EP2590878A2 - Kälteanlage zur kühlung eines containers - Google Patents

Kälteanlage zur kühlung eines containers

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EP2590878A2
EP2590878A2 EP11722022.8A EP11722022A EP2590878A2 EP 2590878 A2 EP2590878 A2 EP 2590878A2 EP 11722022 A EP11722022 A EP 11722022A EP 2590878 A2 EP2590878 A2 EP 2590878A2
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EP
European Patent Office
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compressor
cooling
refrigeration system
pressure
temperature
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EP11722022.8A
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English (en)
French (fr)
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EP2590878B1 (de
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Wolfgang Sandkoetter
Dieter Mosemann
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GEA Refrigeration Germany GmbH
Original Assignee
GEA Refrigeration Germany GmbH
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Publication date
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    • F25D—REFRIGERATORS; COLD ROOMS; ICE-BOXES; COOLING OR FREEZING APPARATUS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F25D11/00—Self-contained movable devices, e.g. domestic refrigerators
    • F25D11/003—Transport containers

Definitions

  • the invention relates to a refrigeration system for cooling the interior of a mobile refrigerator, for example, a container that can be used universally on ships, for example, or a truck, a van, a refrigerated truck, which is part of a cold chain for transporting refrigerated and frozen.
  • the invention thus relates to a refrigeration system for refrigerated transport.
  • container interior, containers or refrigerated containers are used in the following text. Accordingly, the term container cooling is used as an example of these mobile refrigerated areas to be cooled.
  • Refrigerated containers must also be constructed in such a way that they can be transported by specific transport systems by road, sea or rail (truck-trailer reefers, marine reefers or trail reefers).
  • Such refrigerated containers must be able to carry out cooling or freezing processes of the cargo and thereafter maintain at a predetermined level, the refrigerated storage temperature.
  • the cooling capacity differs very clearly during the cooling or freezing process and during the refrigerated transport storage for the same container size.
  • the refrigeration system for container cooling must be able to operate efficiently and be so variable that the refrigerating capacity and the service temperature can be used can be varied and operated at the different condensation temperatures without restriction economically and environmentally friendly.
  • the refrigerated container with its refrigeration system must be operable in a container stack, its operating regime must be individually adaptable to the transported goods to be cooled.
  • one-stage or two-stage refrigeration systems are used according to the prior art, which have compressor, condenser, expansion devices and evaporators.
  • the container is cooled directly by circulating refrigerant which, at the evaporator, absorbs heat from the space to be cooled.
  • the refrigerant is compressed in one or more stages in one or more compressors to a higher pressure and thus to a condensation temperature above the heat sink (Containerum outline) and then cooled by heat to the environment in a gas cooler or in a condenser and then back in one or more stages to the pressure in the evaporator, resulting in liquid refrigerant and flash vapor at the lower evaporating temperature of the refrigerant.
  • This arrangement is carried out in each case only one stage or only multi-stage, so that this refrigeration system either in the single-stage or in the two-stage design is not suitable for the desired application width of a refrigerated container.
  • the patent US 4730464 describes a cooling system for cooling a space with air with a compressor and a turbocharger.
  • the variability of the refrigeration system is very limited in terms of refrigerating capacity and evaporating temperature.
  • Patent DE 3620847 discloses an absorption refrigeration system supplemented by a heat pipe solar collector.
  • a disadvantage for the ship's use is the lack of possibility of stacking such a refrigerated container.
  • DE 9110982U1 discloses a container cooling and the duct system required for this purpose by means of cooled water which is provided by a chilled water production plant, without heat exchangers on the refrigerated container coming into contact with fluorinated hydrocarbons.
  • the container is disadvantageous not self-sufficient.
  • the wall of the container is provided with tubular heat transfer surfaces.
  • a heat transfer fluid with phase change is performed.
  • the cooling process is very sluggish, so that no need-based cooling can be achieved.
  • the aim and object of the present invention is to provide a refrigeration system for universal cooling of the interior of a container, the useful temperature of which can be adapted to the requirements of the refrigerated goods within wide limits, so that. Cooling or. Freezing processes and storage of the goods at individually predetermined temperature level are possible.
  • Another object of the invention is a refrigeration system for cooling the interior of a container whose Nutztemperaturrum and their cooling capacity can be adjusted during the cooling or freezing process and during theissertfansportlagerung.
  • Another object of the invention is that the refrigeration system can be operated during container transport in a variety of climatic conditions in a container stack without restrictions.
  • the refrigeration system for container cooling is so variable that useful temperature and cooling capacity can be adjusted as needed and can be operated economically and environmentally friendly at the different condensation temperatures without restriction.
  • the refrigeration system according to the invention has at least two variable speed compressors, a gas cooler, at least one throttle point, at least one internal heat exchanger or an intermediate pressure liquid separator, an evaporator and controllable valve means with opening and closing functions which control the relative arrangement of the compressors and thus the circulation change the refrigerant in the refrigeration system by opening and closing.
  • a first controllable valve device is arranged on a first compressor as a controllable bypass between the suction and .Druckseite
  • a second controllable valve means is arranged on a second compressor as a controllable bypass between suction and pressure side and is a third controllable valve means between Pressure side of the first and suction side of the second compressor arranged.
  • the communicating connection of the first controllable valve device on the pressure side of the first compressor leads to the third controllable valve device (downstream) ' and the communicating connection of the second controllable valve device branches off on the suction side of the second compressor before the third controllable valve device (FIG. upstream).
  • the compressor By changing the opening and closing position of the controllable valve devices, the compressor can be operated in parallel, that is at the same suction pressure and at the same back pressure, or in succession, thereby a compressor as the first compression stage (LP or low pressure compressor) and the second compressor as the second Compression level at higher pressure level (high pressure or high pressure compressor) works.
  • Valve devices and by changing the speed of the compressor useful temperature, cooling capacity and pressure ratio of the compressor can be adjusted within wide limits to the needs.
  • the refrigeration is realized in one stage, since the useful temperature is still above freezing.
  • one of the two compressors is used solely to maintain the useful temperature or both compressors are operated in parallel for lowering the temperature from the introduction temperature to a useful temperature.
  • the first and the second controllable valve device are open and the third controllable valve device is closed. If both compressors work in parallel, they work at the same pressure levels on its suction and pressure side, this operation is referred to here as the operating mode NK.
  • the refrigeration is realized in two stages.
  • the first and the second controllable valve device are closed and the third controllable valve device is opened. This operation is referred to here as operating mode TK.
  • TK mode intake pressure of the first compressor, which constitutes the first compression stage and is referred to as a low pressure compressor or LP compressor, roughly equals evaporative pressure, and the back pressure of the LP compressor is roughly the intake pressure of the second compressor, which is the second compression stage forms and is referred to as high-pressure compressor or HP compressor. Both compressors operate at different pressure levels on their suction and pressure sides.
  • the back pressure of the HP compressor is the highest pressure of the refrigeration system. Its pressure level corresponds to pressures that are less than the critical pressure of the refrigerant used in the refrigeration system refrigerant circuit directly to the condensation temperature, or the pressure is controlled at pressures above the critical pressure of the refrigerant used depending on the gas cooler outlet temperature.
  • the high-pressure refrigerant After leaving the gas cooler, the high-pressure refrigerant is cooled in the internal heat exchanger by a Kälteschteilstro 'm, which is expanded to the pressure level after the LP compressor before it is expanded to the suction pressure of the LP compressor.
  • the refrigerant partial stream evaporates by absorbing heat from the high-pressure refrigerant. This exiting from the inner heat exchanger vapor refrigerant flow is supplied to the LP compressor on the pressure side. He is then promoted from the HP compressor at the highest pressure level in the gas cooler.
  • the pressure after the LP compressor determines the degree of cooling of the high pressure refrigerant. It is based on the ratio of the volume flows of LP and HP compressors and can be adjusted by controlling the speed of both compressors with regard to the most economical mode of operation.
  • the operating modes NK and TK can be advantageously combined with storage of uncooled goods to the cooling rate by very high cooling capacity to accelerate to a certain temperature.
  • the operating mode NK is realized until a predetermined temperature is reached in the refrigerated container.
  • the controllable valve devices are thereby opened or closed as described above for the operating mode NK.
  • Both compressors operate at the same pressure levels on their suction and pressure sides.
  • change to the TK mode whereby the pressure levels of both compressors change, the cooling capacity decreases and the efficiency of the refrigeration increases.
  • the controllable valve devices are thereby opened or closed as described above for the operating mode TK.
  • This combination of the two operating modes NK and TK should be referred to here as "cooling-down" mode
  • the three controllable valve devices are opened or closed in accordance with the operating mode NK, although only one of the two compressors is put into operation.
  • the operating mode NK is maintained until the intake pressure has reached a predetermined target value. Only then are the three controllable valve devices according to operating mode TK opened or closed, and the second compressor is taken as LP compressor in operation. Now both compressors work at different pressure levels.
  • the natural refrigerant C0 2 can be used in the refrigeration cycle, the direct greenhouse potential has the value 1, and the heat of vaporization per cubic meter sucked vapor volume is about ten times greater than that of 134a.
  • compressor and pipe cross-sections can be very small dimensions.
  • the refrigeration system for mobile refrigerated containers can be made very compact and space-saving.
  • Internal heat exchanger or intermediate pressure liquid separator are arranged as described in the embodiment, so that the known advantages of a C0 2 -Kältestrom for economic operation are realized.
  • the inventive arrangement of the compressor can be combined with known arrangements of other system components
  • FIG. 1 shows very simplified a known single-stage refrigeration cycle process with the refrigerant R134a shown in a section of a pressure-enthalpy diagram (Ig p, h diagram) with the four circuit components of a refrigeration system.
  • FIG. 2 shows the arrangement of the compressors in operating mode NK according to the invention.
  • the compressors work here in a refrigeration system with liquid subcooler.
  • These compressors have, in addition to the intake manifold, a second port, an economizer port, through which fluid can be fed into the working chambers when the pressure is sufficiently high. This allows multi-stage refrigeration plant operation.
  • Fig. 3 the arrangement of the compressor in the operating mode TK is shown according to the invention, which corresponds to the two-stage arrangement according to the invention.
  • the refrigeration system has an intermediate pressure liquid separator.
  • Fig. 4 the arrangement of the compressor in the operating mode TK is shown according to the invention in a refrigeration system with an internal heat exchanger.
  • FIG 5 shows the one-stage refrigeration cycle process for the operating mode NK with a small temperature difference between heat sink and operating temperature (both compressors operate in one stage in parallel operation).
  • FIG. 6 shows the two-stage refrigeration cycle process for the operating mode TK with a large temperature difference between heat sink and useful temperature (one compressor is LP and one compressor is HP compressor).
  • Fig. 7 shows an arrangement according to the invention with a controller, shown is one of the two possible modes (operating mode NK).
  • the compressor 1 (type piston compressor, scroll compressor or rotary piston compressor) raises the pressure from evaporation pressure to condensation pressure, which is determined by the temperature of the heat sink and by the refrigerant.
  • condensation pressure which is determined by the temperature of the heat sink and by the refrigerant.
  • the refrigerant is liquefied in the heat exchanger 2 and then expanded at the throttle point 3 in the evaporator 4. This creates flash vapor and liquid.
  • the liquid evaporates by absorbing heat from the container interior and thus cools the container interior.
  • the wide demand requirements for container cooling can not be met by this single-stage design.
  • the two-stage design would not eliminate this disadvantage because it has deviating usage limits.
  • a refrigeration system is shown with its components that allow according to the invention alternately one and two-stage operation of the refrigeration system for container cooling, so can be operated either in the operating mode NK or TK. Highlighted by thick lines is the operating mode NK.
  • a first controllable bypass 13 and a second controllable bypass 23 and the first controllable valve device 12, the second controllable valve device 22 and the third controllable valve device 30 are shown.
  • the first controllable valve device 12 is arranged on the first compressor 11 as a controllable bypass 13 between its suction and pressure side
  • the second controllable valve device 22 is arranged on the second compressor 21 as a controllable bypass 23 between the suction and pressure side and is a third controllable valve device 30th is disposed between the pressure side of the first compressor 11 and the suction side of the second compressor 21.
  • the communicating connection of the first controllable bypass 13 opens on the pressure side of the first compressor 11 after the third controllable valve device 30 (downstream) and the communicating connection of the second controllable bypass 23 branches off on the suction side of the second compressor 21 in front of the third controllable valve device 30 ( upstream).
  • the compressors 11, 21 By changing the opening and closing positions of the controllable valve devices 12, 22, 30, the compressors 11, 21 optionally parallel, ie at the same suction pressure and at the same back pressure, operated or in succession, thereby the first compressor 11 as the first compression stage (ND - Or low-pressure compressor) and the second compressor 21 operates as a second compression stage at a higher pressure level (high-pressure or high-pressure compressor).
  • Fig. 2 the controllable valve means 12 and 22 are opened, and the controllable valve means 30 is closed.
  • NK the two compressors 11 and 21 are operated in parallel. Both compressors operate at the same intake pressure and at the same back pressure with single-stage compression.
  • the example relates to the use of scroll compressors with an intermediate pressure connection, a so-called economizer connection.
  • Both compressors are of the same type and size with the same operating limits. They are shown here in the operating mode NK and thus operated in one-stage compression with an intermediate pressure feed, so that the refrigerant is cooled after leaving the heat exchanger 2 in the inner heat exchanger 50 before it is relaxed in the first throttle 52.
  • the cooling is realized by a partial refrigerant flow, which is relaxed in the throttle point 51 to intermediate pressure level.
  • Necessary valve devices in front of the economizer ports of the two compressors 11 and 21 are not shown in the figure.
  • FIG. 3 shows a refrigeration system with its components, which according to the invention permit alternating one-stage and two-stage operation of the refrigeration system for container cooling, that is to say it can be operated either in the operating mode NK or TK. Highlighted by thick lines is the operating mode TK for container transport of frozen food.
  • the refrigeration is realized in two stages.
  • the first controllable valve device 12 and the second controllable valve device 22 are closed and the third controllable valve device 30 is opened.
  • the suction pressure of the first compressor 11 is roughly approximate to evaporating pressure, and its backpressure is roughly the suction pressure of the second compressor 21. Both compressors operate at different pressure levels on their suction and pressure sides.
  • the back pressure of the compressor 21 is the highest pressure of the refrigeration system. Its pressure level corresponds to pressures which are less than the critical pressure of the refrigerant used in the refrigerant circuit of the refrigeration system directly to the condensation temperature, or it is controlled at pressures above the critical pressure of the refrigerant used depending on the gas cooler outlet temperature.
  • the refrigeration system in FIG. 3 shows an intermediate-pressure liquid separator 60, which enables a two-stage expansion at the throttling points 61 and 62. Liquid and flash steam after the first expansion stage are fed between the compressors 11 and 21 at intermediate pressure, the set point of which is sought by changing the speed of the compressor 21. As a result, the efficiency of refrigeration is increased.
  • FIG. 4 shows another cooling system with its components, which, according to the invention, permits alternating one- and two-stage operation for container cooling, ie can be operated either in the operating mode NK or TK. Highlighted by thick lines is the operating mode TK.
  • the refrigeration plant according to FIG. 4 shows, after the heat exchanger 2, which operates as a condenser or gas cooler depending on the temperature level in relation to the critical temperature of the refrigerant, the internal heat exchanger 50, in which the refrigerant is cooled to an intermediate temperature, before it is expanded at the throttling point 52 becomes.
  • the internal heat exchanger 50 in which the refrigerant is cooled to an intermediate temperature, before it is expanded at the throttling point 52 becomes.
  • a partial refrigerant stream is expanded at the throttle point 51 to an intermediate pressure whose setpoint is controlled by the speed of the compressor 21. The efficiency of refrigeration increases.
  • Fig. 5 shows the single-stage refrigeration cycle process in one.
  • This illustration corresponds to the operation of the compressors in NK mode.
  • the useful temperature of, for example, 12 ° C for banana transport could be realized.
  • Line 76 illustrates the critical temperature isotherm for C0 2 .
  • FIG. 6 shows the two-stage refrigeration cycle process according to FIG. 3 in a pressure-enthalpy diagram for the refrigerant C0 2 in the operating mode TK at a heat sink temperature greater than 32 ° C. and a service temperature greater than -32 ° C.
  • This illustration corresponds to the operation of the compressors in operating mode TK. Compression along the line 72.1 in the compressor 11 and compression along the line 72.2 in the compressor 21, heat removal in the heat exchanger 2 along the line 73.1, first stage throttling relaxation along the line 74.1 to the temperature level of 25 e C with intercooler along the line 73.2 and second stage throttling relaxation along the line 74.2, evaporation from heat absorption the container interior along the line 71 at -30 ° C.
  • Line 76 illustrates the critical temperature isotherm for C0 2 .
  • Fig. 7 shows an arrangement according to the invention with control 80 and the main control lines for controlling the lockable valve devices 12, 22, 30 and for speed control of the drive motors 86, 88 for the two compressors 11, 21 and the points for measuring the temperature in the container interior at the temperature measuring point 92 and for measuring the ambient temperature at the temperature measuring point 94; and for measuring the pressures at a pressure measuring point 81 upstream of the compressors and a pressure measuring point 97 after the two compressors and a pressure measuring point 96 after the controllable valve device, which is equal to the suction pressure of the second compressor in operating mode NK, during this pressure in the operating mode TK is intermediate pressure between the first and the second compressor.
  • the measured variables mentioned are the input quantity at the controller 80.
  • the interior temperature at the temperature measuring point 92 is determined from the container 91 as a singular value or as an average value from a plurality of measuring points (not shown) and is input at the input 93 of the controller 80.
  • the decision on the operating mode NK or TK is an algorithm in the controller, which evaluates the temperature in the container interior at the temperature measuring point 92 and the temperature for cooling air at the temperature measuring point 94, the signal reaches the control via measuring line 95.
  • the controllable valve devices 12 and 22, whose signals are output from the controller 80, are opened via the control lines 83 and 84, while the controllable valve device 30 via control line 85 receives no signal from the controller 80 and remains normally closed.
  • the rotational speed of the two drive motors 86, 88 of the first and second compressors 11, 22 changes the controller 80 via the control lines 87 for the first compressor and 89 for the second compressor as a function of a target-actual comparison of the pressure at the pressure measuring point 81 , which is fed into the controller at input 82, and a default value preset in controller 80.
  • the controller can also use a second algorithm to control the internal temperature of the container via a comparison of actual and actual values.
  • the control of the refrigeration system is designed so that the operating modes NK and TK can be changed during operation. This is particularly advantageous when storing uncooled goods to shorten the cooling time by very high cooling capacity up to a certain temperature and to maintain the 'quality of the product to be cooled.
  • the operating mode NK is realized until a set temperature is reached in the refrigerated container.
  • the controllable valve devices 12, 22, 30 are thereby opened or closed, as described above for the operating mode NK.
  • the compressors 11, 21 operate at the same pressure levels on their suction and pressure sides.
  • the operation mode TK is changed, whereby the pressure levels of the compressors 1, 21 change, the cooling capacity decreases and the efficiency of the refrigeration increases.
  • the controllable valve devices 12, 22, 30 are opened or closed for the operating mode TK.
  • the control variable for the first compressor is the pressure at the pressure point 81, as described above for operating mode NK.
  • the speed of the second compressor is increased or decreased by the controller 80 so that the pressure at the pressure measuring point 96 with a calculated pressure from the current operating conditions at the two pressure measuring points according to the relationship "square root of the product pressure at the pressure Measuring point 81 and pressure at the pressure measuring point 97 ° largely coincide.
  • cooling-down mode The combination of the two operating modes NK and TK can be operated as rapid cooling immediately after storage in the container, referred to as "cooling-down mode.”
  • This cooling mode starts with the operating mode NK until a predetermined setpoint is reached at the pressure measuring point and switches afterwards to the operating mode TK.
  • the algorithm of the controller 80 also starts for refrigerated storage without Schnellkkühlung both compressors of the refrigeration system with the operating mode NK and switches to TK mode as previously described.
  • the operating mode NK remains until a set intake pressure is reached. Only then are the controllable valve devices 12, 22, 30 opened or closed in accordance with the operating mode TK, and the compressors 11, 21 operate at different pressure levels.
  • the Useful temperature in the interior of a container to the requirements of the goods to be cooled can be adjusted within wide limits as needed, so that both cooling processes as well as cooling and freezing storage at individually predetermined temperature level are possible.
  • Operating mode and Nutztemperatumiveau within the cold room of the container are selected as needed during refrigerated transport storage and after changing the refrigerated goods, so that the refrigerated container can be used efficiently.

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Abstract

Kälteanlage zur Kühlung des Innenraumes eines mobilen Kühlraumes, zum Beispiel eines Kühlcontainers, mit 2 drehzahlgeregelten Verdichtern, die über je eine steuerbare Bypassleitung pro Verdichter und eine Steuerbare Ventileinrichtung zwischen Druck- und Saugseite von zwei Verdichtern Verdichters parallel einstufig oder hintereinander zweistufig betrieben werden könrien. Die Ventileinrichtungen erhalten Signale aus einer Steuerung mit AlgoritHmen in die Nutz- und Umgebungstemperatur als Soll- beziehungsweise Messwert eingehen. Aus dem Anforderungsprofil der Containerkühlung resultieren die energieeffizientesten Betriebsarten und die Drehzahlen der Verdichter.

Description

Kälteanlage zur Kühlung eines Containers
Die Erfindung betrifft eine Kälteanlage zur Kühlung des Innenraumes eines mobilen Kühlraumes, zum Beispiel eines Containers, der beispielsweise auf Schiffen universell eingesetzt werden kann, oder eines Lastkraftwagens, eines Kleintransporters, eines Kühlwaggons, die Teil einer Kühlkette zum Transport von Kühl- und Gefriergut ist. Die Erfindung betrifft somit eine Kälteanlage für gekühlten Transport. Für diese Kühlräume werden im folgenden Text die Begriffe Containerinnenraum, Container oder Kühlcontainer verwendet. Dementsprechend wird stellvertretend für diese zu kühlenden mobilen Kühlräume der Begriff Containerkühlung verwendet.
Kühlluftführung und prinzipieller Aufbau von Kühlcontainern für Schiffe sind in DE 202007008764 beschrieben. Der Innenraumes eines Kühlcontainers ist von thermisch isolierten Seitenwänden, Dach und Boden umgeben, wobei der Innenboden im allgemeinen noch mit Luftverteileinrichtungen, zum Beispiel Längsrippen, ausgeführt ist, die Kanäle zur Führung von Kaltluft bilden.
Kühlcontainer müssen außerdem so gebaut sein, däss ihr Transport mit den jeweiligen spezifischen Transportsystemen auf der Straße, auf See oder auf der Schiene ( truck-trailer reefers, marine reefers oder trail reefers) möglich ist.
Die Nutztemperatur eines solchen Containerinnenraumes ist dabei von der zu kühlenden Ladung abhängig. Solche Kühlcontainer müssen in der Lage sein, Kühloder Gefrierprozesse der Ladung auszuführen und danach auf vorgegebenem Niveau, der Kühllagertemperatur, zu halten.
Je nach Produkteigenschaft und Nutztemperaturniveau im Containerinnenraum unterscheidet sich die Kälteleistung während des Kühl- oder Gefrierprozesses und während der Kühltransportlagerung für die gleiche Containergröße sehr deutlich.
Während des Kühltransportes eines Containers werden in der Regel unterschiedliche klimatische Umgebungsbedingungen an der Außenwand des Containers anliegen, die regional durch Passieren unterschiedlicher Klimazonen oder nur durch den Tagesgang der Temperatur bedingt sind, so dass sich das Temperaturniveau der Wärmesenke ändert und damit die Kondensationstemperatur der Kälteanlage zur Containerkühlung.
Im Ergebnis muss die Kälteanlage für die Containerkühlung effizient betrieben werden können und so variabel sein, dass sich Kälteleistung und Nutztemperatur variieren lassen und bei den unterschiedlichen Kondensationstemperaturen ohne Einschränkung wirtschaftlich und umweltfreundlich betrieben werden kann.
Der Kühlcontainer mit seiner Kälteanlage muss in einem Containerstapel betreibbar sein, sein Betriebsregime muss individuell an das zu kühlende Transportgut anpassbar sein.
Außerdem sollte Platzbedarf und Masse einer mobilen Kälteanlage möglichst klein sein.
In Kälteanlagen zur Containerkühlung werden gemäß dem Stand der Technik einstufige oder zweistufige Kälteanlagen eingesetzt, die Verdichter, Kondensator, Expansionseinrichtungen und Verdampfer aufweisen.
Der Container wird durch zirkulierendes Kältemittel, das;am Verdampfer Wärme aus dem zu kühlenden Raum aufnimmt, direkt gekühlt. Dazu wird das Kältemittel in einer oder in mehreren Stufen in einem oder mehreren Verdichtern auf einen höheren Druck und damit auf eine Kondensationstemperatur Oberhalb der Wärmesenke (Containerumgebung) verdichtet und danach durch Wärmeabgabe an die Umgebung in einem Gaskühler oder in einem Kondensator abgekühlt und danach wieder in einer oder mehreren Stufen auf den Druck im Verdampfer entspannt, wodurch flüssiges Kältemittel und flash-Dampf bei der tieferen Verdampfungstemperatur des Kältemittels entstehen. Diese Anordnung ist jeweils nur einstufig oder nur mehrstufig ausgeführt, so dass diese Kälteanlage entweder in der einstufigen oder in der zweistufigen Ausführung nicht für die gewünschte Anwendungsbreite eines Kühlcontainers -geeignet Ist. "! 1 1 ' !
Das Patent US 4730464 beschreibt ein Kühlsystem zum Kühlen eines Raumes mit Luft mit einem Verdichter und einem Turbolader. Die Variabilität des Kältesystems ist jedoch in Bezug auf Kälteleistung und Verdampfungstemperatur sehr begrenzt.
Das Patent DE 3620847 offenbart eine Absorptionskälteanlage, die durch einen Wärmerohr-Solarkollektor ergänzt wird. Nachteilig ist für den Schiffseinsatz die fehlende Möglichkeit der Stapelbarkeit eines solchen Kühlcontainers.
Bekannt sind auch Containerkühlungen mit Speicherwirkung ohne eigene Kälteerzeugung, mit sogenannter indirekter Kühlung. Der Kälteträger wird dabei abseits vom Container abgekühlt und danach in . Hohlräume am Container eingebracht. Gemäß Patent DE 29722052 kühlt Slürry-Eis, auch als Binäreis bezeichnet, die Wandung des Containers. Die Kühltemperatur ist dabei durch das Eis, das aus Wasser und Zusatzstoffen besteht, definiert und damit nicht sehr variabel. Die Kühlung eines individuellen Containers bei einer anderen Temperatur ist nicht möglich und die Kühldauer ist begrenzt.
Außerdem sind in den meist vertikalen Wänden Eis und Flüssigkeit nicht homogen verteilt.
DE 9110982U1 offenbart eine Containerkühlung und das dazu erforderliche Kanalsystem mittels gekühlten Wassers, das durch eine Kaltwassererzeugungsanlage bereitgestellt wird, ohne dass Wärmeübertrager am Kühlcontainer mit fluorierten Kohlenwasserstoffen in Berührung kommen. Der Container ist nachteilig nicht autark einsetzbar.
Durch Verwendung von Wasser als Kälteträger zielt der Einsatz dieses Patentes auf den Transport von Gütern oberhalb des Gefrierpunktes. Das schränkt auch den Einsatz des Kühlcontainers ein.
In EP0664426 ist die Wandung des Containers mit röhrenförmigen Wärmeübertragerflächen versehen. Durch das ein Wärmeträgerfluid mit Phasenwechsel geführt wird. Der Abkühlprozess ist sehr träge, so dass keine bedarfsgerechte Kühlung erreicht werden kann.
Ziel und Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Kälteanlage zur universellen Kühlung des Innenraumes eines Containers zu schaffen, dessen Nutztemperatur an die Anforderungen des Kühlgutes in weiten Grenzen angepasst werden kann, so dass . Kühl- oder . Gefrierprozesse und Lagerung des Gutes bei individuell vorgegebenem Temperaturniveau möglich sind.
Ein weiteres Ziel der Erfindung ist eine Kälteanlage zur Kühlung des Innenraumes eines Containers, deren Nutztemperaturniveau und deren Kälteleistung während des Kühl- oder Gefrierprozesses und während der Kühltfansportlagerung angepasst werden können.
Ein weiteres Ziel der Erfindung besteht darin, dass die Kälteanlage während des Containertransportes bei unterschiedlichsten klimatischen Bedingungen auch in einem Containerstapel ohne Einschränkungen betrieben werden kann.
Ein weiteres Ziel der Erfindung besteht darin, dass die Kälteanlage für die Containerkühlung so variabel ist, dass Nutztemperatur und Kälteleistung bedarfsgerecht angepasst werden können und bei den unterschiedlichen Kondensationstemperaturen ohne Einschränkung wirtschaftlich und umweltfreundlich betrieben werden kann. Die Kälteanlage gemäß der Erfindung hat mindestens zwei drehzahlgeregelte Verdichter, einen Gaskühler, mindestens eine Drosselstelle, mindestens einen inneren Wärmeübertrager oder einen Zwischendruck-Flüssigkeitsabscheider, einen Verdampfer und steuerbare Ventileinrichtungen mit Öffnungs- und Schließfunktionen, welche die relative Anordnung der Verdichter zueinander und damit die Zirkulation des Kältemittels in der Kälteanlage durch öffnen und Schließen verändern.
Gemäß den Merkmalen der Erfindung ist eine erste steuerbare Ventileinrichtung an einem ersten Verdichter als steuerbarer Bypass zwischen Saug- und .Druckseite angeordnet, ist eine zweite steuerbare Ventileinrichtung an einem zweiten Verdichter als steuerbarer Bypass zwischen Saug- und Druckseite angeordnet und ist eine dritte steuerbare Ventileinrichtung zwischen Druckseite des ersten und Saugseite des zweiten Verdichters angeordnet.
Gemäß den Merkmalen der Erfindung mündet die kommunizierende Verbindung der ersten steuerbaren Ventileinrichtung auf der Druckseite des ersten Verdichters nach der dritten steuerbaren Ventileinrichtung (stromabwärts)' und die kommunizierende Verbindung der zweiten steuerbaren Ventileinrichtung zweigt auf der Saugseite des zweiten Verdichters vor der dritten steuerbaren Ventileinrichtung ab (stromaufwärts).
Durch Änderung der öffnungs- und Schließstellung der steuerbaren Ventileinrichtungen können die Verdichter wahlweise parallel, das heißt bei gleichem Ansaugdruck und bei gleichem Gegendruck, betrieben werden oder hintereinander, wodurch dabei ein Verdichter als erste Verdichtungsstufe (ND- oder Niederdruckverdichter) und der zweite Verdichter als zweite Verdichtungsstufe bei höherem Druckniveau (HD- oder Hochdruckverdichter) arbeitet.
Im Ergebnis der veränderten öffnungs- und Schließstellungen der steuerbaren
Ventileinrichtungen und durch Änderung der Drehzahl der Verdichter können Nutztemperatur, Kälteleistung und Druckverhältnis der Verdichter in weiten Grenzen an den Bedarf angepasst werden.
Für Containertransport von Frischware, z. B. Obst, Gemüse oder auch Fleisch wird die Kälteerzeugung einstufig realisiert, da die Nutztemperatur noch oberhalb des Gefrierpunktes liegt. Dazu wird einer der beiden Verdichter allein zum Halten der Nutztemperatur oder es werden beide Verdichter für die Temperaturabsenkung von der Einbring- auf eine Nutztemperatur parallel betrieben. Dabei sind die erste und die zweite steuerbare Ventileinrichtung geöffnet und die dritte steuerbare Ventileinrichtung geschlossen. Wenn beide Verdichter parallel arbeiten, arbeiten sie bei gleichen Druckniveaus auf ihrer Saug- und Druckseite, Dieser Betrieb wird hier als Betriebsart NK bezeichnet.
Für Containertransport von Gefriergut, also bei Nutztemperauren deutlich unter dem Gefrierpunkt, wird die Kälteerzeugung zweistufig realisiert. Dazu werden die erste und die zweite steuerbare Ventileinrichtung geschlossen und die dritte steuerbare Ventileinrichtung geöffnet. Dieser Betrieb wird hier als Betriebsart TK bezeichnet.
Bei Betriebsart TK ist Ansaugdruck des ersten Verdichters, der die erste Verdichtungsstufe bildet und als Niederdruckverdichter oder ND-Verdichter bezeichnet wird, in grober Näherung gleich Verdampfungsdruck, und der Gegendruck des ND-Verdichters ist in grober Näherung Ansaugdruck des zweiten Verdichters, der die zweite Verdichtungsstufe bildet und als Hochdruckverdichter oder HD-Verdichter bezeichnet wird. Beide Verdichter arbeiten bei unterschiedlichen Druckniveaus auf ihrer Saug- und Druckseite.
Der Gegendruck des HD-Verdichters ist der höchste Druck der Kälteanlage. Sein Druckniveau korrespondiert bei Drücken, die kleiner sind als der kritische Druck des im Kältekreislauf der Kälteanlage verwendeten Kältemittels direkt zur Kondensationstemperatur, oder der Druck wird bei Drücken oberhalb des kritischen Druckes des verwendeten Kältemittels in Abhängigkeit der Gaskühleraustrittstemperatur geregelt.
Nach Verlassen des Gaskühlers wird das unter hohem Druck stehende Kältemittel im inneren Wärmeübertrager durch einen Kältemittelteilstro'm, der auf das Druckniveau nach dem ND-Verdichter entspannt wird, gekühlt, bevor es auf den Saugdruck des ND-Verdichters entspannt wird. Der Kältemittelteilstrom verdampft durch Wärmeaufnahme aus dem unter hohem Druck stehenden Kältemittel. Dieser aus dem inneren Wärmeübertrager austretende dampfförmige Kältemittelteilstrom wird dem ND-Verdichter auf der Druckseite zugeführt. Er wird danach vom HD-Verdichter bei höchstem Druckniveau in den Gaskühler gefördert.
Der Druck nach dem ND-Verdichter bestimmt das Maß der Abkühlung des unter hohem Druck stehenden Kältemittels. Er stellt sich aus der Relation der Volumenströme von ND- und HD-Verdichter ein und kann durch Drehzahlregelung beider Verdichter in Bezug auf wirtschaftlichste Betriebsweise angepasst werden.
Die Betriebsarten NK und TK können vorteilhaft bei Einlagerung ungekühlter Ware kombiniert werden, um die Abkühlgeschwindigkeit durch sehr große Kälteleistung bis zu einer bestimmten Temperatur zu beschleunigen. Dazu wird zunächst die Betriebsart NK realisiert bis eine vorgegebene Temperatur im Kühlcontainer erreicht ist. Die steuerbaren Ventileinrichtungen werden dabei wie oben für die Betriebsart NK beschrieben geöffnet oder geschlossen. Beide Verdichter arbeiten bei gleichen Druckniveaus auf ihrer Saug- und Druckseite. Danach wird auf Betriebsart TK gewechselt, wodurch sich die Druckniveaus beider Verdichter ändern, die Kälteleistung sinkt und die Effizienz der Kälteerzeugung steigt an. Die steuerbaren Ventileinrichtungen werden dabei wie oben für die Betriebsart TK beschrieben geöffnet oder geschlossen. Diese Kombination der beiden Betriebsarten NK und TK soll hier als„cooling-down" Modus bezeichnet werden
Auch in der Startphase für die Betriebsart TK ohne "cooling down" - Modus werden die drei steuerbaren Ventileinrichtungen gemäß Betriebsart NK geöffnet beziehungsweise geschlossen, obwohl nur einer der beiden Verdichter in Betrieb genommen wird. Die Betriebsart NK bleibt erhalten, bis der Ansaugdruck einen vorgegebene Soll-Größe erreicht hat. Erst danach werden die drei steuerbaren Ventileinrichtungen gemäß Betriebsart TK geöffnet beziehungsweise geschlossen, und der zweite Verdichter wird als ND-Verdichter in Betrieb genommen. Jetzt arbeiten beide Verdichter bei unterschiedlichen Druckniveaus.
Vorteilhaft kann das natürliche Kältemittel C02 im Kältekreislauf benutzt werden, dessen direktes Treibhauspotential den Wert 1 hat, und dessen Verdampfungswärme pro Kubikmeter angesaugtes Dampfvolumen ungefähr zehnmal größer ist als das von 134a.
Dadurch können Verdichter und Rohrleitungsquerschnitte sehr klein dimensioniert werden. Die Kälteanlage für mobile Kühlcontainer kann sehr kompakt und platzsparend ausgeführt werden. Innere Wärmeübertrager oder Zwischendruck- Flüssigkeitsabscheider sind wie im Ausführungsbeispiel beschrieben angeordnet, sodass die bekannten Vorteile einer C02-Kälteanlage für wirtschaftliche Betriebsweise realisieret werden.
Durch die folgenden Beispiele soll veranschaulicht werden, wie die steuerbaren Ventileinrichtungen die Funktion der Kälteanlage verändern.
Die erfindungsgemäße Anordnung der Verdichter kann mit bekannten Anordnungen weiterer Anlagenkomponenten kombiniert werden Das sihd Anlagenausführungen mit Zwischenkühler, Zwischendruck-Flüssigkeitsabscheider, Economiseranschluss am Verdichter oder Zwischendruckeinspeisung zwischen den Verdichtern. Durch die folgenden Beispiele soll veranschaulicht werden, dass die Lehre der Erfindung für unterschiedlichste Anlagenkonfigurationen uneingeschränkt anwendbar ist.
Fig. 1 zeigt sehr vereinfacht einen bekannten einstufigen Kältekreisprozess mit dem Kältemittel R134a dargestellt in einem Ausschnitt eines Druck-Enthalpie-Diagramm (Ig p,h-Diagramm) mit den vier Kreislaufkomponenten einer Kälteanlage. In Fig. 2 ist die Anordnung der Verdichter in Betriebsart NK gemäß der Erfindung dargestellt. Die Verdichter arbeiten hier in einer Kälteanlage mit Flüssigkeitsunterkühler. Diese Verdichter haben neben dem Ansaugstutzen einen zweiten Anschluss, einen Economiseranschluss, über den Fluid in die Arbeitskammem eingespeist werden kann, wenn der Druck ausreichend groß ist. Das erlaubt mehrstufigen Kälteanlagenbetrieb.
In Fig. 3 ist die Anordnung der Verdichter in Betriebsart TK gemäß der Erfindung dargestellt, was der zweistufigen Anordnung gemäß der Erfindung entspricht. Die Kälteanlage hat einen Zwischendruck-Flüssigkeitsabscheider.
In Fig. 4 ist die Anordnung der Verdichter in Betriebsart TK gemäß der Erfindung in einer Kälteanlage mit innerem Wärmeübertrager dargestellt.
Fig. 5 zeigt den einstufigen Kältekreisprozess für die Betriebsart NK bei kleiner Temperaturdifferenz zwischen Wärmesenke und Nutztemperatur (beide Verdichter arbeiten einstufig im Parallelbetrieb).
Fig. 6 zeigt den zweistufigen Kältekreisprozess für die Betriebsart TK bei großer Temperaturdifferenz zwischen Wärmesenke und Nutztemperatur (ein Verdichter ist ND- und ein Verdichter ist HD- Verdichter).
Fig. 7 zeigt eine Anordnung gemäß der Erfindung mit einer Steuerung, dargestellt ist eine der beiden möglichen Betriebsarten (Betriebsart NK).
Gemäß Figur 1 hebt der Verdichter 1 (Bauart Kolbenverdichter, Scrollverdichter oder Rollkolbenverdichter) den Druck von Verdampfungsdruck auf Kondensationsdruck, der durch die Temperatur der Wärmesenke und durch das Kältemittel bestimmt ist, an. Durch Wärmeabfuhr zur Wärmesenke, zum Beispiel an die Umgebung, wird das Kältemittel im Wärmeübertrager 2 verflüssigt und danach an der Drosselstelle 3 in den Verdampfer 4 entspannt. Dabei entstehen Flash-Dampf und Flüssigkeit. Die Flüssigkeit verdampft durch Wärmeaufnahme aus dem Containerinnenraum und kühlt damit den Containerinnenraum. Die weiten Bedarfsanforderungen an eine Containerkühlung lassen sich durch diese einstufige Ausführung nicht erfüllen. Die zweistufige Ausführung würde diesen Nachteil nicht beseitigen, da sie davon abweichende Einsatzgrenzen hat.
In Fig. 2 ist eine Kälteanlage mit ihren Komponenten dargestellt, die gemäß der Erfindung wechselweisen ein- und zweistufigen Betrieb der Kälteanlage zur Containerkühlung ermöglichen, also wahlweise in der Betriebsart NK oder TK betrieben werden können. Hervorgehoben durch dicke Linien ist die Betriebsart NK.
Neben dem Wärmeübertrager 2 der je nach Temperaturniveau in Relation zur kritischen Temperatur des Kältemittels als Kondensator oider Gaskühler arbeitet, sind Verdampfer 4, Verdichter 11 und 21 , die je nach Leistungsanforderung oder je nach Betriebsbedingung mit höherer oder niedrigerer Drehzahl betrieben werden, ein erster steuerbarer Bypass 13 und ein zweiter steuerbarer Bypass 23 sowie die erste steuerbare Ventileinrichtung 12 , die zweite steuerbare Ventileinrichtung 22 und die dritte steuerbare Ventileinrichtung 30 dargestellt.
Die erste steuerbare Ventileinrichtung 12 ist am ersten Verdichter 11 als steuerbarer Bypass 13 zwischen dessen Saug- und Druckseite angeordnet, die zweite steuerbare Ventileinrichtung 22 ist am zweiten Verdichter 21 als steuerbarer Bypass 23 zwischen dessen Saug- und Druckseite angeordnet und ist eine dritte steuerbare Ventileinrichtung 30 ist zwischen Druckseite des ersten Verdichters 11 und Saugseite des zweiten Verdichters 21 angeordnet.
Die kommunizierende Verbindung des ersten steuerbaren Bypass 13 mündet auf der Druckseite des ersten Verdichters 11 nach der dritten steuerbaren Ventileinrichtung 30 (stromabwärts) und die kommunizierende Verbindung des zweiten steuerbaren Bypass 23 zweigt auf der Saugseite des zweiten Verdichters 21 vor der dritten steuerbaren Ventileinrichtung 30 ab (stromaufwärts).
Durch Änderung der Öffnungs- und Schließstellungen der steuerbaren Ventileinrichtungen 12, 22, 30 können die Verdichter 11, 21 wahlweise parallel, das heißt bei gleichem Ansaugdruck und bei gleichem Gegendruck, betrieben werden oder hintereinander, wodurch dabei der erste Verdichter 11 als erste Verdichtungsstufe (ND- oder Niederdruckverdichter) und der zweite Verdichter 21 als zweite Verdichtungsstufe bei höherem Druckniveau (HD- oder Hochdruckverdichter) arbeitet.
In Fig. 2 sind die steuerbaren Ventileinrichtungen 12 und 22 geöffnet, und die steuerbare Ventileinrichtung 30 ist geschlossen. In dieser Betriebsart, die als NK bezeichnet wird, werden die beiden Verdichter 11 und 21 parallel betrieben. Beide Verdichter arbeiten bei gleichem Ansaugdruck und bei gleichem Gegendruck mit einstufiger Verdichtung.
Das Beispiel bezieht sich auf den Einsatz von Scrollverdichtern mit einem Zwischendruckanschluss, einem sogenannten Economiseranschluss. Beide Verdichter sind gleichen Typs und gleicher Baugröße mit gleichen Einsatzgrenzen. Sie werden hier in der Betriebsart NK gezeigt und damit bei einstufiger Verdichtung mit einer Zwischendruckeinspeisung betrieben, so dass das Kältemittel nach Verlassen des Wärmeübertragers 2 im inneren Wärmeübertrager 50 gekühlt wird, bevor es in der ersten Drosselstelle 52 entspannt wird. Die Kühlung wird durch einen Kältemittelteilstrom realisiert, der in der Drosselstelle 51 auf Zwischendruckniveau entspannt wird. Dadurch wird der Wirkungsgrad der Kälteanlage auch bei einstufigem Verdichterbetrieb vergrößert. Notwendige Ventileinrichtungen vor den Economiseranschlüssen der beiden Verdichter 11 und 21 sind in der Figur nicht dargestellt.
Diese Verdichter werden in der gleichen Kälteanlage für einen anderen Containereinsatzfall zum Transport von Tiefkühlware in der Betriebsart TK betrieben.
In Figur 3 ist eine Kälteanlage mit ihren Komponenten, dargestellt, die gemäß der Erfindung wechselweisen ein- und zweistufigen Betrieb der Kälteanlage zur Containerkühlung ermöglichen, also wahlweise in der Betriebsart NK oder TK betrieben werden können. Hervorgehoben durch dicke Linien ist die Betriebsart TK für Containertransport von Gefriergut.
Hier wird die Kälteerzeugung zweistufig realisiert. Dazu werden die erste steuerbare Ventileinrichtung 12 und die zweite steuerbare Ventileinrichtung 22 geschlossen und die dritte steuerbare Ventileinrichtung 30 geöffnet. Bei Betriebsart TK liegt der Ansaugdruck des ersten Verdichters 11 in grober Näherung bei Verdampfungsdruck, und sein Gegendruck ist in grober Näherung Ansaugdruck des zweiten Verdichters 21. Beide Verdichter arbeiten bei unterschiedlichen Druckniveaus auf ihrer Saug- und Druckseite.
Der Gegendruck des Verdichters 21 ist der höchste Druck der Kälteanlage. Sein Druckniveau korrespondiert bei Drücken, die kleiner sind als der kritische Druck des im Kältekreislauf der Kälteanlage verwendeten Kältemittels direkt zur Kondensationstemperatur, oder er wird bei Drücken oberhalb des kritischen Druckes des verwendeten Kältemittels in Abhängigkeit der Gaskühleraustrittstemperatur geregelt. Die Kälteanlage in Figur 3 zeigt einen Zwischendruck-Flüssigkeitsabscheider 60, der eine zweistufige Entspannung an den Drosselstellen 61 und 62 ermöglicht. Flüssigkeit und Flash-Dampf nach der ersten Entspannungsstufe werden zwischen den Verdichtern 11 und 21 bei Zwischendruck, dessen Sollwert durch Drehzahländerung des Verdichters 21 angestrebt wird, eingespeist. Dadurch wird der Wirkungsgrad der Kälteerzeugung vergrößert.
In Figur 4 ist eine andere Kälteanlage mit ihren Komponenten dargestellt, die gemäß der Erfindung wechselweisen ein- und zweistufigen Betrieb zur Containerkühlung ermöglicht, also wahlweise in der Betriebsart NK oder TK betrieben werden kann. Hervorgehoben durch dicke Linien ist die Betriebsart TK.
Die Kälteanlage gemäß Figur 4 zeigt nach dem Wärmeübertrager 2, der je nach Temperaturniveau in Relation zur kritischen Temperatur des Kältemittels als Kondensator oder Gaskühler arbeitet, den inneren Wärmeübertrager 50, in dem das Kältemittel auf eine Zwischentemperatur gekühlt wird, bevor es an der Drosselstelle 52 entspannt wird. Dazu wird ein Kältemittelteilstrom an der Drosselstelle 51 auf einen Zwischendruck entspannt, dessen Sollwert durch die Drehzahl des Verdichters 21 geregelt wird. Der Wirkungsgrad der Kälteerzeugung vergrößert sich.
Fig. 5 zeigt den einstufigen Kältekreisprozess in einem . Druck-Enthalpie-Diagramm für das Kältemittel C02 in der Betriebsart NK bei einer Wärmesenken-Temperatur kleiner als 32°C und einer Nutztemperatur größer als 0°C. Diese Darstellung entspricht dem Betrieb der Verdichter in Betriebsart NK. Verdichtung längs der Linie 72, Wärmeentzug mit folgender Verflüssigung des C02 längs der Linie 73, Drosselentspannung längs der Linie 74 und Verdampfung durch Wärmeaufnahme aus dem Containerinnenraum längs der Linie 71 bei 0°C. Damit könnte die Nutztemperatur von beispielweise 12°C für Bananentransport realisiert werden. Die Linie 76 veranschaulicht die Isotherme der kritischen Temperatur für C02.
Fig. 6 zeigt den zweistufigen Kältekreisprozess gemäß Figur 3 in einem Druck- Enthalpie— Diagramm für das Kältemittel C02 in der Betriebsart TK bei einer Wärmesenken-Temperatur größer als 32°C und einer Nutztemperatur größer als - 32°C. Diese Darstellung entspricht dem Betrieb der Verdichter in Betriebsart TK. Verdichtung längs der Linie 72.1 im Verdichter 11 und Verdichtung längs der Linie 72.2 im Verdichter 21 , Wärmeentzug im Wärmeübertrager 2 längs der Linie 73.1 , erste Stufe Drosselentspannung längs der Linie 74.1 auf das Temperaturniveau von 25eC mit Zwischenkühleffekt längs der Linie 73.2 und zweite Stufe der Drosselentspannung längs der Linie 74.2, Verdampfung durch Wärmeaufnahme aus dem Containerinnenraum längs der Linie 71 bei -30°C. Damit könnte die Nutztemperatur von beispielweise -22°C für Gefrierfleisch realisiert werden. Die Linie 76 veranschaulicht die Isotherme der kritischen Temperatur für C02.
Fig. 7 zeigt eine Anordnung gemäß der Erfindung mit Steuerung 80 und den wichtigsten Steuerleitungen zur Ansteuerung der absperrbaren Ventileinrichtungen 12, 22, 30 und zur Drehzahlregelung der Antriebsmotoren 86, 88 für die beiden Verdichter 11 , 21 und den Punkten zur Messung der Temperatur im Containerinnenraum am Temperatur-Messpunkt 92 und zur Messung der Umgebungstemperatur am Temperatur-Messpunkt 94; sowie zur Messung der Drücke an einem Druck-Messpunkt 81 vor den Verdichtern und einem Druck- Messpunkt 97 nach den beiden Verdichtern und einem Druck-Messpunkt 96 nach der steuerbaren Ventileinrichtung, der in Betriebsart NK gleich dem Ansaugdruck des zweiten Verdichters ist, während dieser Druck in der Betriebsart TK Zwischendruck zwischen dem ersten und dem zweiten Verdichter ist.
Die genannten Messgrößen sind Eingangsgröße an der Steuerung 80. Aus dem Container 91 wird die Innenraumtemperatur am Temperatur-Messpunkt 92 als singulare Größe oder als Mittelwert aus mehreren nicht dargestellten Messstellen ermittelt und ist Eingangsgröße am Eingang 93 der Steuerung 80.
Die Entscheidung über die Betriebsart NK oder TK fällt ein Algorithmus in der Steuerung, der die Temperatur im Containerinnenraum an der Temperaturmessstelle 92 und die Temperatur für Kühlluft an der Temperaturmessstelle 94, deren Signal über Messleitung 95 zur Steuerung gelangt, auswertet.
Dargestellt ist die Betriebsart NK, in der die beiden Verdichter 11 und 21 parallel betrieben werden. Die steuerbaren Ventileinrichtungen 12 und 22, deren Signale von Steuerung 80 abgegeben werden, werden über die Steuerleitungen 83 und 84 geöffnet, während die steuerbare Ventileinrichtung 30 über Steuerleitung 85 von der Steuerung 80 kein Signal erhält und stromlos geschlossen bleibt.
Die Drehzahl der beiden Antriebsmotoren 86, 88 des ersten und zweiten Verdichters 11 , 22 ändert die Steuerung 80 über die Steuerleitungen 87 für den ersten Verdichter und 89 für den zweiten Verdichter in Abhängigkeit eines Soll-Ist-Vergleiches des Druckes an der Druck-Messstelle 81 , der am Eingang 82 in die Steuerung geführt wird, und einem in der Steuerung 80 voreingestellten Söllwert. Die Steuerung kann auch mit einem zweiten Algorithmus die Innentemperatur des Containers über Soli- Ist-Vergleich regeln. Die Steuerung der Kälteanlage ist so ausgeführt, dass die Betriebsarten NK und TK während des Betriebs geändert werden können. Das ist besonders vorteilhaft bei Einlagerung ungekühlter Ware, um die Abkühlzeit durch sehr große Kälteleistung bis zu einer bestimmten Temperatur zu verkürzen und die' Qualität des zu kühlenden Produktes zu erhalten.
Dazu wird zunächst die Betriebsart NK realisiert, bis eine Solltemperatur im Kühlcontainer erreicht ist. Die steuerbaren Ventileinrichtungen 12, 22, 30 werden dabei, wie oben für die Betriebsart NK beschrieben, geöffnet oder geschlossen. Die Verdichter 11, 21 arbeiten bei gleichen Druckniveaus auf ihrer Saug- und Druckseite.
Danach wird auf Betriebsart TK gewechselt, wodurch sich die Druckniveaus der Verdichter 1 , 21 ändern, die Kälteleistung sinkt und die Effizienz der Kälteerzeugung ansteigt. Die steuerbaren Ventileinrichtungen 12, 22, 30 werden dabei für die Betriebsart TK geöffnet oder geschlossen. Regelgröße für den ersten Verdichter ist der Druck an der Druck- essstelle 81 , wie oben für Betriebsart NK beschrieben. Die Drehzahl des zweiten Verdichters wird durch die Steuerung 80 vergrößert oder verkleinert, damit der Druck an der Druck-Messstelle 96 mit einem rechnerischen Druck aus den aktuellen Betriebsbedingungen an den beiden Druck-Messstellen nach der Beziehung„Quadratwurzel aus dem Produkt Druck an der Druck-Messstelle 81 und Druck an der Druck-Messstelle 97° weitestgehend übereinstimmt.
Die Kombination der beiden Betriebsarten NK und TK kann als Schnellabkühlung unmittelbar nach Einlagerung in den Container betrieben werden, als„cooling-down" Modus bezeichnet. Dieser Abkühlmodus startet mit der Betriebsart NK bis ein vorgegebener Sollwert an der Druck-Messstelle erreicht ist und schaltet danach auf die Betriebsart TK um.
Vorteilhaft startet der Algorithmus der Steuerung 80 auch für Tiefkühllagerung ohne Schnellabkühlung beide Verdichter der Kälteanlage mit der Betriebsart NK und schaltet wie vorher beschrieben auf Betriebsart TK um.
Je nach Sollwert der Nutztemperatur bleibt die Betriebsart NK erhalten, bis ein Soll- Ansaugdruck erreicht ist. Erst danach werden die steuerbaren Ventileinrichtungen 12, 22, 30 gemäß Betriebsart TK geöffnet beziehungsweise geschlossen, und die Verdichter 11 , 21 arbeiten bei unterschiedlichen Druckniveaus.
Im Ergebnis der veränderten Öffnungs- und Schließstellungen der steuerbaren Ventileinrichtungen und der damit verbundenen Änderung der Betriebsart von NK zu TK und zurück und durch Änderung der Drehzahl der Verdichter kann die Nutztemperatur im Innenraumes eines Containers an die Anforderungen des Kühlgutes in weiten Grenzen bedarfsgerecht angepasst werden, so dass sowohl Abkühlprozesse als auch Kühl- und Gefrierlagerung bei individuell vorgegebenem Temperaturniveau möglich sind. Betriebsart und Nutztemperatumiveau innerhalb des Kühlraumes des Containers werden während der Kühltransportlagerung und nach Wechsel des Kühlgutes bedarfsgerecht gewählt, so dass der Kühlcontainer effizient eingesetzt werden kann. Aber auch Containertransptort bei unterschiedlichsten klimatischen Bedingungen durch verschiedene Klimazonen in einem Containerstapel ist ohne Einschränkungen möglich, da die Wahl der Betriebsart die zu überwindende Temperaturdifferenz zwischen Nutztemperatur und Temperatur der Wärmesenke berücksichtigt. Die Kälteanlage kann damit in Bezug auf Kälteleistung und Energieeffizienz durch die Wahl der besten Betriebsart : in weiten Grenzen optimal betrieben werden, so dass Betriebskosten reduziert werden können. Damit ist der Kühlcontainer in weiten Einsatzgrenzen sehr variabel einsetzbar. Die Kälteleistung kann mit geringstem Energiebedarf erbracht werden. Die eingangs erwähnten Nachteile bekannter Lösungen sind beseitigt.
Aufstellung der verwendeten Bezugszahlen
1 Verdichter
2 Wärmeübertrager
3 Drosselstelle
4 Verdampfer
11 erster Verdichter
12 erste steuerbare Ventileinrichtung
13 erster steuerbarer Bypass
21 zweiter Verdichter
22 zweite steuerbare Ventileinrichtung
23 zweiter steuerbarer Bypass
30 dritte steuerbare Ventileinrichtung
50 innerer Wärmeübertrager
51 Drosselstelle
52 Drosselstelle
60 Zwischendruck-Flüssigkeitsabscheider
61 Drosselstelle
62 Drosselstelle
71 Linie der Verdampfung
72 Linie der einstufigen Verdichtung
72.1 Linie der ersten Verdichtungsstüfe
72.2 Linie der zweiten Verdichtungsstufe
73 Linie der Wärmeabfuhr
73.1 Linie der Wärmeabfuhr 74 Linie der einstufigen Drosselentspannung
74.1 Linie der ersten Drosselentspannung
74.2 Linie der zweiten Drosselentspannung 76 Isotherme der kritischen Temperatur
80 Steuerung
81 Druck-Messpunkt
82 Eingang
83 Steuerleitung
84 Steuerleitung
85 Steuerleitung
86 Antriebsmotor erster Verdichter
87 Steuerleitungen erster Verdichter
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e& Antrieeemeter zweiter Verdienter
89 Steuerleitung zweiter Verdichter
91 Container
92 Temperatur-Messpunkt
93 Eingang
94 Temperatur-Messpunkt
95 Messleitung
96 Druck-Messpunkt
97 Druck- Messpunkt

Claims

Patentansprüche
1. Kälteanlage zur Kühlung des Innenraumes eines mobilen Kühlraumes, zum Beispiel eines Kühlcontainers, durch Temperaturabsenkung bis auf eine Nutztemperatur und Wärmeabfuhr zu einer Wärmesenke mit einem ersten und einem zweiten drehzahlgeregelten Verdichter, einem Gaskühler, mindestens einer Drosselstelle, mindestens einem inneren Wärmeübertrager oder einem Zwischendruck- Flüssigkeitsabscheider, einem Verdampfer und steuerbaren Ventileinrichtungen, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Verdichter eine erste Bypassleitung, die eine Strömungsverbindung von seiner Druckseite zu seiner Saugseite herstellt, aufweist, in der eine erste steuerbare Ventileinrichtung mit Öffnungs- und Schließfunktionen angeordnet ist, dass der zweite Verdichter eine zweite Bypassleitung, die eine Strömungsverbindung von seiner Druckseite zu seiner Saugseite herstellt, aufweist, in der eine zweite steuerbare Ventileinrichtung mit Öffnungs- und Schließfunktionen angeordnet ist, und dass in einer Strömungsverbindung zwischen der Druckseite des ersten Verdichters und der Saugseite des zweiten Verdichters eine dritte steuerbare Ventileinrichtung mit Öffnungs- und Schließfunktionen angeordnet ist, dass Mittel zur Ansteuerung der genannten Ventileinrichtungen vorhanden sind und dass eine Steuerung vorhanden ist, die zumindest Eingänge für Nutz- und Umgebungstemperatur und Ausgänge zur Ansteuerung der genannten Ventileinrichtungen und zur separaten Änderung der Drehzahl der beiden Verdichter aufweist, und die Steuerung Algorithmen zur unterschiedlichen Ansteuerung der drei Ventileinrichtungen für unterschiedliche Betriebsarten ; der Kälteanlage und zur Änderung der Drehzahl des ersten und des zweiten Verdichters in Abhängigkeit von Nutz- und Umgebungstemperatur besitzt.
2. Kälteanlage zur Kühlung des Innenraumes eines Kühlcontainers nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die kommunizierende Verbindung der ersten Bypassleitung auf der Druckseite des ersten Verdichters nach der dritten steuerbaren Ventileinrichtung (stromabwärts) und die kommunizierende Verbindung der zweiten Bypassleitung auf der Saugseite des zweiten Verdichters vor der dritten steuerbaren Ventileinrichtung abzweigt (stromaufwärts).
3. Kälteanlage zur Kühlung des Innenraumes eines Kühlcontainers für einstufige Betriebsweise, als Betriebsart NK bezeichnet, nach Anspruch 1 , 2, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Kombination der Öffnungs- und Schließstellungen so darstellt, dass die Ventileinrichtungen in der ersten und in der zweiten steuerbaren Bypassleitung geöffnet sind und dass die dritte steuerbare Ventileinrichtung geschlossen ist.
4. Kälteanlage zur Kühlung des Innenraumes eines Kühlcontainers für zweistufige Betriebsweise, als Betriebsart TK bezeichnet, nach Anspruch 1, 2, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Kombination der Öffnungs- und Schließstellungen der drei Ventileinrichtungen so darstellt, dass die Ventileinrichtungen in der ersten und in der zweiten steuerbaren Bypassleitung geschlossen sind und dass die dritte steuerbare Ventileinrichtung geöffnet ist.
5. Kälteanlage zur Kühlung des Innenraumes eines Kühlcontainers nach Anspruch 1 bis
4, dadurch gekennzeichnet, dass der erste und der zweite Verdichter den gleichen Typ und gleiche Baugröße aufweisen.
6. Kälteanlage zur Kühlung des Innenraumes eines Kühlcdntainers nach Anspruch 1 bis
5, dadurch gekennzeichnet, dass im Kältekreislauf das Kältemittel C02 vorhanden ist.
7. Kälteanlage zur Kühlung des Innenraumes eines Kühlcontainers nach Anspruch 1 bis
3 und 6, . . dadurch gekennzeichnet, dass die Merkmale der Betriebsart NK und TK nacheinander beim Start der Kälteanlage und zur Schnellabkühlung eine Sequenz bilden.
8. Kälteanlage zur Kühlung des Innenraumes eines Kühlcontainers nach Anspruch 4 und 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Druck bei Betriebsart TK zwischen dem ersten und dem zweiten Verdichter durch Änderung der Drehzahl des zweiten Verdichters auf einem Sollwert gehalten wird.
9. Kälteanlage zur Kühlung des Innehraumes eines Kühlcontainers nach Anspruch 1 bis
4 dadurch gekennzeichnet, dass im Algorithmus die Betriebsart NK für kleinere Differenzwerte zwischen der Temperatur der Wärmesehke und der Nutztemperatur und die Betriebsart TK für größere Differenzwerte zwischen der Temperatur der Wärmesenke und der Nutztemperatur abgelegt ist.
EP11722022.8A 2010-07-09 2011-05-28 Kälteanlage zur kühlung eines containers Active EP2590878B1 (de)

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DE102010026648.5A DE102010026648B4 (de) 2010-07-09 2010-07-09 Kälteanlage zur Kühlung eines Containers
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