MEISTER REMO (CH)
| WO2004053406A1 | 2004-06-24 | |||
| WO2003051657A1 | 2003-06-26 |
| US5533352A | 1996-07-09 | |||
| US6293123B1 | 2001-09-25 | |||
| US6446450B1 | 2002-09-10 | |||
| DE2451361A1 | 1976-05-06 | |||
| EP0325163A1 | 1989-07-26 | |||
| US3640086A | 1972-02-08 | |||
| US6438978B1 | 2002-08-27 | |||
| US5150584A | 1992-09-29 | |||
| US6330802B1 | 2001-12-18 | |||
| EP1043550A1 | 2000-10-11 |
| 1. | Verfahren zum Betreiben einer Kälteanlage, dadurch gekennzeichnet, dass durch das Konstanthalten der Kältemittelflüssigkeitstemperatur vor dem Einspritzventil (A) sta bile Verhältnisse im Regelund Kältekreislauf (und damit hocheffiziente Verdamp fung) erreicht werden. |
| 2. | Verfahren zum Betreiben einer Kälteanlage gemäss Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, dass durch das Konstanthalten der Saugdampftemperatur vor dem Verdichter (B) stabile Verhältnisse im Regelund Kältekreislauf (und damit hocheffiziente Ver dampfung) erreicht werden. |
| 3. | Verfahren zum Betreiben einer Kälteanlage gemäss einem der Ansprüche 12, dadurch gekennzeichnet, dass durch eine Niveausteuerung (7) am Verdampfer (1), IWT (Inter ner WärmeTauscher) (2) oder dem Zweistufenverdampfer (ZSV) (erste und/oder zwei te Stufe) (1 + 2) oder einem geeigneten Referenzwert wie zum Beispiel vom Sammler, der Kältemittelstand im Wärmetauscher (1/2), wo das flüssige Kältemittel vollständig verdampft ist, definiert und geregelt wird. Dadurch wird der Füllgrad des Verdampfers mit flüssigem Kältemittel und dadurch die Saugdampftemperatur (B) definiert (und damit hocheffiziente Verdampfung erzielt). |
| 4. | Verfahren zum Betreiben einer Kälteanlage gemäss einem der Ansprüche 13, dadurch gekennzeichnet, dass durch eine Druckdifferenzerfassung (7) am Verdampfer, IWT (Interner WärmeTauscher) oder dem Zweistufenverdampfer (ZSV) (erste und/oder zweite Stufe) der Kältemittelstand definiert und geregelt wird, wo das flüssige Kälte mittel vollständig verdampft ist. Dadurch wird der Füllgrad des Verdampfers mit flüs sigem Kältemittel und dadurch die Saugdampftemperatur definiert. |
| 5. | Verfahren zum Betreiben einer Kälteanlage gemäss einem der Ansprüche 14, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Begrenzung der Kältemittelflüssigkeitstemperatur (F) in den IWT (2) oder die zweite Stufe des ZSV (2) durch einen externen Unterkühler (3) bei hohen Kältemittelkondensationsaustrittstemperaturen die Saugdampftempera turen (B) limitiert und konstant gehalten werden. |
| 6. | Verfahren zum Betreiben einer Kälteanlage gemäss einem der Ansprüche 15, dadurch gekennzeichnet, dass durch das Umgehen mit einem Teilmassenstrom des flüssigen Kältemittels (9) (E) vom IWT (2) oder der zweiten Stufe des ZSV (2), geregelt nach der Saugdampftemperatur (B), diese konstant gehalten wird. |
| 7. | Verfahren zum Betreiben einer Kälteanlage gemäss einem der Ansprüche 16, dadurch gekennzeichnet, dass durch das Umgehen mit einem Teilmassenstrom des Saugdamp fes (12) (G) vom IWT (2) oder der zweiten Stufe des ZSV (2), geregelt nach der Saugdampftemperatur (B), diese konstant gehalten wird. |
| 8. | Verfahren zum Betreiben einer Kälteanlage gemäss einem der Ansprüche 17, dadurch gekennzeichnet, dass durch weitere Massnahmen wie zusätzliche Wärmetauscher in der Saugleitung die Saugdampftemperatur (B) geregelt und diese konstant gehalten wird. |
| 9. | Verfahren zum Betreiben einer Kälteanlage gemäss einem der Ansprüche 18, dadurch gekennzeichnet, dass durch weitere Massnahmen wie zusätzliche Speichermasse und dadurch erzielte Trägheit in der Saugleitung die Saugdampftemperatur (B) geregelt und diese konstant gehalten wird. |
| 10. | Verfahren zum Betreiben einer Kälteanlage gemäss einem der Ansprüche 19, dadurch gekennzeichnet, dass durch Massnahmen wie zusätzliche Speichermasse und dadurch erzielte Trägheit in der Flüssigkeitsleitung (13) die Kältemittelflüssigkeitstemperatur vor dem Einspritzventil (A) geregelt und diese konstant gehalten wird. |
| 11. | Verfahren zum Betreiben einer Kälteanlage gemäss einem der Ansprüche 110, da durch gekennzeichnet, dass durch Massnahmen wie der Einsatz eines Wärmeaustau schers (4) zwischen der Kältemittelflüssigkeitsleitung und zum Beispiel dem sekundä ren Mediumvorlauf (oder anderer Medien mit geeignetem Temperaturniveau) eine Temperaturkonstanthaltung der Kältemittelflüssigkeitstemperatur vor dem Einspritz ventil (A) erreicht wird. |
| 12. | Verfahren zum Betreiben einer Kälteanlage gemäss einem der Ansprüche 111, da durch gekennzeichnet, dass durch Massnahmen wie den Einsatz eines Wärmeaustau schers (4) zwischen der Kältemittelflüssigkeitsleitung und zum Beispiel dem sekundä ren Mediumvorlauf (oder anderer Medien mit geeignetem Temperaturniveau) die Temperatur der Kältemittelflüssigkeit vor dem Einspritzventil (A) auf einem so tiefen Niveau geregelt und konstantgehalten wird, dass der Beginn des Verdampfungspro zesses im Verdampfer genau definiert und eingestellt werden kann und dieser mit rei ner Kältemittelflüssigkeit oder mit einem Kältemittelflüssigkeitsdampfgemisch gestar tet wird. |
| 13. | Verfahren zum Betreiben einer Kälteanlage gemäss einem der Ansprüche 112, da durch gekennzeichnet, dass durch Massnahmen wie der Einsatz eines Ventils (9) zwi schen der Kältemittelflüssigkeitsleitung und dem IWT (2) oder der zweiten Stufe des ZSV (2) eine Temperaturkonstanthaltung der Kältemittelflüssigkeitstemperatur vor dem Einspritzventil (A) erreicht wird. |
| 14. | Verfahren zum Betreiben einer Kälteanlage gemäss einem der Ansprüche 113, da durch gekennzeichnet, dass durch den Einsatz einer der Massnahmen 113 alleine oder in Kombination mit einer oder mehreren oder allen Massnahmen (113) zu einem äus serst stabilen Betrieb der Kälteanlage (und damit hocheffizienter Verdampfung) führt. |
| 15. | Verfahren zum Betreiben einer Kälteanlage gemäss einem der Ansprüche 114, da durch gekennzeichnet, dass durch den Einsatz einer der Massnahmen 114 alleine oder in Kombination mit einer oder mehreren oder allen Massnahmen (114) speziell mit dem Einsatz eines ZSV (1 + 2) kleinste Temperaturdifferenzen zwischen den Medi umseinund Austrittstemperaturen (C/D) und zwischen MediumEinund Austritt temperaturen zu den jeweiligen Verdampfungstemperaturen (C/D zu to) erzielt wer den können. |
| 16. | Verfahren zum Betreiben einer Kälteanlage gemäss einem der Ansprüche 115, da durch gekennzeichnet, dass durch den Einsatz einer der Massnahmen 115 alleine oder in Kombination mit einer oder mehreren oder allen Massnahmen (115) durch stabile re Regelung stabilere Kältesysteme mit wenigen oder keinen Rückkoppelungsund Aufschwingungseffekten hergestellt und betrieben werden können (und daraus hoch effiziente Verdampfung erfolgt). |
| 17. | Verfahren zum Betreiben einer Kälteanlage gemäss einem der Ansprüche 116, da durch gekennzeichnet, dass durch den Einsatz einer der Massnahmen 116 alleine oder in Kombination mit einer oder mehreren oder allen Massnahmen (116) durch das Re geln und Stabilisieren der Hochund Saugdrücke die stabile Regelung und die stabili sierten Kältesysteme weiter stabilisiert werden können und so mit noch weniger oder keinen Rückkoppelungsund Aufschwingungseffekten die Kältesysteme betrieben werden können. |
| 18. | Verfahren zum Betreiben einer Kälteanlage gemäss einem der Ansprüche 117, da durch gekennzeichnet, dass durch den Einsatz einer der Massnahmen 117 alleine oder in Kombination mit einer oder mehreren oder allen Massnahmen (117) beträchtliche Wirkungsgradverbesserungen und somit Energieund Kostenersparnisse erzielt wer den. |
| 19. | Verfahren zum Betreiben einer Kälteanlage gemäss einem der Ansprüche 118, da durch gekennzeichnet, dass durch den Einsatz einer der Massnahmen 118 alleine oder in Kombination mit einer oder mehreren oder allen Massnahmen (118) die Lebens dauer der eingesetzten Komponenten durch bedeutend weniger Schaltzyklen und we niger Temperaturund Druckschwankungen beträchtlich verlängert wird. |
| 20. | Verfahren zum Betreiben einer Kälteanlage gemäss einem der Ansprüche 119, da durch gekennzeichnet, dass durch den Einsatz einer der Massnahmen 119 alleine oder in Kombination mit einer oder mehreren oder allen Massnahmen (119) die Massen ströme kälteseitig zur Übertragung einer bestimmten Kälteleistung Qo auf ein Mini mum reduziert werden können, was den Einsatz von kleineren Verdichtern, Verdamp fern, Apparaturen, Ventilen, Leitungen, etc. zur Folge hat. |
| 21. | Verfahren zum Betreiben einer Kälteanlage gemäss einem der Ansprüche 120, da durch gekennzeichnet, dass es durch den Einsatz einer der Massnahmen 120 alleine oder in Kombination mit einer oder mehreren oder allen Massnahmen (120) keine Rolle spielt, ob ein oder mehrere Verdampfer, Verdichter, Ventile, Wärmetauscher, etc., in welcher Form und Kombination auch immer, zum Einsatz kommen. |
Technisches Gebiet : Kälteerzeugungsanlagen in Kühl-und Tiefkühlanlagen, Kältetechnik, Kältemaschine für Kühl-und Heizbetrieb, Kälteanlagen, Kältesätze, Wärmepumpen, Klimaanlagen und weitere.
Stand der Technik : Bekannt in der Kältetechnik ist erstens der Trockenexpansionsbetrieb, bei dem das Kältemit- tel über ein Einspritzventil eine Druckreduktion erfährt und vom flüssigen Zustand in ein Flüssig/Dampfgemisch übergeht, um im Verdampfer vollständig zu verdampfen, um dann mit leicht überhitztem Dampf den Verdampfer zu verlassen und so durch Wärmeaufnahme ein zweites Medium herunterkühlt und zweitens, der Thermosyphonbetrieb, bei dem das Kälte- mittel über ein Ausgleichs-und Abscheidegefäss dem Verdampfer entweder mittels Schwer- kraft oder mit Hilfe einer Pumpe flüssig zugeführt wird und wo beim Verdampferaustritt durchaus noch Flüssigkeitsanteile im Dampf enthalten sein können und so in der Regel keine Überhitzung des Kältemittels am Verdampferaustritt entsteht.
Allen diesen Systemen haften unter Praxisbedingungen mehr oder weniger grosse Nachteile an, welche wir durch unsere Erfindung eliminieren und somit beträchtlich Energie-und Kos- teneinsparungen erzielen.
Trockenexpansionssysteme haben den Vorteil einfacher Bauart und kleinen Kältemittelinhal- ten.
Der Verdampferwirkungsgrad wird im Wesentlichen beeinflusst durch eine möglichst kleine Verdampferüberhitzung.
Für den Verdichter ist dies aber von Nachteil und er verlangt eine entsprechend hohe Überhit- zung (Liefergradverbesserung, Schmierung, etc.).
Der Schnittpunkt dieser beiden Forderungen (optimale Überhitzung für den Verdampfer und Verdichter, welche gegensätzlich optimal sind) gibt die maximale Anlagenkennlinie (wirt- schaftlichster Betrieb).
Durch unsere Erfindung gelingt es erstmals, diese Abhängigkeit zwischen kleinster Überhit- zung für den Verdampfer und grosser Überhitzung für den Verdichter zu durchbrechen.
Dabei wird erreicht, den Prozess für eine gegebene Kälteleistung Qo mit dem dafür benötig- ten kleinsten physikalisch möglichen Massenstrom zu fahren, was zu erheblichen wirtschaftli- chen und energetischen Vorteilen führt.
Unsere Innovation bezieht sich erstens auf das Trockenexpansionssystem (6) (1), auf das Tro- ckenexpansionssystem (6) (1) mit nachgeschaltetem IWT (2) (Interner Wärmeaustauscher, al- so mit einem Wärmeaustausch zwischen Kältemittelflüssigkeitsleitung vor dem Expansions- ventil einerseits und dem Saugdampf nach dem Verdampfer andererseits), auf das Zweistu- fenverdampfungssystem (6) (1 + 2) (einer Kombination von Trockenexpansionsystem und Thermosyphonsystem, Verdampfer mit IWT) und weitere auf dieser Basis aufgebauter Kälte- anlagen.
Allen diesen Systemen sind je nach Betriebsbedingungen relativ grosse Temperaturschwan- kungen kältemittelseitig vor dem Einspritzventil (6) (A) und vor dem Verdichter (5) (B) ei- gen.
Diese Temperaturen des Kältemittels (vor dem Einspritzventil (A) und vor dem Verdichter (B)) werden heute nicht konstant gehalten oder exakt geregelt.
Oft wird, wenn überhaupt, nur der Hoch-oder Saugdruck (Pc/Po) geregelt und/oder konstant gehalten.
Dies führt zu mehr oder weniger grossen Schwankungen und Rückkoppelungen (Aufschau- keln) des Kältesystems und somit zu Verlusten im Wirkungsgrad und unstabilen Regelkrei- sen.
Die hauptsächlichen Faktoren für diese Schwankungen sind einerseits der sich mit der verän- derten Temperatur des Kältemittels (A) veränderte x-Wert (x-Wert ist der Wert, welcher den Anteil des bereits verdampften Kältemittels am Anfang des Verdampfungsprozesses angibt) des Kältemittelzustandes im Einspritzventil (6) und im Verdampferanfang (1), was Auswir- kungen auf die Einspritzventil- (6) und Verdampferleistung (1) sowie das Regelverhalten des Einspritzventils (6) und dessen Leistung, respektive den geförderten Kältemittelmassenstrom hat und andererseits beim Saugdampf am Eintritt in den Verdichter (5), wo die veränderte Temperatur (B), wegen dem der jeweiligen Temperatur (und Druck) zugeordneten spezifi- schen Volumen, einen Einfluss auf das Fördervolumen des Verdichters (5), also wiederum des geförderten Massenstroms, hat.
Diese sich infolge von 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.
Detaillierte Darstellung der Erfindung : Ziel der Erfindung ist es, bei Kühl-/Tiefkühlanlagen, Kältemaschinen für Kühl-und Heizbe- trieb, Kälteanlagen, Kältesätzen, Wärmepumpen und allen Anlagen mit Einsatz von Kältemit- teln und Kälteträgern folgendes zu erreichen : Einen stabilen Betrieb der Anlage dadurch, dass : "Erstens, die Temperatur des Kältemittels vor dem Einspritzventil (6) (A) auf einen definier- ten Temperaturwert (A) konstant gehalten wird." "Zweitens, die Temperatur des Kältemittels vor dem Verdichter (5) (B) auf einen definierten Temperaturwert (B) konstant gehalten wird." "Drittens, diese beiden Massnahmen für sich alleine oder in Kombination miteinander einge- setzt werden." "Viertens, diese drei Massnahmen mit einer Trockenexpansionsventilsteuerung (6) herkömm- lich nach MSS (minimalstem stabilem Signal) (P8/T22) mit oder ohne IWT (interner Wärme- austauscher) (2) nach dem Verdampfer (1) (T22/P8) oder nach dem IWT (2) (T23/P9) gemes- sen oder mit der Temperatur (Druckdifferenzmessung) zwischen Flüssigkeitsleitung vor dem Einspritzventil (6) (T20) und Druck-oder Temperaturmessung nach dem Einspritzventil (6) (P7) (T21) dem Verdampfer (1) (P8) (T22) oder dem IWT (2) (P9) (T23), der sogenannten Zweistufenverdampferregelung (T20/P7) (T20/P8) oder (T20/P9) oder mit neuen Expansi- onsventilregelungen nach Druckdifferenz (7) über den Verdampfer (1), den IWT (2), den Verdampfer und den IWT (1 + 2) oder über eine Niveauregelung (7) über den Verdampfer (1), den IWT (2), den Verdampfer und den IWT (1 + 2) oder eine entsprechende Referenz- grösse (z. B. Sammler) kombiniert oder einzeln zum Ziel führen.
Diese Massnahmen wie Kältemittelflüssigkeitstemperaturkonstanthaltung vor dem Einspritz- ventil, Saugdampftemperaturkonstanthaltung vor dem Verdichter, Zweistufenverdampferpro- zess (mit entsprechender Regelung) und/oder Druckdifferenz/Niveauregelung des Einspritz- ventils führen alleine oder in beliebiger Kombination zu einem stabilen Betrieb der Kältean- lagen (auch mit grossen Leistungsänderungen).
Kommt dabei ein Zweistufenverdampfer (1 + 2) zum Einsatz, können zusätzlich kleinste Temperaturdifferenzen zwischen dem zu kühlenden Medium einerseits (C/D) und der Ver- dampfungstemperatur to (Saugdruck) andererseits erzielt werden.
Diese Temperaturdifferenz kann in jedem Fall kleiner sein als wenn das Kältemittel bei Tro- ckenexpansionsbetrieb den Verdampfer (1)"überhitzt" (P8/T22) verlässt.
Neu an unserer Erfindung ist, dass die Temperatur des flüssigen Kältemittels vor dem Ein- spritzventil auf einen vorgegebenen Wert (A) konstant gehalten wird.
Dieses Konstanthalten kann durch verschiedene Massnahmen erreicht werden. Der Einfach- heithalber beschreiben wir die Konstanthaltung mittels eines Wärmeaustauschers (4) in der Kältemittelflüssigkeitsleitung vor dem Einspritzventil, welcher durch ein zweites Medium die Austrittstemperatur des flüssigen Kältemittels konstant hält. Das zur Konstanthaltung der Käl- temittelflüssigkeitstemperatur eingesetzte Medium kann dabei in seiner Art beliebig sein (gasförmig, flüssig, etc.).
Eine Möglichkeit zur Konstanthaltung der Kältemittelflüssigkeitstemperatur vor dem Ein- spritzventil (A) kann sein, dass der Vorlauf (D) des zu kühlenden Mediums, zum Beispiel Wasser, Sole, etc., durch einen Wärmeaustauscher (4) geleitet wird, bei dem auf der zweiten Seite des Wärmetauschers das Kältemittel entweder im Gleich-, Kreuz-oder Gegenstrom, etc. geführt wird.
Weitere Möglichkeiten zur Stabilisierung der Kältemittelflüssigkeitstemperatur vor dem Ein- spritzventil (A) können beispielsweise auch über Speicher, Latentspeicher, Trägheits-oder Speichermassen (13) oder weitere Massnahmen erfolgen.
Die Kältemittelflüssigkeitstemperatur vor dem Einspritzventil (A) kann auch mittels Massen- stromregelung der Kältemittelflüssigkeit (9) durch den IWT (2) oder des Saugdampfes (12) durch den IWT (2) geregelt werden (es fliessen je nach Bedingungen zum Teil nur Teilmas- senströme durch den IWT (2)).
Neu bei der Erfindung ist, dass die Kältemittelflüssigkeitstemperatur vor dem Einspritzventil (6) (A) konstant gehalten wird.
Neu bei der Erfindung ist, dass die Kältemittelflüssigkeitstemperatur speziell beim Zweistu- fenverdampfungsprozess (1 + 2) vor dem Einspritzventil (6) (A) auf einem sehr tiefen Wert, nahe oder auf der linken Grenzkurve des log (p), h-Diagramms für Kältemittel, (das Kältemit- tel tritt also flüssig wie bei einem Thermosyphonsystem oder mit minimalem Dampfgehalt in den Verdampfer (1)) konstant gehalten wird.
Neu bei der Erfindung ist, dass der Kältemittelsaugdampf am Eintritt in den Verdichter (5) (B) konstant gehalten wird.
Massnahmen dazu können sinngemäss sein, wie bei der Konstanthaltung der Kältemittelflüs- sigkeit vor dem Einspritzventil (6) (A) :.
Man verwendet also Wärmetauscher oder Speicher-respektive Trägheitsmassen zur Kon- stanthaltung der Saugdampftemperatur.
Weiter gibt es Kältesysteme mit eingesetzten IWT's (2) (Zweistufenverdampfer, semigeflute- te Systeme), welche das flüssige Kältemittel vor dem Einspritzventil (A) (und den Tempera- turkonstanthaltungsmassnahmen) unterkühlen und den Saugdampf nach dem Verdampfer (1) (2) überhitzen (B).
Die Saugdampftemperaturkonstanthaltung kann auch mittels Massnahmen wie externen Un- terkühlern (3), welche die Kältemittelflüssigkeitseintrittstemperatur in den IWT (2) (8) und auf diesem Weg die Saugdampfaustrittstemperatur aus dem IWT (2) (B) regelt, vorgenommen werden.
Die Saugdampftemperaturkonstanthaltung kann auch mittels Massenstromregelung der Käl- temittelflüssigkeit (9) durch den IWT (2) oder des Saugdampfes (12) durch den IWT (2) ge- regelt werden.
Die Saugdampftemperaturkonstanthaltung kann auch mittels mehr oder weniger"Überfluten" des IWT's (2) (nur beim Zweistufenverdampfungsprozess) erreicht werden.
Das"Überfluten"des IWT's (2) kann dabei mittels einer Temperaturregelung des Saugdamp- fes am Eintritt des Verdichters (Zweistufenverdampferregelung) (T23), Niveauregelung (7) direkt über den Verdampfer (l), IWT (2) einzeln oder zusammen oder einer Referenzgrösse wie zum Beispiel den Sammler oder andere oder einer Druckdifferenzregelung (7) direkt über den Verdampfer (1), IWT (2) einzeln oder zusammen erfolgen.
Alle diese beschriebenen Massnahmen können einzeln oder beliebig kombiniert zum Einsatz kommen.
Die Erfindung beruht im Wesentlichen darauf, dass durch geeignete Massnahmen die Kälte- mittelflüssigkeitstemperatur vor dem Einspritzventil (A) und die Saugdampftemperatur vor dem Verdichter (B) auf einem beliebigen Wert, (innerhalb des physikalisch Möglichen aber bei Bedarf bis an die physikalischen Grenzen gehend), konstant gehalten wird.
Durch die konstante Temperatur des Kältemittels an diesen beiden Punkten im Kältesystem (Kältemittelflüssigkeit vor dem Einspritzventil (A), Saugdampf vor dem Verdichter (B)) wird ein stabiler Betrieb und wenn gewünscht, kleinste Temperaturdifferenzen zwischen den zu kühlenden Medien (Ein-/Austrittstemperatur (C/D) einerseits und Eintritts-und/oder Aus- trittstemperatur zur Verdampfungstemperatur (C/D zu to) andererseits) erreicht.
Aufzählung der Zeichnungen : Fig. 1 : Mögliche Lösungen zur Kontrolle der Kältemitteltemperaturen vor dem Ein- spritzventil und Verdichter.
Fig. 2 : Mögliche Lösungen zur Kontrolle der Kältemitteltemperaturen vor dem Ein- spritzventil und Verdichter ohne Hilfspumpen im Sekundärkreislauf.
Fig. 3 : Mögliche Lösungen zur Kontrolle der Kältemitteltemperaturen vor dem Ein- spritzventil und Verdichter bei Trockenexpansionsbetrieb ohne IWT Fig. 4 : Mögliche Lösungen zur Kontrolle der Kältemitteltemperaturen vor dem Ein- spritzventil und Verdichter bei Trockenexpansionsbetrieb mit IWT und oder Zweistufenverdampfung.
'Fig. 5 : Mögliche Lösungen zur Kontrolle der Kältemitteltemperaturen vor dem Ein- spritzventil und Verdichter bei Trockenexpansionsbetrieb mit IWT und oder Zweistufenverdampfung mit externem Unterkühler.
Fig. 6 : Mögliche Lösungen zur Kontrolle der Kältemitteltemperaturen vor dem Ein- spritzventil und Verdichter bei Trockenexpansionsbetrieb mit IWT und oder Zweistufenverdampfung mit externem Unterkühler und Speicher-oder Träg- heitsmasse zur Temperaturkonstanthaltung des Kältemittels vor dem Ein- spritzventil anstelle des Wärmetauschers.
Fig. 7 : log (p), h-Diagramm Die Zeichnungen erläutern den Sinn und erheben keinen Anspruch auf Vollständig- keit. Die Ventile, Wärmetauscher, etc. können einzeln oder in jeder möglichen Form kombiniert zum Einsatz kommen. Auf weiter Darstellungen wird verzichtet und auf den Text verwiesen ! Ausführung der Erfindung : Die Erfindung beruht darauf, dass mittels geeigneter Massnahmen ein stabiler Betrieb von Kühlanlagen bei kleinen Temperaturdifferenzen der zu kühlenden Medien und somit höheren Wirkungsgraden (und dadurch hocheffiziente Verdampfung in Kälteanlagen) erzielt wird.
Das Verfahren der Kälteerzeugung wird dahingehend ergänzt oder geändert, dass neben den kontrollierten Saug-und Hochdrücken in Kältesystemen neu die Temperatur des flüssigen Kältemittels vor dem Einspritzventil (A) und des Saugdampfes vor dem Verdichtereingang (B) kontrolliert, geregelt und konstant gehalten wird.
Durch das Kontrollieren der Kältemitteltemperatur vor dem Einspritzventil (A) ergeben sich definierte Zustände im Kältemittelgemisch (Flüssig/Dampf). Diese definierten Zustände im Kältemittel führen zu stabilen Verhältnissen im Kältekreislauf.
Den gleichen Effekt erhalten wir mit der Temperaturkontrolle und dem Konstanthalten der Saugdampftemperatur am Verdichtereintritt (B).
Durch das Stabilisieren dieser beiden Temperaturen und der damit Verbundenen jeweiligen Zustände des jeweiligen Kältemittels an diesen zwei Punkten im Kältekreislauf erzielen wir stabile Verhältnisse und verhindern Rückkoppelungen in der Regeltechnik und ein Aufschau- keln des Systems und somit weniger Störgrössen was zu einem stabilen Regelkreis und somit zu einem stabilen Betrieb der Kälteanlagen und somit zu einer hocheffizienten Verdampfung führt.
Durch den gewonnenen stabileren Betrieb ergeben sich Energie-und Kostenersparnisse und es wird möglich, speziell in Kombination mit der Zweistufenverdampfungstechnik (1 + 2) 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.
Diese beiden Temperaturen (A + B) und die dazugehörenden Kältemittelzustände können auf viele mögliche Arten kontrolliert und stabilisiert werden.
Die Aufzählung der Möglichkeiten beschränkt sich in dieser Patentschrift sinngemäss auf ei- nige wenige.
Die Innovation ist das Kontrollieren der beiden beschriebenen Kältemittelzustände (A + B), egal mit welcher Methode dies erreicht wird, wobei je nach Anwendungsfall nur die eine oder die andere Massnahme (A oder B oder 7) ergriffen werden muss. Es ist somit möglich, nur mit der Temperaturkontrolle des flüssigen Kältemittels vor dem Einspritzventil (A) oder der Temperaturkontrolle des Saugdampfes vor dem Verdichter (B) oder mit der Kontrolle des flüssigen Kältemittels vor dem Einspritzventil und der Temperaturkontrolle des Saugdampfes (A + B) zum gewünschten Ergebnis zu kommen.
Geeignete Massnahmen für die Temperaturkontrolle des Kältemittels vor dem Einspritzventil sind : 1. Die Temperatur des flüssigen Kältemittels vor dem Einspritzventil mit einem Sekun- därmedium über einen Wärmeaustausch (4) konstant halten.
2. Die Temperatur des flüssigen Kältemittels vor dem Einspritzventil mit einer Masse (13) (flüssig, fest, gasförmig oder gemischt zwischen diesen Aggregatszuständen) konstant (träge) zu halten.
3. Die Temperatur des flüssigen Kältemittels vor dem Einspritzventil, speziell bei Ver- wendung eines IWT's oder der Anwendung des Zweistufenverdampfungsprozesses, mittels Einsatz eines Regelventils (9) konstant zu halten. Diese Regelung leitet nur ei- nen bestimmten Massenstrom durch den IWT oder die zweite Stufe des Zweistufen- verdampfers und den restlichen Massenstrom (E) direkt oder indirekt zum Einspritz- ventil, wobei der am IWT oder der zweiten Stufe des Zweistufenverdampfers vorbei- geleitete Massenstrom (E) gekühlt, erwärmt oder gleich gehalten werden kann.
Geeignete Massnahmen für die Temperaturkontrolle des Kältemittels vor dem Verdichter sind : 4. Die Temperatur des Saugdampfes vor dem Verdichter (B) mit einem Sekundärmedi- um über einen Wärmeaustausch konstant zu halten.
5. Die Temperatur des Saugdampfes vor dem Verdichter mit einer Masse (flüssig, fest, gasförmig oder gemischt zwischen diesen Aggregatszuständen) konstant (träge) zu halten.
6. Die Temperatur des Saugdampfes vor dem Verdichter, speziell bei Verwendung eines IWT's oder der Anwendung des Zweistufenverdampfungsprozesses, mittels Einsatz eines Regelventils (8), (12) und/oder (9) konstant zu halten. Diese Regelung (12) (9) leitet nur einen bestimmten Massenstrom durch den IWT (2) oder die zweite Stufe des Zweistufenverdampfers und den restlichen Massenstrom (9) direkt oder indirekt zum Einspritzventil (6) resp. Verdichter (5).
7. Mittels einer kontrollierten Eintrittstemperatur (8) (F) des flüssigen Kältemittels in den IWT (2) oder die zweite Stufe des Zweistufenverdampfers, zum Beispiel unter Ver- wendung eines externen Kältemittelflüssigkeitsunterkühlers (3) oder ähnlichem.
8. Mittels kontrolliertem Füllstand des zu verflüssigenden Kältemittels im Verdampfer resp. im IWT resp. in der zweiten Stufe des Zweistufenverdampfers, zum Beispiel mit- tels Niveauregelung (7) oder Druckdifferenzmessung (7) oder Saugdampftemperatur- regelung (T23) vor dem Verdichter, wobei die Niveauregelung über den Verdampfer, den IWT oder die zweite Stufe des Zweistufenverdampfers einzeln und/oder der Ver- dampfer alleine oder in Kombination mit dem IWT oder der zweiten Stufe des Zwei- stufenverdampfers oder eines Referenzobjektes, z. B. Sammlers, erfolgen kann.
9. Speziell bei einem Kältesystem mit Zweistufenverdampfung (1 + 2) kann die Rege- lung und Einbindung wie folgt ausgeführt werden (Kombinationen und Varianten da- von sind auch möglich) : Einspritzventilregelung mittels Erfassen der Temperatur des Kältemittels vor dem Einspritzventil (T20) und Druck/Temperatur nach dem Ein- spritzventil (T21/P7), zwischen der ersten und der zweiten Verdampferstufe P8/T22) oder nach der zweiten Verdampferstufe (P9/T23) oder Kombinationen davon. Die Temperatur-/Druckdifferenz (T20/P7, P8, P9) dient als Regelgrösse für das Einspritz- ventil (6). Eine Saugdampftemperaturerfassung (T23) vor dem Verdichter (5) über- steuert die Temperaturdifferenz/Druckregelung (T20/P7, P8, P9) bei Bedarf.
Alternativ zur Temperaturdifferenz/Druckregelung kann eine Niveau-oder Druckdif- ferenzregelung (7) für das Einspritzventil eingesetzt werden.
Die Temperatur vor dem Einspritzventil wird mittels geeigneten Massnahmen (wie oben beschrieben) konstant gehalten. Diese Temperaturkonstanthaltung des flüssigen Kältemittels vor dem Einspritzventil kann zum Beispiel mit einem zwischen der Flüs- sigkeitsleitung und dem Mediumvorlauf eingebauten Wärmeaustauscher (4) erfolgen.
Durch den Wärmetauscher (4) wird ein Teil-oder der ganze Massenstrom des gekühl- ten Mediums im Gleich-, Gegen-oder Kreuzstrom, etc. zur Kältemittelflüssigkeit ge- führt (10/11).
Das Medium kann dabei mit einer geregelten oder ungeregelten Temperatur durch den Tauscher geführt werden.
Durch die richtige Dimensionierung des Wärmetauschers (4) findet eine Unterkühlung respektive Konstanthaltung der Kältemittelflüssigkeit vor dem Einspritzventil (A) auf einem beliebigen aber auf Wunsch auch auf einem sehr tiefen Temperaturniveau statt, was bedeutet, dass der Verdampfer (1) mit flüssigem oder nur geringem Anteil von bereits verdampftem Kältemittel gespiesen wird.
Der Anteil an bereits verdampftem Kältemittel in den Verdampfer kann mit einer ent- sprechenden Temperatur des flüssigen Kältemittels vor dem Einspritzventil (A) auf die Verdampferbauart (1) und somit den Wirkungsgrad zum Starten des Verdamp- fungsprozesses optimiert und eingestellt werden.
Alternativ zur Übersteuerung der Einspritzventilregelung durch die Sauggastemperatur durch Überfluten der zweiten Stufe des Zweistufenverdampfers bei zu hohen Saug- dampftemperaturen vor dem Verdichter (T23) kann die Kältemittelflüssigkeitseintritts- temperatur in die zweite Verdampferstufe (IWT) (2) (F) zum Beispiel mittels eines ex- ternen Unterkühlers (3) bei hohen Kondensationstemperaturen begrenzt werden.
Alternativ oder in Kombination zu dieser Begrenzung kann ein Teil des Kältemittel- flüssigkeitsmassenstroms (E), in Abhängigkeit der Saugdampftemperatur (B), an der zweiten Verdichterstufe (IWT) (2) vorbei geleitet werden.