Patentansprüche
1. Anlage für die Kälte-, Heiz- oder Klimatechnik, insbesondere Kälteanlage (40, 40'), mit einem Arbeitsmediumkreislauf, welcher in Strömungsrichtung hintereinander einen Verdichter (12), einen Kondensator (1 1 ), ein Expansionsventil (1 5) und einen Verdampfer (14) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass zum Konstanthalten der Temperatur des flüssigen Arbeitsmediums vor dem Expansionsventil (1 5) Mittel (25) vorgesehen sind, welche das zum Expansionsventil (1 5) strömende flüssige Arbeitsmedium thermisch an das vom Expansionsventil (15) zum Verdampfer (14) strömende Ar- beitsmedium ankoppeln.
2. Anlage nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zum Konstanthalten der Temperatur des flüssigen Arbeitsmediums vor dem Expansionsventil (1 5) einen Stabilisator (25) in Form eines Wärmetauschers umfassen, welcher auf der einen Seite von dem vom Expansionsventil (15) zum Verdampfer (14) strömenden Arbeits- medium durchströmt wird und auf der anderen Seite von dem zum Expansionsventil
(15) strömenden flüssigen Arbeitsmedium durchströmt wird.
3. Anlage nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Stabilisator (25) von dem Arbeitsmedium im Gleichstrom oder Gegenstrom durchströmt wird.
4. Anlage nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass dem Verdampfer (14) ein Interner Wärmetauscher (26) nachgeschaltet ist, in welchem auf der einen Seite das aus dem Verdampfer (14) kommende Arbeitsmedium nachverdampft und/oder überhitzt wird, und auf der anderen Seite das aus dem Kondensator (1 1) kommende Arbeitsmedium vor dem Eintritt in den Stabilisator (25) unterkühlt wird.
5. Anlage nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Interne Wärmetauscher (26) als thermisch langer Wärmetauscher ausgebildet ist.
6. Anlage nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Kondensator (1 1 ) und dem Internen Wärmetauscher (26) ein externer Unterkühler (28) eingefügt ist.
7. Anlage nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Verdichter (12) und dem Kondensator (11 ) ein Abwärmenutzungstauscher (27) angeordnet ist.
8. Verfahren zum Betrieb einer Anlage nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch ge- kennzeichnet, dass der Interne Wärmetauscher (26) wahlweise ausschliesslich als überhitzer für das zum Verdichter (12) strömende Arbeitsmedium oder als weitere Verdampferstufe betrieben wird.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Interne Wärmetauscher (26) in Abhängigkeit von der Eintrittstemperatur des flüssigen Arbeitsmediums in den Internen Wärmetauscher (26) wahlweise ausschliesslich als überhitzer für das zum
Verdichter (12) strömende Arbeitsmedium oder als weitere Verdampferstufe betrieben wird.
10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass in der Anlage (40, 40') mit dem kleinstmöglichen Massenstrom kälteseitig die grösstmögliche Leistung im Verdampfer 14 an ein Sekundärmedium übertragen wird. |
Anlage für die Kälte-, Heiz- oder Klimatechnik, insbesondere Kälteanlage
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der auf einem thermodynamischen Kreisprozess beruhenden Kältetechnik und Klimatechnik einschliesslich Wärmepumpensystemen. Sie betrifft eine Anlage für die Kälte-, Heiz- oder Klimatechnik gemäss dem Oberbeg- riff des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren zum Betrieb einer solchen Anlage.
Bekannt ist in der Kältetechnik zum Einen der Trockenexpansionsbetrieb, bei dem das Arbeitsmedium bzw. Kältemittel über ein Einspritzventil eine Druckreduktion erfährt und vom flüssigen Zustand in ein Flüssigkeits-/Dampf-Cemisch übergeht, im nachfolgenden Verdampfer vollständig verdampft, um dann mit leicht überhitztem Dampf den Verdampfer zu verlassen und so durch Wärmeaufnahme ein zweites Medium (z.B. eine Sole) herunterkühlt.
Zum anderen kennt man den Thermosiphonbetrieb, bei dem das Kältemittel aus einem Ausgleichs- und Abscheidegefäss dem Verdampfer entweder mittels Schwerkraft oder mit Hilfe einer Pumpe als Flüssigkeit zugeführt wird. Beim Austritt aus dem Verdampfer können durchaus noch Flüssigkeitsanteile im Dampf enthalten sein, so dass in der Regel keine D- berhitzung des Kältemittels am Verdampferaustritt entsteht.
Aus der US-A-5,243,837 ist weiterhin eine Kälteanlage bekannt (siehe die dortige Fig. 1 ), deren grundsätzlicher Aufbau in Fig. 1 wiedergegeben ist. Die bekannte Kälteanlage 10 der Fig. 1 umfasst einen Kältemittelkreislauf, in dem in Strömungsrichtung hintereinander ein Verdichter 1 2, ein Kondensator 1 1 , ein Wärmetauscher 1 3 ein Expansions- bzw. Einspritz- ventil 1 5 und ein Verdampfer 14 angeordnet sind. Im Kondensator 1 1 wird das verdichtete Kältemittel durch Wärmeaustausch mit einem über die Verbindungsleitungen 16 und 17 zu- bzw. abgeführten Medium verflüssigt. Als Medium kommt auch Luft in Betracht, die durch den Kondensator 1 1 strömt. Im Wärmetauscher 13 wird das im Kondensator 1 1 verflüssigte Kältemittel durch Wärmeaustausch mit dem zum Verdichter 12 strömenden Saugdampf unterkühlt, während der Saugdampf seinerseits überhitzt wird. Das unter Druck stehende
flüssige, unterkühlte Kältemittel wird im Expansionsventil 1 5 kontrolliert entspannt, wobei der Volumenstrom des Kältemittels geregelt wird. Das entspannte Flüssig/Dampf-Gemisch verdampft im Verdampfer 14 und kühlt dabei ein durch Verbindungsleitungen 18, 19 zu- bzw. abgeführtes Sekundärmedium ab. Die Verdampfungskälte kann aber auch direkt über eine Kaltfläche zur Kühlung eines Raumes abgegeben werden. Das verdampfte Kältemittel verlässt den Verdampfer 14 leicht überhitzt. Die (interne) Unterkühlung des flüssigen Kältemittels vor der Expansion im Expansionsventil 15 steigert den Wirkungsgrad der Kälteanlage. Die damit verbundene nachfolgende grosse überhitzung des verdampften Kältemittels im Wärmetauscher 13 wirkt sich jedoch negativ auf die Effizienz des Verdichtungsprozesses aus.
In der genannten US-A-5,243,837 ist deshalb vorgeschlagen worden (siehe die dortige Fig. 2), eine weitere Unterkühlung des flüssigen Kältemitteis direkt im Verdampfer vorzunehmen, der einen integrierten Unterkühler aufweist. Eine solche Lösung ist in Fig. 2 wiedergegeben, wo in der Kälteanlage 20 der Verdampfer 21 zusätzlich mit einem internen Unterkühler ausgestattet ist.
Zur Erhöhung der Wirtschaftlichkeit derartiger Kälteanlagen ist in der WO-Al- 2004/020918 vom Anmelder vorgeschlagen worden, modular aufgebaute Kältesysteme mit drehzahlveränderlichen Verdichtern einzusetzen, bei denen je nach angeforderter Kälteleistung einzelne Module zu- oder abgeschaltet werden bzw. individuell in ihrer Leistung verändert werden, um die durch das Zu- und Abschalten ganzer Module bedingten Leistungssprünge auszugleichen. Durch den modularen Aufbau des Kältesystems ergeben sich pro einzelnem Modul besonders günstige, kleine Kältemittelfüllungen. Darüber hinaus wird mit dem wechselnden Einsatz mehrerer Module eine Redundanz erreicht, die Unterbrüche in den auf die Kälteerzeugung angewiesenen Verfahrensprozessen vermeiden hilft. Die einzel- nen Module haben dabei den in Fig. 3 gezeigten Aufbau einer Kälteanlage 30 mit einem
Zweistufen-Verdampfer 22, der eine erste Verdampferstufe 23 und eine nachgeschaltete zweite Verdampferstufe 24 in Form eines Internen Wärmetauschers (IWT) umfasst.
Allen diesen Systemen haften unter Praxisbedingungen mehr oder weniger grosse Nachteile an: Trockenexpansionssysteme haben den Vorteil der einfachen Bauart und kleinen Kälte- mittelinhalte. Der Anlagenwirkungsgrad wird im Wesentlichen beeinflusst durch eine möglichst kleine Verdampfungsüberhitzung und eine möglichst hohe Verdampfungstemperatur. Für den Verdichter ist dies aber von Nachteil und er verlangt eine entsprechend hohe überhitzung (Liefergradverbesserung, Schmierung, etc.). Der Schnittpunkt dieser beiden gegenläufigen Forderungen (kleine überhitzung für den Verdampfer, grosse überhitzung für den Verdichter) gibt die optimale Anlagenkennlinie (wirtschaftlichster Betrieb).
Es ist nun in der WO-Al -2005/073645 vom Anmelder vorgeschlagen worden, diese Abhängigkeit zwischen kleinster überhitzung für den Verdampfer und grosser überhitzung für den Verdichter zu durchbrechen. Dabei wird versucht, den Prozess für eine gegebene Kälteleistung Q 0 mit dem dafür benötigten kleinsten physikalisch möglichen Massenstrom zu fahren, was zu erheblichen wirtschaftlichen und energetischen Vorteilen führt. Die dort vorgeschlagene Lösung kann sowohl bei Trockenexpaπsionssystemen mit nachgeschaltetem Internen Wärmeaustauscher (gemäss Fig. 1 ), also mit einem Wärmeaustausch (1 3) zwischen Kältemittelflüssigkeitsleitung vor dem Expansionsventil 15 einerseits und dem Saugdampf nach dem Verdampfer 14 andererseits, als auch bei Zweistufenverdampfungssystemen ge- mäss Fig. 3 eingesetzt werden.
Allen herkömmlichen Systemen sind aber je nach Betriebsbedingungen kältemittelseitig relativ grosse Temperaturschwankungen vor dem Expansionsventil (Einspritzventil) 15 und vor dem Verdichter 1 2 eigen. Diese Temperaturen des Kältemittels (vor dem Einspritzventil 15 und vor dem Verdichter 12) wurden bis anhin nicht konstant gehalten oder exakt gere- gelt. Oft wurde, wenn überhaupt, nur der Hoch- oder Saugdruck geregelt und/oder konstant
gehalten. Dies führte zu mehr oder weniger grossen Schwankungen und Rückkoppelungen (Aufschaukeln) des Kältesystems und somit zu unstabilen Regelkreisen und Verlusten im Wirkungsgrad. Die hauptsächlichen Faktoren für diese Schwankungen sind einerseits der sich mit der veränderten Temperatur des Kältemittels veränderte Eintrittsdampfgehalt in den Verdampfer, welcher Auswirkungen auf die Einspritzventil- und Verdampferleistung sowie das Regelverhalten des Einspritzventils und dessen Leistung, respektive den geförderten Kältemittelmassenstrom hat. Andererseits ergeben sich auch Wirkungen beim Saugdampf am Eintritt in den Verdichter 12, wo die veränderte Temperatur wegen des der jeweiligen Temperatur (und dem jeweiligen Druck) zugeordneten spezifischen Volumens einen Einfluss auf das Fördervolumen des Verdichters 12, also wiederum des geförderten Massenstroms, hat. Diese sich infolge der Temperaturänderungen ständig verändernden Massenströme bringen mehr oder weniger grosse Störfaktoren in den Regelkreis der Kälteanlage ein, was zu Schwankungen im Prozess und somit zu Leistungsverminderungen führt.
Ein stabiler Betrieb der Anlage wird in der WO-AI -2005/073645 dadurch erreicht, dass:
- Die Temperatur des Kältemittels vor dem Einspritzventil 15 auf einen definierten
Temperaturwert konstant gehalten wird; oder
die Temperatur des Kältemittels vor dem Verdichter auf einen definierten Temperaturweit konstant gehalten wird; wobei
- diese beiden Massnahmen für sich alleine oder in Kombination miteinander einge- setzt werden.
Die drei ersten Massnahmen mit einer Trockenexpansionsventilsteuerung herkömmlich nach MSS (minimalstem stabilem Signal) mit oder ohne IWT (interner Wärmeaustauscher) betrieben werden.
Das Einspritzventil 1 2 mit der Temperatur zwischen Flüssigkeitsleitung vor dem Einspritzventil 1 2 und Druckmessung nach dem Einspritzventil 12, der so genannten Zweistufenverdampferregelung (gemäss der WO-AI -2004/020918), geregelt wird.
Diese Massnahmen wie Kältemittelflüssigkeitstemperaturkonstanthaltung vor dem Einspritz- ventil 12, Saugdampftemperaturkonstanthaltung vor dem Verdichter 1 2, Zweistufenver- dampferprozess (mit entsprechender Regelung des Einspritzventils 1 2) führen alleine oder in beliebiger Kombination zu einem stabilen Betrieb der Kälteanlagen (auch bei grossen Leistungsänderungen). Kommt dabei gemäss Fig. 3 ein Zweistufen-Verdampfer 22 zum Einsatz, können zusätzlich kleinste Temperaturdifferenzen zwischen dem zu kühlenden Medium ei- nerseits und der Verdampfungstemperatur T 0 (bei Saugdruck) andererseits erzielt werden. Diese Temperaturdifferenz kann in jedem Fall kleiner sein, als wenn das Kältemittel bei Tro- ckenexpansionsbetrieb den Verdampfer 14 „überhitzt" verlässt.
Durch den gewonnenen stabileren Betrieb ergeben sich Energie- und Kostenersparnisse und es wird möglich, speziell in Kombination mit der Zweistufenverdampfungstechnik (Fig. 3) Prozesse mit wesentlich kleineren Temperaturdifferenzen der zu kühlenden Medien zu den jeweiligen Verdampfungstemperaturen, zu fahren. Dadurch können Prozesse auf einfache und kostengünstige Weise gefahren werden, welche heute in dieser Art nicht möglich sind.
Die bekannte Lösung zur Stabilisierung des Kältesystems erlaubt eine deutliche Verbesserung des Betriebsverhaltens und der Effizienz, stellt aber zugleich auch Anforderungen an die Regelung des Systems.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Anlage für die Kälte-, Heiz- oder Klimatechnik, insbesondere eine Kälteanlage, zu schaffen, bei der auf besonders einfache Weise stabile Betriebsverhältnisse erreicht werden können, sowie ein Verfahren zu deren Betrieb anzugeben.
Die Aufgabe wird durch die Gesamtheit der Merkmale der Ansprüche 1 und 8 gelöst. Ein wesentlicher Punkt der Erfindung besteht darin, dass zum Konstanthalten der Temperatur des flüssigen Arbeitsmediums bzw. Kältemittels vor dem Expansionsventil Mittel vorgesehen sind, welche das zum Expansionsventil strömende flüssige Arbeitsmedium thermisch an das vom Expansionsventil zum Verdampfer strömende Arbeitsmedium ankoppeln.
Eine bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass die Mittel zum Konstanthalten der Temperatur des flüssigen Arbeitsmediums vor dem Expansionsventil einen Stabilisator in Form eines Wärmetauschers umfassen, welcher auf der einen Seite von dem vom Expansionsventil zum Verdampfer strömenden Arbeitsmedium durchströmt wird und auf der anderen Seite von dem zum Expansionsventil strömenden flüssigen Arbeitsmedium durchströmt wird. Insbesondere wird der Stabilisator von dem Arbeitsmedium im Gleichstrom oder Gegenstrom durchströmt. Andere Arten der Führung der Ströme des Arbeitsmediums im Stabilisator sind aber ebenfalls denkbar.
Gemäss einer anderen Ausgestaltung der Erfindung ist dem Verdampfer ein Interner Wärme- tauscher nachgeschaltet, in welchem auf der einen Seite das aus dem Verdampfer kommende Arbeitsmedium nachverdampft und/oder überhitzt wird, und auf der anderen Seite das aus dem Kondensator kommende Arbeitsmedium vor dem Eintritt in den Stabilisator unterkühlt wird. Insbesondere ist der Interne Wärmetauscher als thermisch langer Wärmetauscher ausgebildet.
Die Leistung der Anlage lässt sich dadurch erhöhen, dass zwischen dem Kondensator und dem Internen Wärmetauscher ein externer Unterkühler eingefügt ist und/oder dass zwischen dem Verdichter und dem Kondensator ein Abwärmen utzungstauscher angeordnet ist, Die im Abwärmenutzungstauscher gewonnene Wärmeenergie kommt dabei in der Regel einem zweiten Prozess zugute wie (z.B. Brauchwasser, Heizung).
Gemäss einer bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens nach der Erfindung wird der Interne Wärmetauscher in Abhängigkeit von der Eintrittstemperatur des flüssigen Arbeitsmediums in den Internen Wärmetauscher wahlweise ausschliesslich als überhitzer für das zum Verdichter strömende Arbeitsmedium oder als weitere Verdampferstufe betrieben. Besonders wirtschaftlich ist, wenn dabei in der Anlage mit dem kieinstmöglichen Massenstrom kältesei- tig die grösstmögliche Leistung im Verdampfer an ein Sekundärmedium übertragen wird.
Die Erfindung soll nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen im Zusammenhang mit der Zeichnung näher erläutert werden. Es zeigen
Fig. 1 eine Kälteanlage nach dem Stand der Technik für Trockenexpansionsbe- trieb mit nachfolgender überhitzung/Unterkühlung;
Fig. 2 eine auf Fig. 1 aufbauende, aus dem Stand der Technik bekannte Kälteanlage mit im Verdampfer integrierter zusätzlicher Unterkühlung;
Fig. 3 eine Kälteanlage nach dem Stand der Technik mit Zweistufen-Verdampfer;
Fig. 4 eine Kälteanlage gemäss einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung mit einem direkt am Expansionsventil angeordneten Stabilisator;
Fig. 5 eine auf Fig. 4 aufbauende Kälteanlage gemäss einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung mit zusätzlichem Abwärmenutzungstauscher und externem Unterkühler
Fig. 6 im Druck-Enthalpie-Diagramm ein mit einer Anlage nach Fig. 5 gefahre- ner Kreisprozess, bei dem der Interne Wärmetauscher (26) als reiner überhitzer arbeitet; und
Fig. 7 im Druck-Enthalpie-Diagramm ein mit einer Anlage nach Fig. 5 gefahrener Kreisprozess, bei dem der Interne Wärmetauscher (26) als dritte Verdampferstufe arbeitet.
In Fig. 4 ist eine Kälteanlage gemäss einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung in einem stark vereinfachten Schema wiedergegeben. Die Kälteanlage 40 hat einen Arbeitsmedium- bzw. Kältemittelkreis, in dem in Strömungsrichtung des Arbeitsmediums bzw. Kältemittels hintereinander ein Verdichter 12, ein Kondensator 1 1 , ein Expansionsventil 1 5 und ein Verdampfer 14 angeordnet sind. Das Kältemittel (z.B. vom Typ Rl 34a) wird in üblicher Weise im Verdichter 12 komprimiert, dann im Kondensator durch Wärmeaustausch mit ei- nem externen Medium (Luft, Wasser oder dgl.) verflüssigt und dann zum (in der Regel steuerbaren) Expansionsventil 15 geführt, wo es kontrolliert entspannt wird. Das entspannte flüssige Kältemittel, das hier bereits Dampfanteile aufweisen kann, wird dem Verdampfer 14 zugeführt, wo es durch Verdampfung Wärme von einem über Verbindungsleitungen 18, 19 zu- und weggeführten Sekundärmedium aufnimmt bzw. dieses Medium abkühlt.
Da sich nach dem Entspannen des Kältemittels im Expansionsventil 15 die relativ konstante Verdampfungstemperatur des Kältemittels bei dem dort herrschenden Druck einstellt, kann diese Temperatur herangezogen werden, um die Temperatur des Kältemittels vor dem Expansionsventil 1 5 zu stabilisieren. Hierzu wird gemäss Fig. 4 zwischen Expansionsventil 15 und dem Verdampfer ein Stabilisator 25 in Form eines Wärmetauschers eingefügt, der den Kältemittelstrom zum Expansionsventil 15 thermisch an den vom Expansionsventil 15 zum Verdampfer 14 geführten Kältemittelstrom ankoppelt. Durch diese stabilisierende Ankoppe- lung können die im System andernfalls auftretenden Regelschwankungen auf einfache Weise weitgehend vermieden werden.
Besonders günstig ist das Betriebsverhalten der Kälteanlage 40, wenn dem Verdampfer 14 ein Interner Wärmetauscher (IWT) 26 nachgeschaltet ist, der als zweite bzw. dritte Verdamp-
fungsstufe (Fig. 7) oder reiner überhitzer (Fig. 6) arbeiten kann. Das aus dem Verdampfer 14 kommende Kältemittel (Dampf oder Flüssigkeits-Dampf-Gemisch mit niedrigem Flüssigkeitsanteil) wird auf der einen Seite durch den Internen Wärmetauscher 26 zum Verdichter 1 2 geschickt. Auf der anderen Seite des Internen Wärmetauschers 26 füesst kondensiertes Kältemittel zum Stabilisator 25 und wird dabei im Internen Wärmetauscher 26 unterkühlt.
Im Druck(p)-Enthalpie(h)-Diagramm der Fig. 6, in dem die Phasengrenzkurve eines beispielhaften Kältemittels und (gestrichelt) eine typische Kurve konstanter Temperatur eingezeichnet sind, ergeben sich für den zugehörigen Kreisprozess A-B-C-D die folgenden Schritte: Im Prozessschritt A wird das aus dem Internen Wärmetauscher 26 austretende überhitzte Kältemittel verdichtet. Im Prozessschritt B wird das verdichtete Kältemittel enthitzt, kondensiert, extern und intern unterkühlt und zuletzt im Stabilisator 25 in der Temperatur noch weiter abgesenkt. Im Prozessschritt C wird das flüssige Kältemittel expandiert. Im letzten Prozessschritt D wird das expandierte Kältemittel im Stabilisator 25 teilverdampft, im Verdampfer 14 vollständig verdampft und leicht überhitzt, und im Internen Wärmetauscher 26 weiter überhitzt, um dann wieder zum Verdichter zu gelangen.
Im vergleichbaren Druck-Enthalpie-Diagramm der Fig. 7 wirkt der Interne Wärmetauscher 26 demgegenüber als dritte Verdampferstufe mit entsprechend geringerer überhitzung, was zu einer Verschiebung der Prozessschritte A 1 und B' führt.
Der Stabilisator 25 ist gewissermassen die erste Verdampferstufe und immer in Be- trieb und kühlt die Kältemittelflüssigkeit je nach Tauschergüte („thermischer Länge") praktisch herunter bis zur Verdampfungstemperatur (die „thermische Länge" des Wärmetauschers ist dabei ein Mass für die Annäherung der Ausgangstemperaturen auf der Primär- bzw. Sekundärseite des Wärmetauschers an die jeweiligen Eintrittstemperaturen der (entgegengesetzten) Sekundär- bzw. Primärseite; bei einem Wärmetau- scher mit einer grossen thermischen Länge sind diese beiden Temperaturen annä-
hernd gleich). Die zweite Verdampferstufe wird durch den Verdampfer 14 selbst gebildet. Eine dritte Verdampferstufe ergibt sich, wenn der IWT 26 zur Verdampfung von Restflüssigkeit eingesetzt wird, wie dies im Diagramm der Fig. 7 gezeigt ist.
Durch den Stabilisator 25 ist der Kältemittelstrom nach dem Expansionsventil 15 beim Eintritt in die erste Verdampferstufe (Stabilisator 25) praktisch ohne oder nur mit geringfügigem Dampfanteil durchsetzt. Dieser Umstand bringt auch Vorteile in Bezug auf eine Fehlverteilung bei z.B. Plattenwärmetauschem,
Je nach Eintrittstemperatur der Kältemittelflüssigkeit in diese erste Verdampferstufe (abhängig vom vorangehenden Prozess, resp. der Eintrittstemperatur in den IWT bzw. die dritte Verdampferstufe 26, der Güte des Wärmetauschers, etc.) wird mehr oder weniger Flüssigkeit für die Stabilisierung verdampft. Dieser Verdampfungsprozess bringt keine direkte Leistungssteigerung der Anlage und dient nur der Konstanthaltung des Prozesses (indirekte Leistungssteigerung), welcher sonst durch den Einsatz eines thermisch langen Wärmetau ¬ schers als IWT sehr unstabil und kaum beherrschbar wird, speziell wenn in dieser Stufe verdampft wird (dritte Verdampfungsstufe; Fig. 7).
Selbstverständlich ist diese Art der Stabilisierung nicht auf Systeme mit Zweistufenverdampfung (mit dem IWT 26 als zweite Verdampfungsstufe) beschränkt, sondern bietet auch bei allen herkömmlichen Verdampfungsprozessen wie z.B. der Trockenexpansion Vorteile.
Die zweite Verdampfungsstufe, der eigentliche Verdampfer 14, welcher ein Sekundärmedi- um (Wasser, Sole, Luft, etc.) herunterkühlt, wird so mit einem je nach Prozess variierenden Anteil an bereits verdampftem Kältemittel (ca. 0-45%, je nach Kältemittel) angefahren. Die Austrittsbedingungen des Kältemittels aus dieser zweiten Stufe können je nach Käl- temittelflüssigkeits-Eintrittstemperatur in den IWT 26 unterschiedlich sein: Das austretende
Kältemittel kann gasförmig überhitzt sein (Fig. 6) oder in Form von Nassdampf vorliegen (Fig. 7).
Es wird angestrebt, diese zweite Verdampferstufe 14 mit einer minimalen überhitzung (1 - 8K) zu verlassen, wenn nicht auf kleinste Temperaturdifferenzen des Sekundärmediums (Sole etc.) zu achten ist und deshalb auch die Verdampfungstemperatur nicht gesenkt wird (andernfalls wird auf der Grenzlinie aus dem Verdampfer 14 ausgetreten mit ca. Sattdampf ohne überhitzung). Die dritte Stufe, der IWT 26, dient dann ausschliesslich der überhitzung des Arbeitsmediums bzw. Kältemittels (Fig. 6).
Geht dies wegen der vorgängig erwähnten Einsatzbedingungen der Verdichter oder zu hoher Heissgastemperaturen nicht, muss das Kältemittel die zweite Verdampferstufe (Verdampfer 14) mit einem Anteil Flüssigkeit verlassen, welcher in der dritten Stufe verdampft und so die Sauggaseintrittstemperatur des Kältemittels in den Verdichter 12 auf einen zulässigen Wert begrenzt (Fig. 7). Der Interne Wärmeaustauscher 26 bildet jetzt zusammen mit dem eigentlichen Verdampfer 14 einen Zweistufenverdampfer (ZSV). Zusammen mit dem Stabilisator 25 als weiterer Verdampferstufe ergibt sich insgesamt ein Dreistufenverdampfer 25, 14, 26. Der Anteil flüssigen Kältemittels in der letzten Verdampferstufe, dem IWT 26, ist dabei in jedem Fall ein Verlust, da dieser Anteil der Verdampferleistung nicht dem abzukühlenden Sekundärmedium (Sole etc.) zu gute kommt.
Der Betrieb der Anlage mit Stabilisator 25 und rein überhitzendem Internem Wärmetauscher IWT bzw. dritter Verdampfungsstufe 26 lässt sich wie folgt beschreiben: In der ersten Verdampferstufe (Stabilisator 25) wird Kältemittel verdampft, um die Kältemittelflüssigkeit bis nahe an die Verdampfungstemperatur herunter zu kühlen und so einen stabilen Betrieb zu erhalten. In der zweiten Verdampferstufe (Verdampfer 14) wird dann Kältemittel verdampft, um mit dem kleinstmöglichen Massenstrom die grösstmögliche Leistung zu übertragen (definiert durch einen Prozess, bei welchem der gleiche Massenstrom durch alle Leitungen fliesst), Dabei
wird ein thermisch langer Interner Wärmetauscher 26 benutzt, um die Kältemittelflüssigkeit durch die kalten Sauggase möglichst tief hinunter zu kühlen.
Erwärmen sich dabei die Sauggase unzulässig hoch, wird diese Erwärmung begrenzt durch eine Restverdampfung des Kältemittels auf der Saugseite im Wärmetauscher 26 (Fig. 7), was einen Einfluss auf die Kältemittelflüssigkeitstemperatur hat, welche stärker abgesenkt wird als ohne diese Restverdampfung, jedoch auch die Sauggastemperatur begrenzt und im Prozess gegenüber einer reinen Saugdampfüberhitzung ohne Begrenzung der Sauggastemperatur einen Verlust an Kälteleistung bedeutet. Da die Stabilisierung bereits durch den Stabilisator 25 erfolgt, kann die Anlage in beiden Betriebsarten (Fig. 6 oder Fig. 7) ge- fahren werden: Je nach Anforderung kann der Wärmetauscher 26 als „trockener" überhitzer oder als zusätzliche dritte Verdampfungsstufe betrieben werden. Ob die erste oder zweite Betriebsart vorliegt, wird nur durch die Kältemittelflüssigkeitseintrittstemperaturen in den Wärmetauscher 26 und die Sauggasaustrittstemperatur (Einsatzgrenzen der Verdichter, öl, Heissgastemperatur) bestimmt und kann sich deshalb z.B. im Tages- und/oder Jahresverlauf und ebenso bei einer Betriebspunktumschaltung (z.B. Bedarf von Sole einmal bei 0 0 C und einmal bei -25°C) ständig ändern.
Wird zusätzlich die Anlage aus mehreren einzelnen, weitgehend gleichartigen Modulen auf ¬ gebaut, kann man mit demselben Modul ein Temperaturregime von Wärmepumpen-, Klima- bis Tiefkühltemperaturen fahren (Verdichter mit starkem Motor, elektronischem Einspritzventil, richtiger Bestimmung der Wärmetauscher) und praktisch jedes Leistungsspektrum abdecken durch die Frequenzregelung und die Anzahl der vorhandenen bzw. eingeschalteten Module und dies mit der immer gleichen Technik (gleichartigen Modulen). Eine besonders hohe Wirtschaftlichkeit lässt sich dabei dadurch erreichen, dass in jedem der Module mit dem kleinstmöglichen Massenstrom kälteseitig die grösstmögliche Leistung im Verdampfer 14 an das Sekundärmedium übertragen wird. Selbstverständlich kann die Kälteanlage durch zusätzliche Komponenten erweitert werden, wie dies in Fig. 5 für die Kälteanlage 40' beispiel-
haft dargestellt ist. in diesem Ausführungsbeispiel ist zwischen dem Verdichter 12 und dem Kondensator 1 1 zusätzlich ein Abwärmenutzungstauscher 27 eingefügt, der durch Wärmeaustausch mit einem über die Verbindungsleitungen 29 und 31 zu- und weggeführten externen Medium einen Teil der Kompressionswärme abführt. Desgleichen kann zwischen dem Kondensator 1 1 und dem Internen Wärmetauscher 26 ein externer Unterkühler 28 eingefügt sein, der durch Wärmeaustausch mit einem über die Verbindungsleitungen 32 und 33 zu- und weggeführten externen Medium eine erste Unterkühlung des kondensierten Kältemittels bewirkt.
Diese Mehrstufenunterkühlung eröffnet durch eine externe Begrenzung der Sauggastemperaturen die Möglichkeit, die Sauggastemperatur als Sicherheit zu begrenzen. Jede weitere Abkühlung der Kältemittelflüssigkeit nach dem Kondensator 1 1 und vor dem IWT 26 durch einen oder mehrere externe Unterkühler 28 ist in jedem Fall ein Leistungsgewinn und sollte - wenn möglich - vorgesehen werden. Die unteren Grenzen werden wiederum durch die Einsatzgrenzen der Verdichter 1 2 bestimmt. In Extremfällen könnte eine zu ge- ringe Gesamtüberhitzung erfolgen und der Verdichter 12 könnte durch Flüssigkeitsschläge zerstört werden. Weiterhin sind auch immer die tiefstmöglichen Kondensationstemperaturen anzustreben,
Geht man von einem Betrieb im Sommer aus, so wird oft an den heissesten Tagen die gröss- te Kälteleistung benötigt. Die Aussentemperatur bestimmt bei luftgekühlten Verflüssigern den Verflüssigungsdruck (Temperatur) und die Kältemittelflüssigkeitstemperatur in dem IWT 26. Dabei können die Sauggastemperaturen einen zu hohen Wert erreichen (Begren ¬ zung durch den externen Unterkühler 28 oder Verdampfung im IWT 26 als dritter Verdampfungsstufe; bei diesen hohen Sauggastemperaturen ist ein externer Unterkühler 28 am wirkungsvollsten).
Sinkt die Lufttemperatur in der Nacht oder im Winter, kann oder soll mit tieferen Kondensationstemperaturen gefahren werden, was automatisch tiefere Kältemittelflüssigkeitstemperatur in dem IWT 26 zur Folge hat, so dass die Sauggastemperatur nicht mehr begrenzt werden muss und der IWT 26 als Wärmetauscher ohne Verdampfung funktioniert. Auch der externe Unterkühler 28 kann hier noch eine Leistungssteigerung bewirken, jedoch nie mehr in dem Masse wie im Sommer. Dabei verdampft im Stabilisator 25 je nach Sommer- oder Winter-, Tag- oder Nachtbetrieb, mit oder ohne externen Unterkühler 28, unterschiedlich viel Kältemittel.
Es versteht sich von selbst, dass sich die vorstehenden Erläuterungen zwar nur auf eine Käl- teanlage bezogen haben, dass sich die dargestellten Lösungsprinzipien im Rahmen der Erfindung jedoch ohne weiteres auf andere thermodynamische Anlage der Klima- und Heiztechnik anwenden lassen. Die Bauarten der eingesetzten Wärmetauscher können dabei beliebig sein (z.B. Plattenwärmeaustauscher oder andere).
Insgesamt ergibt sich mit der Erfindung eine hocheffiziente thermodynamische Anlage mit besonders stabilem Betriebsverhalten, die sich durch einen sehr einfachen Aufbau auszeichnet.
Bezugszeichenliste
10,20,30,40,40' Kälteanlage
1 1 Kondensator
12 Verdichter
13 Wärmetauscher
14 Verdampfer
15 Expansionsventil (Einspritzventil)
16,17 Verbindungsleitung
18,19 Verbindungsleitung
21 Verdampfer
22 Zweistufen-Verdampfer
23 erste Verdampferstufe
24 zweite Verdampferstufe
25 Stabilisator
26 interner Wärmetauscher (IWT)
27 Abwärmenutzungstauscher
28 externer Unterkühler
29,31 Verbindungsleitung
32,33 Verbindungsleitung