EP1886075A1 - Kaelteanlage - Google Patents

Kaelteanlage

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EP1886075A1
EP1886075A1 EP06701814A EP06701814A EP1886075A1 EP 1886075 A1 EP1886075 A1 EP 1886075A1 EP 06701814 A EP06701814 A EP 06701814A EP 06701814 A EP06701814 A EP 06701814A EP 1886075 A1 EP1886075 A1 EP 1886075A1
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EP
European Patent Office
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refrigerant
mass flow
additional
compressor
main
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EP06701814A
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Hermann Renz
Günter DITTRICH
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Bitzer Kuehlmaschinenbau GmbH and Co KG
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Bitzer Kuehlmaschinenbau GmbH and Co KG
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Definitions

  • the invention relates to a refrigeration system comprising a refrigerant circuit in which a main mass flow of a refrigerant - preferably carbon dioxide - is guided, arranged in the refrigerant circuit high-pressure side heat exchanger, a refrigerant circuit arranged in the expansion kühi convinced that cools the main mass flow of the refrigerant in the active state and thereby generating an additional mass flow of gaseous refrigerant, a reservoir arranged in the refrigerant circuit for liquefied refrigerant, at least one expansion unit for liquefied refrigerant of the main mass flow arranged in the refrigerant circuit, which provides an expansion element and a downstream low-pressure side cooling capacity, ie the enthalpy of refrigeration.
  • the refrigerant circuit refrigerant compressor which is a main compressor stage and at least one additional compressor stage driven jointly with the main compressor stage, which compresses both refrigerants to high pressure, wherein the main compressor stage and the at least one additional compressor stage are usable so that either the main compressor stage refrigerant from the main mass flow and the additional compressor stage refrigerant from the additional mass flow or the main compressor stage and the Additional compressor stage Compacting refrigerant from the main mass flow.
  • a refrigeration system of the type described above according to the invention in that in the refrigerant circuit at least two refrigerant compressors are arranged, which are individually switchable for compressing the main mass flow, that at least two of the refrigerant compressor each have at least one additional compressor stage that each of the additional compressor stages is selectively usable for compressing refrigerant from the main mass flow or for compressing refrigerant from the additional mass flow and that a control is provided with which in a first operating mode depending on operating conditions such a number of additional compressor stages for compressing refrigerant from the additional mass flow can be switched that the expansion cooling device liquefies the main mass flow and reduces its enthalpy.
  • the advantage of the solution according to the invention lies in the fact that, due to the variable connectability of the additional compressor stages, this makes it possible to adapt the liquefaction of the main mass flow and the enthalpy reduction to the various operating conditions and thus to always keep it in an optimum range.
  • the expansion cooling device reduces the enthalpy of the main mass flow by at least 10%. It is even more advantageous if the expansion cooling device reduces the enthalpy of the main mass flow by at least 20%.
  • the refrigeration plant can be used particularly advantageously when the first operating mode corresponds to a critical operation, for example with carbon dioxide as the refrigerant
  • the high-pressure refrigerant compressed in the high-pressure side heat exchanger can not be cooled to a temperature corresponding to a boiling line and saturation curve of the refrigerant isotherms, but can only be cooled to a temperature that a outside the boiling line and saturation curve extending isotherms, so that it does not come to a liquefaction of the refrigerant.
  • a particularly favorable embodiment provides that the expansion cooling device converts the main mass flow into a thermodynamic state whose pressure and enthalpy are lower than pressure and enthalpy of a maximum of the saturation curve or boiling line in an enthalpy / pressure diagram.
  • thermodynamic state of the main mass flow caused by the expansion cooling device is close to the boiling point of the enthalpy / pressure diagram, in particular substantially at the boiling point or at an enthalpy which is lower than the enthalpy corresponding to the boiling curve at the respective pressure.
  • the expansion cooling device can basically be designed in any desired manner.
  • a particularly favorable solution provides that the expansion cooling device has an expansion valve for expanding refrigerant to an intermediate pressure and that the intermediate pressure of Exapansionskühlein- direction is adjustable by adding the appropriate number of additional compressor stages.
  • the expansion cooling device could work so that only an expansion of the additional mass flow forming refrigerant takes place.
  • the expansion valve of the expansion cooling device expands the refrigerant of the main mass flow and of the additional mass flow to the intermediate pressure.
  • the expansion cooling device includes the reservoir for the liquid refrigerant of the main mass flow and thus simplifies the construction of the refrigeration system according to the invention.
  • a structurally particularly preferred solution provides that the expansion valve converts the expanded refrigerant from the main mass flow and the additional mass flow into a container in which the reservoir for the liquid refrigerant of the main mass flow forms over which there is a vapor space, from which then the additional mass flow forming Refrigerant is removed, so that a portion of the refrigerant evaporates and thereby cools the main mass flow or even subcooled.
  • a further advantageous embodiment of the refrigeration system according to the invention provides that in a second operating mode, the expansion cooling device is in the inactive state and does not cause cooling of the main mass flow.
  • the refrigeration system according to the invention can be operated in the conventional manner known manner by a circuit of the entire refrigerant in the form of the main mass flow.
  • the reservoir for liquid refrigerant of the main mass flow is under high pressure.
  • the second operating mode corresponds to a subcritical operation of the refrigeration system.
  • the controller controls the refrigerant compressor according to the required cooling capacity, that is, the refrigerant compressor can be operated either with variable speed and / or can be switched on or off.
  • the controller is able to individually connect or disconnect the refrigerant compressor according to the required cooling capacity, that is, by Einzelzu- or shutdown of the at least two refrigerant compressor in the refrigerant circuit is possible, the compressor power to the to adjust the required cooling capacity and thus always operate the refrigeration system according to the invention optimally.
  • each refrigerant compressor is dimensioned with additional compressor stage so that the mass flow of refrigerant of the additional mass flow compressed by the additional compressor stage corresponds maximally to the compressed mass flow of refrigerant of the main mass flow in this refrigerant compressor from the main compressor stage.
  • the possibilities given by the control of adjusting the additional mass flow and the intermediate pressure can advantageously be exploited in that the refrigerant compressors with additional compressor stage are dimensioned such that the additional compressor stages of different refrigerant compressors compress different mass flows of refrigerant of the additional mass flow.
  • a suitable variation of the additional mass flow to be compressed can be achieved by suitably selecting the additional compressor stages provided for compressing refrigerant of the additional mass flow, in particular by suitable combination for different mass flows of additional compressor stages, without the power of the main compressor stages having to be changed for this purpose.
  • the refrigerant compressors with additional compressor stage are reciprocating compressors.
  • each of the refrigerant compressor with additional compressor stage is expediently designed so that it has at least one cylinder for the additional compressor stage and at least one cylinder for the main compressor stage.
  • Such a refrigeration system can be realized in a particularly favorable manner if, for each refrigerant compressor with additional compressor stage, the number of cylinders for the main compressor stage is greater than the number of cylinders for the additional compressor stage. Furthermore, a solution of the refrigeration system according to the invention that is particularly favorable with regard to the variable adjustability of the additional mass flow provides that the additional compressor stages of different refrigerant compressors have a different stroke volume from the refrigerant compressors with additional compressor stage, thereby resulting in a particularly wide range of stroke volumes even in a different combination of additional compressor stages the additional mass flow is available for selection.
  • Another solution which is suitable with regard to its variability provides that the ratio of the stroke volume of the additional compressor stage to the displacement volume of the main compressor stage is different with respect to at least one of the other refrigerant compressors with additional compressor stage for each refrigerant compressor with additional compressor stage, so that not only the stroke volumes of the additional compressor stages can be summarized by a suitable selection and combination with each other to the largest possible variation bandwidth, but also the stroke volumes of the main compressor stages.
  • a further advantageous embodiment of the refrigeration system according to the invention provides that in the first operating mode, the reservoir for liquefied refrigerant operates at an intermediate pressure and between the high-pressure side, the refrigerant cooling heat exchanger and the reservoir for liquefied refrigerant an additional expansion unit with an expansion element and a downstream cooling capacity Providing heat exchanger is provided.
  • this additional expansion unit the thermodynamic efficiency of the refrigeration system according to the invention can be further improved, since the evaporation temperature in this Additional expansion unit is higher, which requires that the provided cooling capacity at a higher temperature level, for example, for room cooling or room air conditioning, can be used.
  • thermodynamic efficiency can be achieved under supercritical operating conditions.
  • cooling capacity is higher at a defined compressor stroke volume and the power characteristic in relation to the ambient temperature flatter, which has a positive effect on the control characteristics of the refrigeration system.
  • the higher efficiency in supercritical operation is due, in particular, to the fact that the evaporation of the additional mass flow takes place at a higher pressure level than the evaporation in the suction-side heat exchangers of the expansion units. This leads to an improvement of the thermodynamic efficiency with the result of a reduced energy requirement for a defined cooling capacity.
  • the refrigerant compressors have cylinder heads in which inlet chambers and outlet chambers are substantially thermally decoupled, so that the heating of the refrigerant during compression to high pressure and the associated heating of the outlet chambers is substantially no heating of the inlet chambers with the refrigerant to be sucked and thus no negative effect on the compressor performance.
  • a structurally particularly simple solution provides that a check valve is provided for connecting an inlet chamber of the additional compressor stage to the low-pressure connection of the main compressor stage, so that inevitably, when the additional mass flow is interrupted, the additional compressor stage compresses refrigerant of the main mass flow.
  • a particularly simple solution provides that the check valve connects the inlet chamber of the additional compressor stage with the inlet chamber of the main compressor stage.
  • Another advantageous solution provides that the check valve is provided in a valve plate of the respective refrigerant compressor. This solution has the advantage that the already equipped with valves valve plate only needs to be provided with an additional check valve and thus the check valve can be very easily mounted.
  • a connecting channel between the low-pressure connection and the check valve runs in a cylinder housing and can be molded into it in the same way as the inlet channel for supplying the main compressor stage with refrigerant supplied via the low-pressure connection.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a first embodiment of a refrigeration system according to the invention
  • FIG. 2 shows a schematic representation of one of the refrigerant compressor with main compressor stage and additional compressor stage used in the refrigeration system according to the invention in the first exemplary embodiment
  • FIG. 3 shows a representation of the pressure [P] versus the enthalpy [h] in the case of a subcritical cycle process that can be implemented in the first exemplary embodiment and a possible supercritical cycle process that does not correspond to the invention;
  • FIG. 4 shows an illustration of the pressure [P] versus the enthalpy [h] in a supercritical cycle according to the invention with expansion of the high-pressure compressed refrigerant to an intermediate pressure and simultaneous reduction of the enthalpy by suction an additional mass flow;
  • Fig. 5 is a schematic representation of a refrigerant compressor in a second embodiment of the invention
  • Fig. 6 is a schematic representation of a third embodiment of a refrigeration system according to the invention.
  • FIG. 7 is a perspective view of a cylinder head of a first preferred embodiment of a refrigerant compressor for a refrigeration system according to the invention.
  • FIG. 8 shows a perspective view of the cylinder head according to FIG. 7 with its underside pointing upwards; 9 shows a partial section through a second preferred embodiment of a refrigerant compressor for the refrigeration system according to the invention and
  • FIG. 10 is a perspective view of a valve plate of the second preferred embodiment of the refrigerant compressor of FIG. 9.
  • the high-pressure line 16 leads to a high-pressure side heat exchanger 18 which cools the refrigerant compressed to high pressure PH, for example with a flow 20 of a cooling medium, the cooling medium preferably being ambient air flowing through the heat exchanger 18.
  • cooling medium for example, water or the like to provide.
  • a further high-pressure line 22 leads to an expansion valve 24 and to a bypass valve 26 connected in parallel to the expansion valve 24, both of which open into a container 28 which is designed to include a reservoir 30 for liquid refrigerant which is always a volume 32 of liquid refrigerant is present, which - as described in detail below - represents a buffer volume for liquid refrigerant in the refrigerant circuit 10.
  • a conduit 34 leads to expansion units 40, for example four expansion units 40a to 40d connected in parallel.
  • the line 34 is connected to the reservoir 30 in such a way that it essentially only leads liquid refrigerant to the expansion units 40 and thus can be operated and in particular regulated in a known manner, since there is always an expansion of liquid refrigerant, essentially without Gas content, takes place.
  • expansion units 40 which are supplied with liquid refrigerant, corresponds to the type of control in known refrigeration systems.
  • Each of the expansion units 40 includes a shut-off valve 42, an expansion valve 44 that expands the liquid refrigerant, and a low-pressure side heat exchanger 46 that is capable of discharging cooling power due to the expanded refrigerant as indicated by the arrow 48.
  • the heat exchangers 46 of the parallel-connected expansion units 40 are connected to a common low-pressure line 50, which leads to low-pressure connections 52a to 52c of the refrigerant compressor 12a to 12c.
  • the sum of all the partial mass flows 54a, 54b, 54c and 54d of the refrigerant that are passing through the expansion units 40 and that are collected by the low-pressure line 50 form a main mass flow 56 of the Refrigerant circuit 10, which in turn is divided again into partial mass flows 58 a, 58 b and 58 c, which are sucked by the refrigerant compressors 12 a to 12 c via the low-pressure ports 52 a to 52 c and compressed to high pressure PH, through the high-pressure ports 14 a to 14 c of the refrigerant compressor 12 again withdraw.
  • the line 34 is also flowed through by the main mass flow 56 following the reservoir 30, which then divides again onto the partial mass flows 54a to 54d.
  • each of the refrigerant compressors 12 is formed as a reciprocating compressor and includes a cylinder housing 60 in which, for example, four cylinders 62a to 62d are provided in which refrigerant can be compressed by oscillatingly moving pistons 64a to d.
  • a refrigerant compressor 12 configured in accordance with the invention, not all the cylinders 62a to 62d now operate as a single compressor stage, but for example the cylinders 62a to 62c are combined to form a main compressor stage 66 in which these three cylinders 62a to 62c operate in parallel, ie all three cylinders 62a to 62c suck in refrigerant via the respective low-pressure port 52 and deliver refrigerant compressed to high-pressure PH to the respective high-pressure port 14.
  • the cylinder 62d which is driven together with the other cylinders of the main compressor stage 66 and in the same way as these by a drive motor 68, is operated as a separate auxiliary compressor stage 70, which is also connected to the high-pressure connection 14 on the output side, but is able to either to suck in refrigerant via an additional connection 72 or via the low-pressure connection 52.
  • a check valve 76 is provided in the connecting channel 74 running between the additional connection 72 and the low-pressure connection 52, which blocks the connection channel 74 when the pressure at the additional connection 72 is higher than that at the low-pressure connection 52, so that always, when refrigerant is present at the additional port 72 at a higher pressure than at the low pressure port 52, the connecting channel 74 is blocked and thus the additional compressor stage 70 sucks refrigerant via the auxiliary port 72.
  • it can also be provided a controlled valve.
  • the check valve 76 opens and the additional compressor stage 70 sucks in refrigerant via the low-pressure connection 52 and compresses it to high pressure PH, in the same way as the main compressor stage 66.
  • the auxiliary ports 72a to 72c of the refrigerant compressors 12a to 12c are respectively connected via shutoff valves 80a to 80c to a distribution pipe 82 which open into the tank 28 so as to be capable of remove refrigerant vaporized from a vapor space 84 of the container 28.
  • the vaporized refrigerant discharged from the container 28 from the distribution line 82 forms an additional mass flow 86 which can be distributed from the distribution line 82 to the additional compressor stages 70 in order to be compressed by the same to the high pressure PH.
  • the additional mass flow 86 can thus be controlled by opening or closing individual ones of the shut-off valves 80a to 80c.
  • Control provided, which is able to individually control the individual shut-off valves 80a to 80c.
  • shut-off valves 80a to 80c are closed, no additional mass flow 86 flows through the distribution line 82 and no additional mass flow 86 is compressed in the additional compressor stages 70, so that only the main mass flow 56 is compressed in the refrigerant circuit 10 with all the cylinders 62 and is expanded.
  • the additional mass flow 86 flows through the distribution line 82 is supplied to the additional compressor stages 70, which are connected via the open shut-off valves 80a to 80c with the distribution line 82, and thus is compressed by the corresponding additional compressor stages 70 of the respective refrigerant compressor 12, so that in addition to the main mass flow 56 of the additional mass flow 86 flows through both the high pressure line 16 and through the high-pressure side heat exchanger 18 and the other High pressure line 22 is supplied to the container 28, wherein in the container 28 is a separation between the main mass flow 56 and the additional mass flow 86 to the effect that the main mass flow 56 is supplied via the line 34 to the expansion units 40, while the additional mass flow 86 via the distribution line 82 the corresponding Additional compressor stages 70 is supplied and thus does not flow through the expansion units 40.
  • a refrigeration system formed in this way can be operated as a refrigerant in particular with carbon dioxide (CO 2 ) as follows:
  • the refrigeration system can be operated in the so-called subcritical cycle. With carbon dioxide as the refrigerant, this presupposes that the temperature of the cooling medium 20 supplied to the high-pressure side heat exchanger 18 is on the order of about 23 ° C. or below. In this case, cooling of the refrigerant compressed to high pressure PH results in liquefaction thereof, so that the bypass valve 26 is opened by the controller 90 and the liquid refrigerant from the further high-pressure line 22 is directly supplied to the liquid refrigerant reservoir 30.
  • This liquid refrigerant then forms the main mass flow 56, which is distributed via the line 34 to the individual expansion units 40, provided that these are switched on by the controller 90, that is, the shut-off valves 42a to d are open.
  • the activation of the individual expansion units 40a to d takes place depending on whether refrigeration capacity 48 is to be made available in the region of the respective low-pressure-side heat exchanger 46 or not.
  • the refrigerant expanded in the individual expansion units 40a to 40d is then supplied via the low-pressure line 50 to the individual low-pressure connections 52a to 52c of the individual refrigerant compressors 12a to c.
  • the controller 90 does not necessarily operate all the refrigerant compressors 12a to 12c in the full load range, but can operate either individual of the refrigerant compressors 12a to 12c in the full load range or individual or all refrigerant compressors 12a to 12c in the partial load range, ie with reduced rotational speed of the respective drive motor 68. However, it is also possible, on the part of the controller 90, to completely shut off the individual refrigerant compressors 12a to 12c, for example when only a part of the expansion units 40a to 40d is to be provided with refrigerating capacity at their respective heat exchanger 46.
  • controller 90 closes the shut-off valves 80a to 80c in subcritical operation, so that in all refrigerant compressors 12a to 12c the additional compressor stages 70 suck refrigerant from the main mass flow 56 via the respective check valve 76 and compress it to high pressure PH.
  • FIG. 3 Such a cycle for the subcritical operation is shown in Fig. 3 by the broken lines, wherein the state in point A represents the incipient compression of refrigerant from the main mass flow 56 through the respective refrigerant compressor 12, which is completed in the state in point B.
  • the refrigerant compressed under high pressure PH is cooled down to a state at point C which is approximately at the saturation curve or boiling line 96 for carbon dioxide as the refrigerant.
  • the cooling capacity 48 can now be made available in the respective low-pressure side heat exchanger 46 by enthalpy increase, until the state in point A is reached, which represents the refrigerant in terms of enthalpy and pressure, which via the low-pressure line 50th the low pressure ports 52 of the refrigerant compressor 12 is supplied.
  • the state in point C is at a compared to a maximum 98 of the boiling line 96 by more than 20% lower value of the enthalpy [h] which is achieved by the evaporation of the additional mass flow forming refrigerant, the state in point C in Fig. 4 either essentially on the boiling line 96 or optionally with additional cooling, eg is located at a slightly lower enthalpy than the enthalpy of the state in point C via a heat exchanger penetrated by the expanded main mass flow.
  • the controller 90 must open at least part of the shut-off valves 80a to 80c or all shut-off valves 80a to 80c, thereby causing refrigerant from the additional stream 86 to be sucked in by the additional compressor stages 70 to maintain the intermediate pressure PZ in the container 28 and compressed to high pressure PH becomes.
  • the refrigerant of the main mass flow 56 can be supplied via the line 34 to the individual expansion units 42a to 42c and transferred by isenthalp relaxation in the expansion units 40 by means of the expansion valves 44 in the designated in Fig. 4 with point D state, in which enthalpy increase up to State at point A in the 3, it can be seen from the comparison with FIG. 3 that the cooling capacity provided is greater than in the case of a supercritical cyclic process corresponding to the states in the points A, B 1 , C, D 1 in Rg. 3.
  • the advantage of the inventive concept can be seen in the fact that opens the possibility optimally to choose the high pressure PH according to the course of the isotherms of the refrigerant used, without looking back on the downstream expansions must be taken.
  • the intermediate pressure PZ can also be optimized by suitable variation of the additional mass flow, in such a way that the decrease of the enthalpy of the main mass flow is higher than the percentage of the delivery volume of the total delivery volume of the compressor required for the additional mass flow, so that the by compressing the additional mass flow conditional loss of delivery volume is overcompensated by the decrease in the enthalpy of the main mass flow.
  • the cyclic process for maintaining the intermediate pressure PZ by compressing the additional mass flow 86 is shown in dotted lines in FIG. 4 and proceeds from the state at point Z by enthalpy increase of the vaporized refrigerant to the state at point A "and from state at point A" to state at Point B ", which in turn is at the high pressure PH, and from the state in point B" to the state in point C and from the state in point C to the state in point Z.
  • the resulting additional mass flow 86 in relation to the main mass flow 56 is not constant but varies depending on how many expansion units 40 are activated in the refrigerant circuit 10 and how high the temperature of the cooling medium 20 supplied to the high-pressure side heat exchanger 18 is.
  • the additional compressor stages 70 of the refrigerant compressors 12 are designed in such a way that at maximum cooling capacity to be delivered by all expansion units 40 and maximum temperature of the cooling medium 20 is still an optimized supercritical operation is possible and the resulting additional mass flow 86 can be compressed to maintain a suitable level of the intermediate pressure PZ of the totality of the active auxiliary compressor stages 70 to high pressure PH.
  • the controller 90 can either reduce the speed of the drive motors 68 of one or more of the refrigerant compressors 12 or shut off one of the refrigerant compressors 12, thereby eliminating both the compressor capacity of the main compressor stage of this refrigerant compressor 12 and the compressor capacity the additional compressor stage 70.
  • the additional mass flow 86 changes, since less refrigerant must be evaporated to liquid refrigerant in the state in point C of FIG. 4 at a suitable intermediate pressure PZ receive.
  • the controller 90 has the ability to adjust by closing one or two of the shut-off valves 80a to 80c, the compressor power of the additional compressor stages 70 to the lower required additional mass flow 86 and thus maintain an optimized intermediate pressure PZ in the container 28.
  • the additional compressor stages 70 in which the shut-off valves 80 have been closed, then suck in refrigerants of the corresponding low-pressure connection 52 and thus compress refrigerant from the respective main mass flow 56.
  • the inventive concept thus allows an optimal adaptation of the intermediate pressure PZ by adjusting the compressor power required for the compression of the additional mass flow 86 of the additional compressor stages 70a to 70c independently of the compressor capacity of the main compressor stages 66.
  • each main compressor stage 66 and each additional compressor stage 70 can provide the same compressor performance.
  • compressor power of the additional compressor stages 70 further variations are conceivable, namely in that when all three refrigerant compressors 12a to 12c are operated, the maximum power of the additional compressor stages 70 for the additional mass flow 86 is available, which is seven times the compressor capacity of the first refrigerant compressor equivalent.
  • the refrigerant compressors 12 ' are designed, for example, such that they have two additional compressor stages 7O 1 and 7O 2 , each having its own additional connections 7O x and 7O 2 .
  • Such a construction of one of the refrigerant compressor 12 or all refrigerant compressor 12 provides even greater variability in terms of compressing the compressor power available for compressing the additional mass flow 86, since the individual additional compressor stages 7O 1 and 7O 2 individually or jointly either by opening the corresponding shut-off valves 80 with the Distribution line 82 can be connected or can be used to compress refrigerant of the main mass flow 56.
  • the second embodiment of the refrigeration system according to the invention corresponds to the first embodiment, so that the description of the first embodiment of the refrigeration system according to the invention can be fully incorporated by reference.
  • a third embodiment of the refrigeration system according to the invention shown in Fig. 6, based on the first embodiment of the inventive refrigeration system, the same parts are provided with the same reference numerals, so that with respect to the description of the same fully incorporated by reference to the comments on the first embodiment ,
  • bypass valve 26 and the expansion valve 24 are still a soirzppansionsaku 100 connected in parallel.
  • the additional expansion unit 100 in turn comprises a shut-off valve 102, an expansion valve 104 and a high-pressure side heat exchanger 106, from which cooling power characterized by an arrow 108 can be dissipated.
  • the third embodiment of the refrigeration system according to the invention works similar to the first embodiment, so that also with respect to the function is fully incorporated by reference to the first embodiment.
  • a cylinder head 110 as shown in FIGS. 7 and 8 which in this case is designed for two cylinders and has an outlet chamber 112 and from the outlet chamber 112 through one Wall portion 114 separated a first inlet chamber 116 and a second inlet chamber 118, which in turn are separated by an intermediate wall 120.
  • the inlet chamber 116 is assigned to a cylinder 62 of the main compressor stage 66, while the inlet chamber 118 is assigned to the cylinder 62 of the additional compressor stage 70. For this reason, the inlet chamber 118 is also directly provided with a connection flange 122 for the auxiliary port 72, while the inlet chamber 116, the refrigerant is supplied via the usual, provided in the housing inlet channels.
  • outlet chamber 112 is also provided with a connection flange 124 for the high-pressure connection 14.
  • the wall region 114 separating the outlet chamber 112 from the inlet chambers 116 and 118 is substantially larger than two Areas of the height of the cylinder head 110 formed separately walls 126 and 128, between which a free space 130 is provided, which isolates the walls 126 and 128 relative to each other and thus also the outlet chamber 112 with respect to the inlet chambers 116 and 118 thermally insulated.
  • the two walls 126 and 128 only essentially unite in a wall region 132 which directly adjoins a base surface 134 of the cylinder head 110.
  • the check valve 76 can be arranged in the intermediate wall 120 and thus allows in a simple manner the suction of refrigerant from the inlet chamber 116, when the inlet chamber 118 of the additional compressor stage 70 via the additional port 72, no refrigerant is supplied.
  • the intermediate wall 120 'of the cylinder head HO 1 is not provided with the check valve 76, but it is a check valve 176 provided on a valve plate 140, which on a cylinder housing 142 rests and in turn the cylinder head 110 'carries.
  • an additional opening 144 is provided in the valve plate 140, which is congruent with a provided in the cylinder housing 142 and branched off from the inlet channel 148 connecting channel 174, and opens into the inlet chamber 118 for the cylinder 62 of the additional compressor stage 70.
  • the opening 144 can be closed by a valve tongue 178 of the check valve 176, which is arranged on a side of the valve plate 140 facing the inlet chamber 118 and is additionally secured by a catcher 180.
  • the inlet chamber 116 of the main compressor stage 66 is supplied via an inlet channel 148 with the low-pressure port 52 supplied refrigerant, wherein in the valve plate 140 a congruent with the inlet channel 148 arranged opening 150 is provided, via which the refrigerant from the inlet channel 148 into the inlet chamber 116th transgresses.
  • valve plate 140 there is a simple possibility of associating with the valve plate 140 not only inlet ports 152 of the main compressor stage 66 and inlet ports 154 of the booster stage 70 associated but not directly visible in FIG. 10 intake valves and also on the valve plate 140, the corresponding exhaust valves 156 and 158 to arrange, but in the same way, and preferably with the same structure as the exhaust valves 156 and 158, to provide the check valve 176 so that it can be mounted in a simple manner and in terms of its valve characteristics in the same Can be optimized as the exhaust valves 156 and 158.

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Abstract

Um eine Kälteanlage umfassend einen Kältemittelkreislauf (10), in welchem ein Hauptmassenstrom (56) eines Kältemittels geführt ist, zu schaffen, die sich optimal an unterschiedliche Betriebsbedingungen anpassen lässt, wird vorgeschlagen, dass in dem Kältemittelkreislauf mindestens zwei Kältemittelverdichter (12a, 12b, 12c) ange ordnet sind, die zum Verdichten des Hauptmassenstroms einzeln zuschaltbar sind, dass mindestens zwei der Kältemittelverdichter jeweils mindestens eine Zusatzverdichterstufe (70) aufweisen, dass jede der Zusatzverdichterstufen wahlweise zum Verdichten von Kältemittel aus dem Hauptmassenstrom oder zum Verdichten von Kältemittel aus dem Zusatzmassenstrom (86) einsetzbar ist und dass eine Steuerung (90) vorgesehen ist, mit welcher in einem ersten Betriebsmodus in Abhängigkeit von den Betriebsbedingungen eine derartige Anzahl von Zusatzverdichterstufen zum Verdichten von Kältemittel aus dem Zusatzmassenstrom zuschaltbar ist, dass di Expansionskühleinrichtung (24, 28) den Hauptmassenstrom verflüssigt und dessen Enthalpie reduziert.

Description

Kälteanlage
Die Erfindung betrifft eine Kälteanlage umfassend einen Kältemittelkreislauf, in welchem ein Hauptmassenstrom eines Kältemittels - vorzugsweise Kohlendioxid - geführt ist, einen im Kältemittelkreislauf angeordneten hochdruck- seitigen Wärmetauscher, eine im Kältemittel kreislauf angeordnete Expansions- kühieinrichtung, die im aktiven Zustand den Hauptmassenstrom des Kältemittels kühlt und dabei einen Zusatzmassenstrom von gasförmigem Kälte- mittel erzeugt, ein im Kältemittelkreislauf angeordnetes Reservoir für verflüssigtes Kältemittel, mindestens eine im Kältemittelkreislauf angeordnete Expansionseinheit für verflüssigtes Kältemittel des Hauptmassenstroms, welche ein Expansionsorgan und einen nachgeordneten niederdruckseitigen Kälteleistung zur Verfügung stellenden, das heißt die Enthalpie des Kälte- mittels erhöhenden, Wärmetauscher aufweist, und mindestens einen in dem Kältemittelkreislauf angeordneten Kältemittelverdichter, der eine Hauptverdichterstufe und mindestens eine gemeinsam mit der Hauptverdichterstufe angetriebene Zusatzverdichterstufe aufweist, die beide Kältemittel auf Hochdruck verdichten, wobei die Hauptverdichterstufe und die mindestens eine Zusatzverdichterstufe so einsetzbar sind, dass entweder die Hauptverdichterstufe Kältemittel aus dem Hauptmassenstrom und die Zusatzverdichterstufe Kältemittel aus dem Zusatzmassenstrom oder die Hauptverdichterstufe und die Zusatzverdichterstufe Kältemittel aus dem Hauptmassenstrom verdichten.
Derartige Kälteanlagen sind aus dem Stand der Technik bekannt, wobei diese für übliche Kältemittel konzipiert sind.
Beispielsweise sind derartige Kälteanlagen in der EP 0 180 904 A2 beschrieben. Ausgehend von diesem bekannten Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Kälteanlage zu schaffen, die sich optimal an unter- schiedliche Betriebsbedingungen anpassen lässt.
Diese Aufgabe wird bei einer Kälteanlage der eingangs beschriebenen Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass in dem Kältemittelkreislauf mindestens zwei Kältemittelverdichter angeordnet sind, die zum Verdichten des Haupt- massenstroms einzeln zuschaltbar sind, dass mindestens zwei der Kältemittelverdichter jeweils mindestens eine Zusatzverdichterstufe aufweisen, dass jede der Zusatzverdichterstufen wahlweise zum Verdichten von Kältemittel aus dem Hauptmassenstrom oder zum Verdichten von Kältemittel aus dem Zusatzmassenstrom einsetzbar ist und dass eine Steuerung vorgesehen ist, mit welcher in einem ersten Betriebsmodus in Abhängigkeit von Betriebsbedingungen eine derartige Anzahl von Zusatzverdichterstufen zum Verdichten von Kältemittel aus dem Zusatzmassenstrom zuschaltbar ist, dass die Expansionskühleinrichtung den Hauptmassenstrom verflüssigt und dessen Enthalpie reduziert.
Der Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung ist darin zu sehen, dass diese aufgrund der variablen Zuschaltbarkeit der Zusatzverdichterstufen die Möglichkeit schafft, die Verflüssigung des Hauptmassenstroms und die Enthalpiereduktion an die verschiedenen Betriebsbedingungen anzupassen und somit stets in einem optimalen Bereich zu halten.
Besonders günstig ist es, wenn die Expansionskühleinrichtung die Enthalpie des Hauptmassenstroms mindestens 10% reduziert. Noch vorteilhafter ist es, wenn die Expansionskühleinrichtung die Enthalpie des Hauptmassenstroms um mindestens 20% reduziert. Besonders günstig ist die Kälteanlage dann einsetzbar, wenn der erste Betriebsmodus einem über- kritischen Betrieb, beispielsweise mit Kohlendioxid als Kältemittel, entspricht
Unter einem überkritischen Betrieb ist dabei zu verstehen, dass das auf Hochdruck verdichtete Kältemittel in dem hochdruckseitigen Wärmetauscher nicht auf eine Temperatur abgekühlt werden kann, die einer die Siedelinie und Sättigungskurve des Kältemittels durchlaufenden Isothermen entspricht, sondern lediglich auf eine Temperatur abgekühlt werden kann, die einer außerhalb der Siedelinie und Sättigungskurve verlaufenden Isothermen entspricht, so dass es dabei nicht zu einer Verflüssigung des Kältemittels kommt.
Ferner sieht ein besonders günstiges Ausführungsbeispiel vor, dass die Expansionskühleinrichtung den Hauptmassenstrom in einen thermo- dynamischen Zustand überführt, dessen Druck und Enthalpie niedriger sind als Druck und Enthalpie eines Maximums der Sättigungskurve oder Siedelinie in einem Enthalpie-/Druckdiagramm.
Vorzugsweise liegt der von der Expansionskühleinrichtung bewirkte thermo- dynamische Zustand des Hauptmassenstroms nahe der Siedelinie des Enthalpie-/Druckdiagramms, insbesondere im Wesentlichen auf der Siedelinie oder bei einer Enthalpie die niedriger ist als die der Siedelinie bei dem jewei- ligen Druck entsprechende Enthalpie.
Die Expansionskühleinrichtung kann grundsätzlich in beliebiger Art und Weise ausgebildet sein. Eine besonders günstige Lösung sieht jedoch vor, dass die Expansionskühleinrichtung ein Expansionsventil zur Expansion von Kältemittel auf einen Zwischendruck aufweist und dass der Zwischendruck der Exapansionskühlein- richtung durch Zuschaltung der geeigneten Anzahl von Zusatzverdichterstufen einstellbar ist.
Ferner könnte beispielsweise die Expansionskühleinrichtung so arbeiten, dass lediglich eine Expansion des den Zusatzmassenstrom bildenden Kältemittels erfolgt.
Noch vorteilhafter ist es jedoch, wenn das Expansionsventil der Expansionskühleinrichtung Kältemittel des Hauptmassenstroms und des Zusatzmassenstroms auf den Zwischendruck expandiert.
Hinsichtlich der Anordnung des Reservoirs für das flüssige Kältemittel wurden bislang keine näheren Angaben gemacht. So sieht eine besonders günstige Lösung vor, dass die Expansionskühleinrichtung das Reservoir für das flüssige Kältemittel des Hauptmassenstroms mit umfasst und somit den Aufbau der erfindungsgemäßen Kälteanlage vereinfacht wird.
Eine konstruktiv besonders bevorzugte Lösung sieht vor, dass das Expansionsventil das expandierte Kältemittel aus dem Hauptmassenstrom und dem Zusatzmassenstrom in einen Behälter überführt, in welchem sich das Reservoir für das flüssige Kältemittel des Hauptmassenstroms ausbildet über dem ein Dampfraum liegt, aus welchem dann das den Zusatzmassenstrom bildende Kältemittel abgeführt wird, so dass ein Teil des Kältemittels verdampft und dadurch den Hauptmassenstrom kühlt oder sogar unterkühlt. Ein weiters vorteilhaftes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Kälteanlage sieht vor, dass in einem zweiten Betriebsmodus die Expansionskühleinrichtung im inaktiven Zustand ist und keine Kühlung des Hauptmassen- stroms bewirkt.
Das heißt, dass in diesem Fall kein Zusatzmassenstrom von Kältemittel entsteht und somit die erfindungsgemäße Kälteanlage in der konventionellen bekannten Art und Weise durch einen Kreislauf des gesamten Kältemittels in Form des Hauptmassenstroms betrieben werden kann.
Zweckmäßigerweise ist in einem derartigen zweiten Betriebsmodus der Kälteanlage vorgesehen, dass alle Zusatzverdichterstufen Kältemittel des Hauptmassenstroms verdichten.
Ferner ist in einem zweiten Betriebsmodus der erfindungsgemäßen Kälteanlage vorgesehen, dass das Reservoir für flüssiges Kältemittel des Hauptmassenstroms unter Hochdruck steht.
Insbesondere ist bei einem Ausführungsbeispiel vorgesehen, dass der zweite Betriebsmodus einem unterkritischen Betrieb der Kälteanlage entspricht.
Unter einem unterkritischen Betrieb der Kälteanlage im Sinne der erfindungsgemäßen Lösung ist dabei zu verstehen, dass in dem hochdruckseitigen Wärmetauscher eine derart starke Abkühlung des auf Hochdruck verdichteten Kältemittels möglich ist, dass dieses in einen thermodynamischen Zustand übergeht, welcher unterhalb der Sättigungskurve oder Siedelinie, das heißt im Gebiet der Koexistenz von Flüssigkeit und Dampf, liegt, und somit derart abgekühlt wird, dass durch den hochdruckseitigen Wärmetauscher eine Verflüssigung des Kältemittels erfolgt.
Um die erfindungsgemäße Kälteanlage stets unter optimalen Bedingungen, insbesondere in Anpassung an die geforderte Kälteleistung, betreiben zu können, ist vorgesehen, dass die Steuerung die Kältemittelverdichter entsprechend der geforderten Kälteleistung steuert, das heißt, dass die Kältemittelverdichter entweder mit variabler Drehzahl betreibbar sind und/oder ein- oder ausgeschaltet werden können.
Besonders zweckmäßig ist es dabei, wenn die Steuerung in der Lage ist, entsprechend der geforderten Kälteleistung die Kältemittelverdichter einzeln zu- oder abzuschalten, das heißt, dass durch Einzelzu- oder -abschaltung der mindestens zwei Kältemittelverdichter im Kältemittelkreislauf die Möglichkeit besteht, die Verdichterleistung an die geforderte Kälteleistung anzupassen und somit die erfindungsgemäße Kälteanlage stets optimal zu betreiben.
Hinsichtlich der Auslegung der Zusatzverdichterstufen in Relation zu der jeweiligen Hauptverdichterstufe wurden bislang keine näheren Angaben gemacht. So ist es besonders günstig, wenn jeder Kältemittelverdichter mit Zusatzverdichterstufe so dimensioniert ist, dass der von der Zusatzverdichterstufe verdichtete Massenstrom von Kältemittel des Zusatzmassenstroms maximal dem von der Hauptverdichterstufe verdichteten Massenstrom von Kältemittel des Hauptmassenstroms bei diesem Kältemittelverdichter entspricht. Weiterhin lassen sich die durch die Steuerung gegebenen Möglichkeiten der Einstellung des Zusatzmassenstroms und des Zwischendrucks dadurch vorteilhaft ausnutzen, dass die Kältemittelverdichter mit Zusatzverdichterstufe so dimensioniert sind, dass die Zusatzverdichterstufen unterschiedlicher Kälte- mittelverdichter unterschiedliche Massenströme von Kältemittel des Zusatzmassenstroms verdichten.
Damit kann durch geeignete Auswahl der für die Verdichtung von Kältemittel des Zusatzmassenstroms vorgesehenen Zusatzverdichterstufen, insbesondere durch geeignete Kombination für unterschiedliche Massenströme ausgelegter Zusatzverdichterstufen eine weitgehende Variation des zu verdichtenden Zusatzmassenstroms erfolgen, ohne dass hierzu die Leistung der Hauptverdichterstufen verändert werden muss.
Da bei Kälteanlagen, die im überkritischen Bereich betrieben werden sollen, bei der Verdichtung des Kältemittels eine sehr hohe Druckdifferenz erzeugt werden muss, ist vorzugsweise vorgesehen, dass die Kältemittelverdichter mit Zusatzverdichterstufe Hubkolbenverdichter sind.
Bei derartigen Hubkolbenverdichtern ist zweckmäßigerweise jeder der Kältemittelverdichter mit Zusatzverdichterstufe so konzipiert, dass dieser mindestens einen Zylinder für die Zusatzverdichterstufe und mindestens einen Zylinder für die Hauptverdichterstufe aufweist.
Besonders günstig lässt sich eine derartige Kälteanlage dann realisieren, wenn bei jedem Kältemittelverdichter mit Zusatzverdichterstufe die Zahl der Zylinder für die Hauptverdichterstufe größer ist als die Zahl der Zylinder für die Zusatzverdichterstufe. Ferner sieht eine hinsichtlich der variablen Einstellbarkeit des Zusatzmassenstroms besonders günstige Lösung der erfindungsgemäßen Kälteanlage vor, dass von den Kältemittelverdichtern mit Zusatzverdichterstufe die Zusatzver- dichterstufen unterschiedlicher Kältemittelverdichter ein unterschiedliches Hubvolumen aufweisen, so dass dadurch auch in unterschiedlicher Kombination der Zusatzverdichterstufen eine besonders breite Bandbreite von Hubvolumina für den Zusatzmassenstrom zur Auswahl zur Verfügung steht.
Ferner sieht eine weitere, hinsichtlich ihrer Variabilität geeignete Lösung vor, dass bei jedem Kältemittelverdichter mit Zusatzverdichterstufe das Verhältnis des Hubvolumens der Zusatzverdichterstufe zum Hubvolumen der Hauptverdichterstufe gegenüber mindestens einem der anderen Kältemittelverdichter mit Zusatzverdichterstufe unterschiedlich ist, so dass sich nicht nur die Hub- volumina der Zusatzverdichterstufen durch geeignete Auswahl und Kombination miteinander zu einer möglichst großen Variationsbandbreite zusammenfassen lassen, sondern auch die Hubvolumina der Hauptverdichterstufen.
Ein weiteres vorteilhaftes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Kälteanlage sieht vor, dass in dem ersten Betriebsmodus das Reservoir für verflüssigtes Kältemittel auf einem Zwischendruck arbeitet und zwischen dem hochdruckseitigen, das Kältemittel kühlenden Wärmetauscher und dem Reservoir für verflüssigtes Kältemittel eine Zusatzexpansionseinheit mit einem Expansionsorgan und einem nachgeordneten, Kälteleistung zur Verfügung stellenden Wärmetauscher vorgesehen ist. Mit dieser Zusatzexpansionseinheit lässt sich der thermodynamische Wirkungsgrad der erfindungsgemäßen Kälteanlage noch weiter verbessern, da die Verdampfungstemperatur in dieser Zusatzexpansionseinheit höher ist, was voraussetzt, dass die zur Verfügung gestellte Kälteleistung auf einem höheren Temperaturniveau, beispielsweise zur Raumkühlung oder Raumklimatisierung, eingesetzt werden kann.
Insbesondere ist bei allen voranstehenden Ausführungsbeispielen ein wesentlich verbesserter thermodynamischer Wirkungsgrad bei überkritischen Betriebsbedingungen erreichbar. Außerdem ist die Kälteleistung bei definiertem Verdichter-Hubvolumen höher und die Leistungscharakteristik in Relation zur Umgebungstemperatur flacher, was sich positiv auf die Regelcharakteristik der Kälteanlage auswirkt.
Die höhere Wirtschaftlichkeit bei überkritischem Betrieb ist insbesondere darin begründet, dass die Verdampfung des Zusatzmassenstroms auf einem höheren Druckniveau erfolgt als die Verdampfung in den saugseitigen Wärmetauschern der Expansionseinheiten. Dies führt zu einer Verbesserung des thermodynamischen Wirkungsgrads mit dem Resultat eines reduzierten Energiebedarfs für eine definierte Kälteleistung.
Insbesondere erfolgt durch die Expansion des Hauptmassenstroms und des Zusatzmassenstroms in Verbindung mit dem Absaugen des Zusatzmassenstroms eine Kühlung des Kältemittels des Hauptmassenstroms bei Sättigungsdruck bis zur Siedelinie oder Sättigungskurve. Dadurch erhöht sich die Enthalpiedifferenz für die Verdampfung und Überhitzung. Die Zunahme der Enthalpiedifferenz ist dabei prozentual höher als der Anteil der Verdichter- leistung, die für das Verdichten des Zusatzmassenstroms aufgewandt werden muss. Dies führt neben der zuvor erwähnten Wirkungsgradverbesserung auch zu höherer Kälteleistung - bezogen auf ein identisches Gesamt-Hubvolumen der Kälteanlage. Ferner ist es bei der erfindungsgemäßen Kälteanlage, insbesondere wenn als Kältemittel Kohlendioxid zum Einsatz kommt, von Vorteil, wenn die Kältemittelverdichter Zylinderköpfe aufweisen, bei welchen Einlasskammern und Auslasskammern im Wesentlichen thermisch entkoppelt sind, so dass durch die Erhitzung des Kältemittels beim Verdichten auf Hochdruck und die damit verbundene Aufheizung der Auslasskammern im Wesentlichen keine Erwärmung der Einlasskammern mit dem anzusaugenden Kältemittel erfolgt und somit keine negative Beeinflussung der Verdichterleistung.
Um die Zusatzverdichterstufen entweder zum Verdichten des Hauptmassenstroms oder zum Verdichten des Zusatzmassenstroms einsetzen zu können, ist es grundsätzlich denkbar, gesteuerte Ventile vorzusehen, die die Zusatzverdichterstufen entweder mit Kältemittel des Hauptmassenstroms oder des Zusatzmassenstroms versorgen.
Eine konstruktiv besonders einfache Lösung sieht jedoch vor, dass ein Rückschlagventil zur Verbindung einer Einlasskammer der Zusatzverdichterstufe mit dem Niederdruckanschluss der Hauptverdichterstufe vorgesehen ist, so dass zwangsläufig bei Unterbrechung des Zusatzmassenstroms die Zusatzverdichterstufe Kältemittel des Hauptmassenstroms verdichtet.
Eine besonders einfache Lösung sieht dabei vor, dass das Rückschlagventil die Einlasskammer der Zusatzverdichterstufe mit der Einlasskammer der Haupt- verdichterstufe verbindet. Eine andere vorteilhafte Lösung sieht vor, dass das Rückschlagventil in einer Ventilplatte des jeweiligen Kältemittelverdichters vorgesehen ist. Diese Lösung hat den Vorteil, dass die ohnehin mit Ventilen bestückte Ventilplatte lediglich noch mit einem zusätzlichen Rückschlagventil versehen sein muss und somit das Rückschlagventil besonders einfach montiert werden kann.
Besonders zweckmäßig ist es dabei, wenn ein Verbindungskanal zwischen dem Niederdruckanschluss und dem Rückschlagventil in einem Zylindergehäuse verläuft und in dieses in gleicher Weise wie der Einlasskanal zur Versorgung der Hauptverdichterstufe mit über den Niederdruckanschluss zugeführtem Kältemittel eingeformt werden kann.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung sind Gegenstand der nachfolgenden Beschreibung sowie der zeichnerischen Darstellung einiger Ausführungs- beispiele.
In der Zeichnung zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines ersten Ausführungs- beispiels einer erfindungsgemäßen Kälteanlage;
Fig. 2 eine schematische Darstellung eines der in der erfindungsgemäßen Kälteanlage gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel eingesetzten Kältemittelverdichters mit Hauptverdichterstufe und Zusatzverdichterstufe; Fig. 3 eine Darstellung des Drucks [P] über der Enthalpie [h] bei einem bei dem ersten Ausführungsbeispiel realisierbaren unterkritischen Kreisprozess und einem möglichen, jedoch nicht der Erfindung entsprechenden überkritischen Kreisprozess;
Fig. 4 eine Darstellung des Drucks [P] über der Enthalpie [h] bei einem mit dem ersten Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Lösung ausführbaren erfindungsgemäßen Kreisprozess im überkritischen Bereich mit Expansion des auf Hoch- druck verdichteten Kältemittels auf einen Zwischendruck und gleichzeitiger Reduzierung der Enthalpie durch Absaugen eines Zusatzmassenstroms;
Fig. 5 eine schematische Darstellung eines Kältemittelverdichters bei einem zweiten Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen
Kälteanlage;
Fig. 6 eine schematische Darstellung eines dritten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Kälteanlage;
Fig. 7 eine perspektivische Darstellung eines Zylinderkopfes einer ersten bevorzugten Ausführungsform eines Kältemittelverdichters für eine erfindungsgemäße Kälteanlage;
Fig. 8 eine perspektivische Ansicht des Zylinderkopfes gemäß Fig. 7 mit nach oben weisender Unterseite desselben; Fig. 9 einen teilweisen Schnitt durch eine zweite bevorzugte Ausführungsform eines Kältemittelverdichters für die erfindungsgemäße Kälteanlage und
Fig. 10 eine perspektivische Darstellung einer Ventilplatte der zweiten bevorzugten Ausführungsform des Kältemittelverdichters gemäß Fig. 9.
Ein in Fig. 1 dargestelltes Ausführungsbeispiel einer Kälteanlage umfasst einen als Ganzes mit 10 bezeichneten Kältemittelkreislauf, in welchem mehrere, beispielsweise drei, Kältemittelverdichter 12a bis 12c angeordnet sind, deren Hochdruckanschlüsse 14a bis c mit einer Hochdruckleitung 16 des Kältemittelkreislaufes 10 verbunden sind.
Die Hochdruckleitung 16 führt zu einem hochdruckseitigen Wärmetauscher 18, welcher das auf Hochdruck PH verdichtete Kältemittel, beispielsweise mit einem Strom 20 eines Kühlmediums, kühlt, wobei das Kühlmedium vorzugsweise Umgebungsluft ist, die den Wärmetauscher 18 durchströmt.
Es ist aber auch denkbar, anstelle von Umgebungsluft ein anderes Kühlmedium, beispielsweise Wasser oder ähnliches, vorzusehen.
Von dem Wärmetauscher 18 führt eine weitere Hochdruckleitung 22 zu einem Expansionsventil 24 und zu einem dem Expansionsventil 24 parallel geschalteten Bypassventil 26, die beide in einen Behälter 28 münden, der so ausgebildet ist, dass er ein Reservoir 30 für flüssiges Kältemittel umfasst, in welchem stets ein Volumen 32 von flüssigem Kältemittel vorhanden ist, welches - wie nachfolgend im Einzelnen beschrieben - ein Puffervolumen für flüssiges Kältemittel im Kältemittelkreislauf 10 darstellt.
Von dem Reservoir 30 führt eine Leitung 34 zu Expansionseinheiten 40, beispielsweise vier parallel geschalteten Expansionseinheiten 40a bis 40d.
Die Leitung 34 ist dabei derart mit dem Reservoir 30 verbunden, dass diese im Wesentlichen nur flüssiges Kältemittel zu den Expansionseinheiten 40 führt und diese somit in bekannter Art und Weise betrieben und insbesondere geregelt werden können, da stets eine Expansion von flüssigem Kältemittel, im Wesentlichen ohne Gasanteil, erfolgt.
Die Regelung von Expansionseinheiten 40, die mit flüssigem Kältemittel ver- sorgt werden, entspricht der Art der Regelung bei bekannten Kälteanlagen.
Jede der Expansionseinheiten 40 umfasst ein Absperrventil 42, ein Expansionsventil 44, welches das flüssige Kältemittel expandiert, und einen niederdruck- seitigen Wärmetauscher 46, welcher aufgrund des expandierten Kältemittels in der Lage ist, wie durch den Pfeil 48 gekennzeichnet, Kälteleistung abzugeben.
Die Wärmetauscher 46 der parallel geschalteten Expansionseinheiten 40 sind mit einer gemeinsamen Niederdruckleitung 50 verbunden, welche zu Niederdruckanschlüssen 52a bis 52c der Kältemittelverdichter 12a bis 12c führt.
Die Summe aller die Expansionseinheiten 40 durchsetzenden Teilmassenströme 54a, 54b, 54c und 54d des Kältemittels, die von der Niederdruckleitung 50 gesammelt werden, bilden einen Hauptmassenstrom 56 des Kältemittelkreislaufes 10, der seinerseits wieder in Teilmassenströme 58a, 58b und 58c aufgeteilt wird, welche von den Kältemittelverdichtern 12a bis 12c über die Niederdruckanschlüsse 52a bis 52c angesaugt und auf Hochdruck PH verdichtet werden, um durch die Hochdruckanschlüsse 14a bis 14c der Kälte- mittelverdichter 12 wieder auszutreten.
Da die Teilmassenströme 54a bis 54d aus der Leitung 34 entnommen wurden, wird auch die Leitung 34 im Anschluss an das Reservoir 30 von dem Hauptmassenstrom 56 durchströmt, der sich dann wieder auf die Teilmassenströme 54a bis 54d aufteilt.
Wie in Fig. 2 dargestellt, ist beispielsweise jeder der Kältemittelverdichter 12 als Hubkolbenverdichter ausgebildet und umfasst ein Zylindergehäuse 60, in welchem insgesamt beispielsweise vier Zylinder 62a bis 62d vorgesehen sind, in welchen Kältemittel durch oszillierend bewegte Kolben 64a bis d verdichtet werden kann.
Bei einem derart erfindungsgemäß ausgebildeten Kältemittelverdichter 12 arbeiten nun nicht alle Zylinder 62a bis 62d als einheitliche Verdichterstufe, sondern es sind beispielsweise die Zylinder 62a bis 62c zu einer Hauptverdichterstufe 66 zusammengefasst, in welcher diese drei Zylinder 62a bis 62c parallel arbeiten, das heißt alle drei Zylinder 62a bis 62c saugen Kältemittel über den jeweiligen Niederdruckanschluss 52 an und geben auf Hochdruck PH verdichtetes Kältemittel an den jeweiligen Hochdruckanschluss 14 ab. Ferner ist der Zylinder 62d, der gemeinsam mit den übrigen Zylindern der Hauptverdichterstufe 66 und in gleicher Weise wie diese von einem Antriebsmotor 68 angetrieben ist, als separate Zusatzverdichterstufe 70 betrieben, welche ausgangsseitig ebenfalls mit dem Hochdruckanschluss 14 verbunden ist, jedoch in der Lage ist, entweder Kältemittel über einen Zusatzanschluss 72 anzusaugen oder über den Niederdruckanschluss 52.
Im einfachsten Fall ist in dem zwischen dem Zusatzanschluss 72 und dem Niederdruckanschluss 52 verlaufenden Verbindungskanal 74 ein Rückschlag- ventil 76 vorgesehen, welches den Verbindungskanal 74 dann sperrt, wenn der Druck am Zusatzanschluss 72 höher ist als der am Niederdruckanschluss 52, so dass stets dann, wenn am Zusatzanschluss 72 Kältemittel unter einem höheren Druck als am Niederdruckanschluss 52 vorliegt, der Verbindungskanal 74 gesperrt ist und somit die Zusatzverdichterstufe 70 Kältemittel über den Zusatzanschluss 72 ansaugt. Es kann aber auch ein gesteuertes Ventil vorgesehen sein.
Ist jedoch der Zusatzanschluss 72 abgesperrt oder blockiert, so dass über diesen kein Kältemittel angesaugt werden kann, so öffnet das Rückschlagventil 76 und die Zusatzverdichterstufe 70 saugt Kältemittel über den Niederdruckanschluss 52 an und verdichtet dieses auf Hochdruck PH, in gleicher Weise wie die Hauptverdichterstufe 66.
Wie in Fig. 1 dargestellt, sind die Zusatzanschlüsse 72a bis 72c der Kälte- mittelverdichter 12a bis 12c jeweils über Absperrventile 80a bis 80c mit einer Verteilleitung 82 verbunden, welche in den Behälter 28 münden, und zwar so, dass sie in der Lage ist, aus einem Dampfraum 84 des Behälters 28 verdampftes Kältemittel abzuführen. Das von der Verteilleitung 82 aus dem Behälter 28 abgeführte verdampfte Kältemittel bildet dabei einen Zusatzmassenstrom 86, welcher von der Verteilleitung 82 auf die Zusatzverdichterstufen 70 verteilt werden kann, um von diesen auf Hochdruck PH verdichtet zu werden.
Der Zusatzmassenstrom 86 ist somit dadurch steuerbar, dass einzelne der Absperrventile 80a bis 80c geöffnet oder geschlossen werden.
Zur Steuerung der Kälteanlage ist insgesamt eine mit 90 bezeichnete
Steuerung vorgesehen, welche in der Lage ist, die einzelnen Absperrventile 80a bis 80c einzeln anzusteuern.
Sind alle Absperrventile 80a bis 80c geschlossen, so strömt durch die Verteil- leitung 82 kein Zusatzmassenstrom 86 und es erfolgt auch in den Zusatzverdichterstufen 70 keine Verdichtung eines Zusatzmassenstroms 86, so dass insgesamt in dem Kältemittelkreislauf 10 lediglich der Hauptmassenstrom 56 mit allen Zylindern 62 verdichtet und expandiert wird.
Ist jedoch eines der Absperrventile 80a bis 80c oder sind alle Absperrventile 80a bis 80c geöffnet, so fließt der Zusatzmassenstrom 86 durch die Verteilleitung 82, wird den Zusatzverdichterstufen 70 zugeführt, die über die geöffneten Absperrventile 80a bis 80c mit der Verteilleitung 82 verbunden sind, und somit von den entsprechenden Zusatzverdichterstufen 70 der jeweiligen Kältemittelverdichter 12 verdichtet, so dass sowohl durch die Hochdruckleitung 16 als auch durch den hochdruckseitigen Wärmetauscher 18 zusätzlich zum Hauptmassenstrom 56 der Zusatzmassenstrom 86 fließt und über die weitere Hochdruckleitung 22 dem Behälter 28 zugeführt wird, wobei in dem Behälter 28 eine Trennung zwischen dem Hauptmassenstrom 56 und dem Zusatzmassenstrom 86 dahingehend erfolgt, dass der Hauptmassenstrom 56 über die Leitung 34 den Expansionseinheiten 40 zugeführt wird, während der Zusatzmassenstrom 86 über die Verteilleitung 82 den entsprechenden Zusatzverdichterstufen 70 zugeführt wird und somit nicht durch die Expansionseinheiten 40 hindurchströmt.
Eine derart ausgebildete Kälteanlage lässt sich insbesondere bei Kohlendioxid (CO2) als Kältemittel wie folgt betreiben:
Ist eine ausreichend starke Kühlung des auf Hochdruck PH verdichteten Kältemittels im hochdruckseitigen Wärmetauscher 18 möglich, so lässt sich die Kälteanlage im sogenannten unterkritischen Kreisprozess betreiben. Bei Kohlendioxid als Kältemittel setzt dies voraus, dass die Temperatur des dem hochdruckseitigen Wärmetauscher 18 zugeführten Kühlmediums 20 in der Größenordnung von ungefähr 23°C oder darunter liegt. In diesem Fall führt die Abkühlung des auf Hochdruck PH verdichteten Kältemittels zu einer Verflüssigung desselben, so dass das Bypassventil 26 von der Steuerung 90 geöffnet wird und das flüssige Kältemittel von der weiteren Hochdruckleitung 22 unmittelbar dem Reservoir 30 für flüssiges Kältemittel zugeführt wird.
Dieses flüssige Kältemittel bildet dann den Hauptmassenstrom 56, der über die Leitung 34 auf die einzelnen Expansionseinheiten 40 verteilt wird, sofern diese von der Steuerung 90 zugeschaltet sind, das heißt die Absperrventile 42a bis d geöffnet sind. Die Aktivierung der einzelnen Expansionseinheiten 40a bis d erfolgt abhängig davon, ob im Bereich des jeweiligen niederdruckseitigen Wärmetauschers 46 Kälteleistung 48 zur Verfügung gestellt werden soll oder nicht.
Das in den einzelnen Expansionseinheiten 40a bis 40d expandierte Kältemittel wird dann über die Niederdruckleitung 50 den einzelnen Niederdruckan- schlüssen 52a bis 52c der einzelnen Kältemittelverdichter 12a bis c zugeführt.
Die Steuerung 90 betreibt dabei nicht zwingend sämtliche Kältemittelverdichter 12a bis 12c im Volllastbereich, sondern kann entweder einzelne der Kältemittelverdichter 12a bis 12c im Volllastbereich oder einzelne oder alle Kältemittelverdichter 12a bis 12c im Teillastbereich, das heißt mit reduzierter Drehzahl des jeweiligen Antriebsmotors 68 betreiben. Es ist aber auch mög- lieh, seitens der Steuerung 90 einzelne der Kältemittelverdichter 12a bis 12c vollständig abzuschalten, beispielsweise dann, wenn nur ein Teil der Expansionseinheiten 40a bis 40d an ihrem jeweiligen Wärmetauscher 46 Kälteleistung zur Verfügung gestellt werden soll.
Außerdem schließt die Steuerung 90 im unterkritischen Betrieb die Absperrventile 80a bis 80c, so dass bei allen Kältemittelverdichtern 12a bis 12c die Zusatzverdichterstufen 70 Kältemittel aus dem Hauptmassenstrom 56 über das jeweilige Rückschlagventil 76 ansaugen und auf Hochdruck PH verdichten.
Ein derartiger Kreisprozess für den unterkritischen Betrieb ist in Fig. 3 durch die gestrichelten Linien dargestellt, wobei der Zustand in Punkt A die beginnende Verdichtung von Kältemittel aus dem Hauptmassenstrom 56 durch den jeweiligen Kältemittelverdichter 12 darstellt, die bei dem Zustand in Punkt B beendet ist. Ausgehend von dem Zustand in Punkt B erfolgt ein Abkühlen des unter Hochdruck PH verdichteten Kältemittels bis zu einem Zustand in Punkt C, der ungefähr auf der Sättigungskurve oder Siedelinie 96 für Kohlendioxid als Kältemittel liegt.
Dieses nunmehr abgekühlte, jedoch im Wärmetauscher 18 verflüssigte Kältemittel kann nun in diesem Zustand den einzelnen Expansionseinheiten 40 zugeführt werden, wobei durch das Expansionsventil 44 jeder der Expansionseinheiten 40 eine isenthalpe Entspannung des Kältemittels erfolgt, was zu einer Reduzierung des Drucks verbunden mit einer Reduzierung der Temperatur führt, so dass der Zustand in Punkt D in Fig. 3 erreicht wird.
Ausgehend vom Zustand in Punkt D kann nun in dem jeweiligen niederdruck- seitigen Wärmetauscher 46 durch Enthalpiezunahme die Kälteleistung 48 zur Verfügung gestellt werden, bis wiederum der Zustand in Punkt A erreicht ist, der hinsichtlich Enthalpie und Druck das Kältemittel repräsentiert, welches über die Niederdruckleitung 50 den Niederdruckanschlüssen 52 der Kälte- mittelverdichter 12 zugeführt wird.
Steht jedoch kein Kühlmedium zur Verfügung, welches in der Lage ist, das Kältemittel auf eine Temperatur von in der Größenordnung 23°C abzukühlen, sondern steht nur ein Kühlmedium zur Verfügung, das lediglich eine Abkühlung auf höhere Temperaturen des Kältemittels, beispielsweise über 31°, erlaubt, so wäre bei geöffnetem Bypassventil 26 und unwirksamem Expansionsventil 24 mit der Kälteanlage gemäß Fig. 1 lediglich ein sogenannter überkritischer Kreisprozess (in Fig. 3 durchgezogen gezeichnet) möglich, bei welchem man das Kältemittel auf einen höheren Druck entsprechend dem Zustand in Punkt B1 in Fig. 3 verdichten hätte müssen, wobei eine nachfolgende Abkühlung im hochdruckseitigen Wärmetauscher 18 zu einem Zustand in Punkt C in Fig. 3 führt, der außerhalb der Sättigungskurve 96 liegt.
Das Kältemittel im Zustand in Punkt C in Fig. 3 ist dabei nach wie vor gasförmig. Eine nachfolgende isenthalpe Entspannung des Kältemittels in den einzelnen Expansionseinheiten 40 würde dann zum Zustand in Punkt D' in Fig. 3 führen, wobei die Folge davon wäre, dass den Expansionsventilen 44 der Expansionseinheiten 40 gasförmiges Kältemittel zugeführt würde und gasförmiges Kältemittel expandiert werden müsste. Eine derartige Expansion eines gasförmigen Kältemittels unterliegt anderen Regelcharakteristika, so dass damit die bislang bekannten Regelcharakteristika für die Expansionsventile 44 nicht geeignet sind.
Aus diesem Grund erfolgt bei überkritischem Betrieb der Kälteanlage kein in Fig. 3 dargestellter überkritischer Kreisprozess von Punkt A zu B1 zu C und D' und dann wieder zu A, sondern das Bypassventil 26 wird von der Steuerung 90 geschlossen und es wird das Expansionsventil 24 aktiviert, so dass das von der weiteren Hochdruckleitung 22 in den Behälter 28 eintretende Kältemittel durch das Expansionsventil 24 auf einen Zwischendruck PZ entsprechend dem Zustand Z in Fig. 4 expandiert werden kann. Dabei lässt sich außerdem bei dem Zwischendruck PZ durch Verdampfen von Kältemittel die Temperatur so weit absenken und somit auch die Enthalpie reduzieren, dass in dem Behälter 28 flüssiges Kältemittel des Hauptstroms 56 vorliegt, dessen Zustand dem Zustand in Punkt C auf der Siedelinie 96 in Fig. 4 entspricht. Um vom Zustand in Punkt C zum Zustand in Punkt C der Fig. 4 kommen zu können, ist es dabei erforderlich, in dem Behälter 28 den Zwischendruck PZ vorzugeben und durch Absaugen des verdampften Kältemittels diesen Zwischendruck PZ zu stabilisieren, wobei das verdampfte Kältemittel den Zusatzmassenstrom 86 ergibt, der aus dem Dampfraum 84 des Behälters abgeführt werden muss, um den Zwischendruck PZ auf dem gewünschten Niveau halten zu können.
Der Zustand in Punkt C liegt bei einer gegenüber einem Maximum 98 der Siedelinie 96 um mehr als 20% niedrigeren Wert der Enthalpie [h] der durch das Verdampfen des den Zusatzmassenstrom bildenden Kältemittels erreicht wird, wobei der Zustand in Punkt C in Fig. 4 entweder im Wesentlichen auf der Siedelinie 96 oder gegebenenfalls bei zusätzlicher Kühlung, z.B. über einen vom expandierten Hauptmassenstrom durchsetzten Wärmetauscher, bei etwas niedrigerer Enthalpie als der Enthalpie des Zustandes in Punkt C liegt.
Hierzu muss die Steuerung 90 zumindest einen Teil der Absperrventile 80a bis 80c oder sämtliche Absperrventile 80a bis 80c öffnen, um dadurch zu bewirken, dass von den Zusatzverdichterstufen 70 zur Aufrechterhaltung des Zwischendrucks PZ im Behälter 28 Kältemittel aus dem Zusatzstrom 86 angesaugt und auf Hochdruck PH verdichtet wird.
Somit lässt sich das Kältemittel des Hauptmassenstroms 56 über die Leitung 34 den einzelnen Expansionseinheiten 42a bis 42c zuführen und durch isenthalpe Entspannung in den Expansionseinheiten 40 mittels der Expansionsventile 44 in den in Fig. 4 mit Punkt D bezeichneten Zustand überführen, in welchem unter Enthalpiezunahme bis zum Zustand in Punkt A in dem jeweiligen niederdruckseitigen Wärmetauscher 46 die Abgabe von Kälteleistung 48 möglich ist, wobei aus dem Vergleich mit Fig. 3 erkennbar ist, dass die zur Verfügung gestellte Kälteleistung größer ist als bei einem überkritischen Kreisprozess entsprechend den Zuständen in den Punkten A, B1, C, D1 in Rg. 3.
Der Vorteil des erfindungsgemäßen Konzepts ist darin zu sehen, dass sich die Möglichkeit eröffnet, den Hochdruck PH entsprechend dem Verlauf der Isothermen des verwendeten Kältemittels optimal zu wählen, ohne dass Rück- sieht auf die nachgeordneten Expansionen genommen werden muss.
Ferner lässt sich der Zwischendruck PZ durch geeignete Variation des Zusatzmassenstroms ebenfalls optimieren, und zwar so, dass die Abnahme der Enthalpie des Hauptmassenstroms prozentual höher ist, als der für den Zusatzmassenstrom erforderliche Anteil vom Fördervolumen am Gesamtfördervolumen der Verdichter, so dass die durch Verdichten des Zusatzmassenstroms bedingte Einbuße an Fördervolumen durch die Abnahme der Enthalpie des Hauptmassenstroms überkompensiert wird.
Der für die Aufrechterhaltung des Zwischendrucks PZ durch Verdichten des Zusatzmassenstroms 86 durchlaufene Kreisprozess ist in Fig. 4 punktiert dargestellt und verläuft ausgehend vom Zustand in Punkt Z durch Enthalpiezunahme des verdampften Kältemittels zum Zustand in Punkt A" und vom Zustand in Punkt A" zum Zustand in Punkt B", der wiederum auf dem Hoch- druck PH liegt, und vom Zustand in Punkt B" zum Zustand in Punkt C und vom Zustand in Punkt C zum Zustand in Punkt Z. Bei einem derartigen überkritischen, in Fig. 4 dargestellten Kreisprozess zwischen den Zuständen in den Punkten A, B', C, C und D ist dann, wenn der Zwischendruck PZ optimiert eingestellt werden soll, der anfallende Zusatzmassenstrom 86 im Verhältnis zum Hauptmassenstrom 56 nicht konstant, sondern variiert je nach dem, wieviel Expansionseinheiten 40 in dem Kältemittelkreislauf 10 aktiviert sind und je nach dem, wie hoch die Temperatur des dem hochdruckseitigen Wärmetauscher 18 zugeführten Kühlmediums 20 ist.
Um jeweils bei unterschiedlichsten Betriebsbedingungen einen optimierten Betriebsbedingungen entsprechenden Zwischendruck PZ und folglich einen diesen Zwischendruck PZ aufrecht erhaltenden Zusatzmassenstrom 86 über die Zusatzverdichterstufen 70 verdichten zu können, werden die Zusatzverdichterstufen 70 der Kältemittelverdichter 12 derart ausgelegt, dass bei maximal abzugebender Kälteleistung durch sämtliche Expansionseinheiten 40 und bei maximaler Temperatur des Kühlmediums 20 noch ein optimierter überkritischer Betrieb möglich ist und der dabei anfallende Zusatzmassenstrom 86 zur Aufrechterhaltung eines geeigneten Niveaus des Zwischendrucks PZ von der Gesamtheit der aktiven Zusatzverdichterstufen 70 auf Hochdruck PH verdichtet werden kann.
Liegen ausgehend von diesem Betriebszustand günstigere Betriebsbedingungen vor, so kann die Steuerung 90 entweder die Drehzahl der Antriebsmotoren 68 von einem oder mehreren der Kältemittelverdichter 12 reduzieren oder einen der Kältemittelverdichter 12 abschalten, wobei dadurch sowohl die Verdichterleistung der Hauptverdichterstufe dieses Kältemittelverdichters 12 entfällt als auch die Verdichterleistung der Zusatzverdichterstufe 70. Ändern sich jedoch die Betriebsbedingungen dahingehend, dass beispielsweise Kühlmedium 20 bei einer niedrigeren Temperatur zur Verfügung steht, so ändert sich der Zusatzmassenstrom 86, da weniger Kältemittel verdampft werden muss, um flüssiges Kältemittel im Zustand in Punkt C gemäß Fig. 4 bei geeignetem Zwischendruck PZ zu erhalten.
In diesem Fall hat die Steuerung 90 die Möglichkeit, durch Schließen von einem oder zweien der Absperrventile 80a bis 80c die Verdichterleistung der Zusatzverdichterstufen 70 an den geringeren erforderlichen Zusatzmassenstrom 86 anzupassen und somit in dem Behälter 28 einen optimierten Zwischendruck PZ aufrecht zu erhalten.
Die Zusatzverdichterstufen 70, bei denen die Absperrventile 80 geschlossen wurden, saugen dann Kältemittel des entsprechenden Niederdruckanschlusses 52 an und verdichten somit Kältemittel aus dem jeweiligen Hauptmassenstrom 56.
Das erfindungsgemäße Konzept erlaubt somit eine optimale Anpassung des Zwischendrucks PZ durch Anpassen der für das Verdichten des Zusatzmassenstroms 86 erforderlichen Verdichterleistung der Zusatzverdichterstufen 70a bis 70c unabhängig von der Verdichterleistung der Hauptverdichterstufen 66.
Grundsätzlich bestünde die Möglichkeit, die Kältemittelverdichter 12a bis 12c identisch auszubilden, so dass jede Hauptverdichterstufe 66 und jede Zusatzverdichterstufe 70 dieselbe Verdichterleistung erbringen kann. Noch vorteilhafter ist es jedoch, zur Anpassung an unterschiedliche Betriebsbedingungen, wenn die Kältemittelverdichter 12a bis 12c so ausgebildet sind, dass beispielsweise ein zweiter der Kältemittelverdichter 12a bis 12c die doppelte Verdichterleistung des ersten Kältemittelverdichters aufweist und ein dritter Kältemittelverdichter die doppelte Verdichterleistung des zweiten Kältemittelverdichters, wobei sich die Verdopplung der Verdichterleistung sowohl auf die Hauptverdichterstufen 66 als auch die Zusatzverdichterstufen 70 bezieht.
Damit besteht die Möglichkeit, durch unterschiedliche Kombination des ersten, zweiten und dritten Kältemittelverdichters unterschiedliche vielfache der Verdichterleistung des ersten Kältemittelverdichters zu erhalten, beispielsweise die doppelte Verdichterleistung des ersten Kältemittelverdichters allein durch Betrieb des zweiten Kältemittelverdichters, die dreifache Verdichterleistung des ersten Kältemittelverdichters durch Betrieb des ersten und zweiten Kältemittelverdichters, die vierfache Kälteleistung durch Betrieb des dritten Kältemittelverdichters und die fünffache Kälteleistung durch Betrieb des dritten Kältemittelverdichters in Kombination mit dem ersten Kältemittelverdichter sowie die siebenfache Verdichterleistung durch Kombination des ersten, zweiten und dritten Kältemittelverdichters.
Hinsichtlich der Verdichterleistung der Zusatzverdichterstufen 70 sind noch weitere Variationsmöglichkeiten denkbar, nämlich dahingehend, dass beispielsweise dann, wenn alle drei Kältemittelverdichter 12a bis 12c betrieben werden, die maximale Leistung der Zusatzverdichterstufen 70 für den Zusatzmassenstrom 86 zur Verfügung steht, die der siebenfachen Verdichterleistung des ersten Kältemittelverdichters entspricht. Es ist aber auch denkbar, beliebige ganzzahlige Vielfache der Verdichterleistung der Zusatzverdichterstufe 70 des ersten Kältemittelverdichters unter analoger Anwendung der vorstehend beschriebenen Vorgehensweise durch Öffnen von Absperrventilen 80 und Verbinden der einzelnen Zusatzverdichterstufen 70 der einzelnen Kältemittelverdichter 12 mit der Verteilleitung 82 zum Verdichten des Zusatzmassenstroms 86 heranzuziehen.
Bei einem zweiten Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Kälteanlage, dargestellt in Fig. 5, sind die Kältemittelverdichter 12' beispielsweise so ausgebildet, dass diese zwei Zusatzverdichterstufen 7O1 und 7O2 aufweisen, die jeweils eigene Zusatzanschlüsse 7Ox und 7O2 aufweisen.
Beispielsweise bilden der Zylinder 62c die Zusatzverdichterstufe 7O2 und der Zylinder 62d die Zusatzverdichterstufe 7O1, während die Zylinder 62a und 62b die Hauptverdichterstufe 66 bilden.
Ein derartiger Aufbau eines der Kältemittelverdichter 12 oder sämtlicher Kältemittelverdichter 12 schafft noch eine größere Variabilität hinsichtlich der für das Verdichten des Zusatzmassenstroms 86 zur Verfügung stehenden Verdichterleistung, da die einzelnen Zusatzverdichterstufen 7O1 und 7O2 einzeln oder gemeinsam wahlweise durch Öffnen der entsprechenden Absperrventile 80 mit der Verteilleitung 82 verbunden werden können oder dazu eingesetzt werden können, Kältemittel des Hauptmassenstroms 56 zu verdichten.
Im Übrigen entspricht das zweite Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Kälteanlage dem ersten Ausführungsbeispiel, so dass auf die Beschreibung des ersten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Kälteanlage vollinhaltlich Bezug genommen werden kann. Auch ein drittes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Kälteanlage, dargestellt in Fig. 6, basiert auf dem ersten Ausführungsbeispiel der erfindungs- gemäßen Kälteanlage, wobei dieselben Teile mit denselben Bezugszeichen versehen sind, so dass hinsichtlich der Beschreibung derselben vollinhaltlich auf die Ausführungen zum ersten Ausführungsbeispiel Bezug genommen wird.
Bei dem dritten Ausführungsbeispiel sind dem Bypassventil 26 und dem Expansionsventil 24 noch eine Zusatzexpansionseinheit 100 parallelgeschaltet.
Die Zusatzexpansionseinheit 100 umfasst ihrerseits ein Absperrventil 102, ein Expansionsventil 104 und einen hochdruckseitigen Wärmetauscher 106, aus welchem durch einen Pfeil 108 gekennzeichnet Kälteleistung abgeführt werden kann.
Mit dieser Zusatzexpansionseinheit besteht ebenfalls die Möglichkeit, Kältemittel aus der Hochdruckleitung 22 zu expandieren und damit nach außen zur Verfügung stehende Kälteleistung 108 zu erhalten, wobei das Kältemittel lediglich auf den im Behälter 28 vorliegenden Zwischendruck PZ expandiert wird.
Damit besteht die Möglichkeit, bei überkritischem Betrieb noch zusätzlich einen auf höherem Temperaturniveau arbeitenden Wärmetauscher 106 zu betreiben und dadurch den Wirkungsgrad der Kälteanlage zu erhöhen. Das dabei in der Zusatzexpansionseinheit 100 expandierte Kältemittel bewirkt damit allerdings keine Kühlwirkung für den Hauptmassenstrom 56 und muss über den Zusatzmassenstrom 86 abgeführt und durch die Zusatzverdichterstufen 70 erneut verdichtet werden.
Im Übrigen funktioniert das dritte Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Kälteanlage ähnlich dem ersten Ausführungsbeispiel, so dass auch hinsichtlich der Funktion vollinhaltlich auf das erste Ausführungsbeispiel Bezug genommen wird.
Hinsichtlich des Aufbaus der Kältemittelverdichter wurden bislang keine näheren Angaben gemacht. So sind beispielsweise übliche Hubkolbenverdichter als Kältemittelverdichter einsetzbar.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn bei einer ersten bevorzugten Ausführungsform eines derartigen Kältemittelverdichters ein wie in Fig. 7 und 8 dargestellter Zylinderkopf 110 Verwendung findet, welcher in diesem Fall für zwei Zylinder ausgelegt ist und eine Auslasskammer 112 aufweist, sowie von der Auslasskammer 112 durch einen Wandbereich 114 getrennt eine erste Einlass- kammer 116 und eine zweite Einlasskammer 118, die ihrerseits wiederum durch eine Zwischenwand 120 getrennt sind.
Die Einlasskammer 116 ist dabei einem Zylinder 62 der Hauptverdichterstufe 66 zugeordnet, während die Einlasskammer 118 den Zylinder 62 der Zusatz- verdichterstufe 70 zugeordnet ist. Aus diesem Grund ist auch die Einlasskammer 118 direkt mit einem Anschlussflansch 122 für den Zusatzanschluss 72 versehen, während der Einlasskammer 116 das Kältemittel über die üblichen, in dem Gehäuse vorgesehenen Einlasskanäle zugeführt wird.
Darüber hinaus ist auch die Auslasskammer 112 mit einem Anschlussflansch 124 für den Hochdruckanschluss 14 versehen.
Um nun bei einem erfindungsgemäßen Kältemittelkompressor das in den Ein- lasskammem 116 und 118 anzusaugende Kältemittel möglichst wenig durch das in die Auslasskammer 112 einströmende Kältemittel aufzuheizen, ist der Wandbereich 114, welcher die Auslasskammer 112 von den Einlasskammern 116 und 118 trennt, durch zwei über wesentliche Bereiche der Höhe des Zylinderkopfes 110 getrennt voneinander verlaufende Wände 126 und 128 gebildet, zwischen denen ein Freiraum 130 vorgesehen ist, der die Wände 126 und 128 relativ zueinander isoliert und somit auch die Auslasskammer 112 gegenüber den Einlasskammern 116 und 118 thermisch isoliert.
Die beiden Wände 126 und 128 vereinigen sich lediglich im Wesentlichen in einem Wandbereich 132, welcher an eine Grundfläche 134 des Zylinderkopfes 110 unmittelbar angrenzt.
Vorzugsweise lässt sich das Rückschlagventil 76 in der Zwischenwand 120 anordnen und erlaubt somit in einfacher Weise das Ansaugen von Kältemittel aus der Einlasskammer 116, wenn der Einlasskammer 118 der Zusatzverdichterstufe 70 über den Zusatzanschluss 72 kein Kältemittel zugeführt wird. Bei einer zweiten bevorzugten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Kältemittelverdichters, dargestellt in Fig. 9 und Fig. 10 ist die Zwischenwand 120' des Zylinderkopfs HO1 nicht mit dem Rückschlagventil 76 versehen, sondern es ist ein Rückschlagventil 176 auf einer Ventilplatte 140 vorgesehen, welche auf einem Zylindergehäuse 142 aufliegt und ihrerseits den Zylinderkopf 110' trägt.
Hierzu ist in der Ventilplatte 140 eine zusätzliche Öffnung 144 vorgesehen, welche deckungsgleich mit einem in dem Zylindergehäuse 142 vorgesehenen und vom Einlasskanal 148 abzweigenden Verbindungskanal 174 angeordnet ist, und in die Einlasskammer 118 für den Zylinder 62 der Zusatzverdichterstufe 70 mündet.
Die Öffnung 144 ist dabei durch eine Ventilzunge 178 des Rückschlagventils 176 verschließbar, welche auf einer der Einlasskammer 118 zugewandten Seite der Ventilplatte 140 angeordnet ist und zusätzlich noch durch einen Fänger 180 gesichert ist.
Die Einlasskammer 116 der Hauptverdichterstufe 66 wird über einen Einlass- kanal 148 mit dem Niederdruckanschluss 52 zugeführtem Kältemittel versorgt, wobei in der Ventilplatte 140 eine deckungsgleich mit dem Einlasskanal 148 angeordnete Öffnung 150 vorgesehen ist, über welche das Kältemittel aus dem Einlasskanal 148 in die Einlasskammer 116 übertritt.
Somit besteht, wie in Fig. 10 dargestellt, in einfacher Weise die Möglichkeit, an der Ventilplatte 140 nicht nur Einlassöffnungen 152 der Hauptverdichterstufe 66 und Einlassöffnungen 154 der Zusatzverdichterstufe 70 zugeordnete, allerdings in Fig. 10 nicht direkt sichtbare Einlassventile zuzuordnen und außerdem auf der Ventilplatte 140 die entsprechenden Auslassventile 156 und 158 anzuordnen, sondern in gleicher Weise, und vorzugsweise mit demselben Aufbau wie die Auslassventile 156 und 158, auch das Rückschlagventil 176 vorzusehen, so dass dieses in einfacher Weise montierbar ist und auch hinsichtlich seiner Ventilcharakteristik in gleicher Weise optimiert werden kann, wie die Auslassventile 156 und 158.

Claims

PATENTANSPRUCHE
1. Kälteanlage umfassend einen Kältemittelkreislauf (10), in welchem ein Hauptmassenstrom (56) eines Kältemittels geführt ist, einen in dem Kältemittelkreislauf (10) angeordneten hochdruckseitigen, kältemittelkühlenden Wärmetauscher (18), eine in dem Kältemittelkreislauf angeordnete Expansionskühleinrichtung (24, 28), die im aktiven Zustand den Hauptmassenstrom (56) des Kältemittels kühlt und dabei einen Zusatzmassenstrom (86) von gasförmigem Kältemittel erzeugt, ein im Kältemittelkreislauf (10) angeordnetes Reservoir (30) für verflüssigtes Kältemittel, mindestens eine im Kältemittelkreislauf angeordnete Expansionseinheit (40) für verflüssigtes Kältemittel des Hauptmassenstroms (56), welche ein Expansionsorgan (44) und einen nachgeordneten nieder- druckseitigen, Kälteleistung zur Verfügung stellenden Wärmetauscher (46) aufweist, und mindestens einen in dem Kältemittelkreislauf (10) angeordneten Kältemittelverdichter (12), der eine Hauptverdichterstufe (66) und mindestens eine gemeinsam mit der Hauptverdichterstufe (66) angetriebene Zusatzverdichterstufe (70) aufweist, die beide Kältemittel auf Hochdruck PH verdichten, wobei die Hauptverdichterstufe (66) und die mindestens eine Zusatzverdichterstufe (70) so einsetzbar sind, dass entweder die Hauptverdichterstufe (66) Kältemittel aus dem Hauptmassenstrom (56) und die Zusatzverdichterstufe (70) Kältemittel aus dem Zusatzmassenstrom (86) oder die Hauptverdichterstufe (66) und die Zusatzverdichterstufe (70) Kältemittel aus dem Hauptmassenstrom (56) verdichten, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass in dem Kältemittelkreislauf (10) mindestens zwei Kältemittelverdichter (12) angeordnet sind, die zum Verdichten des Hauptmassenstroms (56) einzeln zuschaltbar sind, dass mindestens zwei der Kältemittelverdichter (12) jeweils mindestens eine Zusatzverdichterstufe (70) aufweisen, dass jede der Zusatzverdichterstufen (70) wahlweise zum Verdichten von Kältemittel aus dem Hauptmassenstrom (56) oder zum Verdichten von Kältemittel aus dem Zusatzmassenstrom (86) einsetzbar ist und dass eine Steuerung (90) vorgesehen ist, mit welcher in einem ersten Betriebsmodus in Abhängigkeit von den Betriebsbedingungen eine derartige Anzahl von Zusatzverdichterstufen (70) zum Verdichten von Kältemittel aus dem Zusatzmassenstrom (86) zuschaltbar ist, dass die Expansϊonskühleinrichtung (24, 28) den Hauptmassenstrom (56) verflüssigt und dessen Enthalpie reduziert.
2. Kälteanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Expansionskühleinrichtung (24, 28) die Enthalpie des Hauptmassenstroms (56) um mindestens 10% reduziert.
3. Kälteanlage nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Expansionskühleinrichtung (24, 28) die Enthalpie des Hauptmassenstroms (56) um mindestens 20% reduziert.
4. Kälteanlage nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Betriebsmodus einem überkritischen Betrieb entspricht.
5. Kälteanlage nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Expansionskühleinrichtung (24, 28) den Hauptmassenstrom (56) in einen thermodynamischen Zustand überführt, dessen Druck- und Enthalpiewerte niedriger sind als diejenigen eines Maximums (98) der Sättigungskurve (96).
6. Kälteanlage nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die von der Expansionskühleinrichtung (24, 28) bewirkten Druck- und Enthalpiewerte des Hauptmassenstroms (56) nahe der Sättigungskurve (96) in dem Enthalpie-/Druckdiagramm liegen.
7. Kälteanlage nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die von der Expansionskühleinrichtung (24, 28) bewirkten Druck- und Enthalpiewerte des Hauptmassenstroms (56) im Wesentlichen auf der Sättigungskurve (96) des Enthalpie-/Druckdiagramms liegen.
8. Kälteanlage nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Expansionskühleinrichtung (24, 28) ein Expansionsventil (24) zur Expansion von Kältemittel auf einen Zwischendruck PZ aufweist und dass der Zwischendruck PZ der Expansionskühleinrichtung (24, 28) durch Zuschaltung der geeigneten Anzahl von Zusatzverdichterstufen (70) einstellbar ist.
9. Kälteanlage nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Expansionsventil (24) Kältemittel des Hauptmassenstroms (56) und Kältemittel des Zusatzmassenstroms (86) auf den Zwischendruck PZ expandiert.
10. Kälteanlage nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Expansionskϋhleinrichtung (24, 28) das Reservoir (30) für das flüssige Kältemittel des Hauptmassenstroms (56) mitumfasst.
11. Kälteanlage nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in dem zweiten Betriebsmodus die Expansionskühleinrichtung (24, 28) im inaktiven Zustand ist und keine Kühlung des Hauptmassenstroms (56) bewirkt.
12. Kälteanlage nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in dem zweiten Betriebsmodus alle Zusatzverdichterstufen (70) Kältemittel des Hauptmassenstroms (56) verdichten.
13. Kälteanlage nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in dem zweiten Betriebsmodus im Reservoir (30) flüssiges Kältemittel des Hauptmassenstroms (56) unter Hochdruck PH steht.
14. Kälteanlage nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Betriebsmodus einem unterkritischen Betrieb entspricht.
15. Kälteanlage nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung (90) die Kältemittelverdichter (12) entsprechend der geforderten Kälteleistung (48) steuert.
16. Kälteanlage nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mit der Steuerung (90) entsprechend der geforderten Kälteleistung (48) die Kältemittelverdichter (12) einzeln zu- oder abschaltbar sind.
17. Kälteanlage nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Kältemittelverdichter (12) mit Zusatzverdichterstufe (70) so dimensioniert ist, dass der von der Zusatzverdichterstufe (70) verdichtete Massenstrom von Kältemittel des Zusatzmassenstroms (86) maximal dem von der Hauptverdichterstufe (66) verdichteten Massenstrom von Kältemittel des Hauptmassenstroms (56) bei diesem Kältemittelverdichter (12) entspricht.
18. Kälteanlage nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kältemittelverdichter (12) mit Zusatzverdichterstufe (70) so dimensioniert sind, dass die Zusatzverdichterstufen (70) unterschiedlicher Kältemittelverdichter (12) unterschiedliche Massenströme von Kältemittel des Zusatzmassenstroms (86) verdichten.
19. Kälteanlage nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kältemittelverdichter (12) mit Zusatzverdichterstufe (70) Hubkolbenverdichter sind.
20. Kälteanlage nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass jeder der Kältemittelverdichter (12) mit Zusatzverdichterstufe (70) mindestens einen Zylinder (62) für die Zusatzverdichterstufe (70) und mindestens einen Zylinder (62) für die Hauptverdichterstufe (66) aufweist.
21. Kältemittelverdichter nach Anspruch 19 oder 20, dadurch gekennzeichnet, dass bei jedem Kältemittelverdichter (12) mit Zusatzverdichterstufe (70) die Zahl der Zylinder (62) für die Hauptverdichterstufe (66) größer ist als die Zahl der Zylinder (62) für die Zusatzverdichterstufe (70).
22. Kälteanlage nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 oder nach einem der Ansprüche 19 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass von den Kältemittelverdichtern (12) mit Zusatzverdichterstufe (70) die Zusatzverdichterstufen (70) unterschiedlicher Kältemittelverdichter (12) ein unterschiedliches Hubvolumen aufweisen.
23. Kälteanlage nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass bei jedem Kältemittelverdichter (12) mit Zusatzverdichterstufe (70) das Verhältnis des Hubvolumens der Zusatzverdichterstufe (70) zum Hubvolumen der Hauptverdichterstufe (66) gegenüber mindestens einem der anderen Kältemittelverdichter (12) mit Zusatzverdichterstufe (70) unterschiedlich ist.
24. Kälteanlage nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in dem ersten Betriebsmodus das Reservoir (30) für verflüssigtes Kältemittel auf einem Zwischendruck PZ arbeitet und zwischen dem hochdruckseitigen, das Kältemittel kühlenden Wärmetauscher (18) und dem Reservoir (30) für verflüssigtes Kältemittel eine Zusatzexpansionseinheit (100) mit einem Expansionsorgan (104) unter einem nachgeordneten Kälteleistung (108) abgebenden Wärmetauscher (106) vorgesehen ist.
25. Kälteanlage nach einem der Ansprüche 19 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass die Kältemittelverdichter (12) Zylinderköpfe (110) aufweisen, bei welchen Auslasskammern (112) und Einlasskammern (116, 118) im Wesentlichen thermisch entkoppelt ausgebildet sind.
26. Kältemittel nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Rückschlagventil (76, 176) zur Verbindung einer Einlasskammer (118) der Zusatzverdichterstufe (70) mit dem Niederdruck- anschluss (52) der Hauptverdichterstufe (66) vorgesehen ist.
27. Kälteanlage nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, dass das Rückschlagventil (176) in einer Ventilplatte (140) des jeweiligen Kältemittelverdichters (12) vorgesehen ist.
28. Kälteanlage nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Zylindergehäuse (142) der Verbindungskanal (174) zwischen dem Niederdruckanschluss (52) und dem Rückschlagventil (176) verläuft.
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