WO2015110634A1 - Kälteanlage - Google Patents

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WO2015110634A1
WO2015110634A1 PCT/EP2015/051491 EP2015051491W WO2015110634A1 WO 2015110634 A1 WO2015110634 A1 WO 2015110634A1 EP 2015051491 W EP2015051491 W EP 2015051491W WO 2015110634 A1 WO2015110634 A1 WO 2015110634A1
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WO
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mass flow
deep
refrigerant
additional mass
pressure
Prior art date
Application number
PCT/EP2015/051491
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English (en)
French (fr)
Inventor
Oliver Javerschek
John Craig
Original Assignee
Bitzer Kühlmaschinenbau Gmbh
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
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Publication date
Application filed by Bitzer Kühlmaschinenbau Gmbh filed Critical Bitzer Kühlmaschinenbau Gmbh
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Priority to AU2015208087A priority patent/AU2015208087B2/en
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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
    • F25B40/00—Subcoolers, desuperheaters or superheaters
    • F25B40/04—Desuperheaters
    • 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
    • F25B1/10—Compression machines, plants or systems with non-reversible cycle with multi-stage compression
    • 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
    • F25B5/00—Compression machines, plants or systems, with several evaporator circuits, e.g. for varying refrigerating capacity
    • F25B5/02—Compression machines, plants or systems, with several evaporator circuits, e.g. for varying refrigerating capacity arranged in parallel
    • 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
    • F25B2400/00—General features or devices for refrigeration machines, plants or systems, combined heating and refrigeration systems or heat-pump systems, i.e. not limited to a particular subgroup of F25B
    • F25B2400/23—Separators

Definitions

  • the invention relates to a refrigeration system comprising a refrigerant circuit in which a total mass flow of a refrigerant is guided, arranged in the refrigerant circuit, high-pressure side, refrigerant cooling heat exchanger, a arranged in the refrigerant circuit expansion member which cools the total mass flow of the refrigerant in the active state by expansion and thereby a Main mass flow of liquid refrigerant and an additional mass flow of gaseous refrigerant generated, which enter an intermediate pressure accumulator and are separated in this in the main mass flow and the additional mass flow, at least one
  • Normal cooling stage which dissipates a normal cooling mass flow from the main mass flow in the intermediate pressure accumulator and expands in at least one normal expansion unit to a low pressure and thereby provides cooling capacity for normal cooling, a Tiefkssel structured- pressure expansion unit, one from the main mass flow in
  • Expanded intermediate pressure collector extracted total frozen mass flow to a Wegwald fundamental founded, thereby cooling and generates a Wegyermaschinesenstrom of liquid refrigerant and a Tiefkyersatzmassenstrom of gaseous refrigerant and this feeds a Wegyer fundamental founded- collectors, in which a separation of the Tiefkühlmaschinemassenstroms of the Tiefkühlzusatzmassenstrom takes place, a Wegyermaschinesenstrom from the Tiefkssel thoroughly Kunststoffsammler laxative Weg Anlagencut , which has at least one Lichtküh expansion unit and by
  • Expansion of the main low-pressure mass flow to a deep-freeze pressure provides a deep-freeze compressor unit which compresses the main low-pressure mass flow stream expanded to low-pressure low-pressure and also compresses the normal-low-pressure high-pressure refrigerant compressor unit to high pressure for compression.
  • Such refrigerant systems are known from the prior art.
  • the invention is therefore based on the object to improve a refrigeration system of the generic type such that the risk of suction of liquid through the refrigerant compressor unit is significantly reduced.
  • Cooling of the additional mass flow during expansion of the same and a resulting formation of a liquid phase is on the one hand used to supply the liquid phase the main cooling mass flow, so that it can be used advantageously and on the other hand is achieved in that the gas phase of the additional mass flow largely free of the liquid phase of an additional mass flow compressor unit can be supplied and thereby the problems can be avoided by
  • cryogenic intermediate pressure in the cryogenic intermediate pressure accumulator lies in a pressure range which extends from the low pressure up to the intermediate pressure.
  • the intermediate cryogenic pressure is at most 5 bar above the low pressure.
  • a particularly favorable solution provides that the intermediate cryogenic pressure is in the range of low pressure.
  • a separate compressor unit could be provided as an additional mass flow compressor unit, for example a speed-controlled compressor unit with which it would be possible to regulate the intermediate cryogenic pressure to a pressure value which is favorable for the operation of the refrigeration system.
  • a particularly cost-effective solution provides that the refrigerant compressor unit forms the additional mass flow compressor unit, so that no separate compressor unit is necessary, but the compression of the gas phase of the additional mass flow and the Tiefkühlzusatz- mass flow from the Tiefkühl simply foundedsammler can be done by the already existing refrigerant compressor unit.
  • a particularly favorable solution provides that the gas phase of the additional mass flow is supplied together with the Tiefkühlzusatzmassenstrom of the intermediate cryogenic pressure collector together with the expanded to low pressure normal cooling mass flow of the refrigerant compressor unit, so that there is the possibility to connect the Tiefkyer responsible fürsammler with the normal cooling mass flow leading to the refrigerant compressor unit line ,
  • Expansionsorgan expanded additional mass flow the cryogenic intermediate pressure collector spatially separated from a leading away from the intermediate cryogenic pressure collector discharge line for the intermediate cryogenic pressure collector opens.
  • the confluence of the expanded frozen additive mass flow into the intermediate cryogenic pressure accumulator is set so that it enters the gas volume in the intermediate cryogenic pressure accumulator.
  • a flow velocity of the refrigerant in the discharge line is less than 2m / s (meters per second), even better less than 0.5m / s, and more preferably less than 0.3m / s.
  • Refrigerant is less than 5 m-% (mass percent), more preferably less than 3 m-% and preferably less than 1 m-% of the mass flow of the gaseous phases.
  • An advantageous solution provides that the additional mass flow is supplied from the forming in the intermediate pressure accumulator gas volume via a discharge line the Tiefkühl fundamentaldrucksammler and is relaxed by the provided in the discharge line expansion device to the intermediate cryogenic pressure.
  • the relaxed by the expansion device additional mass flow is fed directly to the gas volume in Tiefkssel fundamental Kunststoffsammler, from which starting then settles the liquid phase of the expanded additional mass flow.
  • the part of the additional mass flow expanded by the expansion element is supplied to the gas volume in the deep-freeze intermediate pressure collector at a separation height of 300 mm to 400 mm above the structurally predetermined maximum attainable liquid level of the bath of the main bulk ice flow in the intermediate cryogenic pressure collector.
  • the refrigeration system described so far works less efficiently when the high pressure is to be at a high pressure level, that is, in particular in all the times in which there is a high temperature at the high-pressure side refrigerant cooling heat exchanger.
  • a further advantageous solution provides that the refrigeration plant has a soirmassenstromabbowiki with which at least in certain operating modes at least a portion of the additional mass flow removed from the intermediate pressure accumulator and supplied without further expansion, starting from the intermediate pressure of a compression to high pressure.
  • Such a refrigeration system has the advantage that it can work more efficiently at a very high pressure level of the high pressure.
  • Damage to the compressor used for this purpose is preferably the Rajmassenstromabbowvik designed so that it has a heat exchanger for heating the additional mass flow before compressing it to high pressure. Although this heat exchanger reduces the efficiency of the refrigeration system, but provides increased safety for the compressor to compress the mass flow from the Rajmassenstromabbowaji.
  • the heat exchanger could be flowed through by any heat-releasing medium.
  • an advantageous solution provides that the additional mass flow discharge unit supplies the discharged part of the additional mass flow to an economizer connection of refrigerant compressors of the refrigerant compressor unit, so that the same refrigerant compressors already used in the refrigerant compressor unit can also be used for compressing the mass flow from the additional mass flow discharge unit.
  • Another advantageous solution provides that the Rajmassenstromabbowillon the discharged portion of the additional mass flow to a parallel compressor, which is provided in addition to the refrigerant compressor unit.
  • the parallel compressor then works from the
  • the parallel compressor is power-controlled, in particular speed-controlled.
  • Parallel compressor a control of the intermediate pressure to a predetermined value.
  • the Rajmassenstromabschreibaji in order to dissipate additional mass flow with the Rajmassenstromabbowaji under operating conditions in which the high pressure is at a very low value and in particular the temperature at the high-pressure side refrigerant cooling heat exchanger, it is preferably provided that the toastmassenstromabbowaji by a switching device with the intermediate pressure accumulator connectable or separable from this.
  • the Rajmassenstromabbow is connected by a switching device with the Tiefkssel responsible horrinumsabssel for removing the gas phase of the additional mass flow together with the Tiefkssel- zusatzmassenstrom and separable from this.
  • the Zuschaltorgan is arranged so that optionally not only the gas phase of the additional mass flow can be compressed together with the Tiefkühlzusatzmassenstrom from the Tiefkühl fundamental Kunststoffsammler, but also optionally at least a portion of the expanded to low pressure normal cooling mass flow.
  • the power-controlled parallel compressor is advantageous if it works parallel to the refrigerant compressor unit.
  • the refrigerant compressor unit could include multiple power controlled refrigerant compressors.
  • At least one of the refrigerant compressors of the refrigerant compressor unit is power-controlled.
  • This solution has the advantage that it can be ensured by simple means and independently of the temperature in which the high-pressure compressed refrigerant cooling heat exchanger, that the refrigerant compressors used suck no significant amounts of liquid.
  • Operation in the various operating modes further provides that in a second mode of operation the additional mass flow discharge unit is connected to the intermediate pressure accumulator and discharges part of the additional mass flow and another part of the additional mass flow is supplied to the intermediate cryogenic pressure accumulator.
  • This solution has the advantage that it increases the efficiency of the refrigeration system, as part of the additional mass flow is compressed directly from the intermediate pressure to high pressure.
  • Operation in the various operating modes provides, as an alternative or in addition to the second operating mode, that in a third operating mode, the additional mass flow discharge unit is connected to the intermediate pressure accumulator and discharges the entire additional mass flow.
  • Fig. 1 is a schematic representation of a first embodiment of a refrigeration system according to the invention
  • FIG. 2 is a schematic representation of a second embodiment of a refrigeration system according to the invention.
  • FIG. 3 shows an illustration of a third exemplary embodiment of a refrigeration system according to the invention.
  • FIG. 4 shows an illustration of a fourth exemplary embodiment of a refrigeration system according to the invention
  • FIG. 5 shows an illustration of a fifth exemplary embodiment of a refrigeration system according to the invention.
  • Fig. 6 is an illustration of a sixth embodiment of a refrigeration system according to the invention.
  • Fig. 7 is a schematic representation of a building with a refrigeration system according to the invention.
  • a first exemplary embodiment of a refrigeration system according to the invention comprises a refrigerant circuit designated as a whole by 10, in which a refrigerant compressor unit designated as a whole is arranged, which in the illustrated embodiment comprises a plurality of individual refrigerant compressors, for example three refrigerant compressors 14i to 14 3 , which all operate in parallel in the refrigerant compressor unit 12.
  • Each of the refrigerant compressors 14i to 14 3 has a suction-side port 16i to 16 3 , wherein all the suction-side ports 16 of the individual refrigerant compressors 14 are connected to a suction port line 18 of the refrigerant compressor unit 12.
  • each of the refrigerant compressors 14 has a pressure-side connection 22i to 22 3 , wherein all pressure-side connections 22 of the individual refrigerant compressors 14 are connected to a pressure connection line 24 of the refrigerant compressor unit 12.
  • the refrigerant compressor unit 12 thus compresses refrigerant from a suction pressure applied in the suction connection line 18, which corresponds to a low pressure PN of a standard cooling stage to be described, on one in the pressure connection line 24 of the refrigerant compressor unit 12
  • present high pressure PH which may for example be in the range between 45 bar (450 N / cm 2 ) and 100 bar (1000 N / cm 2 ).
  • the refrigerant present under high pressure PH at the pressure connection line 24 initially forms a total mass flow G which flows away from the pressure connection line 24 of the refrigerant compressor unit 12
  • a high-pressure side heat exchanger 34 Flows through the oil separator 32 and after the oil separator 32 flows through a high-pressure side heat exchanger 34 through which a cooling of the refrigerant compressed to high pressure takes place.
  • the cooling of the total mass flow G of the high-pressure refrigerant in the high-pressure side heat exchanger 34 causes it to liquefy or merely to cool it to a lower temperature, in the case of a supercritical cyclic process only a sensible heat change takes place.
  • the refrigerant used is carbon dioxide, that is to say C0 2
  • conventional ambient conditions usually involve a supercritical cyclic process in which only a cooling takes place to a temperature which corresponds to an isotherms running outside the dew and boiling curve or saturation curve, so that none Liquefaction of the refrigerant occurs.
  • a subcritical cycle process provides that cooling takes place through the high-pressure-side heat exchanger 34 to a temperature which corresponds to an isotherm passing through the dew and boiling curve or saturation curve of the refrigerant.
  • the cooled by the high-pressure side heat exchanger 34 refrigerant is supplied to a arranged in a pressure line 36 expansion member 38 which controls the high pressure PH predetermined by a controller 40 values and which, for example, as by the
  • Control 40 driven expansion element 38 is formed and which expands under high pressure PH refrigerant of the total mass flow G to an intermediate pressure PZ, which corresponds to a the tau and boiling curve or saturation curve of the refrigerant passing isotherms.
  • the controller 40 controls the expansion member 38 according to a temperature in the heat exchanger 34 and these predetermined limits of use of the refrigerant compressor 14th
  • the intermediate pressure PZ is, for example, in the range between 35 bar and 45 bar and is maintained in all possible operating states at a predetermined value, so that the deviation of the predetermined value is a maximum of ⁇ 3 bar.
  • the total mass flow G of the refrigerant is placed in a thermodynamic state in which a main mass flow H in the form of liquid refrigerant and an additional mass flow Z in the form of gaseous refrigerant.
  • Both mass flows H and Z are in an intermediate pressure accumulator 42, which is a reservoir for both the main mass flow H and for the
  • Additional mass flow Z has, collected and separated from each other in the intermediate pressure accumulator 42, the main mass flow H is formed in the intermediate pressure accumulator 42 as a bath 44 of liquid refrigerant, above which a gas volume 46 is gaseous refrigerant, so that the bath 44 receives the main mass flow H and the Gas volume 46 receives the additional mass flow Z.
  • Each of these normal refrigeration expansion units 54 comprises a normal-cooling expansion element 56, by which an expansion of the part of the normal cooling mass flow N arriving at intermediate pressure PZ to low-pressure PN takes place, wherein cooling of the refrigerant occurs in a known manner through this expansion, which opens up the possibility of absorb heat to the respective normal cooling heat exchanger 58 following the normal cooling expansion element 56, whereby an enthalpy increase occurs.
  • the low pressure PN is for example in the range between 25 bar and 30 bar and is kept as constant as possible in all operating conditions, that is within a maximum of ⁇ 3 bar of the predetermined value of the low pressure PN.
  • the normal mass flow N expanded to a total of low pressure PN is supplied by the normal heat exchangers 58 to a suction line 62, which in turn is connected to the suction connection line 18 of the refrigerant compressor unit 12, so that this expanded normal mass flow N can be compressed by the refrigerant compressor unit 12 back to high pressure PH.
  • the main chilled mass flow TH is fed to a deep-freezing stage 82 which contains one or more, for example two, parallel deep-freeze expanding units 84
  • each of these Lichtk Anlagenexpansions ⁇ units 84 comprises a Wegühplexionsorgan 86 which expands part of the frozen mass flow TH of the Wegneck fundamental Kunststoff PTZ to a Tiefkühlniederdruck PTN and thus cools, the Tiefk Anlagenniederdruck PTN is kept as constant as possible in all operating states, so that the deviations amount to a maximum of ⁇ 3 bar and, for example, between 10 bar and 15 bar.
  • the refrigerant cooled to low-pressure low-pressure PTN is then subsequently supplied to a low-pressure low-pressure side heat exchanger 88 and is able to absorb heat in the respective deep-freeze heat exchanger 88 at cryogenic temperatures, thereby increasing the enthalpy.
  • the total cooling main mass flow TH expanded in the deep-freezing stage 82 to deep-freeze pressure PTN is fed to a deep-freeze suction line 92, which is connected to both deep-freeze heat exchangers 88 and feeds the deep-frozen low-pressure PTN mainstream cooling TH to a whole 102 designated deep-freeze unit, which, for example, several parallel working deep freeze compressors 104i to 104 3 , each having suction-side terminals 106i to 106 3 , which are connected to a Tiefkühlsaugan gleich 108 of the deep-freeze compressor unit 102, which in turn is connected to the Tiefkühlsaug effet 92 and absorbs the Tiefkühlniederdruck PTN expanded mainstream cooling mass TH.
  • the deep-freeze compressors 104 further have pressure-side connections 112i to 112 3 , which in turn are in turn connected to a deep-freeze pressure connection line 114 of the deep-freeze compressor unit 102.
  • the deep-freeze compressor unit 102 compresses the main bulk cooling flow TH, which has flowed through the deep-freeze stage 82 and expanded to the low-pressure low-pressure PTN, again to the normal low-pressure PN, the deep-freeze mass flow TH compressed to the normal low-pressure PN being supplied via a line 116 to the suction connection line 18 of the refrigerant compressor unit 12.
  • a heat exchanger 118 can optionally be connected in the line 116, which permits an optionally favorable cooling of the compacted main cooling mass flow TH.
  • the intermediate cryogenic pressure accumulator 74 is provided with a discharge line 122, which supplies the gas volume 78 in the intermediate cryogenic pressure accumulator 74 with the Suction line 62 connects, which leads from the normal cooling stage 52 to the suction port 18 of the refrigerant compressor unit 12.
  • the intermediate cryogenic pressure PTZ corresponds approximately to the normal low-pressure PN.
  • Discharge line 132 on the one hand in the gas volume 46 of the intermediate pressure accumulator 42 and on the other hand in the gas volume 78 in Tiefkühl complex- pressure accumulator 74, wherein additionally in the discharge line 132 still a
  • Expansion element 134 is provided, which expands the emerging from the intermediate pressure accumulator 42 additional mass flow Z of the intermediate pressure PZ on the Tiefkühl fundamental strig Kunststoff PTZ and thus of the saturated gas phase into the wet steam area and thus causes an additional cooling of the same, so that the additional mass flow Z still under generating liquid on is cooled before it enters the Tiefkühl composed horrin- collectors 74.
  • the expansion member 134 regulates the intermediate pressure PZ in the intermediate pressure accumulator 42 to a predetermined value.
  • the volume of the bath 44 of liquid refrigerant in the intermediate pressure accumulator 42 and the volume of the bath 76 liquid refrigerant in Tiefkühl fundamental strigtationsappel 72 is set so that on the one hand the bath 74 has a sufficiently large volume and on the other hand, the bath 44 also has sufficiently large volume.
  • the additional mass flow Z 'flowing through the discharge line 122 is reduced by the mass of the liquid fraction of the additional mass flow Z deposited in the intermediate cryogenic pressure collector 74, which, however, is in the range of less than 10%, so that approximately the additional mass flow Z' corresponds to the additional mass flow Z.
  • the discharge line 122 flows through not only the Tiefkühlzusatzmassen- mass flow TZ, but also of the gas volume 78 in the intermediate cryogenic pressure collector 74 passed through substantially gaseous portion of the additional mass flow Z, which then both enter the suction line 62.
  • the liquid content of the additional mass flows flowing through the discharge line 122, namely the Tiefkühlzusatzmassenstroms TZ and the additional mass flow Z ', a total of less than 5 m-% (mass percent), more preferably less than 3 m-% and preferably less than 1 m-% of the total the discharge line 122 passing through mass flows, so as to ensure that the refrigerant compressor 14 suck the refrigerant compressor unit 10 in all operating conditions substantially liquid-free refrigerant.
  • the indication of the mass flows is a mean value which is set during operation of the refrigeration cycle 10 in the manner described during the respective operating periods.
  • a separation of the liquid components of the additional mass flow Z in the gas volume 78 of the intermediate cryogenic pressure accumulator 74 can be achieved in a particularly advantageous manner if the flow velocity of the
  • Refrigerant in the effluent line is less than 2 m / s (meters per second), more preferably less than 0.5 m / s and preferably less than 0.3 m / s.
  • Embodiments can be made to the first embodiment reference.
  • the refrigerant compressors 14 are designed so that they not only have a suction-side connection 16 and a pressure-side connection 22, but also an economizer connection 21, wherein all economizer connections 21 i to 21 3 have a common connection 152
  • Economizer Anschl uss 21 and the common connecting line 152 for al le Kälteffenverd ichter 14 'can be interrupted.
  • the connecting line 152 leads to a heat exchanger 156 and from this heat exchanger 156 performs a receiving line 158 for the
  • the heat exchanger 156 is also in turn in the line 116, which leads from the deep-freeze pressure connection line 114 to the suction connection line 18, so that through the heat exchanger 156 has the possibility to heat the discharged via the receiving line 158 part of the additional mass flow Z so far that this no more liquid shares contains before this part of the additional mass flow Z is supplied via the economizer connections 21 to the individual refrigerant compressor 14 of the refrigerant compressor unit 12, which compress the sucked part of the additional mass flow Z of the intermediate pressure PZ to high pressure PH.
  • valves 154 it is also possible to regulate the portion of the additional mass flow Z, which is supplied to the economizer terminals 21, or optionally completely suppress, so that in this case, in turn, at least a significant part, if not the whole additional mass flow Z, enters the gas volume 78 of the intermediate cryogenic pressure accumulator 74 via the expansion element 134.
  • the connecting line 152 with the valves 154, the heat exchanger 156 and the receiving line 158 form a soirmassenstromabbowiki 160, with which from the intermediate pressure accumulator 42 at least a portion of the additional mass flow Z can be discharged without that an expansion is required, so that this part of the additional mass flow Z can be compressed starting from the intermediate pressure PZ to high pressure PH and thus the efficiency of the refrigeration system is improved.
  • valves 154 By closing the valves 154, however, it is also possible to deactivate the additional mass flow discharge unit 160.
  • the receiving line 158 is provided in the same manner as in the second embodiment, which leads to the heat exchanger 156 and of the heat exchanger 156 leads in this case, a suction line 162 to an addition to
  • the elements identical to the first and second embodiments are provided with the same reference numerals, so that with regard to the description of the same, reference may be made in full to the comments on the first and second embodiments.
  • a fourth embodiment shown in FIG. 4, those elements which are identical to those of the first, second and third embodiment, are provided with the same reference numerals, so that with regard to the description of the same in full to the comments on these
  • Embodiments can be referenced.
  • a switching valve 182 is provided which allows to prevent a recording of refrigerant from the gas volume 46 of the intermediate pressure accumulator 42.
  • refrigerant compressor unit 12 In terms of their compressor performance, since in this case via the check valve 186 refrigerant from the suction line 62 can be sucked into the receiving line 158 and fed via the suction line 162 to the preferably speed-controlled parallel compressor 164, thus parallel to the refrigerant compressors 14 of Refrigerant compressor unit 12 operates, preferably one of the refrigerant compressor 14 is also speed-controlled, so that a total of two power-controlled or variable-speed refrigerant compressor are available.
  • a controller 192 is provided which on the one hand controls the switching valve 182 and on the other hand the parallel compressor 164, namely
  • the refrigerant circuit 10 is operated such that the high pressure PH, for example, is about 90 bar.
  • the intermediate pressure PZ in the intermediate pressure accumulator 42 is maintained at about 40 bar.
  • the low pressure PN is about 28 bar.
  • the parallel compressor 164 operates with the switching valve 182 open, so that the entire additional mass flow Z via the receiving line 158, the heat exchanger 156 and the suction line 162 to the suction port 166 of the parallel compressor 164 is supplied, which then compresses the additional mass flow to the high pressure PH, the at the pressure port 172 of the same.
  • the high pressure PH is lowered, for example, to 45 bar.
  • the control valve 192, the switching valve 182 is closed and the parallel compressor 164 operates in parallel to the refrigerant compressor unit 12, for this purpose via the branch line 184 and the check valve 186 refrigerant from the suction line 62 is sucked into the receiving line 158, the heat exchanger 156 flows through and is supplied via the suction line 162 to the suction port 166 of the parallel compressor 164.
  • the additional mass flow Z flows via the expansion element 134, which is arranged in the discharge line 132, from the gas volume 46 in the intermediate pressure accumulator 42 into the gas volume 78 of the intermediate cryogenic pressure accumulator 74, wherein, as already described in connection with FIG first exemplary embodiment described in detail, in the gas volume 78 in the intermediate cryogenic pressure accumulator 74, a separation of resulting by expansion of the additional mass flow Z liquid is deposited in the cryogenic intermediate pressure accumulator 74.
  • the parallel compressor 164 sucks in the partial load operation refrigerant from the suction line 62 at low pressure PN and compresses the refrigerant to the high pressure PH, which is only in the range of, for example, in this case, 45 bar.
  • a three-way valve 202 is provided in the receiving line 158 instead of the switching valve 182, which is able to connect either the branch line 184 with the receiving line 158 and the connection between the receiving line 158 and the discharge line 132 to interrupt or Make connection between the receiving line 158 and the discharge line 132 and to interrupt the connection between the branch line 184 and the receiving line 158.
  • This three-way valve 202 is also controllable by a controller 192, which also controls the parallel compressor 164, in the same manner as described in connection with the fourth embodiment, now instead of driving the switching valve 182, a control of the three-way valve 202 takes place.
  • a controller 192 which also controls the parallel compressor 164, in the same manner as described in connection with the fourth embodiment, now instead of driving the switching valve 182, a control of the three-way valve 202 takes place.
  • Three-way valve 202 a three-way valve 204 is provided, which on the one hand with the suction line 18 on the other hand connected to the suction line 162 and is able to connect one of these lines 18 or 162 with the suction port 166 of the parallel compressor 164.
  • the three-way valve 204 provides the possibility of the parallel compressor 164 either a part of the additional mass flow Z or the entire additional mass flow Z via the suction line 162, the heat exchanger 156 and the receiving line 158 or the parallel compressor 164 via the suction line 18 expanded refrigerant from the
  • the three-way valve 204 is also controllable by the controller 192, which also controls the parallel compressor 164, in the same manner as described in connection with the fourth embodiment, wherein instead of driving the switching valve 182 a
  • a refrigeration system 10 according to the exemplary embodiments described above can be used in particular for the energy-optimized operation of a building 210, in particular a food market, wherein an interior 212 of the building 210
  • a cooling device 214 is provided, in which refrigerated goods or objects, such as food, at a normal cooling temperature, that is maintained at a temperature in the range of usually 0 ° C to 5 ° C, wherein the cooling of this cooling device is performed by the normal cooling stage 52 of the refrigeration system 10 according to the invention.
  • a deep-freezing device 216 is provided in the interior space 212, in which deep-frozen material or objects, for example frozen food, is kept at a deep-freezing temperature, for example at a temperature in the range from -30 ° C. to -10 ° C.
  • the cooling of the deep-freezing device 216 takes place through the deep-freezing stage 82 of the refrigeration system 10 according to the invention.
  • Building 210 may be located next to building 210.
  • the high-pressure-side heat exchanger 34 which is arranged outside the building 210 and serves for heat exchange with the ambient air 222, is connected in parallel with a heat exchanger 224, which is assigned to the building 210 and serves to enter the building Inner space 212 of the building 210 to be heated indoor air to heat 226, for which purpose the heat exchanger 224 can suck according to requirements ambient air 222 of the building 210 and / or indoor air of the building 210 for heating.
  • the resulting on the high pressure side of the refrigeration systems 10 heat according to the invention can be used energy efficient for building heating, especially in times when the outside temperature of the building 210 is below an aspired in the interior 212 of the same room temperature.
  • a cooling heat exchanger 232 which serves to cool the interior 212 of the building 210 at high outside temperatures or sunlight.
  • the cooling heat exchanger 232 is thereby fed, for example, by a parallel circuit 242 assigned to the intermediate pressure collector 42, which receives liquid refrigerant at a temperature corresponding to the intermediate pressure PZ in the intermediate pressure accumulator 42 from the bath 44 of the liquid refrigerant in the intermediate pressure accumulator 42 via a supply line 244, evaporates in an evaporator 246 and via a derivative 248 again the gas volume 46 of the intermediate pressure accumulator 42 supplies.
  • the evaporator 246 is designed as a flooded evaporator, which is cooled by gravity due to the entering into this liquid refrigerant, said refrigerant then evaporates in this evaporator 246.
  • a control element 252 is provided for controlling or regulating the parallel circuit 242, which in the simplest case may be a valve or, in the somewhat more complex case, a power-controlled pump for liquid refrigerant.
  • the evaporator 246, for example, in turn cools a transformer circuit 262, in which, for example, a heat transfer medium, such as air, brine or water circulates, which in turn flows through the cooling heat exchanger 232 in the building 210 and can be used there to cool an air stream 264, said air stream 264 in the simplest case may be an air flow of circulated indoor air 226 of the building 210.
  • a heat transfer medium such as air, brine or water
  • temperatures between 5 ° C. and 0 ° C. are present in the intermediate pressure accumulator 42, so that the cooling heat exchanger 232 is operated at these temperatures and thus the air flow 264, which flows through the cooling heat exchanger 232, can be cooled in a simple manner.
  • Additional mass flow Z which accumulates in the intermediate pressure accumulator 42 and must be introduced either via the discharge line 132 and the expansion element 134 in the intermediate cryogenic pressure accumulator 74 and then after the same must be compressed by the refrigerant compressor unit 12 or discharged through the Rajmassenstromabbowillon 160. In any case, this results in more heat on the high-pressure side, which can either be dissipated from the heat exchanger 34 to the environment of the building 210 or, if appropriate, can be used by the heat exchanger 224 to heat the building 210 under favorable conditions, for example after dehumidification of outside air, which the indoor air 226 can be supplied to the building 210 as supply air.
  • the intermediate cryogenic pressure accumulator 74 is associated with a parallel circuit 272, which has one of the bath 76 in the intermediate cryogenic pressure accumulator 74 liquid refrigerant receiving supply line 274 which supplies this refrigerant to an evaporator 276, which in turn vaporizes the liquid refrigerant and a drain 278 again the gas volume 78th fed in Tiefkühl fundamental Kunststoffsammler 74.
  • the evaporator 276 is formed, for example, as a flooded evaporator, so that the liquid refrigerant enters due to gravity, is vaporized in the evaporator 276 and then returned to the gaseous via the supply line 274 the gas volume 78 in Tiefkühl fundamental Kunststoffsammler 74.
  • a control element 282 is likewise provided in the supply line 274, which may be designed either in the form of a switching valve or possibly also in the form of a power-controlled pump.
  • the evaporator 276 is further coupled to a circuit 292 in which an external heat exchanger 294 is disposed outside of
  • the refrigeration system 10 not only serves to operate the cooling device 214 and the deep cooling device 216 in the building 210, but at the same time also to heat the interior 212 of the building via the heat exchanger 224.
  • the refrigerant is present at a temperature between -12 ° C and -5 ° C, so that at outside temperatures which are higher than the saturated temperature in the intermediate cryogenic pressure accumulator 74, heat can always be absorbed via the heat exchanger 294 , which in turn can then be discharged via the heat exchanger 224 into the interior 212 of the building 210.

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Abstract

Um eine Kälteanlage umfassend einen Kältemittelkreislauf, in welchem ein Gesamtmassenstrom eines Kältemittels geführt ist, einen hochdruckseitiges Kältemittel kühlenden Wärmeübertrager, ein Expansionsorgan, das einen Hauptmassenstrom aus flüssigem Kältemittel und einen Zusatzmassenstrom aus gasförmigem Kältemittel erzeugt, die in einen Zwischendrucksammler eintreten, mindestens eine Normalkühlstufe, welche aus dem Hauptmassenstrom einen Normalkühlmassenstrom abführt und in einer Normalkühlexpansionseinheit expandiert, eine Tiefkühlzwischendruckexpansionseinheit, welche einen Tiefkühlhauptmassenstrom aus flüssigem Kältemittel sowie einen Tiefkühlzusatzmassenstrom aus gasförmigem Kältemittel einem Tiefkühlzwischendrucksammler zuführt, eine den Tiefkühlhauptmassenstrom aus dem Tiefkühlzwischendrucksammler abführende Tiefkühlstufe, welche mindestens eine Tiefkühlexpansionseinheit aufweist, eine Tiefkühlverdichtereinheit, welche den Tiefkühlhauptmassenstrom verdichtet und einer Kältemittelverdichtereinheit zur Verdichtung auf Hochdruck zuführt, derart zu verbessern, dass die Gefahr der Ansaugung von Flüssigkeit erheblich reduziert wird, wird vorgeschlagen, dass der Zusatzmassenstrom über ein Expansionsorgan expandiert und dem Tiefkühlzwischendrucksammler derart zugeführt wird, dass sich im Tiefkühlzwischendrucksammler eine Flüssigphase abscheidet und dass eine sich im Tiefkühlzwischendrucksammler ausbildende Gasphase des Zusatzmassenstroms zusammen mit dem Tiefkühlzusatzmassenstrom einer Zusatzmassenstromverdichtereinheit zum Verdichten auf Hochdruck zugeführt wird.

Description

KÄLTEANLAGE
Die Erfindung betrifft eine 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 Tiefkühlzwischen- druckexpansionseinheit, 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 Tiefkühlzwischendruck- sammler 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 Kältemittelanlagen sind aus dem Stand der Technik bekannt.
Beispielsweise wird eine derartige Kältemittelanlage in der
DE 10 2006 50 232 B3 beschrieben.
Das Problem 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, eine Kälteanlage der gattungsgemäßen Art derart zu verbessern, dass die Gefahr der Ansaugung von Flüssigkeit durch die Kältemittelverdichtereinheit erheblich reduziert wird.
Diese Aufgabe wird bei einer Kälteanlage der eingangs beschriebenen Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass der Zusatzmassenstrom aus dem Zwischendrucksammler über ein Expansionsorgan expandiert und dem Tief- kühlzwischendrucksammler derart zugeführt wird, dass sich im Tiefkühl- zwischendrucksammler eine durch Expansion mittels des Expansionsorgans gebildete Flüssigphase in den Tiefkühlhauptmassenstrom innerhalb des Zwischendrucksammlers abscheidet und dass eine sich im Tiefkühlzwischen- drucksammler ausbildende Gasphase des Zusatzmassenstroms zusammen mit dem Tiefkühlzusatzmassenstrom einer Zusatzmassenstromverdichtereinheit zum Verdichten auf Hochdruck zugeführt wird .
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 Tiefkühl- zwischendrucksammler expansionsfrei der Zusatzmassenstromverdichter- einheit zugeführt wird, so dass keinerlei Leistungseinbußen durch eine weitere Expansion derselben entstehen.
Ferner ist es günstig, wenn ein Tiefkühlzwischendruck im Tiefkühlzwischen- drucksammler 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 Tiefkühlzusatz- massenstroms 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 dem Tiefkühlzwischendrucksammler räumlich getrennt von einer vom Tiefkühlzwischendrucksammler weg führenden Abfuhrleitung für den Tiefkühlzwischendrucksammler mündet.
Insbesondere ist die Einmündung des expandierten Tiefkühlzusatzmassenstrom 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 Tiefkühl- zusatzmassenstroms und des gasförmigen Zusatzmassenstroms vorliegen.
Besonders zweckmäßig ist es, wenn ein Flüssigkeitsanteil des über die
Abfuhrleitung aus dem Tiefkühlzwischendrucksammler austretenden
Kältemittels kleiner ist als 5 m-% (Massenprozent), noch besser kleiner ist als 3 m-% und vorzugsweise kleiner ist als 1 m-% des Massenstroms der gasförmigen Phasen.
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. Insbesondere ist es dabei günstig, wenn der von dem Expansionsorgan expandierte Teil des Zusatzmassenstroms dem Gasvolumen im Tiefkühl- zwischendrucksammler in einer Abscheidehöhe von 300 mm bis 400 mm über dem konstruktiv vorgegebenen maximal erreichbaren Flüssigkeitsniveau des Bades des Tiefkühlhauptmassenstroms im Tiefkühlzwischendrucksammler zugeführt wird.
Bei einer derartigen Zufuhr des expandierten Zusatzmassenstroms ist mit großer Wahrscheinlichkeit mit einer ausreichenden Abscheidung der flüssigen Phase im Tiefkühlzwischendrucksammler zu rechnen.
Die bislang beschriebene 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 hochdruck- seitige 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 Economizer- anschluss 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 hochdruck- seitige 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 Tiefkühl- zusatzmassenstrom 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 erfindungsgemäßen Kälteanlage;
Fig. 2 eine schematische Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Kälteanlage;
Fig. 3 eine Darstellung eines dritten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Kälteanlage;
Fig. 4 eine Darstellung eines vierten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Kälteanlage;
Fig. 5 eine Darstellung eines fünften Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Kälteanlage;
Fig. 6 eine Darstellung eines sechsten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Kälteanlage und
Fig. 7 eine schematische Darstellung eines Gebäudes mit einer erfindungsgemäßen Kälteanlage.
Ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Kälteanlage, 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 14i bis 143, aufweist, die alle parallel geschaltet in der Kältemittelverdichtereinheit 12 arbeiten. Jeder der Kältemittelverdichter 14i bis 143 weist einen saugseitigen Anschluss 16i 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 22i 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 hoch- druckseitigen Wärmeübertrager 34 durchströmt, durch welchen eine Kühlung des auf Hochdruck verdichteten Kältemittels erfolgt. Je nachdem, ob ein unterkritischer Kreisprozess oder ein überkritischer Kreis- prozess 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 C02, 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 Normalkühl- expansionsorgan 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 Normalkühlwärmeübertrager 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 Tiefkühl- zwischendruckexpansionseinheit 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 Tiefkühlexpansions¬ einheiten 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 104i bis 1043 aufweist, die jeweils saugseitige Anschlüsse 106i 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 112i 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 Tiefkühlzwischendruck- sammler 74 auf dem Tiefkühlzwischendruck PTZ vorliegt, abzuführen, um den Tiefkühlzwischendruck PTZ möglichst konstant zu halten, ist der Tiefkühl- zwischendrucksammler 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 Zwischendruck- sammlers 42 und andererseits in das Gasvolumen 78 im Tiefkühlzwischen- drucksammler 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 Tiefkühlzwischendruck- sammler 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 Tiefkühlzwischendruck- sammler 72 so eingestellt, dass einerseits das Bad 74 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 das Gasvolumen 78 im Tiefkühl- zwischendrucksammler 74 in einer Abscheidehöhe von 300 mm bis 400 mm über dem konstruktiv vorgegebenen maximal erreichbaren Flüssigkeitsniveau des Bades 76 des Tiefkühlhauptmassenstroms TH im Tiefkühlzwischendruck- sammler 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 Tiefkühlzusatzmassen- strom 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 M ittelwert, der sich bei einem Betrieb des Kältekreislaufs 10 in der beschriebenen Art und Weise während der jeweil igen Betriebszeiträume einstel lt.
Besonders vorteil haft lässt sich eine Abscheidung der Fl üssigkeitsanteile des Zusatzmassenstroms Z in dem Gasvolumen 78 des Tiefkühlzwischendruck- sammlers 74 dann erreichen, wenn die Strömungsgeschwindigkeit des
Kältemittels in der Abfu hrleitung kleiner ist als 2 m/s (Meter pro Sekunde), noch besser kleiner als 0,5 m/s und vorzugsweise kleiner als 0,3 m/s ist.
Bei einem zweiten Ausführungsbeispiel einer erfind ungsgemäßen Kälteanlage 10, dargestellt in Fig .2, sind diejenigen Elemente, die mit denen des ersten Ausführungsbeispiels identisch sind, mit densel ben Bezugszeichen versehen, so dass hinsichtlich der Beschreibung dersel ben voll inhaltl ich auf d ie
Ausfü hrungen zum ersten Ausführungsbeispiel Bezug genommen werden kann .
Im Gegensatz zum ersten Ausfü hrungsbeispiel sind bei dem zweiten
Ausführungsbeispiel d ie Kältemittelverdichter 14 so ausgebildet, dass sie nicht nur einen saugseitigen Anschluss 16 und einen druckseitigen Anschluss 22 aufweisen, sondern einen Economizer-Anschluss 21, wobei al le Economizer- Anschlüsse 21i bis 213 mit einer gemeinsamen Anschl ussleitung 152
verbunden sind .
Zwischen dem jeweil igen Economizer-Anschl uss 21 und der Anschl ussleitung 152 ist ferner noch bei jedem der Kältemittelverd ichter 14' ein eigenes Ventil 154i bis 1543 angeord net, mit welchem eine Verbindung zwischen dem
Economizer-Anschl uss 21 und der gemeinsamen Anschlussleitung 152 für al le Kältemittelverd ichter 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 erfindungsgemäßen Kälteanlage 10, 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 Tiefkühl- zwischendrucksammlers 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 abgeschieden wird .
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 erfindungsgemäßen Kälteanlage, 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 erfindungsgemäßen Kälteanlage, 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 hoch- druckseitigen 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

P A T E N T A N S P R Ü C H E
1. 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 Normal- kühlexpansionseinheit (54) auf einen Niederdruck (PN) expandiert und dabei Kälteleistung für Normalkühlung zur Verfügung stellt, eine Tief- kühlzwischendruckexpansionseinheit (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 Tiefkühl- zwischendrucksammler (74) zuführt, in welchem eine Trennung des Tiefkühlhauptmassenstroms (TH) von dem Tiefkühlzusatzmassenstrom (TZ) erfolgt, eine den Tiefkühlhauptmassenstrom (TH) aus dem Tief- kühlzwischendrucksammler (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,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass der Zusatzmassenstrom (Z) aus dem Zwischendrucksammler (42) über ein Expansionsorgan (134) expandiert und dem Tiefkühlzwischendrucksammler (74) derart zugeführt wird, 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) einer Zusatzmassenstromverdichtereinheit (12) zum Verdichten auf Hochdruck (PH) zugeführt wird.
2. Kälteanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Gasphase des Zusatzmassenstroms (Z) zusammen mit dem Tiefkühlzusatzmassenstrom (TZ) von dem Tiefkühlzwischendrucksammler (74) expansionsfrei der Zusatzmassenstromverdichtereinheit (12) zugeführt wird .
3. Kälteanlage nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Tiefkühlzwischendruck (PTZ) im Tiefkühlzwischendrucksammler (74) in einem Druckbereich liegt, der von dem Niederdruck (N) bis zu dem Zwischendruck (PZ) reicht.
4. Kälteanlage nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Tiefkühlzwischendruck (PTZ) im Bereich des Niederdrucks (N) liegt.
5. Kälteanlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kältemittelverdichtereinheit (12) eine Zusatzmassenstromverdichter- einheit bildet.
Kälteanlage 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.
Kälteanlage nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der durch das Expansionsorgan (134) expandierte Zusatzmassenstrom dem Tiefkühlzwischendrucksammler (74) räumlich getrennt von einer vom Tiefkühlzwischendrucksammler (74) wegführenden Abfuhrleitung (122) für den Tiefkühlzwischendrucksammler (74) mündet.
Kälteanlage nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Strömungsgeschwindigkeit des Kältemittels in der Abfuhrleitung (122) kleiner ist als 2m/s, noch besser kleiner ist als 0,5m/s und besonders bevorzugt kleiner ist als 0,3m/s.
Kälteanlage nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Flüssigkeitsanteil des über die Abfuhrleitung (122) aus dem Tiefkühlzwischendrucksammler (74) austretenden Kältemittels kleiner ist als 5 m-%, noch besser kleiner als 3 m-% und vorzugsweise kleiner ist als 1 m-%.
Kälteanlage 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 (152) vorgesehene Expansionsorgan (134) auf den Tiefkühlzwischendruck (PTZ) entspannt wird .
11. Kälteanlage nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der durch das Expansionsorgan (134) entspannte Zusatzmassenstrom (Z) einem Gasvolumen (78) im Tiefkühlzwischendrucksammler (74) zugeführt wird .
12. Kälteanlage nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, 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 Bad (76) im Tiefkühlzwischendrucksammler (74) zugeführt wird.
13. Kälteanlage 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 Zwischen- drucksammler (42) entnommen und ohne weitere Expansion ausgehend von dem Zwischendruck (PZ) einer Verdichtung auf Hochdruck (PH) zugeführt wird.
14. Kälteanlage nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die
Zusatzmassenstromabfuhreinheit (160) einen Wärmeübertrager (156) zum Aufheizen des Zusatzmassenstroms (Z) vor dessen Verdichten auf Hochdruck (PH) aufweist.
15. Kälteanlage nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass der
Wärmeübertrager (156) von dem von der Tiefkühlverdichtereinheit (102) verdichteten Tiefkühlhauptmassenstrom (TH) durchströmt ist.
16. Kälteanlage nach einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Zusatzmassenstromabfuhreinheit (160) den abgeführten Teil des Zusatzmassenstroms (Z) einem Economizer- anschluss (21) von Kältemittelverdichtern (14') der Kältemittelverdichtereinheit (12') zuführt.
17. Kälteanlage nach einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Zusatzmassenstromabfuhreinheit (160) den abgeführten Teil des Zusatzmassenstroms (Z) einem Parallelverdichter (164) zuführt, der zusätzlich zur Kältemittelverdichtereinheit (12) vorgesehen ist.
18. Kälteanlage nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Parallelverdichter (164) leistungsgeregelt arbeitet.
19. Kälteanlage nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass durch Leistungsregelung des Parallelverdichters (164) eine Regelung des Zwischendrucks (PZ) auf einen vorgegebenen Wert erfolgt.
20. Kälteanlage nach einem der Ansprüche 13 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Zusatzmassenstromabfuhreinheit (160) durch ein Schaltorgan (182, 202, 204) mit dem Zwischendrucksammler (42) verbindbar oder von diesem trennbar ist.
21. Kälteanlage nach einem der Ansprüche 13 bis 20, 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.
22. Kälteanlage nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens einer der Kältemittelverdichter (14') der Kältemittelverdichtereinheit (12) leistungsgeregelt ist.
23. Kälteanlage nach einem der Ansprüche 13 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass in einem ersten Betriebsmodus die Zusatzmassenstrom- abfuhreinheit (160) von dem Zwischendrucksammier (42) getrennt ist und dass der gesamte Zusatzmassenstrom (Z) expandiert und dem Tiefkühlzwischendrucksammler (74) zugeführt wird.
24. Kälteanlage nach einem der Ansprüche 13 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass in einem zweiten Betriebsmodus die Zusatzmassen- stromabfuhreinheit (160) mit dem Zwischendrucksammier (42) verbunden ist und einen Teil des Zusatzmassenstroms (Z) abführt und ein anderer Teil des Zusatzmassenstroms (Z) dem Tiefkühlzwischendrucksammler (74) zugeführt wird .
25. Kälteanlage nach einem der Ansprüche 13 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass in einem dritten Betriebsmodus die Zusatzmassenstrom- abfuhreinheit (160) mit dem Zwischendrucksammier (42) verbunden ist und den gesamten Zusatzmassenstrom (Z) abführt.
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