Verdampfer 1 bei Dauerbetrieb liegt in etwa bei -125°C. Das Temperaturniveau des Verflüssigers 202 bzw. des Verflüssigers 602 liegt bei etwa -30°C bzw. -65°C.
    Aufgrund der kaskadenförmigen Gestaltung der Kälteanlage ist darüber hinaus bei Bedarf auch das Abgreifen von drei unterschiedlichen Temperaturniveaus (-40°C, -65°C und -125°C) möglich. Ebenso ist durch den Einsatz geeigneter Kältemittel in Zusammenhang mit den geeigneten kälte-technischen Bauteilen in der dritten Kältestufe eine Erzeugung von kryogenen Temperaturen bis zu etwa -125°C bei vergleichsweise geringen Arbeitsdrücken (ca. 15 bis 18 bar) möglich. Dies führt insgesamt zu geringeren Investitions- bzw. Betriebskosten. Die ausgewählten Kältemittel erlauben überdies einen FCKW-freien Betrieb der erfindungsgemäßen Anlage, was aus umwelttechnischen Gründen wünschenswert ist.
    Mit anderen Kältemitteln sind auch tiefere Temperaturen als -125°C erreichbar. Weiterhin besteht erfindungsgemäß die Möglichkeit, mit anderen Kältemitteln mit nur zwei Kältestufen vergleichbar niedrige Temperaturen bei ähnlich niedrigen Drücken zu erreichen.

    Claims (14)

    1. Kälteanlage zur Erzeugung von tiefen Temperaturen, umfassend mehrere thermisch gekoppelte Kältemittelkreisläufe, wobei jeder Kreislauf mindestens einen Verdichter, einen Verflüssiger, ein Expansionsventil und einen Verdampfer aufweist und über eine Druckleitung, eine Flüssigkeitsleitung, eine Einspritzleitung und eine Saugleitung geschlossen wird, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens zwei, vorzugsweise drei Kältemittelkreisläufe (I, II, III) mit unterschiedlichen geeigneten Kältemitteln vorgesehen sind, wobei die thermische Kopplung über Wärmetauscher (6 bzw. 20) erfolgt und das Kältemittel eines jeden nachgeschalteten Kältemittelkreislaufs (III bzw. II) im Wärmetauscher (6 bzw. 20) über das Kältemittel des jeweils vorgeschalteten Kältemittelkreislaufs (II bzw. I) vorgekühlt wird.
    2. Kälteanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmetauscher (6 bzw. 20) als Plattenwärmetauscher ausgeführt sind, die vorzugsweise im Gegenstrom arbeiten.
    3. Kälteanlage nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß im ersten Kältemittelkreislauf (I) als Kältemittel eine Pentafluorethan/Trifluorethan-Mischung, im zweiten Kältemittelkreislauf (II) als Kältemittel Trifluormethan und im dritten Kältemittelkreislauf (III)als Kältemittel Tetrafluormethan eingesetzt wird.
    4. Kälteanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Kältemittel im ersten Kältemittelkreislauf (I) bei etwa -40°C verdampft und bei etwa -45°C verflüssigt wird, daß das Kältemittel im zweiten Kältemittelkreislauf (II) bei etwa -75°C verdampft und bei etwa -30°C verflüssigt wird und daß das Kältemittel im dritten Kältemittelkreislauf (III) bei etwa -130°C verdampft und bei etwa -65°C verflüssigt wird.
    5. Kälteanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß bei mindestens einem Kältemittelkreislauf (II, III) die Druckleitung (D', D'') über eine Verbindungsleitung (V',V'') mit der Saugleitung (S', S'') verbindbar ist und die Saugleitung (S', S''), mit einem Druckbehälter (18', 18'') verbunden ist.
    6. Kälteanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß bei dem dritten Kältemittelkreislauf (III) die Druckleitung (D'') mit der Saugleitung (S'') über eine Bypassleitung (B) verbindbar ist, die vorzugsweise über ein Magnetventil (31) geöffnet bzw. geschlossen werden kann.
    7. Kälteanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß bei mindestens einem Kältemittelkreislauf (I) die Flüssigkeitsleitung (F) in Verbindung mit einem Behälter (10) steht.
    8. Kälteanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß bei mindestens einem Kältemittelkreislauf (II, III) ein vorzugsweise über ein Ventil (91', 91'') einstellbarer Teilstrom des Kältemittels von der Druckleitung (D', D'') über eine Abzweigungsleitung (T', T'') in einen Wärmetauscher (13', 13'') geleitet wird, dort Wärme an das in der Saugleitung (S', S'') befindliche Kältemittel abgibt und über eine Rückführleitung (R', R'') wieder der Druckleitung (D', D'') zugeführt wird.
    9. Kälteanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß in mindestens einem Kältemittelkreislauf (I) das in der Flüssigkeitsleitung (F) befindliche Kältemittel durch einen Wärmetauscher (13) geleitet wird und dort Wärme an das in der Saugleitung (S) befindliche Kältemittel abgibt.
    10. Kälteanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Kältemittelkreisläufe (I, II, III) in ihrer Flüssigkeitsleitung (F, F', F'') ein Magnetventil (3, 3', 3''), ein Schauglas (4, 4', 4'') und einen Filtertrockner (5, 5', 5'') aufweisen.
    11. Kälteanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Verdichter (15, 15', 15'') eines jeden Kältemittelkreislaufs (I, II, III) über Schwingungskompensatoren (14, 14', 14'') mit dem Leitungssystem verbunden ist.
    12. Kälteanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß in der Druckleitung (D, D', D'') eines jeden Kältemittelkreislaufs (I, II, III) ein Geräuschdämpfer (16, 16', 16'') und/oder ein Ölabscheider (17, 17', 17'') vorgesehen ist.
    13. Kälteanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß der in den Kältemittelkreisläufen (I, II, III) in der Saugleitung (S, S', S'') vorgesehene Wärmetauscher (13, 13', 13'') gleichzeitig die Funktion eines Flüssigkeitsabscheiders aufweist.
    14. Kälteanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß in den Kältemittelkreisläufen (I, II, III) Nieder- und Hochdruckseite des Verdichters jeweils mit einem Druckmesser (22, 22', 22'') bzw. (25, 25', 25'') und einem Druckschalter (23, 23', 23'') bzw. (24, 24', 24'') versehen sind.
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