EP2244040B1 - Kältekreislauf und Verfahren zum Betreiben eines Kältekreislaufes - Google Patents

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EP2244040B1
EP2244040B1 EP10167202.0A EP10167202A EP2244040B1 EP 2244040 B1 EP2244040 B1 EP 2244040B1 EP 10167202 A EP10167202 A EP 10167202A EP 2244040 B1 EP2244040 B1 EP 2244040B1
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EP
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line
refrigerant
compressor unit
receiver
pressure
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Gernemann Andreas
Schierhorn Uwe
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Carrier Corp
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Definitions

  • the invention relates to a refrigeration cycle in which a one- or multi-component refrigerant circulates, comprising in the flow direction a condenser, a collecting container, an expansion device upstream of an evaporator, an evaporator and a single-stage compressing compressor unit.
  • the invention relates to a method for operating a refrigeration cycle.
  • liquefier should be understood to mean both liquefier and gas cooler.
  • Composite refrigerators generally supply a large number of refrigeration consumers, such as refrigerators, refrigerators and freezers. For this purpose circulates in them a one- or multi-component refrigerant or refrigerant mixture.
  • a method for operating a compression refrigeration system with the working fluid carbon dioxide with a two-stage throttling and division of the circulating working fluid flow is known.
  • the working medium mass flow is passed after the first throttle stage in a subcritical working medium pressure separator, which in the lower part of the medium pressure separator collecting, larger liquid Hästoffmassestromanteil the evaporator, the separating in the upper part of the medium pressure separating, smaller vapor Häffenmassestromanteil is about a second throttle level to close relaxes the evaporation pressure.
  • the smaller vapor mass of the working medium mass used by evaporation and overheating serves to subcool the supercritical high-pressure gas. After evaporation and overheating, the smaller working medium mass fraction is mixed in a collecting tube integrated in the evaporator with the outlet of the evaporator strands.
  • a subcritical working refrigeration cycle known in the embodiment of the Fig. 1 is a compressor, a condenser, a high pressure float valve, a tank and evaporator with upstream expansion valves is present, in which a line connects the upper part of the liquid tank with the input of the compressor, and wherein in this line successively an electronically operated valve and an additional manual Adjustment organ are present.
  • a counting of the prior art refrigeration cycle or a refrigeration system in which such a refrigeration cycle is realized, is based on the in the FIG. 1 illustrated embodiment explained in more detail.
  • condenser or gas cooler A - hereinafter referred to only as a condenser, which is usually outside the supermarket, for example, on the roof, by heat exchange, preferably against outside air condensed.
  • the liquid refrigerant from the condenser A is fed via line B to a (refrigerant) collector C.
  • a (refrigerant) collector C Within a refrigeration cycle always so much refrigerant must be present that even with maximum cooling demand, the evaporator of all refrigeration consumers can be filled. However, with lower cooling requirements individual evaporators are only partially filled or even completely empty, the excess refrigerant must be collected during these times in the designated collector C.
  • the refrigerant passes through the liquid line D to the cold consumers of the so-called normal cooling circuit.
  • the in the FIG. 1 represented consumers F and F 'for any number of consumers of the normal refrigeration cycle.
  • Each of the aforementioned refrigeration consumers is preceded by an expansion valve E or E ', in which the refrigerant flowing into the refrigeration appliance or the evaporator or the evaporator of the refrigeration consumer is expanded.
  • the so-relaxed refrigerant is evaporated in the evaporators of the refrigerant consumers F and F 'and thus cools the corresponding refrigeration cabinets and rooms.
  • the refrigerant evaporated in the refrigeration consumers F and F 'of the normal refrigeration cycle is then fed via the suction line G to the compressor unit H and compressed therein to the desired pressure between 10 and 25 bar.
  • the compressor unit H is designed to be single-stage and has several compressors connected in parallel.
  • the compressed in the compressor unit H refrigerant is then fed via the pressure line I in turn to the aforementioned condenser A.
  • a second liquid line D ' is the condenser C refrigerant supplied to the condenser K and evaporated in this heat exchange with the refrigerant of the still to be explained Tiefkühlniklaufes before it is fed via the line G' of the compressor unit H.
  • the liquefied in the condenser K refrigerant of the freezing circuit is supplied via line L to the collector M of the freezing circuit.
  • the refrigerant to the consumer P - this is for any number of consumers -, which is preceded by a relaxation device O, supplied and evaporated in this.
  • the suction line Q the vaporized refrigerant is fed to the single-stage or multi-stage compressor unit R, in this pressure compressed between 25 and 40 bar and then fed via the pressure line S to the aforementioned capacitor K.
  • R 404A As a refrigerant of the normal refrigeration cycle, for example, R 404A is used, while for the freezing cycle carbon dioxide is used.
  • compressor units H and R, the collector C and M and the capacitor K are usually arranged in a separate machine room.
  • about 80 to 90% of the entire pipeline network is located in the sales rooms, the storage areas or other areas of a supermarket accessible to employees and customers.
  • this line network operates at pressures of no more than 35 to 40 bar, this is acceptable to the supermarket operators both from a psychological point of view and for cost reasons.
  • Object of the present invention is to provide a generic refrigeration cycle and a method for operating a refrigeration cycle, which avoids the disadvantages mentioned.
  • an intermediate expansion device is arranged between the condenser and the collecting container.
  • a relaxation of the refrigerant to an (intermediate) pressure of 5 to 40 bar is carried out in the arranged between the condenser and the collecting intermediate relaxation device, a relaxation of the refrigerant to an (intermediate) pressure of 5 to 40 bar.
  • inventive refrigeration cycle the inventive method for operating a refrigeration cycle and other embodiments thereof are described below with reference to in the FIGS. 2 to 5 shown embodiments explained in more detail.
  • FIG. 2 a composite refrigeration system in which a possible embodiment of the refrigeration cycle according to the invention is realized.
  • a procedure is described in which as a refrigerant HFC (s), HFC (s) or CO 2 can be used.
  • the compressed in the compressor unit 6 to a pressure between 10 and 120 bar refrigerant is supplied via the pressure line 7 to the condenser or gas cooler 1 and condensed in this against outside air or deprived.
  • the refrigerant is supplied to the refrigerant collector 3, but now it is relaxed according to the invention in the intermediate expansion device a to an intermediate pressure of 5 to 40.
  • This intermediate relaxation offers the advantage that the downstream line network and the collector 3 only to a lower Pressure must be designed.
  • the pressure to which the refrigerant is expanded in the mentioned intermediate relaxation device a is hereby preferably selected so that it is still below the lowest expected condensing pressure.
  • the pressure line 7 with the collecting container 3, preferably with the gas space, connected or connectable can take place, for example, via a connecting line 17, in which an expansion valve h is arranged.
  • the pressure line 7 is connected or connectable to the line or line sections 2 or 2 ', 2 "connecting the condenser 1 and the collection container 3.
  • the gas space of the collecting container is connected to the input of the compressor unit 6 or connectable.
  • the selected intermediate pressure can now be kept constant for all operating conditions.
  • a scheme such that a constant difference value to the suction pressure exists. This ensures that the throttle steam fraction at the evaporators is comparatively small, with the result that the liquid and suction lines can be dimensioned correspondingly smaller.
  • This also applies to the condensate line, since now no gaseous components have to flow through them back into the condenser 1.
  • a portion of the withdrawn from the collector 3 via line 4 refrigerant is fed via line 8 one or more frozen consumers - represented by the heat exchanger E4 - which is also preceded by a relaxation valve d supplied.
  • this partial refrigerant flow is fed via the suction line 9 to the compressor unit 10 and compressed therein to the inlet pressure of the compressor unit 6.
  • the thus compressed refrigerant partial stream is then fed via line 11 to the input side of the compressor unit 6.
  • the invention further, it is proposed that - as in the FIG. 2 represented - the collecting container 3, a heat exchanger E1 can be connected upstream.
  • the heat exchanger E1 is preferably connected on the input side to the output of the condenser 1 or connectable.
  • a partial flow of the liquefied or desiccant refrigerant can now be withdrawn from the condenser or gas cooler 1 or line 2 via line 13, in which an expansion valve f is provided, and in the heat exchanger E1 against the heat exchanger E1 to be heated via line 2 'supplied refrigerant to be evaporated.
  • the vaporized refrigerant partial stream is then fed via line 14 to a compressor 6 ', which is associated with the above-described compressor unit 6 and which preferably sucks at a higher pressure level, and in this compressed to the desired final pressure of the compressor unit 6.
  • the refrigerant stream to be expanded in the intermediate expansion device a is preferably cooled to such an extent that the throttled vapor portion of the expanded refrigerant is minimized.
  • the resulting in the collector 3 throttle steam fractions can be sucked off via the line 12 and the dashed line 15 by means of the compressor 6 'at a higher pressure level.
  • FIG. 3 1 shows an embodiment of the refrigeration cycle according to the invention or of the method according to the invention for operating a refrigeration cycle, in which the refrigerant drawn off from the collecting container 3 via the line 4 is subjected to supercooling in the heat exchanger E5.
  • the supercooling - according to an advantageous embodiment of the invention - in heat exchange with the withdrawn from the reservoir 3 via line 12 flash gas.
  • Liquid lines such as those in the Figures 2 and 3 shown line 4, with a temperature level below the ambient temperature are exposed to heat radiation. This has the consequence that the refrigerant flowing inside the liquid line partially evaporates, thus resulting in the formation of undesirable vapor contents. To prevent this, refrigerant so far either by an expansion of a partial flow of the refrigerant and subsequent evaporation or by an internal heat transfer against a suction gas stream, which is thereby overheated, subcooled.
  • the temperature interval between the suction and liquid line or the circulating refrigerant therein may be too low to realize an internal heat transfer for the required supercooling of the refrigerant flowing in the liquid line.
  • the invention further developing is therefore - as already mentioned - proposed to cool the withdrawn from the sump 3 via line 4 refrigerant in the heat exchanger and subcooler E5 against the relaxed from the sump 3 via line 12 and in the valve e flash gas.
  • the expanded refrigerant which has been overheated in the heat exchanger E5 is fed via the line sections 12 'and 11 to the inlet of the compressor unit 6.
  • the procedure described thus has the additional advantage that the reliability of the compressor or compressor unit 6 is increased due to a safe overheating of the flash gas stream.
  • FIG. 4 shows a further embodiment of the refrigeration cycle according to the invention or the method according to the invention for operating a refrigeration cycle. For the sake of clarity is in the FIG. 4 only a part of the in the FIG. 2 and 3 illustrated refrigeration circuit according to the invention shown.
  • FIG. 4 shows a possible embodiment of the method according to the invention, in which at least temporarily a partial flow of the withdrawn from the reservoir 3 via line 12 flash gas via line 16 to a heat exchanger E6 and superheated in this against the compressed in the compressor unit 6 refrigerant.
  • the flash gas stream After passing through the heat exchanger / superheater E6, the flash gas stream is fed via line 16 'to the inlet of the compressor 6' of the compressor unit 6.

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Description

  • Die Erfindung betrifft einen Kältekreislauf, in dem ein ein- oder mehrkomponentiges Kältemittel zirkuliert, aufweisend in Strömungsrichtung einen Verflüssiger, einen Sammelbehälter, eine, einem Verdampfer vorgeschaltete Entspannungsvorrichtung, einen Verdampfer und eine einstufig verdichtende Verdichtereinheit.
  • Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben eines Kältekreislaufes.
  • Unter dem Begriff "Verflüssiger" seien sowohl Verflüssiger als auch Gaskühler zu verstehen.
  • Gattungsgemäße Kältekreisläufe sind hinlänglich bekannt. Sie werden beispielsweise in Kälteanlagen, so genannten Verbundkälteanlagen, wie sie in Supermärkten zur Anwendung kommen, realisiert. Verbundkälteanlagen versorgen dort im Allgemeinen eine Vielzahl von Kälteverbrauchern, wie etwa Kühlräume, Kühl- und Tiefkühlmöbel. Zu diesem Zweck zirkuliert in ihnen ein ein- oder mehrkomponentiges Kältemittel bzw. Kältemittelgemisch.
  • Aus der DE 195 22 884 A1 ist ein Verfahren zum Betrieb einer Kompressionskälteanlage mit dem Arbeitsmittel Kohlendioxid mit einer zweistufigen Drosselung und Teilung des umlaufenden Arbeitsmittelstromes bekannt. Dabei wird der Arbeitsmittelmassestrom nach der ersten Drosselstufe in einen unterkritisch arbeitenden Mitteldruckabscheidesammler geleitet, der sich im unteren Teil des Mitteldruckabscheidesammler separierende, größere flüssige Arbeitsmittelmassestromanteil dem Verdampfer zugeführt, der im oberen Teil des Mitteldruckabscheiders separierende, kleinere dampfförmige Arbeitsmittelmassestromanteil wird über eine zweite Drosselstufe bis nahe über den Verdampfungsdruck entspannt. In einem inneren Wärmeübertrager dient der kleinere dampfförmige Arbeitsmittelmassestromanteil durch Verdampfung und Überhitzung zur Unterkühlung des überkritischen Hochdruckgases. Nach der Verdampfung und Überhitzung wird der kleinere Arbeitsmittelmassestromanteil in einem im Verdampfer integrierten Sammelrohr mit den Ausgängen der Verdampferstränge gemischt.
  • Aus der FR 2 738 331 A ist ein unterkritisch arbeitender Kältekreislauf bekannt, der in dem Ausführungsbeispiel der Fig. 1 über einen Verdichter, einen Verflüssiger, ein Hochdruckschwimmerventil, einen Tank und Verdampfer mit vorgeschalteten Entspannungsventilen vorliegt, bei dem eine Leitung den oberen Teil des flüssigen Tanks mit dem Eingang des Verdichters verbindet, und wobei in dieser Leitung nacheinander ein elektronisch betriebenes Ventil und ein zusätzliches manuelles Einstellungsorgan vorhanden sind.
  • Aus Girotto S et. al.: "Commercial Refrigeration System with CO2 as Refrigerant Experimental Results", International Congress of Refrigeration. Proceedings - Congresinternational do Froid. Comptes Rendus, XX, XX, 17. August 2003 (2003-08-17), Seiten 1-08, XP000962253, ist es bekannt, dass, wenn Flash Gas mit einer Zwischenstufe verbunden ist, der Druck in der Flüssigkeitsleitung niemals 50 bar überschreitet.
  • Ein zum Stand der Technik zählender Kältekreislauf bzw. eine Kälteanlage, in der ein derartiger Kältekreislauf realisiert wird, sei anhand des in der Figur 1 dargestellten Ausführungsbeispieles näher erläutert.
  • Das in dem Kältekreislauf zirkulierende ein- oder mehrkomponentige Kältemittel wird in einem Verflüssiger bzw. Gaskühler A - nachfolgend nurmehr als Verflüssiger bezeichnet-, der im Regelfall außerhalb des Supermarktes, beispielsweise auf dessen Dach, angeordnet ist, durch Wärmetausch, vorzugsweise gegen Außenluft, kondensiert.
  • Das flüssige Kältemittel aus dem Verflüssiger A wird über Leitung B einem (Kältemittel)Sammler C zugeführt. Innerhalb eines Kältekreislaufes muss immer soviel Kältemittel vorhanden sein, dass auch bei maximalem Kältebedarf die Verdampfer aller Kälteverbraucher gefüllt werden können. Da jedoch bei niedrigerem Kältebedarf einzelne Verdampfer nur teilweise gefüllt oder sogar vollständig leer sind, muss das überschüssige Kältemittel während dieser Zeiten in dem dafür vorgesehenen Sammler C aufgefangen werden.
  • Aus dem Sammler C gelangt das Kältemittel über die Flüssigkeitsleitung D zu den Kälteverbrauchern des so genannten Normalkühlkreislaufes. Hierbei stehen die in der Figur 1 dargestellten Verbraucher F und F' für eine beliebige Anzahl von Verbrauchern des Normalkühlkreislaufes. Jedem der vorgenannten Kälteverbraucher ist ein Expansionsventil E bzw. E' vorgeschaltet, in welchem das in den Kälteverbraucher bzw. den oder die Verdampfer des Kälteverbrauchers strömende Kältemittel entspannt wird. Das so entspannte Kältemittel wird in den Verdampfern der Kältemittelverbraucher F und F' verdampft und kühlt so die entsprechenden Kühlmöbel und -räume.
  • Das in den Kälteverbrauchern F und F' des Normalkühlkreislaufes verdampfte Kältemittel wird anschließend über die Saugleitung G der Verdichtereinheit H zugeführt und in dieser auf den gewünschten Druck zwischen 10 und 25 bar verdichtet. Im Regelfall ist die Verdichtereinheit H lediglich einstufig ausgebildet und weist mehrere parallel geschaltete Verdichter auf.
  • Das in der Verdichtereinheit H verdichtete Kältemittel wird anschließend über die Druckleitung I wiederum dem bereits erwähnten Verflüssiger A zugeführt.
  • Über eine zweite Flüssigkeitsleitung D' wird aus dem Sammler C Kältemittel dem Kondensator K zugeführt und in diesem im Wärmetausch gegen das Kältemittel des noch zu erläuternden Tiefkühlkreislaufes verdampft, bevor es über die Leitung G' der Verdichtereinheit H zugeführt wird.
  • Das in dem Kondensator K verflüssigte Kältemittel des Tiefkühlkreislaufes wird über Leitung L dem Sammler M des Tiefkühlkreislaufes zugeführt. Aus diesem wird über die Leitung N das Kältemittel dem Verbraucher P - dieser steht für eine beliebige Anzahl von Verbrauchern -, dem eine Entspannungsvorrichtung O vorgeschaltet ist, zugeführt und in diesem verdampft. Über die Saugleitung Q wird das verdampfte Kältemittel der ein- oder mehrstufigen Verdichtereinheit R zugeführt, in dieser auf einen Druck zwischen 25 und 40 bar verdichtet und anschließend über die Druckleitung S dem bereits erwähnten Kondensator K zugeführt.
  • Als Kältemittel des Normalkühlkreislaufes wird beispielsweise R 404A verwendet, während für den Tiefkühlkreislauf Kohlendioxid zur Anwendung kommt.
  • Die in der Figur 1 dargestellten Verdichtereinheiten H und R, die Sammler C und M sowie der Kondensator K sind im Regelfall in einem separaten Maschinenraum angeordnet. Etwa 80 bis 90 % des gesamten Leitungsnetzes sind jedoch in den Verkaufsräumen, den Lagerräumen bzw. anderen für Mitarbeiter und Kunden zugänglichen Räumen eines Supermarktes angeordnet. Solange in diesem Leitungsnetz mit Drücken von nicht mehr als 35 bis 40 bar gearbeitet wird, ist dies für die Supermarktbetreiber sowohl aus psychologischer Sicht als auch aus Kostengründen akzeptabel.
  • Derzeit wird dazu übergegangen, auch den vorbeschriebenen Normalkühlkreislauf mit dem Kältemittel CO2 zu betreiben.
  • Der sinnvolle Einsatz des natürlichen Kältemittels CO2 in der Gewerbekälte scheitert bisher zum einen an der unzureichenden energetischen Effizienz des einfachen, einstufigen Kreisprozesses bei hohen (Außen)Lufttemperaturen. Zum anderen sind aufgrund der Stoffeigenschaften von CO2 hohe Arbeitsdrücke - bis zu 100 bar und darüber - erforderlich, die eine Fertigung von entsprechenden Kältekreisläufen bzw. Kälteanlagen aus ökonomischen Gründen enorm erschweren. Kommerziell wird das Kältemittel CO2 daher bisher nur bei Kaskadensystemen in der Tiefkühlung verwendet - wie dies beispielhaft anhand der Figur 1 erläutert ist -, da die dort realisierten Arbeitsdrücke die übliche, maximale Drucklage von 40 bar nicht überschreiten.
  • Aufgrund der vorerwähnten höheren Drücke bzw. Drucklage muss das Rohrleitungsnetz des Kältekreislaufes auf diese Drücke bzw. Drucklage ausgelegt werden. Die hierfür erforderlichen Materialien sind jedoch weitaus teurer als diejenigen, die bei den bisher realisierten Drucklagen zur Anwendung kommen können. Darüber hinaus sind derartige, vergleichsweise hohe Drucklagen jedoch auch den Anlagenbetreibern nur sehr schwer zu vermitteln.
  • Ein weiteres Problem besteht insbesondere bei der Verwendung von CO2 als Kältemittel darin, dass bei entsprechend hohen Außentemperaturen ein überkritischer Betrieb des Kältekreislaufes erforderlich wird. Hohe Außenlufttemperaturen haben zur Folge, dass am Verdampfereintritt vergleichsweise hohe Drosseldampfanteile auftreten. Dadurch wird die effektive volumetrische Kälteleistung des zirkulierenden Kältemittels verringert, jedoch müssen sowohl Saug- als auch Flüssigkeitsleitungen sowie die Verdampfer entsprechend größer dimensioniert werden, um die Druckverluste so niedrig wie möglich zu halten.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen gattungsgemäßen Kältekreislauf sowie ein Verfahren zum Betreiben eines Kältekreislaufes anzugeben, der bzw. das die genannten Nachteile vermeidet.
  • Diese Aufgabe wird gelöst durch einen Kältekreislauf nach Anspruch 1 und ein Verfahren nach Anspruch 10.
  • Bei einem erfindungsgemäßen Kältekreislauf ist zwischen dem Verflüssiger und dem Sammelbehälter eine Zwischen-Entspannungsvorrichtung angeordnet.
  • Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren erfolgt in der der zwischen dem Verflüssiger und dem Sammelbehälter angeordneten Zwischen-Entspannungsvorrichtung eine Entspannung des Kältemittels auf einen (Zwischen)Druck von 5 bis 40 bar.
  • Der erfindungsgemäße Kältekreislauf, das erfindungsgemäße Verfahren zum Betreiben eines Kältekreislaufes sowie weitere Ausgestaltungen desselben seien nachfolgend anhand der in den Figuren 2 bis 5 gezeigten Ausführungsbeispiele näher erläutert.
  • Hierbei zeigt die Figur 2 eine Verbundkälteanlage, in der eine mögliche Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Kältekreislaufes realisiert ist. Im Folgenden sei eine Verfahrensweise beschrieben, bei der als Kältemittel HFKW(s), FKW(s) oder CO2 zur Anwendung kommen kann.
  • Das in der Verdichtereinheit 6 auf einem Druck zwischen 10 und 120 bar verdichtete Kältemittel wird über die Druckleitung 7 dem Verflüssiger bzw. Gaskühler 1 zugeführt und in diesem gegen Außenluft kondensiert bzw. enthitzt. Über die Leitungen 2, 2' und
    2" wird das Kältemittel dem Kältemittelsammler 3 zugeführt, wobei es nunmehr jedoch erfindungsgemäß in der Zwischen-Entspannungsvorrichtung a auf einen Zwischendruck von 5 bis 40 bar entspannt wird. Diese Zwischenentspannung bietet den Vorteil, dass das nachgeschaltete Leitungsnetz sowie der Sammler 3 nurmehr auf eine niedrigere Drucklage ausgelegt sein müssen.
  • Der Druck, auf den das Kältemittel in der erwähnten Zwischen-Entspannungsvorrichtung a entspannt wird, wird hierbei vorzugsweise so gewählt, dass er noch unterhalb des niedrigsten zu erwartenden Verflüssigungsdruckes liegt.
  • Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Kältekreislaufes ist die Druckleitung 7 mit dem Sammelbehälter 3, vorzugsweise mit dessen Gasraum, verbunden bzw. verbindbar. Diese Verbindung zwischen Druckleitung 7 und dem Sammelbehälter 3 kann beispielsweise über eine Verbindungsleitung 17, in der ein Entspannungsventil h angeordnet ist, erfolgen.
  • Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Kältekreislaufes ist die Druckleitung 7 mit der den Verflüssiger 1 und den Sammelbehälter 3 verbindenden Leitung bzw. Leitungsabschnitte 2 bzw. 2', 2" verbunden bzw. verbindbar. Diese Verbindung zwischen der Druckleitung 7 und der Leitung 2 bzw. 2', 2" kann beispielsweise über die gestrichelt dargestellte Verbindungsleitung 18, in der ein Ventil j angeordnet ist, erfolgen.
  • Der Gasraum des Sammelbehälters ist mit dem Eingang der Verdichtereinheit 6 verbunden bzw. verbindbar.
  • Diese Verbindung zwischen Sammelbehälter 3 und Eingang der Verdichtereinheit 6 erfolgt über eine Verbindungsleitung 12, die wie in der Figur 2 dargestellt, in die Saugieitung 11 mündet.
  • Über das in der Leitung 12 vorgesehene Entspannungsventil e und das in der Leitung 17 vorgesehene Entspannungsventil h oder das in der Leitung 18 vorgesehene Ventil j kann der gewählte Zwischendruck nunmehr für alle Betriebsbedingungen konstant gehalten werden. Möglich ist jedoch auch eine Regelung dergestalt, dass ein
    konstanter Differenzwert zum Saugdruck besteht. Dadurch wird erreicht, dass der Drosseldampfanteil an den Verdampfern vergleichsweise klein ist, was zur Folge hat, dass die Flüssigkeits- und Saugleitungen entsprechend kleiner dimensioniert werden können. Dies gilt auch für die Kondensatleitung, da nunmehr keine gasförmigen Bestandteile über sie zurück in den Verflüssiger 1 strömen müssen. Mittels der Erfindung wird somit auch erreicht, dass sich die erforderliche Kältemittelfüllmenge um bis zu ca. 30 % reduzieren lässt.
  • Über die Saugleitung 4 wird Kältemittel aus dem Sammler 3 abgezogen und den Kältemittelverbrauchem bzw. deren Wärmetauscher E2 und E3 zugeführt. Diesen vorgeschaltet ist jeweils ein Entspannungsventil b bzw. c, in denen das in die Kälteverbraucher strömende Kältemittel entspannt wird. Das in den Kälteverbrauchern E2 und E3 verdampfte Kältemittel wird anschließend über die Saugleitung 5 wiederum der Verdichtereinheit 6 zugeführt bzw. durch diese aus den Verdampfern E2 und E3 gesaugt.
  • Ein Teil des aus dem Sammler 3 über Leitung 4 abgezogenen Kältemittels wird über Leitung 8 einem oder mehreren Tiefkühlverbrauchern - dargestellt durch den Wärmetauscher E4 - dem ebenfalls ein Entspannungsventil d vorgeschaltet ist, zugeführt. Dieser Kältemittelteilstrom wird nach der Verdampfung im Wärmetauscher bzw. Kälteverbraucher E4 über die Saugleitung 9 der Verdichtereinheit 10 zugeführt und in dieser auf den Eingangsdruck der Verdichtereinheit 6 verdichtet. Der so verdichtete Kältemittelteilstrom wird anschließend über Leitung 11 der Eingangsseite der Verdichtereinheit 6 zugeführt.
  • Die Erfindung weiterbildend wird vorgeschlagen, dass - wie in der Figur 2 dargestellt - dem Sammelbehälter 3 ein Wärmeübertrager E1 vorgeschaltet sein kann.
  • Hierbei ist der Wärmeübertrager E1 vorzugsweise eingangsseitig mit dem Ausgang des Verflüssigers 1 verbunden oder verbindbar.
  • Wie in der Figur 2 dargestellt, kann nunmehr über Leitung 13, in der ein Entspannungsventil f vorgesehen ist, ein Teilstrom des verflüssigten bzw. enthitzen Kältemittels aus dem Verflüssiger bzw. Gaskühler 1 bzw. der Leitung 2 abgezogen und in dem Wärmeübertrager E1 gegen das zu enthitzende, dem Wärmeübertrager E1 über Leitung 2' zugeführte Kältemittel verdampft werden. Der verdampfte Kältemittelteilstrom wird anschließend über Leitung 14 einem Verdichter 6', der der vorbeschriebenen Verdichtereinheit 6 zugeordnet ist und der vorzugsweise auf einem höheren Druckniveau ansaugt, zugeführt und in diesem auf den gewünschten Enddruck der Verdichtereinheit 6 verdichtet werden.
  • Mittels des Wärmeübertragers E1 wird der in der Zwischen-Entspannungsvorrichtung a zu entspannende Kältemittelstrom vorzugsweise soweit abgekühlt, dass der Drosseldampfanteil des entspannten Kältemittels minimiert wird.
  • Alternativ oder zusätzlich können die im Sammler 3 anfallenden Drosseldampfanteile auch über die Leitung 12 sowie die gestrichelt gezeichnete Leitung 15 mittels des Verdichters 6' auf einem höheren Druckniveau abgesaugt werden.
  • In der Figur 3 dargestellt ist eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kältekreislaufes bzw. des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Betreiben eines Kältekreislaufes, bei dem das aus dem Sammelbehälter 3 über die Leitung 4 abgezogene Kältemittel im Wärmetauscher E5 einer Unterkühlung unterworfen wird.
  • Hierbei erfolgt die Unterkühlung - entsprechend einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung - im Wärmetausch mit dem aus dem Sammelbehälter 3 über Leitung 12 abgezogenen Flashgas.
  • Flüssigkeitsleitungen, wie beispielsweise die in den Figuren 2 und 3 dargestellte Leitung 4, mit einem Temperaturniveau unterhalb der Umgebungstemperatur sind einer Wärmeeinstrahlung ausgesetzt. Diese hat zur Folge, dass das innerhalb der Flüssigkeitsleitung strömende Kältemittel teilweise verdampft, es somit zur Bildung von unerwünschten Dampfanteilen kommt. Um dies zu verhindern, werden Kältemittel bisher entweder durch eine Expansion eines Teilstromes des Kältemittels und anschließender Verdampfung oder durch einen inneren Wärmeübergang gegen einen Sauggasstrom, welches dabei überhitzt wird, unterkühlt.
  • Bei dem erfindungsgemäßen Kältekreislauf bzw. der erfindungsgemäßen Verfahrensweise kann der Temperaturabstand zwischen Saug- und Flüssigkeitsleitung bzw. des darin zirkulierenden Kältemittels unter Umständen zu gering sein, um eine innere Wärmeübertragung für die erforderliche Unterkühlung des in der Flüssigkeitsleitung strömenden Kältemittels zu realisieren.
  • Die Erfindung weiterbildend wird daher - wie bereits erwähnt - vorgeschlagen, das aus dem Sammelbehälter 3 über Leitung 4 abgezogene Kältemittel im Wärmetauscher bzw. Unterkühler E5 gegen das aus dem Sammelbehälter 3 über Leitung 12 und im Ventil e entspannte Flashgas zu unterkühlen. Nach Durchgang durch den Wärmetauscher bzw. Unterkühler E5 wird das entspannte und im Wärmetauscher E5 überhitzte Kältemittel über die Leitungsabschnitte 12' und 11 dem Eingang der Verdichtereinheit 6 zugeführt. Durch die Überhitzung des aus dem Sammelbehälter 3 über Leitung 12 abgezogenen Flashgasstromes wird in der Flüssigkeitsleitung 4 eine ausreichende Unterkühlung des in ihr strömenden Kältemittels erreicht; diese Unterkühlung des Kältemittels verbessert den Regelbetrieb der Entspannungs- bzw. Einspritzventile b, c und d, die den Verdampfern E2, E3 und E4 vorgeschaltet sind.
  • Flüssigkeitströpfchen, die aus dem Sammelbehälter 3 über Leitung 12 aufgrund einer zu kleinen Dimensionierung und/oder Überfüllung-des Sammelbehälters 3 nicht abgeschieden und mit dem Flashgas mitgeführt werden, werden spätestens im Wärmetauscher/Unterkühler E5 verdampft. Die beschriebene Verfahrensweise hat somit darüber hinaus den Vorteil, dass die Betriebssicherheit der Verdichter bzw. Verdichtereinheit 6 aufgrund einer sicheren Überhitzung des Flashgasstromes erhöht wird.
  • Die Figur 4 zeigt eine weitere Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Kältekreislaufes bzw. des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Betreiben eines Kältekreislaufes. Der Übersichtlichkeit halber ist in der Figur 4 lediglich ein Ausschnitt des in der Figur 2 und 3 dargestellten erfindungsgemäßen Kältekreislaufes dargestellt.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren zum Betreiben eines Kältekreislaufes weiterbildend wird vorgeschlagen, dass zumindest ein Teilstrom des aus dem Sammelbehälter abgezogenen Fiashgases zumindest zeitweilig gegen wenigstens einen Teilstrom des verdichteten Kältemittels überhitzt wird.
  • Die Figur 4 zeigt eine mögliche Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens, bei der zumindest zeitweilig ein Teilstrom des aus dem Sammelbehälter 3 über Leitung 12 abgezogenen Flashgases über die Leitung 16 einem Wärmetauscher E6 zugeführt und in diesem gegen das in der Verdichtereinheit 6 verdichtete Kältemittel überhitzt wird.
  • Bei der in der Figur 4 dargestellten Verfahrensweise wird der zu überhitzende Flashgasstrom im Wärmetauscher E6 gegen den gesamten, in der Verdichtereinheit 6 verdichteten Kältemittelstrom, der über Leitung 7 dem in der Figur 4 nicht dargestellten Verflüssiger bzw. Enthitzer zugeführt wird, überhitzt.
  • Nach Durchgang durch den Wärmetauscher/Überhitzer E6 wird der FlashgasStrom über Leitung 16' dem Eingang des Verdichters 6' der Verdichtereinheit 6 zugeführt.
  • Die in der Figur 4 dargestellte Verfahrensweise ermöglicht es sicherzustellen, dass in dem Flashgas enthaltene Flüssiganteile zweifelsfrei verdampft werden, woraus eine erhöhte Sicherheit für die Verdichter bzw. die Verdichtereinheit 6 resultiert.

Claims (14)

  1. Kältekreislauf, in dem ein ein- oder mehrkomponentiges Kältemittel, insbesondere CO2, zirkuliert,
    wobei der Kältekreislauf einen überkritischen Betrieb ermöglicht,
    aufweisend in Strömungsrichtung einen Verflüssiger/Gaskühler (1), eine Zwischen-Entspannungsvorrichtung (a) zum Entspannen des Kältemittels auf einen Zwischendruck von 5 bis 40 bar, einen Sammelbehälter (3), Verdampfer (E2, E3) mit jeweils vorgeschalteter Entspannungsvorrichtung (b, c) und eine mit den Verdampfern (E2, E3) durch eine Saugleitung (5) verbundene Verdichtereinheit (6),
    wobei der Gasraum des Sammelbehälters (3) mit dem Eingang der Verdichtereinheit (6) verbunden oder verbindbar ist,
    wobei in der Verbindungsleitung (11, 12) zwischen dem Gasraum des Sammelbehälters (3) und dem Eingang der Verdichtereinheit (6) ein Entspannungsventil (e) vorgesehen ist;
    wobei die Verbindungsleitung (11, 12) in die Saugleitung (5) vor der Verdichtereinheit (6) mündet;
    wobei das von dem Sammelbehälter (3) abgezogene Kältemittel über eine Leitung (8) einem oder mehreren Tiefkühlverbrauchern (E4), denen ein Entspannungsventil (d) vorgeschaltet ist, zugeführt wird;
    wobei eine Verdichtereinheit (10) vorgesehen ist, die über eine Saugleitung (9) mit in dem Tiefkühlverbraucher (E4) verdampften Kältemittel versorgt wird; und
    wobei das in der Verdichtereinheit (10) verdichtete Kältemittel über eine Saugleitung (11) der Verdichtereinheit (6) zugeführt wird.
  2. Kältekreislauf nach Anspruch 1, wobei dem Sammelbehälter (3) ein Wärmeübertrager (E1) vorgeschaltet ist, und/oder wobei der Wärmeübertrager (E1) eingangsseitig mit dem Ausgang des Verflüssigers/Gaskühlers (1) verbunden oder verbindbar ist (2, 13).
  3. Kältekreislauf nach Anspruch 2, wobei sich die Leitung (2) von dem Verflüssiger/Gaskühler (1) in einen ersten Leitungsabschnitt (2') und in einen zweiten Leitungsabschnitt (13) aufteilt, wobei in dem zweiten Leitungsabschnitt (13) ein Entspannungsventil (f) angeordnet ist, und wobei das Kältemittel in dem zweiten Leitungsabschnitt (13) in dem Wärmeübertrager (E1) gegen das Kältemittel in dem ersten Leitungsabschnitt (2') verdampft wird, und/oder wobei der zweite Leitungsabschnitt (13, 14) nach dem Wärmeübertrager (E1) mit dem Eingang des Verdichters (6') der Verdichtereinheit (6) verbunden oder verbindbar ist.
  4. Kältekreislauf nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Druckleitung (7) zum Zuführen von verdichtetem Kältemittel von der Verdichtereinheit (6) zu dem Verflüssiger/Gaskühler (1) vorgesehen ist, und wobei die Druckleitung (7) mit der den Verflüssiger/Gaskühler (1) und den Sammelbehälter (3) verbindenden Leitung (2, 2', 2") verbunden oder verbindbar ist.
  5. Kältekreislauf nach Anspruch 4, wobei eine Druckleitung (7) zum Zuführen von verdichtetem Kältemittel von der Verdichtereinheit (6) zu dem Verflüssiger/Gaskühler (1) vorgesehen ist, und wobei eine Leitung (18) mit einem darin vorgesehenen Ventil (j) den Leitungsabschnitt (2', 2") zwischen dem Wärmeübertrager (E1) und der Zwischen-Entspannungsvorrichtung (a) mit der Druckleitung (7) nach der Verdichtereinheit (6) verbindet, und/oder wobei eine Leitung (17) mit einem darin vorgesehenen Ventil (h) den Leitungsabschnitt zwischen der Zwischen-Entspannungsvorrichtung (a) und dem Sammelbehälter (3) mit der Druckleitung (7) nach der Verdichtereinheit (6) verbindet.
  6. Kältekreislauf nach Anspruch 5, wobei der gewählte Zwischendruck über das Entspannungsventil (e) in der Leitung (12) und über das Entspannungsventil (h) in der Leitung (17) und/oder über das Entspannungsventil (j) in der Leitung (18) so regelbar ist, dass er einen konstanten Wert oder eine konstante Differenz zum Saugdruck hat.
  7. Kältekreislauf nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Gasraum des Sammelbehälters (3) mit dem Eingang eines Verdichters (6') der Verdichtereinheit (6) verbunden oder verbindbar ist.
  8. Kältekreislauf nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Druckleitung (7) zum Zuführen von verdichtetem Kältemittel von der Verdichtereinheit (6) zu dem Verflüssiger/Gaskühler (1) vorgesehen ist, und wobei ein Wärmetauscher (E6) vorgesehen ist, in dem aus dem Sammelbehälter (3) abgezogenes Flashgas gegen verdichtetes Kältemittel in der Druckleitung (7) überhitzt wird.
  9. Kältekreislauf nach Anspruch 8, wobei das Flashgas nach Durchgang durch den Wärmetauscher/Überhitzer (E6) über eine Leitung (16') dem Eingang des Verdichters (6') der Verdichtereinheit (6) zugeführt wird.
  10. Verfahren zum überkritischen Betrieb eines Kältekreislaufes nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    in dem ein ein- oder mehrkomponentiges Kältemittel, insbesondere CO2, zirkuliert,
    wobei in der zwischen dem Verflüssiger/Gaskühler (1) und dem Sammelbehälter (3) angeordneten Zwischen-Entspannungsvorrichtung (a) eine Entspannung des Kältemittels auf einen Zwischendruck von 5 bis 40 bar erfolgt,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    durch ein Entspannungsventil (e) in der Verbindungsleitung (11, 12), die den Gasraum des Sammelbehälters (3) mit dem Eingang der Verdichtereinheit (6) verbindet und in die Saugleitung (5) vor der Verdichtereinheit (6) mündet, der Zwischendruck konstant gehalten wird.
  11. Verfahren nach Anspruch 10, wobei das Kältemittel (2) vor seiner Zwischen-Entspannung (a) abgekühlt wird, wobei die Abkühlung (E1) des Kältemittels (2) insbesondere gegen einen Teilstrom des Kältemittels (13) erfolgt.
  12. Verfahren nach Anspruch 11, wobei das aus dem Sammelbehälter (3) abgezogene Kältemittel (4) unterkühlt wird.
  13. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12, wobei zumindest ein Teilstrom des aus dem Sammelbehälter (3) abgezogenen Flashgases (12) zumindest zeitweilig gegen das verdichtete Kältemittel (7) überhitzt wird.
  14. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 13, wobei der Zwischendruck mittels wenigstens eines Ventils (e, h, j) auf einen konstanten Wert und/oder auf eine konstante Differenz zu dem Saugdruck geregelt wird, wobei diese Regelung insbesondere über das Entspannungsventil (e) in der Leitung (12) und über das Entspannungsventil (h) in der Leitung (17) und/oder über das Entspannungsventil (j) in der Leitung (18) erfolgt.
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