Stand der Technik : Verdampferregelung mit Trockenexpansion nach dem minimalsten stabilen Signal (MMS) (Fig. 1, 2 und 3).

Um einen Verdampfer in der Kältetechnik optimal zu betreiben, wird der Verdampfer soweit mit Nassdampf beaufschlagt, dass ein Regelventil (Expansionsventil) (3) auf ein minimalstes stabiles Signal, normalerweise nach dem Verdampferaustrittsdruck (12) und der dazugehö- renden Verdampferaustrittstemperatur (13) des Kältemittels geregelt wird (Zeichnung Fig. 1, 2 und 3). Die Differenz des Verdampferdrucks, umgerechnet in die dazugehörende Verdamp- fungstemperatur und der tatsächlich als Temperatur gemessenen Verdampfungstemperatur dient dem Regelventil als Messgrösse. Dabei werden stabile Regelverhalten, bei einer mög- lichst kleinen Temperaturdifferenz, gesucht. Eine möglichst kleine Temperaturdifferenz hat eine höhere Verdampferleistung zur Folge. Ist die Differenz zu klein oder das Signal nicht stabil, kommt es zu Flüssigkeitsschlägen oder Leistungsverminderung am Verdichter (1). Ist die Differenz zu gross, kommt es zu einer Verminderung der Verdampferleistung (4).

Nach dem selben Prinzip (überhitzter Kältemitteldampf am Ende des Verdampfungsprozes- ses) werden auch automatische Ventile, Kapillarrohre oder andere Apparaturen bemessen und eingesetzt.

Dem Verdampfer werden zum Teil heute schon interne Wärmeaustauscher (IWT) (5) (Fig 4, 5,6) nachgeschaltet. Allerdings werden diese als"thermisch kurze"Apparate ausgelegt und nicht in die Verdampferregelung nach Eintrittsdampfgehalt eingebunden. Die Kältemittelflüs- sigkeit wird nicht stark herunter gekühlt und die Saugdämpfe werden nicht stark überhitzt.

Die Überhitzung des Saugdampfes ist auf ca. 5-1 OK begrenzt. Heute übliche Einspritzventile sind auch nicht auf maximale Überhitzungen konzipiert, und die einstellbare Überhitzung liegt bei maximal ca. 20-25K.

Detaillierte Darstellung der Erfindung : Ziel der Erfindung ist es, bei Kühl-/Tiefkühlanlagen, Kältemaschinen für Kühl-und Heizbe- trieb, Kälteanlagen, Kältesätzen, Wärmepumpen, Klimaanlagen und allen anderen Anlagen mit Einsatz von Kältemittel zur Verdampfung Folgendes zu erreichen : Die Saugdampfüberhitzung im Verdampfer (4) klein zu halten oder den Verdampfer (4) mit Nassdampf zu verlassen und dabei die Saugdampfüberhitzung vor dem Verdichter (1) mög- lichst hoch zu halten (soweit die Einsatzgrenzen des Verdichters, des Öls oder des Kältemit- tels und/oder die verschiedenen Temperaturverhältnisse dies zulassen).

Zu diesem Zweck wird die Kälteanlage bestehend zur Hauptsache aus Verdichter (1), Kon- densator (2), Einspritzventil (3) und Verdampfer (4) mit einem zusätzlichen internen Wärme- austauscher (5) im Folgenden mit IWT bezeichnet, versehen (Fig. 7,8, 9,10, 11).

Dieser IWT (5) wird zwischen Verdampfer (4) und Verdichter (1) einerseits und zwischen Kondensator (2) und Einspritzventil (3) andererseits eingebaut (Zeichnung Fig. 8, 9,10).

Auf der einen Seite wird der IWT (5) mit flüssigem Kältemittel (Flüssigkeitsseite) und auf der anderen Seite mit überhitztem dampfförmigen Kältemittel oder mit Nassdampf durch- strömt.

Wird der IWT mit reinen Medien (flüssiges Kältemittel und überhitzem Saugdampf) durch- strömt, sprechen wir von einem Wärmeaustausch (Fig. 4,5, 6). Wird der IWT mit einem flüs- sigen Kältemittel und Nassdampf mit anschliessender Saugdampfüberhitzung betrieben, sprechen wir von einer zweiten Verdampfungsstufe mit integrierter Flüssigkeitsunterkühlung und Saugdampfüberhitzung (Fig. 7,8, 9,10). Im Folgenden sind immer beide Möglichkeiten gemeint.

Die eigentliche Verdampfung (erste Stufe) (4) findet teilweise oder ganz im Verdampfer (4) statt. Um diesen Verdampfer (4) optimal betreiben zu können, wird am Verdampferaustritt flüssiges Kältemittel zugelassen.

Da am Verdampferaustritt flüssiges Kältemittel zugelassen wird, fehlt zur Regelung des Ver- dampfers (4) eine Messgrösse zur Bestimmung der Überhitzung, und das Expansionsventil (3) kann die Kältemittelbefüllung des Verdampfers (4) nicht mehr regeln.

Die hier zum Patent angemeldete Regelung übernimmt als Neuheit erstmals die Messgrössen der Flüssigkeitstemperatur des Kältemittels vor dem Einspritzventil (3) und den Verdampfer- druck (Fig. 7,8, 9,10, 11, Punkte 9,10, 11,12).

Es ist dabei egal, um was für Verdampfertypen oder Verdampferbauarten und um was für Kältemittel und Einsatzgebiete es sich dabei handelt.

Der Verdampferdruck wird vorzugsweise am Eintritt des Verdampfers (12) (Beginn der Ver- dampfung) abgenommen (Fig. 7,8, 9,10, 11, Punkt 12). In speziellen Fällen kann auch der Ausrittsdruck oder ein beliebiger Wert, hergeleitet aus beiden Druckmesswerten (Kältemit- telglide), als Messwert verwendet werden (Fig. 7,23).

Mit dieser Regelung wird der Beginn des Verdampfungsprozesses geregelt (Fig. 7, Punkte 11, 12) und nicht wie bisher das Ende der Verdampfung (Fig. 3, Punkte 12 und 13).

Es ist dabei egal, ob genau nach der linken Grenzkurve zwischen Kältemittelflüssig-zu Käl- temittelnassdampf im lg p, h-Diagramm des Kältemittels oder nach einem Wert (links) oder rechts dieser Grenzkurve geregelt wird.

Bei"optimierten"Verdampferbauarten wird möglichst nahe der linken Grenzkurve des lg p, h-Diagramms der Verdampfungsprozess gestartet. Bei nichtoptimierten Verdampfern kann es von Vorteil sein, einen bestimmten Gasanteil zu Beginn des Verdampfungsprozesses zuzu- lassen. Dabei wird nach dem Optimum für den jeweiligen Verdampfer rechts dieser Grenz- kurve der Verdampfungsprozess gestartet.

Der Beginn des Verdampfungsprozesses definiert sich aus der Flüssigkeitstemperatur vor dem Einspritzventil (11, 9) und dem Verdampfungsdruck (12,10) (Fig. 7,8, 9,10, 11, Punk- te 11,12, 9,10).

Die Definition der Regelgrösse kann, wie die Überhitzungsregelung, aus dem Verdamp- fungsdruck und einer festen (Temperatur-) Differenz (einstellbar) oder aus einer hinterlegten Kurvenberechnung je Kältemittel erfolgen.

Das Einspritzventil (3) senkt dabei die Temperatur der Kältemittelflüssigkeit (11) vor dem Einspritzventil (3) durch Öffnen des Ventils (3) und erhöht die Kältemittelflüssigkeitstempe- ratur durch Schliessen des Ventils (3) und versucht so, den gewünschten Sollwert bei einem entsprechenden Verdampfungsdruck (12) zu erhalten.

Der Überflutungs-oder Überhitzungsgrad (19,13) des oder der Verdampfer (4) bestimmen somit die Unterkühlungstemperatur des flüssigen Kältemittels (11) bei entsprechendem Ver- dampfungsdruck (12) und die Saugdampftemperatur (13) am Verdichtereintritt (14).

Beim Erreichen von Grenzwerten, wie zum Beispiel der höchsten maximal zulässige Tempe- ratur für den Verdichter (13,14, 15,16), übernimmt ein weiterer Temperaturmessfühler (op- tional) und übersteuert die Regelung der Kältemittelflüssigkeitseintrittstemperatur ins Ein- spritzventil (11) nach Verdampferdruck (12) (Fig. 7,9, 11 Punkte 11,12 und 13 (14,15, 16)).

Es spielt dabei keine Rolle, ob als Messgrösse für diese Sicherheits-und Optimierungsfunk- tion die Saugdampftemperatur am Austritt IWT (5) (13), die Saugdampftemperatur am Ein- tritt Verdichter (1) (14), die Heissgastemperatur (Austritt Verdichter) (15), die Öltemperatur des Verdichters (1) (16) oder eine andere entsprechende Temperatur verwendet wird (Fig. 8, 9,10, 11 Punkte 13,14, 15,16).

In jedem Fall wird entsprechend des Verdampfertyps immer eine optimal-maximale Unter- lcühlung (11) der Kältemittelflüssigkeit und eine je nach dem entsprechenden Verdichter op- timal-maximale Saugdampfüberhitzung (14) angestrebt (Fig. 7,9, 10,11 Punkte 11,14).

Es spielt dabei keine Rolle, ob das Kältesystem aus einem oder mehreren Verdampfern (4), einem oder mehreren IWT's (5), einem oder mehreren Verdichtern (1) oder einem oder meh- reren Einspritzventilen (3) besteht, und ob diese zu Gruppen zusammengefasst sind oder nicht. Es spielt dabei auch keine Rolle, ob ein oder mehrere Verdampfer (4) mit nur einem oder mehreren IWT's (5) zu Gruppen zusammengefasst sind oder nicht (Fig. 10-18, Punkte 9,10, 13,14, 15,16). Jegliche Kombinationen zwischen Einspritzventilen (3), Verdampfern (4), IWT's (5) und Verdichtern (1) ist also möglich.

Es spielt keine Rolle, ob die Einspritzventile (3) mechanischer, thermischer, elektronischer oder anderer Bauart sind, und ob diese getaktet, stetig oder anders regeln. Massgeblich ist der Prozess und Regelkreis mit den aufgeführten Abhängigkeiten zwischen Verdampfungsbeginn 11, 12), Verdampfungsende (13,19) in Abhängigkeit der Kältemittelflüssigkeitseintrittstem- peratur (21) in den IWT (5), der Saugdampfaustrittstemperatur (13) aus dem IWT (5), dem Zustand des Kältemittels (Nassdampf (19) oder überhitzter Saugdampf (13)) beim Verlassen des Verdampfers (19) resp. dem Eintreten (20) in den IWT (5), welcher einmal als zweite Verdampferstufe mit anschliessender hoher Saugdampfüberhitzung (13) und ein anderes Mal bei der gleichen Anlage als reiner Wärmetauscher zum Überhitzen des Saugdampfes (13) be- trieben wird. Es spielt dabei auch keine Rolle, ob eine dem IWT (5) vorgeschaltete externe Unterkühlerstufe (25) dem Prozess einmal zu-und einmal weggeschaltet wird.

Der Vorteil dieser Verdampferregelung besteht aus der Tatsache, dass so der Verdampfer (4) optimal überflutet und ausgenutzt wird (Zeichnung Fig. 7,9, 10,11 Punkte 17,19), dass der Druckabfall kältemittelseitig über den Verdampfer (4) kleiner wird, dass dadurch die Ver- dampfungstemperatur (23) erhöht wird, dass dadurch kleinere Verdampfer (4) eingesetzt werden können, dass dadurch der Kältemittelmassenstrom für eine geforderte Kälteleistung kleiner wird, dass dadurch die Verdichter (1) kleiner werden (Kälteerzeugung), dass dadurch weniger Energie zur Kälteerzeugung benötigt wird, dass dadurch die Liefergrade und die Schmierung und somit die Lebensdauer der Verdichter (1) erhöht wird.

Die Regelung wird so eingestellt, dass das Leistungsmaximum immer dem Verdampfer (4) (Fig. 7,8, 9 Punkte 17) und nicht dem IWT (5) (18) zukommt (grösste mögliche Enthal- piestrecke bei Punkt 17).

Neu : Neu an unserer Erfindung ist, dass ein Verdampfungssystem mit Trockenexpansion als über- fluteter Verdampfer (4) eingesetzt wird, bei dem das Kältemittel den Verdampfer (4) in der ersten Stufe mit Flüssigkeitsanteilen verlässt (17,19).

Neu an unserer Erfindung ist, dass das Kältemittel als Flüssigkeits-/Gasgemisch mit hohem Gasanteil in eine zweite Verdampfungsstufe (5,18, 20) eintritt (trockener Verdampfer), bei der eine Restverdampfung mit anschliessend hoher Überhitzung des Kältemittels (13) und ei- ner gleichzeitigen Unterkühlung des flüssigen Kältemittels auf der zweiten Seite des IWT's (5) stattfindet (11).

Neu an unserer Erfindung ist, dass nach dem Verdampfungsbeginn (12) des Verdampfungs- prozesses und nicht nach dem Verdampfungsende (13) geregelt wird.

Neu an unserer Erfindung ist, dass durch diese Regelung mit unterschiedlichen Saugdampf- überhitzungen (13), je nach Flüssigkeitseintrittstemperatur (21) in den IWT (5), auf den Ver- dichter (1) gefahren wird.

Neu an unserer Erfindung ist, dass die Saugdampfüberhitzung (13) möglichst gross gewählt wird.

Neu an unserer Erfindung ist, dass das verwendete, ausserhalb oder innerhalb des Verdamp- fers eingebaute Expansionsventil (3) die Kältemittelflüssigkeitstemperatur (11) vor dem Ein- tritt in das Einspritzventil (3) regelt.

Neu an unserer Erfindung ist, dass das verwendete, ausserhalb oder innerhalb des Verdamp- fers (4) eingebaute Expansionsventil (3) die Saugdampftemperatur am Eintritt des Kältemit- telverdichters (14) beschränkt und zugleich die Leistung der internen Unterkühlung (18) in Abhängigkeit der zur Verfügung stehenden Verdampferleistung (17) der ersten Stufe (4) re- gelt.

Aufzählung der Zeichnungen : Fig. 1 : Kältemittelkreislauf im lg p, h-Diagramm"Stand der Technik" Fig. 2 : Kältemittelkreislauf"Stand der Technik" Fig. 3 : Kältemittelkreislauf im lg p, h-Diagramm mit integrierten Apparaten Fig. 4 : Kältemittelkreislauf im lg p, h-Diagramm mit IWT"Stand der Technik" Fig. 5 : Kältemittelkreislauf mit IWT"Stand der Technik" Fig. 6 : Kältemittelkreislauf mit IWT"Stand der Technik"im lg p, h-Diagramm mit integrierten Apparaten Fig. 7 : Kältemittelkreislauf im lg p, h-Diagramm mit Zweistufenverdampfer"Patent" Fig. 8 : Kältemittelkreislauf mit Zweistufenverdampfer"Patent" Fig. 9 : Kältemittelkreislauf im lg p, h-Diagramm mit Zweistufenverdampfer"Patent" mit integrierten Apparaten Fig. 10 : Kältemittelkreislauf im lg p, h-Diagramm mit Zweistufenverdampfer"Patent" mit integrierten Apparaten und Zweistufenunterkühlung (und Enthitzer) Fig. 11 : Kältemittelkreislauf mit Verdampfer-und Messwertkombinationen (Beispiel) Fig. 12 : Legende der Punkte aus den Zeichnungen Ausführung der Erfindung : Ein Kältesystem bestehend im Wesentlichen aus einem oder mehreren : Verflüssigem (2), Verdampfern (4), IWT' (5), Kältemittelverdichtern (1), Einspritzventilen (3), Kältemittel, kältetechnischen Hilfsstoffen und Öl.

Optional weist ein Kältesystem je nach Anwendung zusätzlich einen oder mehrere der vorge- nannten Komponenten und zusätzlich Enthitzer (24), einen oder mehrere Abwärmenutzungs- tauscher, weitere Unterkühler (25), Schaugläser (7), Trockner (6), Filter, Ventile (8), Sicher- heitsapparaturen, Absperrapparaturen, Sammler, Ölpumpen, Verteilsysteme, Elektro-, Steuer- und Regelteile, kältetechnische Hilfsstoffe, etc. auf.

Bei der Montage des Einspritzventils (3) vor dem Verdampfer (4) wird der Messwert zur Saugdampfbegrenzung an der Saugleitung zum Kältemittelverdichter (1) abgenommen.

Zur Regelung der Verdampfung (17,19) werden die Messwerte der Kältemittelflüssigkeits- temperatur (11) und des Verdampfereintrittsdrucks (12) verwendet.

Alternativ stehen die Messwerte des Hochdrucks (22) vor dem Einspritzventil (3) und des Saugdampfdrucks (12) nach dem Einspritzventil (3) sowie die Heissgastemperatur (15) nach dem Verdichter (1) oder dessen Öltemperatur (16) ebenfalls zur Regelung des Verdampfers (4) mit nachfolgendem IWT (5) zur Verfügung.