WO2014131606A1 - Kältemaschine und verfahren zum betreiben einer kältemaschine - Google Patents

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WO2014131606A1
WO2014131606A1 PCT/EP2014/052532 EP2014052532W WO2014131606A1 WO 2014131606 A1 WO2014131606 A1 WO 2014131606A1 EP 2014052532 W EP2014052532 W EP 2014052532W WO 2014131606 A1 WO2014131606 A1 WO 2014131606A1
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WO
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fluid
heat
chiller
compression
evaporation
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PCT/EP2014/052532
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English (en)
French (fr)
Inventor
Bernd Gromoll
Florian REISSNER
Original Assignee
Siemens Aktiengesellschaft
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B1/00—Compression machines, plants or systems with non-reversible cycle
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B40/00—Subcoolers, desuperheaters or superheaters
    • F25B40/06—Superheaters
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B9/00—Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point
    • F25B9/002—Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point characterised by the refrigerant

Definitions

  • the invention relates to a cooling machine with a fluid, with at least one condensation device for condensing the fluid, with at least one expansion device for expanding the fluid, with at least one evaporation device for evaporating the fluid and with at least one compression device for compressing the fluid fluid.
  • the invention also relates to a method for operating such a refrigerating machine.
  • a chiller of the type mentioned is used, for example, to increase the comfort in motor vehicles, wherein chillers are commonly known under the term air conditioning.
  • a chiller is a machine that uses thermal energy, in the form of heat, from a heat source with lower temperature, ie z. B. from a vehicle compartment to be cooled, absorbs and together with the drive energy of the compressor as waste heat to a heat sink, z. B. the ambient air of the vehicle, emits at a higher temperature.
  • a fluid which is also referred to as a refrigerant, is guided in a cyclic process. This cycle is also referred to as a thermodynamic vapor compression cycle.
  • R134a is a highly efficient fluid for vehicle air conditioners and refrigerators in general, but has a very high global warming potential of 1300. Because of this were various fluids are considered as refrigerants to substitute R134a.
  • the two most significant fluids used to replace R134a in vehicle air conditioners include C0 2 and R1234yf.
  • C0 2 is environmentally safe and has by definition a global warming potential of 1.
  • high process pressures are required. This is particularly disadvantageous for the use of C0 2 in vehicle air conditioning systems, since the air conditioning system would have to be designed for an operating pressure of at least 200 bar. This is accompanied by an additional expenditure of material and thus a weight increase for the vehicle.
  • the high pressure causes a relatively large amount of fluid in the system, which could enter the vehicle interior in the event of an accident and possible leakage of the air conditioning system. Since already in a C0 2 share of three percent by volume in the breathing air, the occupants in the vehicle can be damaged, C0 2 is unsuitable as a refrigerant for mobile chillers.
  • R1234yf With a global warming potential of four, R1234yf is within the specifications for refrigerants of air conditioning systems of future vehicles. R1234yf can replace the substance R134a as a refrigerant without having to modify the air conditioner. However, for safety reasons, R1234yf is particularly unsuitable for use in vehicle air conditioning systems, since at very high temperatures (eg vehicle fire) very toxic decomposition products can form, including hydrofluoric acid.
  • Object of the present invention is to provide a refrigerator of the type mentioned, and a method for operating such a refrigerator, in which fluids can be used, which have a low global warming potential and are safe from safety.
  • This object is achieved by a refrigerating machine having the features of patent claim 1 and by a method having the features of patent claim 8.
  • Advantageous embodiments with expedient developments of the invention are specified in the dependent claims.
  • the refrigerating machine comprises a fluid whose tau line is inclined in the direction of increasing entropy at least in a predominant region of its course in the T-S diagram. Furthermore, the refrigerating machine comprises at least one heat supply device, by means of which the fluid in the flow direction downstream of the evaporation device and upstream of the compression device can be heated.
  • the refrigerating machine comprises at least one heat supply device, by means of which the fluid in the flow direction downstream of the evaporation device and upstream of the compression device can be heated.
  • both the temperature and the entropy of the refrigerant are increased.
  • the refrigerant can be compressed, so its pressure can be increased without a phase change occurs.
  • the refrigerant is in a gaseous phase both before compression and after compression.
  • the supply of energy in the form of heat is required in particular when the refrigerant used has a strongly overhanging 2-phase region in its underlying T-s diagram (temperature-entropy diagram). From an overhanging 2-phase
  • Tau line of the corresponding fluid is inclined at least in a predominant region of its course in the direction of increasing entropy.
  • the presence of the refrigerant in the form of a gas phase both before and after its compression is particularly advantageous because a phase change from the gas phase to a 2-phase region consisting of gas phase and liquid phase, to damage to the compression device, in the form of, for example Can cause fluid shocks.
  • the heat supply device comprises at least one heat exchanger through which the fluid flows, by means of which the fluid after its condensation and before its evaporation, a quantity of heat can be removed. Furthermore, by means of the heat exchanger, the heat quantity can be at least partially supplied to the fluid after it has evaporated and prior to its compression.
  • a heat exchanger transfers heat from a flow of higher temperature to a stream of lower temperature. If, on the one side of the heat-transferring surface of the heat exchanger, there are warm refrigerants after its condensation and before its evaporation, and on the other side of the heat-transferring surface, after its evaporation and prior to its compression, cold refrigerants, then Heat exchange before the fluid is particularly easy to be placed in a state of higher temperature and higher entropy before its compression.
  • the heat exchanger is therefore flowed through both on its warm material flow leading side, as well as on its cold material flow leading side of the refrigerant, with the difference that on the one hand, the refrigerant is warmer than on the other side.
  • the heat transfer is particularly effective when the refrigerant flows in the direction of flow shortly after the condensation device in the heat exchanger and dissipates a portion of its heat to the colder refrigerant on the other side of the heat exchanger. If the other side of the heat exchanger is arranged such that the heat is transferred to the colder refrigerant in the flow direction shortly before the refrigerant enters the compression device, then the heat losses are particularly low. In other words, therefore, part of the accumulating condensate subcooling heat is supplied to the fluid before its compression by means of fewer components and thus in a particularly space-saving and weight-saving manner. The saving of space and weight is especially important for the mobile use of chillers. As further advantageous, it has been shown that the amount of heat can be removed, in particular before the expansion of the fluid and the fluid after its evaporation and before its compression is at least partially supplied.
  • Heat exchanger is withdrawn heat, there is a larger amount of transferable heat available. Expansion is thermodynamically an irreversible process. In other words, with respect to the T-s
  • the heat supply device has at least one heat transfer module, in particular at least one heat exchanger and / or at least one electrical heating element.
  • Heat exchanger as well as an electric heating element, in particular as PTC element, or another heating device can be configured, is via an external source with
  • the temperature of the refrigerant before its compression is not yet large enough that an at least partial phase change of the refrigerant could be prevented during its compression.
  • the refrigerant may also be preconditioned prior to entering the compression device during a cold start of the chiller, so that the refrigerant is present both before, as well as after its compression in the gas phase. This phase change is prevented particularly effectively if the heat transfer by this heat transfer module takes place offset in time shortly before the start of the compression by the compression device, which can be designed as a compressor.
  • the chiller comprises an expansion valve, by means of which the evaporation pressure and the overheating of the at least one
  • Evaporating device inflowing fluid is adjustable.
  • the evaporation pressure and the overheating of the fluid flowing into the evaporation device can be set.
  • both the evaporation pressure and the overheating of the refrigerant can thus be controlled and / or regulated.
  • the evaporation pressure and the overheating of the refrigerant can be set particularly precisely if regulation of the evaporation pressure and overheating by z.
  • an automatic expansion valve with evaporator pressure control or an electronically controlled expansion valve with stepper motor control, or z.
  • B. a thermostatically controlled expansion valve with sensor at the evaporator fluid outlet or z. B. is regulated by means of a capillary tube.
  • the refrigerator can be used in particular as an air conditioner for motor vehicles. Since the heat exchanger of the heat supply device is preferably fully integrated into the fluid circuit of the refrigerator, the supply of heat by an external power supply of the heat transfer module is required only until the heat transferable heat of the heat exchanger is large enough to increase the temperature of the refrigerant so far that Even with compression of the refrigerant by the compressor, the refrigerant is still in the single-phase, gaseous state.
  • the energy supply of the heat tragungsmoduls can be particularly easily done via the electrical system of the vehicle, if the heat transfer module is designed as an electric heating element.
  • the heat transfer module can also be designed as a heat exchanger, wherein the heat transfer can be done by a sufficiently warm operating medium of the vehicle. In this case, however, it must be accepted that the heating of the refrigerant takes place more slowly than with an electric heater, since the heating then depends on the temperature of the medium of the vehicle involved in the heat exchange. If the media of the vehicle, in the case of a cold vehicle cold start also cold, the cold start of the chiller is delayed. It is particularly advantageous if the global warming potential of the fluid is less than 10.
  • fluoroketones are commonly used as insulation gas and fire fighting agents and, in addition to a low global warming potential of a value less than 10, also have the properties particularly favorable for vehicle applications to be non-flammable and not harmful to health.
  • Such supplies for refrigerators can be used within the legal framework future-proof in chillers and in particular in vehicle air conditioning systems.
  • this fluid is condensed by means of at least one condensation device, expanded by means of at least one expansion device, evaporated by means of at least one evaporation device and compressed by means of at least one compression device.
  • Tau line of the fluid is at least predominantly rich in its course in the Ts-diagram inclined in the direction of increasing entropy.
  • the chiller comprises at least one heat supply device, by means of which the fluid is heated in its flow direction downstream of the evaporation device and upstream of the compression device.
  • FIG. 1 schematically shows a cyclic process in the form of a thermodynamic vapor compression cycle for a refrigerating machine or for an air conditioning system and represents the state of the art.
  • FIG. 2 shows, in accordance with the state of the art, a conventionally guided cycle of a refrigerating machine on the basis of a Ts diagram for the conventional refrigerant R134a.
  • 3 shows a strongly overhanging 2-phase region on the basis of a T-s diagram and the transition of the fluid from the single-phase gas phase into a 2-phase region when the circular Conventionally, ie without additional heating of the fluid is performed before its compression.
  • FIG. 4 schematically shows the inventive cycle of the refrigeration temaschine T-s diagram with a heat supply device comprising a heat exchanger and a heat transfer module.
  • FIG. 5 shows on the basis of a T-s diagram for a fluid in the form of a refrigerant with a strongly overhanging 2-phase region
  • FIG. 1 shows schematically the cycle of a refrigerating machine 12, which is designed as air conditioning in the case of a motor vehicle.
  • a refrigerant is used as the fluid.
  • the refrigerant is conveyed in a flow direction 11 through the chiller 12.
  • An evaporator which is designed as an evaporator 10, vaporizes the fluid so that it assumes a vapor state 1.
  • the fluid enters a compression device, which is designed as a compressor 7.
  • the compressor 7 the fluid is compressed to a compression state 3 and flows in this compressed state in a condenser, which is designed as a condenser 8.
  • FIG. 2 illustrates a Ts diagram 23 which represents an entropy 14 corresponding to the image plane to the right, ie an entropy 14 on the abscissa axis and a temperature 13 on the image plane upward, that is to say a temperature 13 on the ordinate axis.
  • the Ts plot 23 is used to represent a dew line 18, a boiling line 19, as well as different aggregate states of the fluid.
  • the dew line 18 delimits a gas phase 15 from a 2-phase region 16, wherein in the 2-phase region 16 the fluid is present both in the liquid state and in the gaseous state.
  • the boiling line 19 delimits the 2-phase region 16 from a liquid phase 17.
  • the illustrated Ts diagram 23 illustrates in FIG. 2 a fluid whose dew line 18 has a negative gradient. In other words, the dew line 18 runs at least predominantly in accordance with the image plane to the left of an axis intersection point 24, in which the dew line 18 intersects with the abscissa axis. Also shown schematically in FIG.
  • the compression state 3 of the fluid is achieved according to the flow direction 11 by compression within the compressor 7.
  • the compression state 3 is located within the gas phase 15, for which reason the compressor 7 does not suffer any damage due to liquid blows as a result of a phase change.
  • the illustrated connecting lines between the individual states are shown as straight connecting lines in FIG. 2, FIG. 3 and FIG. 5, but may also run in a curved manner.
  • the condensed compression state 5 which is located on the boiling line.
  • the expansion state 6 is achieved by the passage of the fluid through the expansion valve 9.
  • energy supply in the evaporator 10 causes in turn, the vapor state 1 of the fluid is reached.
  • the cycle of the refrigerator 12 is closed.
  • FIG. 3 illustrates in essential parts the contents of FIG. 2, for which reason only the differences will be discussed below.
  • the Ts diagram 23 shown in FIG. 3 illustrates the curves of the boiling line 19 and the dew line 18 of a fluid having a strongly overhanging 2-phase region 16.
  • the 2-phase region 16 shown in FIG. 3 depends at least in relation to the image plane with respect to the axis intersection point 24 essentially strong right over.
  • the dew line 18 with respect to the image plane is at least substantially right of the axis intersection point 24.
  • FIG. 4 shows, at least in large parts, the structure shown schematically in FIG. In the following, therefore, only the differences will be discussed.
  • a heat supply device 22 is provided, which comprises a heat exchanger 20 and a heat transfer module 21.
  • the individual components of the heat supply device 22, that is, the heat exchanger 20 and the heat transfer module 21 may also be arranged in a different order than that shown.
  • the heat transfer module 21 essentially serves to increase the fluid temperature when the chiller 12 is started. When the chiller 12 is started, the heat transfer by means of the chiller 12 is used
  • Heat exchanger 20 still needed refrigerant temperatures is not reached, so that the heat transfer module 21 transfers the heat to the fluid.
  • the transferred heat is sufficient to increase the fluid temperature in such a way that even during the compression of the fluid by the compressor 7 no phase change takes place.
  • the heat transfer module 21 can also be used in addition to the heat exchanger 20 for fluid heating. While the heat exchanger 20 removes heat from the fluid at one point and adds it elsewhere, the heat transfer module 21 is preferably designed as a heating element with external energy supply. Alternatively, however, the heat exchanger 20 may be designed as a heating element with external power supply and the heat transfer module 21 as a heat exchanger.
  • the Ts-diagram 23 shown in FIG 5 illustrates, as well as FIG 3, the gradients of the boiling line 19 and the

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Kältemaschine (12) mit einem Fluid. Die Kältemaschine (12) umfasst wenigstens eine Kondensationseinrichtung (8) zum Kondensieren des Fluids, wenigstens eine Expansionseinrichtung (9) zum Expandieren des Fluids, wenigstens eine Verdampfungseinrichtung (10) zum Verdampfen des Fluids und wenigstens eine Verdichtungseinrichtung (7) zum Verdichten des Fluids. Die Taulinie (18) des Fluids ist zumindest in einem überwiegenden Bereich ihres Verlaufs im T-s-Diagramm in Richtung steigender Entropie geneigt. Die Kältemaschine (12) umfasst wenigstens eine Wärmezuführeinrichtung (22), mittels welcher das Fluid in dessen Strömungsrichtung (11) stromab der Verdampfungseinrichtung (10) und stromauf der Verdichtungseinrichtung (7) erwärmbar ist. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betrieb einer Kältemaschine (12).

Description

Beschreibung
Kältemaschine und Verfahren zum Betreiben einer Kältemaschine Die Erfindung betrifft eine Kältemaschine mit einem Fluid, mit wenigstens einer Kondensationseinrichtung zum Kondensieren des Fluids, mit wenigstens einer Expansionseinrichtung zum Expandieren des Fluids, mit wenigstens einer Verdampfungseinrichtung zum Verdampfen des Fluids und mit wenigstens einer Verdichtungseinrichtung zum Verdichten des Fluids. Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Betrieb einer solchen Kältemaschine.
Eine Kältemaschine der eingangs genannten Art wird beispiels- weise zur Komfortsteigerung in Kraftfahrzeugen verwendet, wobei Kältemaschinen gemeinhin unter dem Begriff Klimaanlagen bekannt sind. Eine Kältemaschine ist eine Maschine, die unter Aufwendung von technischer Arbeit thermische Energie, in Form von Wärme, aus einer Wärmequelle mit niedrigerer Temperatur, also z. B. aus einem zu kühlenden Fahrzeugraum, aufnimmt und zusammen mit der Antriebsenergie des Kompressors als Abwärme an eine Wärmesenke, z. B. die Umgebungsluft des Fahrzeugs, mit höherer Temperatur abgibt. Innerhalb einer Kältemaschine wird ein Fluid, das auch als Kältemittel bezeichnet wird, in einem Kreisprozess geführt. Dieser Kreisprozess wird auch als thermodynamischer Dampfkompressionskreislauf bezeichnet.
Das Europäische Parlament und die Europäische Kommission haben in einer Direktive den Einsatz von Kältemitteln mit einem Erderwärmungspotential größer 150 in Fahrzeugklimaanlagen verboten. Dieses Verbot gilt ab 2011 für Neuserienwagen mit einer Übergangsfrist bis 2014 und ab 2017 für alle Neuwagen. Derzeit ist es üblich, ein Kältemittel mit der Bezeichnung R134a in mobilen Kältemaschinen, insbesondere in Kraftfahr- zeugen, einzusetzen. R134a ist rein thermodynamisch betrachtet ein sehr effizientes Fluid für Fahrzeugklimaanlagen und Kältemaschinen im Allgemeinen, weist jedoch ein sehr hohes Erderwärmungspotential von 1300 auf. Aus diesem Grund wurden verschiedene Fluide als Kältemittel in Betracht gezogen, um R134a zu substituieren. Zu den zwei bedeutendsten Fluiden für den Ersatz von R134a in Fahrzeugklimaanlagen zählen C02 und R1234yf .
C02 ist umwelttechnisch bedenkenlos und hat definitionsgemäß ein Erderwärmungspotential von 1. Um den Kreisprozess der Kältemaschine mit C02 als Kältemittel thermodynamisch günstig zu führen, sind allerdings hohe Prozessdrücke erforderlich. Dies ist vor allem für den Einsatz von C02 in Fahrzeugklimaanlagen von Nachteil, da die Klimaanlage auf einen Betriebsdruck bis mindestens 200 bar ausgelegt werden müsste. Dies geht einher mit einem Mehraufwand an Material und somit einer Gewichtszunahme für das Fahrzeug. Weiterhin ist durch den ho- hen Druck eine relativ große Menge an Fluid im System, welche bei einem Unfall und eventueller Leckage der Klimaanlage in den Fahrzeuginnenraum treten könnte. Da bereits bei einem C02-Anteil von drei Volumenprozent in der Atemluft die im Fahrzeug befindlichen Insassen zu Schaden kommen können, ist C02 als Kältemittel für mobile Kältemaschinen ungeeignet.
R1234yf liegt mit einem Erderwärmungspotential von vier innerhalb der Vorgaben für Kältemittel von Klimaanlagen zukünftiger Fahrzeuge. R1234yf kann den Stoff R134a als Kältemittel ersetzen, ohne dass Modifikationen an der Klimaanlage vorgenommen werden müssen. Allerdings ist R1234yf aus Sicherheitsgründen vor allem für den Einsatz in Fahrzeugklimaanlagen ungeeignet, da es bei hohen Temperaturen (z. B. Fahrzeugbrand) zur Bildung sehr giftiger Zersetzungsprodukte kommen kann, zu denen unter anderem Flusssäure zählt.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Kältemaschine der eingangs genannten Art, sowie ein Verfahren zum Betrieb einer solchen Kältemaschine zu schaffen, bei welchem Fluide eingesetzt werden können, die ein niedriges Erderwärmungspotential aufweisen und sicherheitstechnisch unbedenklich sind. Diese Aufgabe wird durch eine Kältemaschine mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 8 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.
Die erfindungsgemäße Kältemaschine umfasst ein Fluid, dessen Taulinie zumindest in einem überwiegenden Bereich ihres Verlaufs im T-S-Diagramm in Richtung steigender Entropie geneigt ist. Des Weiteren umfasst die Kältemaschine wenigstens eine Wärmezuführeinrichtung, mittels welcher das Fluid in dessen Strömungsrichtung stromab der Verdampfungseinrichtung und stromauf der Verdichtungseinrichtung erwärmbar ist. Dadurch, dass dem Kältemittel vor dessen Verdichtung und nach dessen Verdampfung Wärme zugeführt wird, wird sowohl die Temperatur als auch die Entropie des Kältemittels erhöht. Infolgedessen kann das Kältemittel verdichtet, also dessen Druck erhöht werden, ohne dass ein Phasenwechsel erfolgt. Somit be- findet sich das Kältemittel sowohl vor der Verdichtung als auch nach der Verdichtung in einer gasförmigen Phase. Das Zuführen von Energie in Form von Wärme ist insbesondere dann erforderlich, wenn das eingesetzte Kältemittel in seinem zugrundeliegenden T-s-Diagramm (Temperatur-Entropie-Diagramm) ein stark überhängendes 2 -Phasengebiet aufweist. Von einem überhängenden 2 -Phasengebiet spricht man dann, wenn die
Taulinie des entsprechenden Fluids (Kältemittels) zumindest in einem überwiegenden Bereich ihres Verlaufs in Richtung steigender Entropie geneigt ist. Das Vorliegen des Kältemit- tels in Form einer Gasphase sowohl vor als auch nach dessen Verdichtung ist insbesondere deshalb vorteilhaft, da ein Phasenwechsel von der Gasphase in ein 2 -Phasengebiet , bestehend aus Gasphase und Flüssigphase, zu Schäden an der Verdichtungseinrichtung, in Form von beispielsweise Flüssigkeits- Schlägen führen kann.
Bevorzugt umfasst die Wärmezuführeinrichtung wenigstens einen von dem Fluid durchströmten Wärmeübertrager, mittels welchem dem Fluid nach dessen Kondensation und vor dessen Verdampfung, eine Wärmemenge entnehmbar ist. Des Weiteren ist mittels des Wärmeübertragers dem Fluid nach dessen Verdampfung und vor dessen Verdichtung die Wärmemenge zumindest teilweise zuführbar.
Ein Wärmeübertrager überträgt definitionsgemäß Wärme von einem Stoffstrom höherer Temperatur auf einen Stoffstrom niedrigerer Temperatur. Befindet sich auf der einen Seite der wärmeübertragenden Fläche des Wärmeübertragers das nach dessen Kondensation und vor dessen Verdampfung warme Kältemittel und auf der anderen Seite der wärmeübertragenden Fläche das nach dessen Verdampfung und vor dessen Verdichtung im Vergleich dazu kalte Kältemittel, so kann durch den dadurch be- dingten Wärmeaustausch das Fluid vor dessen Verdichtung besonders einfach in einen Zustand höherer Temperatur und höherer Entropie versetzt werden. Der Wärmeübertrager wird also sowohl auf seiner den warmen Stoffström führenden Seite, als auch auf seiner den kalten Stoffstrom führenden Seite von dem Kältemittel durchströmt, mit dem Unterschied, dass auf der einen Seite das Kältemittel wärmer ist, als auf der anderen Seite. Besonders effektiv erfolgt die Wärmeübertragung dann, wenn das Kältemittel in Strömungsrichtung kurz nach der Kondensationseinrichtung in den Wärmeübertrager einströmt und einen Teil seiner Wärme an das kältere Kältemittel auf der anderen Seite des Wärmeübertragers abführt. Ist die andere Seite des Wärmeübertragers so angeordnet, dass die Wärme an das kältere Kältemittel in Strömungsrichtung kurz vor dem Kältemitteleintritt in die Verdichtungseinrichtung erfolgt, so sind die Wärmeverluste besonders gering. Mit anderen Worten wird also ein Teil der anfallenden Kondensatunterkühlungswärme mittels weniger Komponenten und somit auf besonders platz- und gewichtssparende Art und Weise dem Fluid vor dessen Kompression zugeführt. Das Einsparen von Platz und Ge- wicht ist vor allem für den mobilen Einsatz von Kältemaschinen bedeutsam. Als weiter vorteilhaft hat es sich gezeigt, wenn die Wärmemenge insbesondere vor der Expansion des Fluids entnehmbar und dem Fluid nach dessen Verdampfung und vor dessen Verdichtung zumindest teilweise zuführbar ist.
Dadurch, dass dem Fluid vor dessen Expansion durch den
Wärmeübertrager Wärme entzogen wird, steht eine größere Menge übertragbarer Wärme zur Verfügung. Bei der Expansion handelt es sich aus thermodynamischer Sicht um einen irreversiblen Vorgang. Mit anderen Worten heißt das in Bezug auf das T-s-
Diagramm des Kältemittels, dass die Entropie des Kältemittels zunimmt. Je größer die verrichtete Expansionsarbeit, desto größer ist auch der Dissipationsanteil . Wird dem Kältemittel also mit anderen Worten durch den Wärmeübertrager vor der Ex- pansion des Fluids Energie in Form von Wärme entzogen, so ist auch die bei der Expansion verrichtete Expansionsarbeit kleiner. Da damit einhergehend auch die durch Expansion auftretende Dissipation betragsmäßig kleiner wird, treten weniger thermische Verluste auf, weshalb der Wirkungsgrad der Kälte- maschine verbessert werden kann.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist die Wärmezuführeinrichtung wenigstens ein Wärmeübertragungsmodul, insbesondere wenigstens einen Wärmeübertrager und/oder wenigstens ein elektrisches Heizelement auf.
Ein solches Wärmeübertragungsmodul, welches sowohl als
Wärmeübertrager, als auch als elektrisches Heizelement, insbesondere als PTC-Element, oder eine andere Heizvorrichtung ausgestaltet sein kann, wird über eine externe Quelle mit
Energie versorgt. Im Falle eines Kaltstarts der Kältemaschine, ist die Temperatur des Kältemittels vor dessen Verdichtung noch nicht groß genug, als dass ein zumindest teilweiser Phasenwechsel des Kältemittels bei dessen Verdichtung unter- bunden werden könnte. Durch Zuführen von Wärme durch das Wärmeübertragungsmodul, kann das Kältemittel vor dem Eintritt in die Verdichtungseinrichtung auch bei einem Kaltstart der Kältemaschine vorkonditioniert werden, sodass das Kältemittel sowohl vor, als auch nach dessen Verdichtung in der Gasphase vorliegt. Besonders effektiv wird dieser Phasenwechsel unterbunden, wenn die Wärmeübertragung durch dieses Wärmeübertragungsmodul zeitlich versetzt kurz vor dem Beginn der Verdich- tung durch die Verdichtungseinrichtung, welche als Kompressor ausgeführt sein kann, erfolgt.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung umfasst die Kältemaschine ein Expansionsventil, mittels welchem der Verdamp- fungsdruck und die Überhitzung des in die wenigstens eine
Verdampfungseinrichtung einströmenden Fluids einstellbar ist.
Mittels eines Expansionsventils ist der Verdampfungsdruck und die Überhitzung des in die Verdampfungseinrichtung einströ- menden Fluids einstellbar. Mit anderen Worten sind sowohl der Verdampfungsdruck als auch die Überhitzung des Kältemittels somit steuerbar und/oder regelbar. Besonders präzise können der Verdampfungsdruck und die Überhitzung des Kältemittels eingestellt werden, wenn eine Regelung des Verdampfungsdrucks und der Überhitzung durch z. B. ein automatisches Expansionsventil mit Verdampferdruckregelung, oder ein elektronisch geregeltes Expansionsventil mit Schrittmotorsteuerung, oder z. B. ein thermostatisch geregeltes Expansionsventil mit Fühler am Verdampferfluidausgang oder z. B. mittels eines Kapillar- rohrs geregelt wird.
Von besonderem Vorteil ist es, dass die Kältemaschine insbesondere als Klimaanlage für Kraftfahrzeuge einsetzbar ist. Da der Wärmeübertrager der Wärmezuführeinrichtung vorzugsweise vollständig in den Fluidkreislauf der Kältemaschine eingebunden ist, ist das Zuführen von Wärme durch eine externe Energieversorgung des Wärmeübertragungsmoduls nur solange erforderlich, bis die übertragbare Wärme des Wärmeübertragers groß genug ist, um die Temperatur des Kältemittels soweit zu erhöhen, dass auch bei Verdichtung des Kältemittels durch den Kompressor das Kältemittel weiterhin im einphasigen, gasförmigen Zustand vorliegt. Die Energieversorgung des Wärmeüber- tragungsmoduls kann besonders einfach über das elektrische Bordnetz des Fahrzeugs erfolgen, sofern das Wärmeübertragungsmodul als elektrisches Heizelement ausgeführt ist. Das Wärmeübertragungsmodul kann jedoch auch als Wärmeübertrager ausgeführt sein, wobei die Wärmeübertragung durch ein ausreichend warmes Betriebsmedium des Fahrzeugs erfolgen kann. In diesem Fall muss jedoch in Kauf genommen werden, dass die Erwärmung des Kältemittels langsamer erfolgt, als bei einer elektrischen Heizung, da die Erwärmung dann von der Tempera- tur des am Wärmetausch beteiligten Medium des Fahrzeugs abhängt. Sind die Medien des Fahrzeugs, im Falle eines Fahrzeugkaltstarts ebenfalls kalt, so wird der Kaltstart der Kältemaschine verzögert . Von besonderem Vorteil ist es, wenn das Erderwärmungspotenti - al des Fluids kleiner als 10 ist.
Je kleiner das Erderwärmungspotential eingesetzter Kältemittel ist, desto geringer ist deren Einfluss auf den Treibhaus- effekt und damit auf die Klimaerwärmung. Unter diesem Aspekt ist der Einsatz so genannter Fluorketone als Kältemittel besonders empfehlenswert. Solche Fluorketone werden üblicherweise als Isolationsgas und Feuerbekämpfungsmittel eingesetzt und weisen neben einem geringen Erderwärmungspotential von einem Wert kleiner 10 auch die für Fahrzeuganwendungen besonders günstigen Eigenschaften auf, nicht brennbar und nicht gesundheitsschädlich zu sein. Somit können solche Betriebsstoffe für Kältemaschinen innerhalb der gesetzlichen Rahmenbedingungen zukunftssicher in Kältemaschinen und insbesondere in Fahrzeugklimaanlagen eingesetzt werden.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Betrieb einer Kältemaschine mit einem Fluid wird dieses Fluid mittels wenigstens einer Kondensationseinrichtung kondensiert, mittels wenigs- tens einer Expansionseinrichtung expandiert, mittels wenigstens einer Verdampfungseinrichtung verdampft und mittels wenigstens einer Verdichtungseinrichtung verdichtet . Die
Taulinie des Fluids ist zumindest in einem überwiegenden Be- reich ihres Verlaufs im T-s-Diagramm in Richtung steigender Entropie geneigt. Die Kältemaschine umfasst wenigstens eine Wärmezuführeinrichtung, mittels welcher das Fluid in dessen Strömungsrichtung stromab der Verdampfungseinrichtung und stromauf der Verdichtungseinrichtung erwärmt wird.
Die für die erfindungsgemäße Kältemaschine beschriebenen Vorteile und bevorzugten Ausführungsformen gelten auch für das erfindungsgemäße Verfahren und umgekehrt.
Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung er- geben sich aus den Ansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen sowie anhand der Figuren.
Dabei zeigen: FIG 1 schematisch einen Kreisprozess in Form eines thermody- namischen Dampfkompressionskreislaufs für eine Kältemaschine bzw. für eine Klimaanlage und gibt den Stand der Technik wieder. FIG 2 dem Stand der Technik entsprechend, anhand eines T-s- Diagramms für das konventionelle Kältemittel R134a einen konventionell geführten Kreisprozess einer Kältemaschine . FIG 3 ein stark überhängendes 2 -Phasengebiet anhand eines T- s-Diagramms sowie den Übergang des Fluids von der einphasigen Gasphase in ein 2 -Phasengebiet wenn der Kreis- prozess konventionell, d.h. ohne zusätzliche Erwärmung des Fluids vor dessen Verdichtung geführt wird.
FIG 4 schematisch den erfindungsgemäßen Kreisprozess der Käl- temaschine im T-s-Diagramm mit einer Wärmezuführeinrichtung, die einen Wärmeübertrager sowie ein Wärmeübertragungsmodul umfasst.
FIG 5 anhand eines T-s-Diagramms für ein Fluid in Form eines Kältemittels mit stark überhängendem 2 -Phasengebiet die
Wärmezufuhr durch einen Wärmeübertrager und/oder durch ein Wärmeübertragungsmodul sowie die anschließende Kompression des Fluids, wobei das Fluid sowohl vor als auch nach der Kompression in der einphasigen Gasphase vorliegt.
In FIG 1 ist schematisch der Kreisprozess einer Kältemaschine 12, die im Falle eines Kraftfahrzeugs als Klimaanlage ausgeführt ist, dargestellt. Dabei wird als Fluid, ein Kältemittel verwendet. Das Kältemittel wird in einer Strömungsrichtung 11 durch die Kältemaschine 12 gefördert. Eine Verdampfungseinrichtung, die als Verdampfer 10 ausgeführt ist, verdampft das Fluid, so dass es einen Dampfzustand 1 annimmt. In diesem Dampfzustand 1 tritt das Fluid in eine Verdichtungseinrich- tung ein, die als ein Kompressor 7 ausgeführt ist. Durch den Kompressor 7 wird das Fluid auf einen Verdichtungszustand 3 verdichtet und strömt in diesem verdichteten Zustand in eine Kondensationseinrichtung, die als ein Kondensator 8 ausgeführt ist. Durch den Kondensator 8 wird das Fluid in einen kondensierten Verdichtungszustand 5 überführt, und schließlich in einer Expansionseinrichtung, die als ein Expansionsventil 9 ausgeführt ist, expandiert. Infolgedessen nimmt das Fluid einen Expansionszustand 6 an, wobei es in diesem Zustand wiederum dem Verdampfer 10 zugeführt wird. Das Fluid wird also während des Betriebs der Kältemaschine 12 kontinuierlich entsprechend der Pfeilrichtung, die die Strömungsrichtung 11 schematisch darstellt, durch die Kältemaschine 12 gefördert . FIG 2 veranschaulicht ein T-s-Diagramms 23, welches entsprechend der Bildebene nach rechts zu, also auf der Abszissenachse eine Entropie 14 und auf der Bildebene nach oben zu, also auf der Ordinatenachse eine Temperatur 13 darstellt. Das T-s-Diagramm 23 wird verwendet, um eine Taulinie 18, eine Siedelinie 19, sowie unterschiedliche Aggregatszustände des Fluids darzustellen. Die Taulinie 18 grenzt eine Gasphase 15 von einem 2 -Phasengebiet 16 ab, wobei im 2 -Phasengebiet 16 das Fluid sowohl in flüssigem, als auch in gasförmigem Zustand vorliegt. Die Siedelinie 19 grenzt das 2 -Phasengebiet 16 von einer Flüssigkeitsphase 17 ab. Das dargestellte T-s- Diagramm 23 verdeutlicht in FIG 2 ein Fluid, dessen Taulinie 18 eine negative Steigung aufweist. Mit anderen Worten ver- läuft die Taulinie 18 zumindest überwiegend entsprechend der Bildebene links von einem Achsenschnittpunkt 24, in welchem sich die Taulinie 18 mit der Abszissenachse schneidet. Ebenfalls in FIG 2 schematisch dargestellt, sind verschiedene thermodynamische Zustände des Fluids, wobei dieses Fluid, diese unterschiedlichen Zustände infolge des Durchströmens des Kompressors 7, des Kondensators 8, des Expansionsventils 9, sowie des Verdampfers 10 annimmt. Ausgehend vom Dampfzustand 1 wird entsprechend der Strömungsrichtung 11 durch Verdichtung innerhalb des Kompressors 7 der Verdichtungszustand 3 des Fluids erreicht. Der Verdichtungszustand 3 befindet sich innerhalb der Gasphase 15, weshalb der Kompressor 7 keine Schäden durch Flüssigkeitsschläge in Folge eines Phasenwechsels nimmt. Die dargestellten Verbindungslinien zwischen den einzelnen Zuständen sind in FIG 2, FIG 3 und FIG 5 als gerade Verbindungslinien dargestellt, können jedoch auch gekrümmt verlaufen. Ausgehend vom Verdichtungszustand 3 wird durch den Kondensator 8 der kondensierte Verdichtungszustand 5 eingestellt, welcher sich auf der Siedelinie befindet. Ausgehend von diesem kondensierten Verdichtungszustand 5 wird durch den Durchtritt des Fluids durch das Expansionsventil 9 der Expansionszustand 6 erreicht. Ausgehend von diesem Expansionszustand 6 wird durch Energiezufuhr im Verdampfer 10 wie- derum der Dampfzustand 1 des Fluids erreicht. Somit ist der Kreislauf der Kältemaschine 12 geschlossen.
FIG 3 verdeutlicht in wesentlichen Teilen die Inhalte von FIG 2, weshalb im Folgenden nur auf die Unterschiede eingegangen wird. Das in FIG 3 dargestellte T-s-Diagramm 23 verdeutlicht die Verläufe der Siedelinie 19 sowie der Taulinie 18 eines Fluid mit stark überhängendem 2 -Phasengebiet 16. So hängt das in FIG 3 dargestellte 2 -Phasengebiet 16 entsprechend der Bildebene in Bezug auf den Achsenschnittpunkt 24 zumindest im Wesentlichen stark nach rechts über. Mit anderen Worten liegt die Taulinie 18 bezüglich der Bildebene zumindest im Wesentlichen rechts des Achsenschnittpunkts 24. Erfolgt ausgehend vom Dampfzustand 1 entsprechend des in FIG 1 beschriebenen, konventionellen Kreislaufs der Kältemaschine 12 eine Verdichtung des Fluids durch den Kompressor 7, so liegt der Verdichtungszustand 3 des Fluids im 2 -Phasengebiet 16. Demzufolge kann es im Kompressor 7, also der Verdichtungseinrichtung, zu Schäden, wie beispielsweise Flüssigkeitsschlägen kommen.
Um Flüssigkeitsschläge bei der Verwendung von Kältemitteln mit stark überhängendem 2 -Phasengebiet zu vermeiden, empfiehlt es sich, eine Kältemaschine entsprechend der in FIG 4 dargestellten Form zu verwenden. FIG 4 gibt zumindest in wei- ten Teilen den in FIG 1 schematisch dargestellten Aufbau wieder. Im Folgenden soll deshalb nur auf die Unterschiede eingegangen werden. So ist in FIG 4 in Strömungsrichtung 11 nach dem Verdampfer 10 und in Strömungsrichtung vor dem Kompressor 7 eine Wärmezuführeinrichtung 22 vorgesehen, welche einen Wärmeübertrager 20 sowie ein Wärmeübertragungsmodul 21 um- fasst. Dabei können die einzelnen Komponenten der Wärmezuführeinrichtung 22, also der Wärmeübertrager 20 sowie das Wärmeübertragungsmodul 21 auch in anderer Reihenfolge als der dargestellten angeordnet sein. Das Wärmeübertragungsmodul 21 dient im Wesentlichen der Fluidtemperaturerhöhung beim Starten der Kältemaschine 12. Beim Starten der Kältemaschine 12 sind die für die Wärmeübertragung mittels des
Wärmeübertragers 20 benötigten Kältemitteltemperaturen noch nicht erreicht, so dass das Wärmeübertragungsmodul 21 die Wärme an das Fluid überträgt . Die übertragene Wärme reicht aus, um die Fluidtemperatur derart zu erhöhen, dass auch bei der Verdichtung des Fluids durch den Kompressor 7 kein Pha- senwechsel erfolgt. Das Wärmeübertragungsmodul 21 kann jedoch auch zusätzlich zum Wärmeübertrager 20 zur Fluiderwärmung eingesetzt werden. Während der Wärmeübertrager 20 dem Fluid an einer Stelle Wärme entnimmt und an anderer Stelle wieder zufügt, ist das Wärmeübertragungsmodul 21 vorzugsweise als Heizelement mit externer Energiezufuhr ausgeführt. Alternativ kann jedoch auch der Wärmeübertrager 20 als Heizelement mit externer Energiezufuhr und das Wärmeübertragungsmodul 21 als Wärmeübertrager ausgeführt sein. Das in FIG 5 dargestellte T-s-Diagramm 23 verdeutlicht, ebenso wie FIG 3, die Verläufe der Siedelinie 19 sowie der
Taulinie 18 eines Fluid mit stark überhängendem 2- Phasengebiet 16. Im Folgenden soll jedoch auf die Unterschiede eingegangen werden, wenn anstelle der in FIG 1 schematisch dargestellten, konventionellen Kältemaschine die in FIG 4 schematisch dargestellte Kältemaschine mit der zusätzlich vorgesehenen Wärmezuführeinrichtung 22 eingesetzt wird. Ausgehend vom Dampfzustand 1 wird mittels der Wärmezuführeinrichtung, also mittels des Wärmeübertragers 20 oder des Wär- meübertragungsmoduls 21 oder der Kombination aus beiden dem Fluid Wärme zugeführt, sodass das Fluid einen erwärmten
Dampfzustand 2 annimmt. Dieser erwärmte Dampfzustand 2 liegt im Gebiet der einphasigen Gasphase 15 und somit entsprechend der Bildebene rechts von der Taulinie 18. Wird das Fluid aus- gehend von dem erwärmten Dampfzustand 2 dem Kompressor 7 zugeführt, so erfolgt durch diesen eine Verdichtung des Fluids auf den erwärmten Verdichtungszustand 4. Der erwärmte Verdichtungszustand 4 liegt ebenso wie bereits der erwärmte Dampfzustand 2 innerhalb des Bereichs der einphasigen
Gasphase 15. Mit anderen Worten verbleibt also das Fluid bei dessen Verdichtung durch den Kompressor 7 in der Gasphase 15 und es erfolgt kein Phasenwechsel in das 2 -Phasengebiet 16. Dadurch wird vermieden, dass der Kompressor 7 Schaden z. B. in Form von Flüssigkeitsschlägen nimmt.

Claims

Patentansprüche
1. Kältemaschine (12) mit einem Fluid, mit wenigstens einer Kondensationseinrichtung (8) zum Kondensieren des Fluids, mit wenigstens einer Expansionseinrichtung (9) zum Expandieren des Fluids, mit wenigstens einer Verdampfungseinrichtung (10) zum Verdampfen des Fluids und mit wenigstens einer Verdichtungseinrichtung (7) zum Verdichten des Fluids, dadurch gekennzeichnet, dass die Taulinie (18) des Fluids zumindest in einem überwiegenden Bereich ihres Verlaufs im T-s-Diagramm in Richtung steigender Entropie (14) geneigt ist, wobei die Kältemaschine (12) wenigstens eine Wärmezuführeinrichtung (22) umfasst, mittels welcher das Fluid in dessen Strömungsrichtung (11) stromab der Verdampfungseinrichtung (10) und strom- auf der Verdichtungseinrichtung (7) erwärmbar ist.
2. Kältemaschine (12) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmezuführeinrichtung (22) wenigstens einen von dem Fluid durchströmten Wärmeübertrager (20) umfasst, mittels welchem dem Fluid nach dessen Kondensation und vor dessen Verdampung, eine Wärmemenge entnehmbar ist und mittels welchem dem Fluid nach dessen Verdampfung und vor dessen Verdichtung die Wärmemenge zumindest teilweise zuführbar ist.
3. Kältemaschine (12) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmemenge insbesondere vor der Expansion des Fluids entnehmbar und dem Fluid nach dessen Verdampfung und vor dessen Verdichtung zumindest teilweise zuführbar ist.
4. Kältemaschine (12) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmezuführeinrichtung (22) wenigstens ein Wärmeübertragungsmodul (21) , insbesondere wenigstens einen Wärmeübertrager und/oder wenigstens ein elektrisches Heizelement aufweist.
5. Kältemaschine (12) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Kältemaschine (12) ein Expansionsventil (9) umfasst, mittels welchem der Verdampferdruck und die Überhitzung des in die wenigstens eine Verdampfungs- einrichtung (10) einströmenden Fluids einstellbar ist.
6. Kältemaschine (12) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, da- durch gekennzeichnet, dass die Kältemaschine (12) insbesondere als Klimaanlage für Kraftfahrzeuge einsetzbar ist.
7. Kältemaschine (12) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Erderwärmungspotential des Fluids kleiner als 10 ist.
8. Verfahren zum Betrieb einer Kältemaschine (12) mit einem Fluid mit wenigstens einer Kondensationseinrichtung (8) zum Kondensieren des Fluids, mit wenigstens einer Expansionsein- richtung (9) zum Expandieren des Fluids, mit wenigstens einer Verdampfungseinrichtung (10) zum Verdampfen des Fluids und mit wenigstens einer Verdichtungseinrichtung (7) zum Verdichten des Fluids, dadurch gekennzeichnet, dass die Taulinie (18) des Fluids zumindest in einem überwiegenden Bereich ih- res Verlaufs im T-s-Diagramm in Richtung steigender Entropie (14) geneigt ist, wobei die Kältemaschine (12) wenigstens eine Wärmezuführeinrichtung (22) umfasst, mittels welcher das Fluid in dessen Strömungsrichtung (11) stromab der Verdampfungseinrichtung (10) und stromauf der Verdichtungseinrich- tung (7) erwärmt wird.
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