EP3099985B1

EP3099985B1 - Kälteanlage

Info

Publication number: EP3099985B1
Application number: EP15701214.7A
Authority: EP
Inventors: Oliver Javerschek; John Craig
Original assignee: Bitzer Kuehlmaschinenbau GmbH and Co KG
Current assignee: Bitzer Kuehlmaschinenbau GmbH and Co KG
Priority date: 2014-01-27
Filing date: 2015-01-26
Publication date: 2022-09-21
Anticipated expiration: 2035-01-26
Also published as: AU2015208087A1; AU2015208087B2; WO2015110634A1; EP3099985A1; DE102014100917A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Kälteanlage umfassend einen Kältemittelkreislauf, in welchem ein Gesamtmassenstrom eines Kältemittels geführt ist, einen in dem Kältemittelkreislauf angeordneten, hochdruckseitiges, Kältemittel kühlenden Wärmeübertrager, ein im Kältemittelkreislauf angeordnetes Expansionsorgan, das im aktiven Zustand den Gesamtmassenstrom des Kältemittels durch Expansion kühlt und dabei einen Hauptmassenstrom aus flüssigem Kältemittel und einen Zusatzmassenstrom aus gasförmigem Kältemittel erzeugt, die in einen Zwischendrucksammler eintreten und in diesem in den Hauptmassenstrom und den Zusatzmassenstrom getrennt werden, mindestens eine Normalkühlstufe, welche aus dem Hauptmassenstrom in dem Zwischendrucksammler einen Normalkühlmassenstrom abführt und in mindestens einer Normalkühlexpansionseinheit auf einen Niederdruck expandiert und dabei Kälteleistung zur Normalkühlung zur Verfügung stellt, eine Tiefkühlzwischendruckexpansionseinheit, welche einen aus dem Hauptmassenstrom im Zwischendrucksammler entnommenen Tiefkühlgesamtmassenstrom auf einen Tiefkühlzwischendruck expandiert, dabei abkühlt und einen Tiefkühlhauptmassenstrom aus flüssigem Kältemittel sowie einen Tiefkühlsatzmassenstrom aus gasförmigem Kältemittel erzeugt und diese einem Tiefkühlzwischendrucksammler zuführt, in welchem eine Trennung des Tiefkühlhauptmassenstroms von dem Tiefkühlzusatzmassenstrom erfolgt, eine den Tiefkühlhauptmassenstrom aus dem Tiefkühlzwischendrucksammler abführende Tiefkühlstufe, welche mindestens eine Tiefkühlexpansionseinheit aufweist und durch Expansion des Tiefkühlhauptmassenstroms auf einen Tiefkühlniederdruck Kälteleistung zur Tiefkühlung zur Verfügung stellt, eine Tiefkühlverdichtereinheit, welche den auf Tiefkühlniederdruck expandierten Tiefkühlhauptmassenstrom verdichtet und einer den Normalkühlmassenstrom von Niederdruck auf Hochdruck verdichtenden Kältemittelverdichtereinheit ebenfalls zur Verdichtung auf Hochdruck zuführt.
Derartige Verfahren zum Betreiben von Kältemittelanlagen sind aus dem Stand der Technik bekannt.
Beispielsweise wird eine derartige Kältemittelanlage in der DE 10 2006 50 232 B3 beschrieben.
Das Problem beim Betreiben derartiger Kälteanlagen besteht darin, dass bei einem Verdichten des Zusatzmassenstroms durch die Kältemittelverdichtereinheit dann, wenn dies durch Zufuhr des Zusatzmassenstroms zur Saugseite der Kältemittelverdichtereinheit erfolgt, eine Expansion des Zusatzmassenstroms erforderlich ist, welche diesen abkühlt und somit besteht die Gefahr, dass die Kältemittelverdichtereinheit partiell Flüssigkeit ansaugt und somit Schaden nimmt.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Betreiben einer Kälteanlage der gattungsgemäßen Art derart zu verbessern, dass die Gefahr der Ansaugung von Flüssigkeit durch die Kältemittelverdichtereinheit erheblich reduziert wird.
Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren zum Betreiben einer Kälteanlage der eingangs beschriebenen Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass der Zusatzmassenstrom aus dem Zwischendrucksammler über ein Expansionsorgan expandiert und dem Tiefkühlzwischendrucksammler zugeführt wird und somit in den Tiefkühlzwischendrucksammler eintritt, dass sich im Tiefkühlzwischendrucksammler eine durch Expansion mittels des Expansionsorgans gebildete Flüssigphase in dem Tiefkühlhauptmassenstrom innerhalb des Tiefkühlzwischendrucksammlers abscheidet und dass eine sich im Tiefkühlzwischendrucksammler ausbildende Gasphase des Zusatzmassenstroms zusammen mit dem Tiefkühlzusatzmassenstrom einer Zusatzmassenstromverdichtereinheit zum Verdichten auf Hochdruck zugeführt wird und somit in die Zusatzmassenstromverdichtereinheit eintritt.
Der Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung ist darin zu sehen, dass die Abkühlung des Zusatzmassenstroms bei Expansion desselben und eine dadurch entstehende Ausbildung einer Flüssigphase einerseits ausgenutzt wird, um die Flüssigphase dem Tiefkühlhauptmassenstrom zuzuführen, so dass diese noch vorteilhaft verwendet werden kann und andererseits dadurch erreicht wird, dass die Gasphase des Zusatzmassenstroms weitgehend frei von der Flüssigphase einer Zusatzmassenstromverdichtereinheit zugeführt werden kann und dadurch die Probleme vermieden werden können, die durch Ansaugen von Flüssigkeit entstehen.
Besonders vorteilhaft ist es dabei, wenn die Gasphase des Zusatzmassenstroms zusammen mit dem Tiefkühlzusatzmassenstrom von dem Tiefkühlzwischendrucksammler expansionsfrei der Zusatzmassenstromverdichtereinheit zugeführt wird, so dass keinerlei Leistungseinbußen durch eine weitere Expansion derselben entstehen.
Ferner ist es günstig, wenn ein Tiefkühlzwischendruck im Tiefkühlzwischendrucksammler in einem Druckbereich liegt, der von dem Niederdruck bis zu dem Zwischendruck reicht.
Vorzugsweise liegt dabei der Tiefkühlzwischendruck maximal 5 bar über dem Niederdruck.
Eine besonders günstige Lösung sieht vor, dass der Tiefkühlzwischendruck im Bereich des Niederdrucks liegt.
Grundsätzlich könnte als Zusatzmassenstromverdichtereinheit eine separate Verdichtereinheit vorgesehen sein, beispielsweise eine drehzahlgeregelte Verdichtereinheit, mit welcher die Möglichkeit bestehen würde, den Tiefkühlzwischendruck auf einen für das Arbeiten der Kälteanlage günstigen Druckwert zu regeln.
Eine aus Kostengründen besonders günstige Lösung sieht jedoch vor, dass die Kältemittelverdichtereinheit die Zusatzmassenstromverdichtereinheit bildet, so dass keine separate Verdichtereinheit hierzu notwendig ist, sondern das Verdichten der Gasphase des Zusatzmassenstroms und des Tiefkühlzusatzmassenstroms aus dem Tiefkühlzwischendrucksammler durch die ohnehin vorhandene Kältemittelverdichtereinheit erfolgen kann.
Eine besonders günstige Lösung sieht dabei vor, dass die Gasphase des Zusatzmassenstroms zusammen mit dem Tiefkühlzusatzmassenstrom von dem Tiefkühlzwischendrucksammler zusammen mit dem auf Niederdruck expandierten Normalkühlmassenstrom der Kältemittelverdichtereinheit zugeführt wird, so dass die Möglichkeit besteht, den Tiefkühlzwischendrucksammler mit der den Normalkühlmassenstrom zur Kältemittelverdichtereinheit führenden Leitung zu verbinden.
Hinsichtlich der Führung des expandierten Zusatzmassenstroms in dem Tiefkühlzwischendrucksammler wurden bislang keine näheren Angaben gemacht.
So sieht eine besonders vorteilhafte Lösung vor, dass der durch das Expansionsorgan expandierte Zusatzmassenstrom in dem Tiefkühlzwischendrucksammler räumlich getrennt von einer vom Tiefkühlzwischendrucksammler weg führenden Abfuhrleitung für den Tiefkühlzwischendrucksammler mündet.
Insbesondere ist die Einmündung des expandierten Tiefkühlzusatzmassenstroms in den Tiefkühlzwischendrucksammler so gelegt, dass dieser in das Gasvolumen im Tiefkühlzwischendrucksammler eintritt.
Dabei ist vorzugsweise der Abstand zwischen der Einmündung des expandierten Zusatzmassenstroms in den Tiefkühlzwischendrucksammler und der Abfuhrleitung möglichst groß, vorzugsweise größer als die Hälfte der Ausdehnung des Tiefkühlzwischendrucksammlers in Richtung seiner maximalen Ausdehnung gewählt, um eine ausreichend große Distanz zum Abscheiden der flüssigen Phase aus dem expandierten Zusatzmassenstrom zu haben, bevor eine gasförmige Phase des expandierten Zusatzmassenstroms durch die Abfuhrleitung aus dem Tiefkühlzwischendrucksammler abgeführt wird.
Vorzugsweise ist dabei vorgesehen, dass eine Strömungsgeschwindigkeit des Kältemittels in der Abfuhrleitung kleiner ist als 2m/s (Meter pro Sekunde), noch besser kleiner ist als 0,5m/s und besonders bevorzugt kleiner als ist als 0,3m/s.
Bei derart geringen Strömungsgeschwindigkeiten in der Abfuhrleitung kann sichergestellt werden, dass keine nennenswerten Flüssigkeitsanteile mehr in der durch die Abfuhrleitung abgeführten gasförmigen Phasen des Tiefkühlzusatzmassenstroms und des gasförmigen Zusatzmassenstroms vorliegen.
Im Zusammenhang mit den bisherigen Erläuterungen der erfindungsgemäßen Lösung wurde nicht näher dargelegt, wie die Expansion des Zusatzmassenstroms im Einzelnen erfolgen soll.
Eine vorteilhafte Lösung sieht dabei vor, dass der Zusatzmassenstrom aus dem sich im Zwischendrucksammler bildenden Gasvolumen über eine Abfuhrleitung dem Tiefkühlzwischendrucksammler zugeführt wird und durch das in der Abfuhrleitung vorgesehene Expansionsorgan auf den Tiefkühlzwischendruck entspannt wird.
Insbesondere ist dabei vorgesehen, dass der durch das Expansionsorgan entspannte Zusatzmassenstrom direkt dem Gasvolumen im Tiefkühlzwischendrucksammler zugeführt wird, von welcher ausgehend sich dann die flüssige Phase des expandierten Zusatzmassenstroms absetzt.
Bei einer derartigen Zufuhr des expandierten Zusatzmassenstroms ist mit großer Wahrscheinlichkeit mit einer ausreichenden Abscheidung der flüssigen Phase im Tiefkühlzwischendrucksammler zu rechnen.
Das bislang beschriebene Verfahren zum Betrieb einer Kälteanlage arbeitet jedoch dann weniger effizient, wenn der Hochdruck auf einem hohen Druckniveau vorliegen soll, das heißt insbesondere in all den Zeiten, in denen eine hohe Temperatur am hochdruckseitige Kältemittel kühlenden Wärmeübertrager vorliegen.
Aus diesem Grund sieht eine weitere vorteilhafte Lösung vor, dass die Kälteanlage eine Zusatzmassenstromabfuhreinheit aufweist, mit welcher zumindest in bestimmten Betriebsmodi zumindest ein Teil des Zusatzmassenstroms aus dem Zwischendrucksammler entnommen und ohne weitere Expansion ausgehend von dem Zwischendruck einer Verdichtung auf Hochdruck zugeführt wird.
Eine derartige Kälteanlage hat den Vorteil, dass diese bei einem sehr hohen Druckniveau des Hochdrucks effizienter arbeiten kann.
Um jedoch in diesem Fall ebenfalls sicher zu gehen, dass möglichst keine Flüssigkeit beim Verdichten des von der Zusatzmassenstromabfuhreinheit geführten Teils des Zusatzmassenstroms enthalten ist und zu einer Schädigung des hierzu eingesetzten Verdichters führt, ist vorzugsweise die Zusatzmassenstromabfuhreinheit so ausgebildet, dass sie einen Wärmeübertrager zum Aufheizen des Zusatzmassenstroms vor dessen Verdichten auf Hochdruck aufweist.
Dieser Wärmeübertrager reduziert zwar die Effizienz der Kälteanlage, bietet jedoch eine erhöhte Sicherheit für den Verdichter, der den Massenstrom aus der Zusatzmassenstromabfuhreinheit verdichten soll.
Der Wärmeübertrager könnte dabei von einem beliebigen, Wärme abgebenden Medium durchströmt sein.
Als besonders günstig hat es sich erwiesen, wenn der Wärmeübertrager von dem von der Tiefkühlverdichtereinheit verdichteten Tiefkühlhauptmassenstrom durchströmt ist, welcher durch das Verdichten in der Tiefkühlverdichtereinheit ohnehin aufgeheizt wurde, so dass einerseits dieser Tiefkühlhauptmassenstrom vor einer weiteren Verdichtung durch die erfindungsgemäße Kältemittelverdichtereinheit abgekühlt werden kann, während sich andererseits der von der Zusatzmassenstromabfuhreinheit geführte Massenstrom aufwärmt und folglich sichergestellt werden kann, dass beim Verdichten des von der Zusatzmassenstromabfuhreinheit geführten Massenstroms keine Schädigung des hierzu eingesetzten Verdichters zu befürchten ist.
Wie das Verdichten des von der Zusatzmassenstromabfuhreinheit abgeführten Teils des Zusatzmassenstroms erfolgen soll, wurde bislang nicht näher ausgeführt.
So sieht eine vorteilhafte Lösung vor, dass die Zusatzmassenstromabfuhreinheit den abgeführten Teil des Zusatzmassenstroms einem Economizeranschluss von Kältemittelverdichtern der Kältemittelverdichtereinheit zuführt, so dass dieselben Kältemittelverdichter, die bereits in der Kältemittelverdichtereinheit zum Einsatz kommen auch zum Verdichten des Massenstroms aus der Zusatzmassenstromabfuhreinheit eingesetzt werden können.
Eine andere vorteilhafte Lösung sieht vor, dass die Zusatzmassenstromabfuhreinheit den abgeführten Teil des Zusatzmassenstroms einem Parallelverdichter zuführt, der zusätzlich zu der Kältemittelverdichtereinheit vorgesehen ist.
Beispielsweise arbeitet der Parallelverdichter dann ausgehend von dem Zwischendruck und verdichtet den von der Zusatzmassenstromabfuhreinheit diesem zugeführten Teil des Zusatzmassenstroms auf Hochdruck.
Um den Zwischendruck in einfacher Weise regeln zu können, ist vorzugsweise vorgesehen, dass der Parallelverdichter leistungsgeregelt, insbesondere drehzahlgeregelt, arbeitet.
Ferner ist vorzugsweise vorgesehen, dass durch Leistungsregelung des Parallelverdichters eine Regelung des Zwischendrucks auf einen vorgegebenen Wert erfolgt.
Um jedoch bei Betriebszuständen, bei denen der Hochdruck auf einem sehr niedrigen Wert liegt und insbesondere die Temperatur am das hochdruckseitige Kältemittel kühlenden Wärmeübertrager niedrig ist, keinen Zusatzmassenstrom mit der Zusatzmassenstromabfuhreinheit abzuführen, ist vorzugsweise vorgesehen, dass die Zusatzmassenstromabfuhreinheit durch ein Schaltorgan mit dem Zwischendrucksammler verbindbar oder von diesem trennbar ist.
Ferner ist vorzugsweise vorgesehen, dass die Zusatzmassenstromabfuhreinheit durch ein Schaltorgan mit dem Tiefkühlzwischendrucksammler zur Abfuhr der Gasphase des Zusatzmassenstroms zusammen mit dem Tiefkühlzusatzmassenstrom verbindbar und von diesem trennbar ist.
Durch dieses Zuschaltorgan besteht somit die Möglichkeit, dann, wenn die Zusatzmassenstromabfuhreinheit nicht mehr sinnvoll zur Abfuhr eines Teils des Zusatzmassenstroms aus dem Zwischendrucksammler eingesetzt werden kann, die Zusatzmassenstromabfuhreinheit auch dazu zu verwenden, die Gasphase des Zusatzmassenstroms zusammen mit dem Tiefkühlzusatzmassenstrom aus dem Tiefkühlzwischendrucksammler abzuführen.
In diesem Fall ist insbesondere dann, wenn die Zusatzmassenstromabfuhreinheit zu einem Parallelverdichter führt, die Möglichkeit gegeben, den Parallelverdichter dazu einzusetzen, die Gasphase des Zusatzmassenstroms zusammen mit dem Tiefkühlzusatzmassenstrom aus dem Tiefkühlzwischendrucksammler zu verdichten.
Für eine Regelung ist es ferner sehr günstig, wenn das Zuschaltorgan so angeordnet ist, dass mit diesem gegebenenfalls nicht nur die Gasphase des Zusatzmassenstroms zusammen mit dem Tiefkühlzusatzmassenstrom aus dem Tiefkühlzwischendrucksammler, sondern auch gegebenenfalls noch zumindest ein Teil des auf Niederdruck expandierten Normalkühlmassenstroms verdichtet werden kann.
In diesem Fall ist insbesondere der leistungsgeregelte Parallelverdichter von Vorteil, wenn dieser parallel zur Kältemittelverdichtereinheit arbeitet.
Ganz generell könnte theoretisch die Kältemittelverdichtereinheit mehrere leistungsgeregelte Kältemittelverdichter umfassen.
Vorteilhafterweise ist vorgesehen, dass mindestens einer der Kältemittelverdichter der Kältemittelverdichtereinheit leistungsgeregelt ist.
Üblicherweise ist jedoch aus Kostengründen nur einer der Kältemittelverdichter der Kältemittelverdichtereinheit leistungsgeregelt.
Ein Betrieb der Kälteanlage in verschiedenen Betriebsmodi sieht beispielsweise vor, dass in einem ersten Betriebsmodus die Zusatzmassenstromabfuhreinheit von dem Zwischendrucksammler getrennt ist und dass der gesamte Zusatzmassenstrom expandiert und dem Tiefkühlzwischendrucksammler zugeführt wird.
Diese Lösung hat den Vorteil, dass mit einfachen Mitteln und unabhängig von der Temperatur in dem das auf Hochdruck verdichtete Kältemittel kühlenden Wärmeübertrager sichergestellt werden kann, dass die eingesetzten Kältemittelverdichter keine nennenswerten Flüssigkeitsanteile ansaugen.
Ein Betrieb in den verschiedenen Betriebsmodi sieht beispielsweise weiter vor, dass in einem zweiten Betriebsmodus die Zusatzmassenstromabfuhreinheit mit dem Zwischendrucksammler verbunden ist und einen Teil des Zusatzmassenstroms abführt und ein anderer Teil des Zusatzmassenstroms dem Tiefkühlzwischendrucksammler zugeführt wird.
Diese Lösung hat den Vorteil, dass damit die Effizienz der Kälteanlage gesteigert wird, da ein Teil des Zusatzmassenstroms direkt vom Zwischendruck auf Hochdruck verdichtet wird.
Ein Betrieb in den verschiedenen Betriebsmodi sieht alternativ oder ergänzend zum zweiten Betriebsmodus vor, dass in einem dritten Betriebsmodus die Zusatzmassenstromabfuhreinheit mit dem Zwischendrucksammler verbunden ist und den gesamten Zusatzmassenstrom abführt.
Diese Lösung ist insbesondere bei hohen Temperaturen an dem auf Hochdruck verdichtenden Wärmeübertrager von Vorteil, da bei diesen die Kälteanlage mit größtmöglicher Effizienz arbeitet.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung sind Gegenstand der nachfolgenden Beschreibung sowie der zeichnerischen Darstellung einiger Ausführungsbeispiele.
In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1: eine schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels einer Kälteanlage zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens;
Fig. 2: eine schematische Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels einer Kälteanlage zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens;
Fig. 3: eine Darstellung eines dritten Ausführungsbeispiels einer Kälteanlage zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens;
Fig. 4: eine Darstellung eines vierten Ausführungsbeispiels einer Kälteanlage zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens;
Fig. 5: eine Darstellung eines fünften Ausführungsbeispiels einer Kälteanlage zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens;
Fig. 6: eine Darstellung eines sechsten Ausführungsbeispiels einer Kälteanlage zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens und
Fig. 7: eine schematische Darstellung eines Gebäudes mit einer Kälteanlage zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens.

Ein erstes Ausführungsbeispiel einer Kälteanlage zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens, dargestellt in Fig. 1, umfasst einen als Ganzes mit 10 bezeichneten Kältemittelkreislauf, in welchem eine als Ganzes mit 12 bezeichnete Kältemittelverdichtereinheit angeordnet ist, die im dargestellten Ausführungsbeispiel mehrere einzelne Kältemittelverdichter, beispielsweise drei Kältemittelverdichter 14₁ bis 14₃, aufweist, die alle parallel geschaltet in der Kältemittelverdichtereinheit 12 arbeiten.
Jeder der Kältemittelverdichter 14₁ bis 14₃ weist einen saugseitigen Anschluss 16₁ bis 16₃ auf, wobei alle saugseitigen Anschlüsse 16 der einzelnen Kältemittelverdichter 14 mit einer Sauganschlussleitung 18 der Kältemittelverdichtereinheit 12 verbunden sind.
Ferner weist jeder der Kältemittelverdichter 14 einen druckseitigen Anschluss 22₁ bis 22₃ auf, wobei alle druckseitigen Anschlüsse 22 der einzelnen Kältemittelverdichter 14 mit einer Druckanschlussleitung 24 der Kältemittelverdichtereinheit 12 verbunden sind.
Somit arbeiten alle Kältemittelverdichter 14 parallel, es besteht jedoch die Möglichkeit, die Verdichterleistung der Kältemittelverdichtereinheit 12 dadurch zu variieren, dass einzelne Kältemittelverdichter 14 arbeiten und einzelne Kältemittelverdichter 14 nicht arbeiten.
Ferner besteht die Möglichkeit, die Verdichterleistung der Kältemittelverdichtereinheit 12 durch eine drehzahlvariable Steuerung entweder eines arbeitenden Kältemittelverdichters 14 zu steuern oder die Drehzahl von einzeln arbeitenden Kältemittelverdichter 14 individuell zu steuern.
Die Kältemittelverdichtereinheit 12 verdichtet somit Kältemittel von einem in der Sauganschlussleitung 18 anliegenden Saugdruck, welcher einem Niederdruck PN einer noch zu beschreibenden Normalkühlstufe entspricht, auf einem in der Druckanschlussleitung 24 der Kältemittelverdichtereinheit 12 vorliegenden Hochdruck PH, der beispielsweise im Bereich zwischen 45 bar (450 N/cm²) und 100 bar (1000 N/cm²) liegen kann.
Das unter Hochdruck PH an der Druckanschlussleitung 24 vorliegende Kältemittel bildet einen Gesamtmassenstrom G, der von der Druckanschlussleitung 24 der Kältemittelverdichtereinheit 12 weg strömt, zunächst einen Ölabscheider 32 durchströmt und nach dem Ölabscheider 32 einen hochdruckseitigen Wärmeübertrager 34 durchströmt, durch welchen eine Kühlung des auf Hochdruck verdichteten Kältemittels erfolgt.
Je nachdem, ob ein unterkritischer Kreisprozess oder ein überkritischer Kreisprozess vorliegt, erfolgt durch das Abkühlen des Gesamtmassenstroms G des auf Hochdruck verdichteten Kältemittels im hochdruckseitigen Wärmeübertrager 34 ein Verflüssigen desselben oder lediglich ein Abkühlen desselben auf eine niedrigere Temperatur, wobei im Fall eines überkritischen Kreisprozesses nur eine sensible Wärmeänderung erfolgt.
Wird als Kältemittel Kohlendioxid, das heißt CO₂, eingesetzt, so liegt bei gängigen Umgebungsbedingungen üblicherweise ein überkritischer Kreisprozess vor, bei welchem lediglich eine Abkühlung auf eine Temperatur erfolgt, die einer außerhalb der Tau- und Siedelinie oder Sättigungskurve verlaufenden Isothermen entspricht, so dass keine Verflüssigung des Kältemittels eintritt.
Im Gegensatz dazu sieht ein unterkritischer Kreisprozess vor, dass durch den hochdruckseitigen Wärmeübertrager 34 eine Abkühlung auf eine Temperatur erfolgt, die einer die Tau- und Siedelinie oder Sättigungskurve des Kältemittels durchlaufenden Isothermen entspricht.
Das durch den hochdruckseitigen Wärmeübertrager 34 abgekühlte Kältemittel wird einem in einer Druckleitung 36 angeordneten Expansionsorgan 38 zugeführt, welches den Hochdruck PH entsprechend von einer Steuerung 40 vorgegebenen Werten regelt und welches beispielsweise als durch die Steuerung 40 angesteuertes Expansionsorgan 38 ausgebildet ist und welches das unter Hochdruck PH stehende Kältemittel des Gesamtmassenstroms G auf einen Zwischendruck PZ expandiert, welcher einer die Tau- und Siedelinie oder Sättigungskurve des Kältemittels durchlaufenden Isothermen entspricht.
Die Steuerung 40 steuert das Expansionsorgan 38 gemäß einer Temperatur im Wärmeübertrager 34 und dieser vorgegebenen Einsatzgrenzen der Kältemittelverdichter 14.
Der Zwischendruck PZ liegt beispielsweise im Bereich zwischen 35 bar und 45 bar und wird in möglichst allen Betriebszuständen auf einem vorgegebenen Wert gehalten, so dass die Abweichung von dem vorgegebenen Wert maximal ± 3 bar beträgt.
Durch das Expansionsorgan 38 wird der Gesamtmassenstrom G des Kältemittels in einen thermodynamischen Zustand versetzt, in welchem ein Hauptmassenstrom H in Form von flüssigem Kältemittel vorliegt und ein Zusatzmassenstrom Z in Form von gasförmigen Kältemittel.
Beide Massenströme H und Z werden in einem Zwischendrucksammler 42, der ein Reservoir sowohl für den Hauptmassenstrom H als auch für den Zusatzmassenstrom Z aufweist, gesammelt und in dem Zwischendrucksammler 42 voneinander getrennt, wobei der Hauptmassenstrom H sich im Zwischendrucksammler 42 als Bad 44 aus flüssigem Kältemittel ausbildet, über welchem ein Gasvolumen 46 aus gasförmigem Kältemittel liegt, so dass das Bad 44 den Hauptmassenstrom H aufnimmt und das Gasvolumen 46 den Zusatzmassenstrom Z aufnimmt.
Von dem das Bad 44 aus flüssigem Kältemittel bildenden Hauptmassenstrom H strömt aus dem Zwischendrucksammler 42 ein Normalkühlmassenstrom N als Teilmassenstrom des Hauptmassenstroms H zu einer als Ganzes mit 52 bezeichneten Normalkühlstufe, welche eine oder mehrere, beispielsweise zwei, parallel liegende Normalkühlexpansionseinheiten 54a und 54b aufweist.
Jede dieser Normalkühlexpansionseinheiten 54 umfasst ein Normalkühlexpansionsorgan 56, durch welches eine Expansion des unter Zwischendruck PZ ankommenden Teils des Normalkühlmassenstroms N auf Niederdruck PN erfolgt, wobei eine Abkühlung des Kältemittels in bekannter Art und Weise durch diese Expansion eintritt, die die Möglichkeit eröffnet, in dem jeweiligen auf das Normalkühlexpansionsorgan 56 folgenden Normalkühlwärme-übertrager 58 Wärme aufzunehmen, wodurch eine Enthalpiezunahme entsteht. Der Niederdruck PN liegt beispielsweise im Bereich zwischen 25 bar und 30 bar und wird in alle Betriebszuständen möglichst konstant gehalten, das heißt innerhalb von maximal ± 3 bar des vorgegebenen Wertes des Niederdrucks PN.
Der insgesamt auf Niederdruck PN expandierte Normalkühlmassenstrom N wird von den Normalkühlwärmeübertragern 58 einer Saugleitung 62 zugeführt, die ihrerseits mit der Sauganschlussleitung 18 der Kältemittelverdichtereinheit 12 verbunden ist, so dass dieser expandierte Normalkühlmassenstrom N von der Kältemittelverdichtereinheit 12 wieder auf Hochdruck PH verdichtet werden kann.
Aus dem Hauptmassenstrom H im Zwischendrucksammler 42 wird nicht nur der Normalkühlmassenstrom N als Teilstrom abgezweigt, sondern als weiterer Teilstrom ein Tiefkühlgesamtmassenstrom TG, welcher einer Tiefkühlzwischendruckexpansionseinheit 72 zugeführt wird, welche ebenfalls beispielsweise als Expansionsorgan oder Expansionsventil ausgebildet ist.
Durch die Tiefkühlzwischendruckexpansionseinheit 72 erfolgt eine Expansion des Tiefkühlgesamtmassenstroms TG auf einen Tiefkühlzwischendruck PTZ, der vorzugsweise dem Niederdruck PN entspricht und beispielsweise zwischen 25 bar und 30 bar liegt, so dass aus dem aus flüssigem Kältemittel bestehenden Tiefkühlgesamtmassenstrom TG ein Tiefkühlhauptmassenstrom TH bei einer unterhalb der Temperatur des Hauptmassenstroms liegenden Temperatur sowie ein Tiefkühlzusatzmassenstrom TZ aus dampfförmigem Kältemittel entstehen, die gemeinsam einem Tiefkühlzwischendrucksammler 74 zugeführt werden, wobei der Tiefkühlzwischendrucksammler 74 ein Reservoir sowohl für den Tiefkühlhauptmassenstrom TH als auch für den Tiefkühlzusatzmassenstrom TZ aufweist, diese sammelt und voneinander trennt, wobei der Tiefkühlhauptmassenstrom TH sich als Bad 76 aus flüssigem Kältemittel ausbildet, während der Tiefkühlzusatzmassenstrom TZ ein über dem Bad 76 liegendes Gasvolumen 78 aus gasförmigem Kältemittel in dem Tiefkühlzwischendrucksammler 74 bildet.
Somit erfolgt in dem Tiefkühlzwischendrucksammler 74 eine Trennung des Tiefkühlhauptmassenstroms TH vom Tiefkühlzusatzmassenstrom TZ.
Der Tiefkühlhauptmassenstrom TH wird, ausgehend von dem Tiefkühlzwischendrucksammler 74, einer Tiefkühlstufe 82 zugeführt, welche eine oder mehrere, beispielsweise zwei, parallele Tiefkühlexpansionseinheiten 84 aufweist, die parallel geschaltet sind, wobei jede dieser Tiefkühlexpansionseinheiten 84 ein Tiefkühlexpansionsorgan 86 aufweist, welches einen Teil des Tiefkühlmassenstroms TH von dem Tiefkühlzwischendruck PTZ auf einen Tiefkühlniederdruck PTN expandiert und somit abkühlt, wobei der Tiefkühlniederdruck PTN in allen Betriebszuständen möglichst konstant gehalten wird, so dass die Abweichungen maximal ± 3 bar betragen und beispielsweise zwischen 10 bar und 15 bar liegen.
Das auf Tiefkühlniederdruck PTN abgekühlte Kältemittel wird dann nachfolgend einem tiefkühlniederdruckseitigen Wärmeübertrager 88 zugeführt und ist in dem jeweiligen Tiefkühlwärmeübertrager 88 in der Lage, bei Tiefkühltemperaturen Wärme aufzunehmen, wodurch die Enthalpie erhöht wird.
Der insgesamt in der Tiefkühlstufe 82 auf Tiefkühlniederdruck PTN expandierte Tiefkühlhauptmassenstrom TH wird einer Tiefkühlsaugleitung 92 zugeführt, die mit beiden Tiefkühlwärmeübertrager 88 verbunden ist und den auf Tiefkühlniederdruck PTN expandierten Tiefkühlhauptmassenstrom TH einer als Ganzes mit 102 bezeichneten Tiefkühlverdichtereinheit zuführt, welche beispielsweise mehrere parallel arbeitende Tiefkühlverdichter 104₁ bis 104₃ aufweist, die jeweils saugseitige Anschlüsse 106₁ bis 106₃ aufweisen, welche mit einem Tiefkühlsauganschluss 108 der Tiefkühlverdichtereinheit 102 verbunden sind, der seinerseits wiederum mit der Tiefkühlsaugleitung 92 verbunden ist und den auf Tiefkühlniederdruck PTN expandierten Tiefkühlhauptmassenstrom TH aufnimmt.
Die Tiefkühlverdichter 104 weisen ferner druckseitige Anschlüsse 112₁ bis 112₃ auf, die ihrerseits wiederum mit einer Tiefkühldruckanschlussleitung 114 der Tiefkühlverdichtereinheit 102 verbunden sind.
Die Tiefkühlverdichtereinheit 102 verdichtet den Tiefkühlhauptmassenstrom TH, welcher die Tiefkühlstufe 82 durchströmt hat und auf den Tiefkühlniederdruck PTN expandiert wurde, wiederum auf den Normalkühlniederdruck PN, wobei der auf den Normalkühlniederdruck PN verdichtete Tiefkühlmassenstrom TH über eine Leitung 116 der Sauganschlussleitung 18 der Kältemittelverdichtereinheit 12 zugeführt wird.
In der Leitung 116 ist gegebenenfalls noch ein Wärmeübertrager 118 wahlweise zuschaltbar, welcher eine gegebenenfalls günstige Kühlung des verdichteten Tiefkühlhauptmassenstroms TH erlaubt.
Bei der bisherigen Erläuterung der Funktion des Kältemittelkreislaufes 10 wurden keine Angaben zur Führung des Tiefkühlzusatzmassenstroms TZ und des Zusatzmassenstroms Z gemacht.
Um den Tiefkühlzusatzmassenstrom TZ, der in dem Tiefkühlzwischendrucksammler 74 auf dem Tiefkühlzwischendruck PTZ vorliegt, abzuführen, um den Tiefkühlzwischendruck PTZ möglichst konstant zu halten, ist der Tiefkühlzwischendrucksammler 74 mit einer Abfuhrleitung 122 versehen, welche das Gasvolumen 78 im Tiefkühlzwischendrucksammler 74 mit der Saugleitung 62 verbindet, welche von der Normalkühlstufe 52 zum Sauganschluss 18 der Kältemittelverdichtereinheit 12 führt.
Somit entspricht der Tiefkühlzwischendruck PTZ ungefähr dem Normalkühlniederdruck PN.
Um den Zusatzmassenstrom Z aus dem Zwischendrucksammler 42 abzuführen und den Zwischendruck PZ möglichst konstant zu halten, mündet eine Abfuhrleitung 132 einerseits in das Gasvolumen 46 des Zwischendrucksammlers 42 und andererseits in das Gasvolumen 78 im Tiefkühlzwischendrucksammler 74, wobei zusätzlich in der Abfuhrleitung 132 noch ein Expansionsorgan 134 vorgesehen ist, welches den aus dem Zwischendrucksammler 42 austretenden Zusatzmassenstrom Z von dem Zwischendruck PZ auf den Tiefkühlzwischendruck PTZ und somit von der gesättigten Gasphase ins Nassdampfgebiet expandiert und somit eine zusätzliche Abkühlung desselben bewirkt, so dass der Zusatzmassenstrom Z noch unter generieren von Flüssigkeit weiter abgekühlt wird, bevor er in den Tiefkühlzwischendrucksammler 74 eintritt.
Das Expansionsorgan 134 regelt den Zwischendruck PZ im Zwischendrucksammler 42 auf einen vorgegebenen Wert.
Über die Tiefkühlzwischendruckexpansionseinheit 72 wird das Volumen des Bades 44 aus flüssigem Kältemittel im Zwischendrucksammler 42 und das Volumen des Bades 76 aus flüssigem Kältemittel im Tiefkühlzwischendrucksammler 72 so eingestellt, dass einerseits das Bad 44 ein ausreichend großes Volumen hat und andererseits das Bad 44 ebenfalls ein ausreichend großes Volumen aufweist.
Insbesondere ist vorgesehen, dass der von dem Expansionsorgan 134 expandierte Teil des Zusatzmassenstroms Z dem Gasvolumen 78 im Tiefkühlzwischendrucksammler 74 in einer Abscheidehöhe von 300 mm bis 400 mm über dem konstruktiv vorgegebenen maximal erreichbaren Flüssigkeitsniveau des Bades 76 des Tiefkühlhauptmassenstroms TH im Tiefkühlzwischendrucksammler 74 zugeführt wird.
Bei einer derartigen Zufuhr des expandierten Zusatzmassenstroms Z ist mit großer Wahrscheinlichkeit mit einer ausreichenden Abscheidung der flüssigen Phase im Tiefkühlzwischendrucksammler 74 zu rechnen.
Die Einmündung der Abfuhrleitung 132 in den Tiefkühlzwischendrucksammler 74 liegt dabei so, dass der in den Tiefkühlzwischendrucksammler 74 eintretende Zusatzmassenstrom Z ausreichend weit von der Abfuhrleitung 122, insbesondere einer Einmündung der Abfuhrleitung 122 in den Tiefkühlzwischendrucksammler 74, entfernt ist, um sicherzustellen, dass sich aus dem durch das Expansionsorgan 134 abgekühlten Zusatzmassenstrom Z in dem Gasvolumen 78 des Tiefkühlzwischendrucksammlers 74 der mitgeführte und durch die Abkühlung aufgrund der Expansion im Expansionsorgan 134 gebildete Flüssigkeitsanteil in dem Tiefkühlzwischendrucksammler 74 abscheidet und dann danach der verbleibende gasförmige Zusatzmassenstrom Z wiederum durch die Abfuhrleitung 122 in die Saugleitung 62 eintritt.
Der die Abfuhrleitung 122 durchströmende Zusatzmassenstrom Z' ist dabei reduziert um die Masse des in dem Tiefkühlzwischendrucksammler 74 abgeschiedenen Flüssigkeitsanteils des Zusatzmassenstroms Z, der allerdings im Bereich von weniger als 10% liegt, so dass näherungsweise der Zusatzmassenstrom Z' dem Zusatzmassenstrom Z entspricht.
Somit durchströmt die Abfuhrleitung 122 nicht nur der Tiefkühlzusatzmassenstrom TZ, sondern auch der durch das Gasvolumen 78 im Tiefkühlzwischendrucksammler 74 hindurchgeführte im Wesentlichen gasförmige Anteil des Zusatzmassenstroms Z, die dann beide in die Saugleitung 62 eintreten.
Vorzugsweise beträgt der Flüssigkeitsanteil der die Abfuhrleitung 122 durchströmenden Zusatzmassenströme, nämlich des Tiefkühlzusatzmassenstroms TZ und des Zusatzmassenstroms Z', insgesamt weniger als 5 m-% (Massenprozent), noch besser weniger als 3 m-% und vorzugsweise weniger als 1 m-% der insgesamt die Abfuhrleitung 122 durchsetzenden Massenströme, so dass sichergestellt ist, dass die Kältemittelverdichter 14 der Kältemittelverdichtereinheit 10 in allen Betriebszuständen im Wesentlichen flüssigkeitsfreies Kältemittel ansaugen.
Die Angabe der Massenströme ist ein Mittelwert, der sich bei einem Betrieb des Kältekreislaufs 10 in der beschriebenen Art und Weise während der jeweiligen Betriebszeiträume einstellt.
Bei einem zweiten Ausführungsbeispiel einer Kälteanlage 10 zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens, dargestellt in Fig. 2, sind diejenigen Elemente, die mit denen des ersten Ausführungsbeispiels identisch sind, mit denselben Bezugszeichen versehen, so dass hinsichtlich der Beschreibung derselben vollinhaltlich auf die Ausführungen zum ersten Ausführungsbeispiel Bezug genommen werden kann.
Im Gegensatz zum ersten Ausführungsbeispiel sind bei dem zweiten Ausführungsbeispiel die Kältemittelverdichter 14 so ausgebildet, dass sie nicht nur einen saugseitigen Anschluss 16 und einen druckseitigen Anschluss 22 aufweisen, sondern einen Economizer-Anschluss 21, wobei alle Economizer-Anschlüsse 21₁ bis 21₃ mit einer gemeinsamen Anschlussleitung 152 verbunden sind.
Zwischen dem jeweiligen Economizer-Anschluss 21 und der Anschlussleitung 152 ist ferner noch bei jedem der Kältemittelverdichter 14' ein eigenes Ventil 154₁ bis 154₃ angeordnet, mit welchem eine Verbindung zwischen dem Economizer-Anschluss 21 und der gemeinsamen Anschlussleitung 152 für alle Kältemittelverdichter 14' unterbrochen werden kann.
Die Anschlussleitung 152 führt zu einem Wärmeübertrager 156 und von diesem Wärmeübertrager 156 führt eine Aufnahmeleitung 158 für den Zusatzmassenstrom Z aus dem Zwischendrucksammler 42 zu der Abfuhrleitung 132 und mündet in diese zwischen der Einmündung der Abfuhrleitung 132 in das Gasvolumen 46 und dem Expansionsorgan 134, so dass mit der Aufnahmeleitung 158 zumindest ein Teil des Zusatzmassenstroms Z oder der gesamte Zusatzmassenstrom Z abgeführt werden kann, ohne dass dieser Teil des Zusatzmassenstroms Z oder dieser abgeführte gesamte Zusatzmassenstrom Z in das Gasvolumen 78 des Tiefkühlzwischendrucksammlers 74 einströmt.
Der Wärmeübertrager 156 liegt ferner seinerseits in der Leitung 116, die von der Tiefkühldruckanschlussleitung 114 zu der Sauganschlussleitung 18 führt, so dass durch den Wärmeübertrager 156 die Möglichkeit besteht, den über die Aufnahmeleitung 158 abgeführten Teil des Zusatzmassenstroms Z soweit aufzuwärmen, dass dieser keine Flüssigkeitsanteile mehr enthält, bevor dieser Teil des Zusatzmassenstroms Z über die Economizer-Anschlüsse 21 den einzelnen Kältemittelverdichtern 14 der Kältemittelverdichtereinheit 12 zugeführt wird, die den angesaugten Teil des Zusatzmassenstroms Z von dem Zwischendruck PZ auf Hochdruck PH verdichten.
Durch die Ventile 154 besteht ferner die Möglichkeit, den Anteil des Zusatzmassenstroms Z, der den Economizer-Anschlüssen 21 zugeführt wird, zu regeln oder gegebenenfalls vollständig zu unterbinden, so dass in diesem Fall wiederum zumindest ein nennenswerter Teil, wenn nicht der ganze Zusatzmassenstrom Z, über das Expansionsorgan 134 in das Gasvolumen 78 des Tiefkühlzwischendrucksammlers 74 eintritt.
Bei dem zweiten Ausführungsbeispiel bilden die Anschlussleitung 152 mit den Ventilen 154, der Wärmeübertrager 156 und die Aufnahmeleitung 158 eine Zusatzmassenstromabfuhreinheit 160, mit welcher aus dem Zwischendrucksammler 42 zumindest ein Teil des Zusatzmassenstroms Z abführbar ist, ohne dass eine Expansion erforderlich ist, so dass dieser Teil des Zusatzmassenstroms Z ausgehend von dem Zwischendruck PZ auf Hochdruck PH verdichtet werden kann und somit die Effizienz der Kälteanlage verbessert ist.
Durch Schließen der Ventile 154 besteht jedoch auch die Möglichkeit, die Zusatzmassenstromabfuhreinheit 160 zu deaktivieren.
Bei dem zweiten Ausführungsbeispiel sind diejenigen Elemente, die mit denen des ersten Ausführungsbeispiels identisch sind, mit denselben Bezugszeichen versehen, so dass hinsichtlich der Beschreibung derselben vollinhaltlich auf die Ausführungen zum ersten Ausführungsbeispiel Bezug genommen werden kann.
Bei einem dritten Ausführungsbeispiel einer Kälteanlage 10 zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens, dargestellt in Fig. 3, ist in gleicher Weise wie beim zweiten Ausführungsbeispiel die Aufnahmeleitung 158 vorgesehen, welche zu dem Wärmeübertrager 156 führt und von dem Wärmeübertrager 156 führt in diesem Fall eine Saugleitung 162 zu einem zusätzlich zu der Kältemittelverdichtereinheit 12 vorgesehenen Parallelverdichter 164, und zwar zu einem Sauganschluss 166 desselben, dessen Druckanschluss 172 wiederum mit der Druckanschlussleitung 24 verbunden ist, so dass durch entsprechende drehzahlgeregelte Ansteuerung des Parallelverdichters 164 die Möglichkeit besteht, einen Teil des Zusatzmassenstroms Z aus dem Zwischendrucksammler 42 abzuführen.
Im Übrigen sind bei dem dritten Ausführungsbeispiel die mit dem ersten und zweiten Ausführungsbeispiel identischen Elemente mit denselben Bezugszeichen versehen, so dass hinsichtlich der Beschreibung derselben vollinhaltlich auf die Ausführungen zum ersten und zweiten Ausführungsbeispiel verwiesen werden kann.
Bei einem vierten Ausführungsbeispiel, dargestellt in Fig. 4, sind diejenigen Elemente, die mit denen des ersten, zweiten und dritten Ausführungsbeispiels identisch sind, mit denselben Bezugszeichen versehen, so dass hinsichtlich der Beschreibung derselben vollinhaltlich auf die Ausführungen zu diesen Ausführungsbeispielen Bezug genommen werden kann.
Im Gegensatz zum dritten Ausführungsbeispiel ist bei dem vierten Ausführungsbeispiel in der Aufnahmeleitung 158 ein Schaltventil 182 vorgesehen, welches es erlaubt, eine Aufnahme von Kältemittel aus dem Gasvolumen 46 des Zwischendrucksammlers 42 zu unterbinden.
Zusätzlich ist zwischen dem Schaltventil 182 und dem Wärmeübertrager 156 eine von der Aufnahmeleitung 158 abzweigende Verbindungsleitung 184 zur Saugleitung 62 vorgesehen, in welcher ein als Ganzes mit 186 bezeichnetes Rückschlagventil vorgesehen ist, welches lediglich einen Durchfluss von Kältemittel von der Saugleitung 62 in Richtung der Aufnahmeleitung 158 erlaubt.
Durch Verschließen des Schaltventils 182 besteht bei einem Betrieb des Parallelverdichters 164 die Möglichkeit, die Kältemittelverdichter 14 der Kältemittelverdichtereinheit 12 hinsichtlich ihrer Verdichterleistung zu unterstützen, da in diesem Fall über das Rückschlagventil 186 Kältemittel aus der Saugleitung 62 in die Aufnahmeleitung 158 eingesaugt werden kann und über die Saugleitung 162 dem vorzugsweise drehzahlgeregelten Parallelverdichter 164 zugeführt werden kann, der somit parallel zu den Kältemittelverdichtern 14 der Kältemittelverdichtereinheit 12 arbeitet, wobei vorzugsweise einer der Kältemittelverdichter 14 ebenfalls drehzahlgeregelt ist, so dass insgesamt zwei jeweils leistungsgeregelter oder drehzahlgeregelte Kältemittelverdichter zur Verfügung stehen.
Ferner ist eine Steuerung 192 vorgesehen, welche einerseits das Schaltventil 182 und andererseits den Parallelverdichter 164 ansteuert, und zwar entsprechend den vorhandenen Lastzuständen.
So wird bei Volllastbetrieb, beispielsweise im Sommer, der Kältemittelkreislauf 10 derart betrieben, dass der Hochdruck PH beispielsweise bei ungefähr 90 bar liegt.
Der Zwischendruck PZ im Zwischendrucksammler 42 wird bei ungefähr 40 bar gehalten.
Ferner liegt beispielsweise der Niederdruck PN bei ungefähr 28 bar.
In diesem Fall arbeitet der Parallelverdichter 164 bei geöffnetem Schaltventil 182, so dass der gesamte Zusatzmassenstrom Z über die Aufnahmeleitung 158, den Wärmeübertrager 156 und die Saugleitung 162 dem Sauganschluss 166 des Parallelverdichters 164 zugeführt wird, der dann den Zusatzmassenstrom auf den Hochdruck PH verdichtet, der am Druckanschluss 172 desselben anliegt.
In einem Teillastbetrieb, beispielsweise im Winter, wird der Hochdruck PH jedoch abgesenkt, beispielsweise auf 45 bar. In diesem Fall wird durch die Steuerung 192 das Schaltventil 182 geschlossen und der Parallelverdichter 164 arbeitet parallel zu der Kältemittelverdichtereinheit 12, wobei hierzu über die Zweigleitung 184 und das Rückschlagventil 186 Kältemittel aus der Saugleitung 62 in die Aufnahmeleitung 158 eingesaugt wird, den Wärmeübertrager 156 durchströmt und über die Saugleitung 162 dem Sauganschluss 166 des Parallelverdichters 164 zugeführt wird.
In diesem Fall strömt der Zusatzmassenstrom Z über das Expansionsorgan 134, welches in der Abfuhrleitung 132 angeordnet ist, von dem Gasvolumen 46 im Zwischendrucksammler 42 in das Gasvolumen 78 des Tiefkühlzwischendrucksammlers 74, wobei, wie bereits im Zusammenhang mit dem ersten Ausführungsbeispiel im Detail beschrieben, in dem Gasvolumen 78 im Tiefkühlzwischendrucksammler 74 ein Abscheiden von durch Expansion des Zusatzmassenstroms Z entstehender Flüssigkeit in dem Tiefkühlzwischendrucksammler 74 erfolgt.
Somit saugt der Parallelverdichter 164 im Teillastbetrieb Kältemittel aus der Saugleitung 62 bei Niederdruck PN an und verdichtet das Kältemittel auf den Hochdruck PH, der allerdings lediglich im Bereich von beispielsweise in diesem Fall 45 bar liegt.
Bei einem fünften Ausführungsbeispiel einer Kälteanlage zur Durchführunge eines erfindungsgemäßen Verfahrens, dargestellt in Fig. 5, sind diejenigen Elemente, die mit denen der voranstehenden Ausführungsbeispiele identisch sind, mit denselben Bezugszeichen versehen, so dass diesbezüglich vollinhaltlich auf die Ausführungen zu den voranstehenden Ausführungsbeispielen Bezug genommen wird.
Im Gegensatz zum vierten Ausführungsbeispiel ist anstelle des Schaltventils 182 ein Dreiwegeventil 202 in der Aufnahmeleitung 158 vorgesehen, welches in der Lage ist, entweder die Zweigleitung 184 mit der Aufnahmeleitung 158 zu verbinden und die Verbindung zwischen der Aufnahmeleitung 158 und der Abfuhrleitung 132 zu unterbrechen oder die Verbindung zwischen der Aufnahmeleitung 158 und der Abfuhrleitung 132 herzustellen und dafür die Verbindung zwischen der Zweigleitung 184 und der Aufnahmeleitung 158 zu unterbrechen.
Dieses Dreiwegeventil 202 ist dabei ebenfalls durch eine Steuerung 192 steuerbar, die außerdem auch den Parallelverdichter 164 ansteuert, in gleicher Weise wie dies im Zusammenhang mit dem vierten Ausführungsbeispiel beschrieben wurde, wobei nunmehr anstelle der Ansteuerung des Schaltventils 182 eine Ansteuerung des Dreiwegeventils 202 erfolgt.
Bei einem sechsten Ausführungsbeispiel einer Kälteanlage zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens, dargestellt in Fig. 6, sind diejenigen Elemente, die mit denen der voranstehenden Ausführungsbeispiele identisch sind, mit demselben Bezugszeichen versehen, so dass diesbezüglich vollinhaltlich auf die Ausführungen zu den voranstehenden Ausführungsbeispielen Bezug genommen werden kann.
Im Unterschied zum fünften Ausführungsbeispiel ist anstelle des Dreiwegeventils 202 ein Dreiwegeventil 204 vorgesehen, welches einerseits mit der Sauganschlussleitung 18 andererseits mit der Saugleitung 162 verbunden ist und in der Lage ist, eine dieser Leitungen 18 oder 162 mit dem Sauganschluss 166 des Parallelverdichters 164 zu verbinden.
Damit schafft das Dreiwegeventil 204 die Möglichkeit, dem Parallelverdichter 164 entweder einen Teil des Zusatzmassenstroms Z oder den gesamten Zusatzmassenstrom Z über die Saugleitung 162, den Wärmeübertrager 156 und die Aufnahmeleitung 158 zuzuführen oder dem Parallelverdichter 164 über die Sauganschlussleitung 18 expandiertes Kältemittel aus dem Normalkühlmassenstrom N und dem Tiefkühlhauptmassenstrom TH zum Verdichten zuzuführen.
Das Dreiwegeventil 204 ist dabei ebenfalls durch die Steuerung 192 steuerbar, die außerdem auch den Parallelverdichter 164 ansteuert, in gleicher Weise wie dies im Zusammenhang mit dem vierten Ausführungsbeispiel beschrieben wurde, wobei anstelle der Ansteuerung des Schaltventils 182 eine Ansteuerung des Dreiwegeventils 204 erfolgt, um dieselben Betriebszustände zu realisieren.
Eine Kälteanlage 10 gemäß den vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen lässt sich - wie in Fig. 7 dargestellt - insbesondere zum energieoptimierten Betrieb eines Gebäudes 210, insbesondere eines Lebensmittelmarkts, einsetzen, wobei in einem Innenraum 212 des Gebäudes 210 Einrichtungen vorgesehen sind.
In dem Innenraum 212 des Gebäudes 210 ist beispielsweise eine Kühleinrichtung 214 vorgesehen, in welcher Kühlgut oder Objekte, beispielsweise Lebensmittel, auf einer Normalkühltemperatur, das heißt einer Temperatur im Bereich von üblicherweise 0°C bis 5°C gehalten werden, wobei die Kühlung dieser Kühleinrichtung durch die Normalkühlstufe 52 der erfindungsgemäßen Kälteanlage 10 erfolgt.
Ferner ist in dem Innenraum 212 eine Tiefkühleinrichtung 216 vorgesehen, in welcher tiefgekühltes Gut oder Objekte, beispielsweise Gefriergut, auf Tiefkühltemperatur gehalten wird, beispielsweise bei einer Temperatur im Bereich von -30°C bis -10°C.
Die Kühlung der Tiefkühleinrichtung 216 erfolgt dabei durch die Tiefkühlstufe 82 der erfindungsgemäßen Kälteanlage 10.
Bis auf die Normalkühlstufe 52, die Tiefkühlstufe 82 und den Wärmeübertrager 34 sind vorzugsweise alle übrigen Komponenten der erfindungsgemäßen Kälteanlage 10 in einem Raum 218 angeordnet, der entweder Teil des Gebäudes 210 sein kann oder neben dem Gebäude 210 angeordnet werden kann.
Der außerhalb des Raums 218 angeordnete Wärmeübertrager 34 saugt seinerseits beispielsweise Umgebungsluft 222 ein, um mit dieser Umgebungsluft 222 das unter Hochdruck PH stehende Kältemittel zu kühlen.
Um das Gebäude 210 energieeffizient betreiben zu können, ist dem hochdruckseitigen Wärmeübertrager 34, der außerhalb des Gebäudes 210 angeordnet ist und zum Wärmeaustausch mit der Umgebungsluft 222 dient, ein Wärmeübertrager 224 parallelgeschaltet, welcher dem Gebäude 210 zugeordnet ist und dazu dient, in den Innenraum 212 des Gebäudes 210 abzugebende Innenluft 226 aufzuwärmen, wobei hierzu der Wärmeübertrager 224 je nach Bedarf Umgebungsluft 222 des Gebäudes 210 und/oder Innenluft des Gebäudes 210 zum Aufheizen ansaugen kann.
Somit kann die auf der Hochdruckseite der erfindungsgemäßen Kälteanlagen 10 anfallende Wärme energieeffizient zur Gebäudeheizung genutzt werden, insbesondere in Zeiten, in denen die Außentemperatur des Gebäudes 210 unterhalb einer im Innenraum 212 desselben anzustrebenden Raumtemperatur liegt.
Darüber hinaus ist in dem Gebäude 210, insbesondere in dem Innenraum 212 desselben, noch ein Kühlwärmeübertrager 232 vorgesehen, welcher dazu dient, den Innenraum 212 des Gebäudes 210 bei zu hohen Außentemperaturen oder bei Sonneneinstrahlung zu kühlen.
Der Kühlwärmeübertrager 232 wird dabei beispielsweise gespeist durch einen dem Zwischendrucksammler 42 zugeordneten Parallelkreislauf 242, welcher aus dem Bad 44 des flüssigen Kältemittels im Zwischendrucksammler 42 über eine Zuleitung 244 flüssiges Kältemittel bei einer dem Zwischendruck PZ im Zwischendrucksammler 42 entsprechenden Temperatur aufnimmt, in einem Verdampfer 246 verdampft und über eine Ableitung 248 wieder dem Gasvolumen 46 des Zwischendrucksammlers 42 zuführt.
Dabei ist vorzugsweise der Verdampfer 246 als überfluteter Verdampfer ausgeführt, welcher durch aufgrund der Schwerkraft in diesen eintretendes flüssiges Kältemittel gekühlt wird, wobei dieses Kältemittel dann in diesem Verdampfer 246 verdampft.
Vorzugsweise ist zur Steuerung oder Regelung des Parallelkreislaufs 242 noch ein Steuerungselement 252 vorgesehen, welches im einfachsten Fall ein Ventil oder im etwas komplexeren Fall eine leistungsgesteuerte Pumpe für flüssiges Kältemittel sein kann.
Der Verdampfer 246 kühlt beispielsweise seinerseits einen Übertragerkreislauf 262, in welchem beispielsweise ein Wärmeübertragermedium, wie Luft, Sole oder Wasser zirkuliert, das dann seinerseits den Kühlwärmeübertrager 232 im Gebäude 210 durchströmt und dort zur Kühlung eines Luftstroms 264 eingesetzt werden kann, wobei dieser Luftstrom 264 im einfachsten Fall ein Luftstrom aus umgewälzter Innenluft 226 des Gebäudes 210 sein kann.
Typischerweise liegen im Zwischendrucksammler 42 Temperaturen zwischen 5°C und 0°C vor, so dass mit diesen Temperaturen der Kühlwärmeübertrager 232 betrieben und somit in einfacher Weise der Luftstrom 264, welcher den Kühlwärmeübertrager 232 durchströmt, gekühlt werden kann.
Eine derartige Kühlung bedingt andererseits wiederum einen erhöhten Zusatzmassenstrom Z, der im Zwischendrucksammler 42 anfällt und dabei entweder über die Abfuhrleitung 132 und das Expansionsorgan 134 in den Tiefkühlzwischendrucksammler 74 eingeleitet werden muss und dann nach Durchströmen desselben wiederum von der Kältemittelverdichtereinheit 12 verdichtet werden muss oder über die Zusatzmassenstromabfuhreinheit 160 abgeführt werden muss. In jedem Fall fällt dabei mehr Wärme auf der Hochdruckseite an, die entweder von dem Wärmeübertrager 34 an die Umgebung des Gebäudes 210 abgeführt werden kann oder gegebenenfalls bei günstigen Verhältnissen von dem Wärmeübertrager 224 zur Aufheizung des Gebäudes 210 genutzt werden kann, zum Beispiel nach einer Entfeuchtung von Außenluft, welche der Innenluft 226 dem Gebäude 210 als Zuluft zugeführt werden kann.
Ferner ist auch dem Tiefkühlzwischendrucksammler 74 ein Parallelkreislauf 272 zugeordnet, welcher eine von dem Bad 76 im Tiefkühlzwischendrucksammler 74 flüssiges Kältemittel aufnehmende Zuleitung 274 aufweist, welche dieses Kältemittel einem Verdampfer 276 zuführt, der seinerseits das flüssige Kältemittel verdampft und über eine Ableitung 278 wiederum dem Gasvolumen 78 im Tiefkühlzwischendrucksammler 74 zuführt.
Auch bei diesem Parallelkreislauf 272 ist der Verdampfer 276 beispielsweise als überfluteter Verdampfer ausgebildet, so dass das flüssige Kältemittel aufgrund der Schwerkraft in diesen eintritt, im Verdampfer 276 verdampft wird und dann gasförmig über die Zuleitung 274 wieder dem Gasvolumen 78 im Tiefkühlzwischendrucksammler 74 zugeführt wird.
Zur Steuerung oder Regelung des Parallelkreislaufs 272 ist in der Zuleitung 274 ebenfalls ein Steuerelement 282 vorgesehen, das entweder in Form eines Schaltventils oder gegebenenfalls auch in Form einer leistungsgesteuerten Pumpe ausgeführt sein kann.
Der Verdampfer 276 ist ferner gekoppelt mit einem Kreislauf 292, in welchem ein externer Wärmeübertrager 294 angeordnet ist, der außerhalb des Gebäudes 210 und auch außerhalb des Raums 218 angeordnet ist.
Mit diesem Wärmeübertrager 294 besteht beispielsweise die Möglichkeit, bei tiefen Umgebungstemperaturen Wärme aufzunehmen und diese Wärme dem Kältemittelkreislauf 12 zuzuführen, um wiederum mehr Wärme an dem Wärmeübertrager 224 zur Kühlung des auf Hochdruck PH verdichteten Kältemittels zur Verfügung zu haben und damit beispielsweise im Winter bei niedrigen Außentemperaturen den Innenraum 212 des Gebäudes 210 aufheizen zu können.
Das heißt, dass in diesem Fall die erfindungsgemäße Kälteanlage 10 nicht nur dazu dient, in dem Gebäude 210 die Kühleinrichtung 214 und die Tiefkühleinrichtung 216 zu betreiben, sondern auch gleichzeitig den Innenraum 212 des Gebäudes über den Wärmeübertrager 224 aufzuheizen.
Beispielsweise liegt bei üblichen Drücken im Tiefkühlzwischendrucksammler 74 das Kältemittel bei einer Temperatur zwischen -12°C und -5°C vor, so dass bei Außentemperaturen, die höher sind als die gesättigte Temperatur im Tiefkühlzwischendrucksammler 74, stets über den Wärmeübertrager 294 Wärme aufgenommen werden kann, die wiederum dann über den Wärmeübertrager 224 in den Innenraum 212 des Gebäudes 210 abgegeben werden kann.

Claims

Verfahren zum Betrieb einer Kälteanlage umfassend einen Kältemittelkreislauf (10), in welchem ein Gesamtmassenstrom (G) eines Kältemittels geführt ist, einen in dem Kältemittelkreislauf (10) angeordneten, hochdruckseitiges Kältemittel kühlenden Wärmeübertrager (34), ein im Kältemittelkreislauf (10) angeordnetes Expansionsorgan (38), das im aktiven Zustand den Gesamtmassenstrom (G) des Kältemittels durch Expansion kühlt und dabei einen Hauptmassenstrom (H) aus flüssigem Kältemittel und einen Zusatzmassenstrom (Z) aus gasförmigem Kältemittel erzeugt, die in einen Zwischendrucksammler (42) eintreten und in diesem in den Hauptmassenstrom (H) und den Zusatzmassenstrom (Z) getrennt werden, mindestens eine Normalkühlstufe (52), welche aus dem Hauptmassenstrom (H) in dem Zwischendrucksammler (42) einen Normalkühlmassenstrom (N) abführt und in mindestens einer Normalkühlexpansionseinheit (54) auf einen Niederdruck (PN) expandiert und dabei Kälteleistung für Normalkühlung zur Verfügung stellt, eine Tiefkühlzwischendruckexpansionseinheit (72), welche einen aus dem Hauptmassenstrom (H) im Zwischendrucksammler (42) entnommenen Tiefkühlgesamtmassenstrom (TG) auf einen Tiefkühlzwischendruck (PTZ) expandiert, dabei abkühlt und einen Tiefkühlhauptmassenstrom (TH) aus flüssigem Kältemittel sowie einen Tiefkühlzusatzmassenstrom (TZ) aus gasförmigem Kältemittel erzeugt und diese einem Tiefkühlzwischendrucksammler (74) zuführt, in welchem eine Trennung des Tiefkühlhauptmassenstroms (TH) von dem Tiefkühlzusatzmassenstrom (TZ) erfolgt, eine den Tiefkühlhauptmassenstrom (TH) aus dem Tiefkühlzwischendrucksammler (74) abführende Tiefkühlstufe (82), welche mindestens eine Tiefkühlexpansionseinheit (84) aufweist und durch Expansion des Tiefkühlhauptmassenstroms (TH) auf einen Tiefkühlniederdruck (PTN) Kälteleistung zur Tiefkühlung zur Verfügung stellt, eine Tiefkühlverdichtereinheit (102), welche den auf Tiefkühlniederdruck (PTN) expandierten Tiefkühlhauptmassenstrom (TH) verdichtet und einer den Normalkühlmassenstrom (N) von Niederdruck (PN) auf Hochdruck (PH) verdichtenden Kältemittelverdichtereinheit (12) ebenfalls zur Verdichtung auf Hochdruck (PH) zuführt,
dadurch gekennzeichnet, dass der Zusatzmassenstrom (Z) aus dem Zwischendrucksammler (42) über ein Expansionsorgan (134) expandiert und in den Tiefkühlzwischendrucksammler (74) eintritt, dass sich im Tiefkühlzwischendrucksammler (74) eine durch Expansion mittels des Expansionsorgans (134) gebildete Flüssigphase in dem Tiefkühlhauptmassenstrom (TH) innerhalb des Tiefkühlzwischendrucksammlers (74) abscheidet und dass eine sich im Tiefkühlzwischendrucksammler (74) ausbildende Gasphase des Zusatzmassenstroms (Z) zusammen mit dem Tiefkühlzusatzmassenstrom (TZ) in eine Zusatzmassenstromverdichtereinheit zum Verdichten auf Hochdruck (PH) eintritt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Gasphase des Zusatzmassenstroms (Z) zusammen mit dem Tiefkühlzusatzmassenstrom (TZ) von dem Tiefkühlzwischendrucksammler (74) expansionsfrei der Zusatzmassenstromverdichtereinheit zugeführt wird, dass insbesondere ein Tiefkühlzwischendruck (PTZ) im Tiefkühlzwischendrucksammler (74) in einem Druckbereich liegt, der von dem Niederdruck (PN) bis zu dem Zwischendruck (PZ) reicht und dass insbesondere der Tiefkühlzwischendruck (PTZ) im Bereich des Niederdrucks (N) liegt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kältemittelverdichtereinheit (12) eine Zusatzmassenstromverdichtereinheit bildet.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Gasphase des Zusatzmassenstroms (Z) zusammen mit dem Tiefkühlzusatzmassenstrom (TZ) von dem Tiefkühlzwischendrucksammler (74) zusammen mit dem auf Niederdruck (PN) expandierten Normalkühlmassenstrom (N) der Kältemittelverdichtereinheit (12) zugeführt wird.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der durch das Expansionsorgan (134) expandierte Zusatzmassenstrom in den Tiefkühlzwischendrucksammler (74) räumlich getrennt von einer vom Tiefkühlzwischendrucksammler (74) wegführenden Abfuhrleitung (122) für den Tiefkühlzwischendrucksammler (74) mündet.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Zusatzmassenstrom (Z) aus der sich im Zwischendrucksammler (42) bildenden Gasvolumen (46) über eine Abfuhrleitung (132) dem Tiefkühlzwischendrucksammler (74) zugeführt und durch das in der Abfuhrleitung (132) vorgesehene Expansionsorgan (134) auf den Tiefkühlzwischendruck (PTZ) entspannt wird und dass insbesondere der durch das Expansionsorgan (134) entspannte Zusatzmassenstrom (Z) einem Gasvolumen (78) im Tiefkühlzwischendrucksammler (74) zugeführt wird.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Zusatzmassenstromabfuhreinheit (160) vorgesehen ist, mit welcher zumindest in bestimmten Betriebsmodi zumindest ein Teil des Zusatzmassenstroms (Z) aus dem Zwischendrucksammler (42) entnommen und ohne weitere Expansion ausgehend von dem Zwischendruck (PZ) einer Verdichtung auf Hochdruck (PH) zugeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Zusatzmassenstromabfuhreinheit (160) einen Wärmeübertrager (156) zum Aufheizen des Zusatzmassenstroms (Z) vor dessen Verdichten auf Hochdruck (PH) aufweist.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeübertrager (156) von dem von der Tiefkühlverdichtereinheit (102) verdichteten Tiefkühlhauptmassenstrom (TH) durchströmt ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Zusatzmassenstromabfuhreinheit (160) den abgeführten Teil des Zusatzmassenstroms (Z) einem Economizeranschluss (21) von Kältemittelverdichtern (14') der Kältemittelverdichtereinheit (12') zuführt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Zusatzmassenstromabfuhreinheit (160) den abgeführten Teil des Zusatzmassenstroms (Z) einem Parallelverdichter (164) zuführt, der zusätzlich zur Kältemittelverdichtereinheit (12) vorgesehen ist.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Parallelverdichter (164) leistungsgeregelt arbeitet, und dass insbesondere durch Leistungsregelung des Parallelverdichters (164) eine Regelung des Zwischendrucks (PZ) auf einen vorgegebenen Wert erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Zusatzmassenstromabfuhreinheit (160) durch ein Schaltorgan (182, 202, 204) mit dem Zwischendrucksammler (42) verbindbar oder von diesem trennbar ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Zusatzmassenstromabfuhreinheit (160) durch ein Schaltorgan (186, 202, 204) mit dem Tiefkühlzwischendrucksammler (74) zur Abfuhr der Gasphase des Zusatzmassenstroms (Z) zusammen mit dem Tiefkühlzusatzmassenstrom (TZ) verbindbar und von diesem trennbar ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass in einem ersten Betriebsmodus die Zusatzmassenstromabfuhreinheit (160) von dem Zwischendrucksammler (42) getrennt ist und dass der gesamte Zusatzmassenstrom (Z) expandiert und dem Tiefkühlzwischendrucksammler (74) zugeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass in einem zweiten Betriebsmodus die Zusatzmassenstromabfuhreinheit (160) mit dem Zwischendrucksammler (42) verbunden ist und einen Teil des Zusatzmassenstroms (Z) abführt und ein anderer Teil des Zusatzmassenstroms (Z) dem Tiefkühlzwischendrucksammler (74) zugeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass in einem dritten Betriebsmodus die Zusatzmassenstromabfuhreinheit (160) mit dem Zwischendrucksammler (42) verbunden ist und den gesamten Zusatzmassenstrom (Z) abführt.