Stand der Technik : Frequenzgesteuerte Kältemittelverdichter, Kältesätze, Unterkühlung, Energiespeicherung sind einzeln, aber nicht in der Kombination, wie hier vorgestellt, bekannt und kennen in dieser Kombination auch den Einsatz des neu erfundenen und hier auch zum Patent angemeldeten Zweistufenverdampfers mit integrierter Flüssigkeitsunterkühlung und Saugdampfüberhitzung nicht.

Stand der Technik sind auch Anlagen mit einstufiger Unterkühlung, Saugdampfüberhitzung, Direktverdampfungsanlagen für Kältemittel, Wärmeträger-Kühlanlagen (Sekundärkühler), Kaskadenkühlanlagen, Boosterkühlanlagen, Kühlanlagen mit Trockenexpansion (trockener Verdampfer), Thermosyphonsysteme (überflutete Verdampfer) und Kältesätze.

Der Einsatz von frequenzgesteuerten Kältemittelverdichtern, modularem Aufbau von Kälte- sätzen, Unterkühlung und Energiespeicherung dienen bis heute nicht dafür, dass man so klei- ne Kältemittelverdichter, wie hier vorgestellt, einsetzen und damit sehr hohe Leistungsspitzen eines geforderten Kältebedarfs direkt über die erzeugte mechanische Kälteleistung abdecken kann.

Nur die Kombination von Zweistufenverdampfung mit integrierter Flüssigkeitsunterkühlung und Saugdampfüberhitzung (4/5) in frequenzgesteuerter Modultechnik (10/11) mit mehr- stufiger Unterkühlung (6) garantiert die Erreichung der nachfolgenden Ziele.

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 Kälte- mittel und Kälteträgern folgendes zu erreichen : Tiefer Energieverbrauch, hohe Betriebssi- cherheit, hohe Verfügbarkeit der Kälte, geringe Servicekosten, schnelle Reaktionszeit (bis der Schaden behoben ist, egal welcher Art der Schaden ist), einfache Anlagentechnik, einfa- cher Systemausbau, günstige Investitionskosten, Schutz der Investition, grosse Unabhängig- keit (von Produkten, Kältemittel, etc. ).

Die COP-Werte und die Betriebssicherheit drastisch zu erhöhen, die Unterhalts-, Betriebs- und Investitionskosten drastisch zu senken, die Möglichkeit, sehr kleine Kältemittelverdich- ter (1) im Verhältnis zur maximal abzuführenden Kälteleistung einzusetzen, über den gröss- ten Zeitraum eines Standard-Kühlungsprozesses mit sehr hohen Wirkungsgraden und sehr kleinen Kältemittelverdichterleistungen die Kälteleistung zu erzeugen und dabei sehr hohe Kälteleistungsspitzen abzudecken (Verhältnis von Minimalbedarf zum Durchschnittsbedarf und Maximalbedarf an Kälteleistung über einen kurzen oder langen Zeitraum betrachtet).

Im weiteren sind obige Ziele mit sehr wenig einzusetzenden Komponenten (9) und kältetechnischen Hilfsstoffen sowie einem Minimum an benötigtem Kältemittel zu erreichen.

Die Kälteenergie zu Zeiten zu erzeugen und zu speichern (12), in denen wenig Kälteenergie benötigt wird (27).

Diese Energie (27) zur Abdeckung von Kälteleistungsspitzen zu verwenden und dadurch ei- nen gleichmässigeren Energieaufwand und-Bedarf und gleichmässigere Betriebszustände (längere Laufzeiten mit weniger EIN/AUS-Zyklen der Verdichter) zu erhalten Die Erfindung beruht auf der Kombination und Weiterentwicklung obiger Systeme in modu- lar aufgebauten Kälteanlagen (11) (Kältesätzen).

Modultechnik Unter Modultechnik (11) (Kältesätze) verstehen wir eine anschlussfertige Kälteanlage pro Modul (11) (Kältesatz) wobei die Module (11) parallel miteinander zu einem Kältesystem verbunden werden.

Verschiedene Leistungsgrössen von Modulen (11) werden eingesetzt und es können mehrere Module (11) an ein Kältesystem angeschlossen werden.

Je nach Bedarf kann für ein System mit einem oder mehreren Modulen (11) begonnen und dieses später durch weitere Module (11) ausgebaut werden.

Es können mehrere Systeme miteinander kombiniert werden und die einzelnen Module (11) sind transportabel und anschlussfertig.

Durch den Einsatz der Frequenzregelung (10) und der Parallelschaltung der Module (11) kön- nen für heute übliche Prozesse, mit wesentlich kleineren Kältemittelverdichtem (1), Spitzen- lasten abgedeckt werden.

Die Kältemittelverdichterleistung wird durch den Einsatz eines speziellen, zweistufigen Ver- dampfers mit integrierter Flüssigkeitsunterkühlung und Saugdampfüberhitzung (4/5) wesent- lich gesteigert.

Infolge der Modultechnik (11) erhöht sich die Verfügbarkeit der maschinell erzeugten Kälte wesentlich gegenüber üblicher Einzel-oder Verbundanlagen.

Beim Ausfall eines Kältemoduls (11) wird die fehlende Kälteleistung über die Drehzahlerhö- hung der anderen Kältemittelverdichter (Frequenzregelung) (10) teilweise oder ganz kompen- siert.

Durch den Einsatz der speziellen Zweistufenverdampfertechnik mit integriertem Flüssigkeits- unterkühler/Saugdampfüberhitzer (4/5) und einer Zwei-oder Mehrstufenunterkühlung (6) ist es uns möglich, einen Teil der geforderten Kälteleistung in der Zeit zu erzeugen und zu speichern (12/27), in der wenig Kältebedarf herrscht und in der Zeit von grossem Kältebe- darf zur Deckung dieser Spitzenlasten für die Leistungssteigerung durch die externe Unter- kühlungsstufe (6/27) bereit zu stellen, ohne dass eine tiefere Verdampfungstemperatur (31) während der Speicherung nötig ist.

Die gespeicherte Kälteenergie (12/27) dient dabei zur Flüssigkeitsunterkühlung des Kälte- mittels (externe Unterkühlung) (6/27).

Andere Energiequellen können ebenfalls zur Kältemittelunterkühlung (6) herangezogen wer- den.

Eine weitere Stufe der Flüssigkeitsunterkühlung des Kältemittels wird mittels Verdampfung des Kältemittels und Saugdampf der Kälteanlage (interne Unterkühlung) (5) realisiert.

Die Erfindung dieses Verdampfungsprozesses mit Flüssigkeitsunterkühlung und Saugdampf- überhitzung (4/5) begründet sich auf folgendem : Bekannt : Bekannt sind Trockenexpansionssysteme (trockener Verdampfer) mit Einspritzventil, bei dem ein überhitztes und gasförmiges Kältemittel den Verdampfer verlässt (20).

Bekannt sind Thermosyphonsysteme (überfluteter Verdampfer), bei denen flüssiges Kältemit- tel in den Verdampfer geführt wird und überhitztes, gasförmiges oder nicht überhitztes und mit Flüssigkeitsanteilen versehenes Kältemittel in einen Abscheider strömt und von dort gas- förmig und ohne Flüssigkeitsanteile zum Kältemittelverdichter geführt wird.

Bekannt sind Kältesysteme, bei denen ein Wärmeaustausch zwischen gasförmigem und flüs- sigem Kältemittel zur Unterkühlung der Flüssigkeit und zur Überhitzung des Saugdampfes realisiert wird (Flüssigkeits-Saugdampf-Wärmetauscher).

Bekannt sind Kombinationen mit Abwärmenutzung und Kaskaden-Kälteanlagen Neu : Neu an unserer Erfindung ist, dass ein Verdampfungssystem mit Trockenexpansion als über- fluteter Verdampfer (4) eingesetzt wird, bei dem das Kältemittel den Verdampfer in der ersten Stufe mit Flüssigkeitsanteilen verlässt (21).

Neu an unserer Erfindung ist, dass das Kältemittel als Flüssigkeits-/Gasgemisch mit hohem Gasanteil in eine zweite Verdampfungsstufe (5/21) eintritt (trockener Verdampfer), bei der eine Restverdampfung mit anschliessend hoher Überhitzung des Kältemittels (22) und einer gleichzeitigen Unterkühlung des flüssigen Kältemittels auf der zweiten Seite des Wärmetau- schers stattfindet (23).

Neu an unserer Erfindung ist, dass das verwendete, ausserhalb oder innerhalb des Verdamp- fers eingebaute Expansionsventil (2) die Grösse der Saugdampftemperatur am Eintritt des Kältemittelverdichters (1/22) beschränkt und zugleich die Leistung der internen Unterküh- lung (5/23) in Abhängigkeit der zur Verfügung stehenden Verdampferleistung (5/24) der ersten Stufe (4/25) regelt.

Neu an unserer Erfindung ist im weiteren auch das Zusammenwirken all dieser Komponenten wie Modulbauweise (11) (Kältesatz), Frequenzregelung der Kältemittelverdichter (10), Paral- lelschaltung der Kältemittelverdichterkreisläufe, Zweistufenverdampfung mit interner Flüs- sigkeitsunterkühlung und Saugdampfüberhitzung (4/5), Zwei-oder Mehrstufenunterkühlung (5/6), Verlagerung und Speicherung der Kälteenergie von Zeiten mit wenig Bedarf nach Zei- ten mit hohem Bedarf (12/27), integrierte Abwärmenutzung (7/8), wobei durch die interne Unterkühlung (5/23) höhere Temperaturen zur Abwärmenutzung (7/8/26) zur Verfügung stehen.

Kombinationen aller Art von Abwärmenutzung, Kaskaden-und Notbetrieb auf Modul-, Anla- gen-oder Systemebene sind möglich.

Anforderung an die Modultechnik Anforderung an die Modultechnik (11) ist höchste Betriebssicherheit, tiefe Betriebskosten, tiefe Unterhaltskosten, einfache Anlagentechnik, einfache Leistungsanpassung an benötigte Kälteleistung (Ausbauetappen) und einfache und flexible Anpassung an mögliche Abwärme- nutzungen (7/8).

Energieeinsparung auf 3 Ebenen Energieeinsparung auf 3 Ebenen ist durch mehrstufige Unterkühlung (5/6), durch Leistungs- verschiebung (zum Beispiel vom Tag in die Nacht (12/27) und durch Frequenzregelung (10) realisiert was alles tiefe Betriebskosten zur Folge hat.

Zusätzliche Optimierungen Zusätzliche Optimierungen der Betriebskosten werden erreicht durch tiefere Verflüssigungs- temperaturen in der Nacht, durch höhere Verdampfungstemperaturen (Kaltsoletemperaturan- hebung), durch höhere Gasaustrittstemperaturen (Abwärmenutzung (7/8/26)), durch bessere Wirkungsgrade (überdimensionierte Anlagen arbeiten im Teillastbereich nicht optimal).

Weiteren Betriebskostenoptimierungen sind die zu vernachlässigenden Druckabfälle in den Leitungen, eine mögliche, teilweise Stromverlagerung (vom Tag in die Nacht) (12/27) wel- che nicht zu Lasten einer tieferen Verdampfungstemperatur (31) geht, eine gleichmässige Laufzeit der Kältemittelverdichter (1)-wenige Ein-/Aus-Zyklen welche zusätzlich unter- stützt wird durch die Erzeugung der Unterkühlerleistung (6/27) während der Nacht (ange- strebt wird ein Dauerbetrieb der Kältemittelverdichter (1)-abhängig vom Prozess), weniger und reduzierter Anlaufstrom durch weniger Ein-/Aus-Zyklen, Frequenzumformer (10) und kleinere Kältemittelverdichter (1), sowie hohe COP-Werte (Verhältnis elektrische Energie zu Kälteenergie).

Betriebssicherheit Ausfall nur eines Teils des Systems. Die restlichen Module (11) übernehmen einen Teil der fehlenden Kälteleistung bei Ausfall eines Moduls über die Frequenzumformung (10).

Schnelle Reaktionszeit bei Ausfall eines Anlageteils da das Wechseln des ganzen Moduls (11) und die Reparatur in der Werkstatt gemacht werden kann.

Einfache Anlagentechnik (11) da keine Spezialisten notwendig sind.

Hohe Verfügbarkeit infolge mehrerer Module (11) (Kältesätze).

Bei einem Ausfall des Eisspeichers (12/27) ist eine Notkühlung für die Unterkühlung (6/ 27) z. B. über das Netzwasser realisiert.

Bei einem Ausfall der Rückkühler (13) ist eine Notkühlung für die Verflüssiger (3) z. B. über das Netzwasser realisiert.

Einfache Anlagentechnik Extrem kleine Kältemittelverdichter (1), um eine geforderte Kälteleistungsspitze abzudecken vereinfachen die Kälteanlagetechnik bedeutend.

Dazu kommen die Vorteile von kleineren Rückkühlern (13), keine Öl-und Kältemittelverla- gerungen sind möglich, weniger Öl-und Kältemittelinhalt, weniger kältetechnische Apparatu- ren (9), mehr Gleichzeitigkeit bei der Abwärmenutzung (7/8), einer Integration von Tief- kühlanlagen die jederzeit möglich ist (Kaskadenbetrieb), Notkreisläufe (Unterkühlung (6/27) /Kondensation (3)) welche ausserhalb der Kältekreisläufe realisiert werden, Saugdampftem- peraturen am Kältemittelverdichtereintritt (1/22) und Flüssigkeitsschläge welche unter Kon- trolle sind.

Vorteile im Unterhalt, tiefe Unterhaltskosten Kleine Systemeinheiten (11) (Kältesatz) haben kleine Komponenten (9/1/2/etc. ) und somit tiefe Komponentenpreise, kurze Stillstandzeiten und eine hohe Verfügbarkeit solcher Kom- ponenten.

Bei Ausfall eines Moduls (11) übernehmen die andern Module (11) einen Teil der fehlenden Kälteleistung über die Frequenzumformung (10).

Kurze Reaktionszeiten zum Beheben einer Störung da standardisierte Module (11) Lagerware sind.

Längere Lebensdauer der Kältemittelverdichter (1) durch weniger Ein-/Aus-Zyklen.

Investitionsvorteile Eine Grundversorgung kann nach Bedarf erweitert werden sofern die Infrastruktur (Leitun- gen, etc.) auf Endausbaugrösse installiert ist.

Ein problemloser Standortwechsel der Anlagen ist in Folge der Transportierbarkeit der Modu- le (11) (Kältesätze) gegeben.

Die Produkteunabhängigkeit ist dadurch gegeben, dass Module mit unterschiedlichen Kom- ponenten (Kältemittel, Kältemittelverdichter (1), Wärmeaustauscher (3/4/5/6/7/8), etc. ) gebaut werden können.

Vorschriften betreffend Druck, Kältemittel, Füllmengen, etc. sind mit kleinen, in Werkstätten hergestellten Einheiten (11) einfacher und günstiger zu erfüllen.

Einfache Anlagentechnik (11) und dass keine Spezialisten notwendig sind, sind weitere Inves- titionsvorteile.

Hauptvorteile 'Betriebssicherheit 'Energieeinsparung 'Kosteneinsparung Aufzählung der Zeichnungen : Fig. 1 : Minimale mögliche Lösung mit zwei unabhängigen Wärmeaustauschern (4/5) Fig. 2 : Minimale mögliche Lösung mit Zweistufenunterkühlung (6/5) Fig. 3 : Mögliche zusätzliche Komponenten pro Modul (7/8/9, nicht abschliessend) Fig. 4 : Mögliche Systemeinbindung (eine mögliche Variante, nicht abschliessend) Fig. 5 : Neue Entwicklung eines Kombi-Plattenwärmeaustauschers (3/4/5/6/7/8) als Zweistufenverdampfer (4/5) mit integrierter Flüssigkeitsunterkühlung (5) und Saugdampfüberhitzung (5), Verflüssiger/Enthitzer (7), Verflüsger/ Enthitzer (8), Verflüssiger/Rückkühler (3) und Unterkühler erste Stufe (6) und mit externem oder internem Einspritzventil (2).

Fig. 6 : Neue Entwicklung eines Kombi-Plattenwärmeaustauschers (3/4/5/6/7/8) als Zweistufenverdampfer (4/5) mit integrierter Flüssigkeitsunterkühlung (5) und Saugdampfüberhitzung (5), Verflüssiger/Enthitzer (7), Verflüssiger/ Enthitzer (8), Verflüssiger/Rückkühler (3) und Unterkühler erste Stufe (6) und mit internem Einspritzventil (2) in anderer Bauweise.

Fig. 7 : Neue Entwicklung eines Kombi-Plattenwärmeaustauschers (3/4/5/6/7/8) als Zweistufenverdampfer (4/5) mit integrierter Flüssigkeitsunterkühlung (5) und Saugdampfüberhitzung (5), Verflüssiger/Enthitzer (7), Verflüssiger/ Enthitzer (8), Verflüssiger/Rückkühler (3) und Unterkühler erste Stufe (6) und mit internem Einspritzventil (2) in anderer Bauweise.

Fig. 8 : Neue Entwicklung eines Zweistufenplattenverdampfers (4/5) mit integrierter Flüssigkeitsunterkühlung (5) und Saugdampfüberhitzung (5) mit externem oder internem Einspritzventil (2).

Fig. 9 : Neue Entwicklung eines Zweistufenplattenverdampfers (4/5) mit integrierter Flüssigkeitsunterkühlung (5) und Saugdampfüberhitzung (5) mit externem oder internem Einspritzventil (2) in anderer Bauweise.

Fig. 10 : Diagramm mit der Darstellung der physikalischen Verhältnisse Fig. l 1 : Legende und Beschreibung zu den Zeichnungen und Werten in (.. )<BR> Fig. 12 : Legende und Beschreibung zu den Zeichnungen und Werten in (.. ) Ausführung der Erfindung : Ein Kältemodul (Kältesatz) (11) besteht im Wesentlichen aus einem oder mehreren : Verflüssigern (3), Flüssigkeitsunterkühlem (6), Flüssigkeitsunterkühlern/Saugdampfüberhit- zer-Verdampfern (5) (trockener Verdampfer zweite Stufe), Verdampfern (4) (überfluteter Verdampfer, erste Stufe), Kältemittelverdichtern (1), Einspritzventilen (2), Frequenzumfor- mer (10), Kältemittel, kältetechnischen Hilfsstoffen und Öl (9).

Optional weist ein Modul (11) (Kältesatz) zusätzlich einen oder mehrere Enthitzer (7/8), ei- nen oder mehrere Abwärmenutzungstauscher (7/8), weitere Unterkühler, Schaugläser (9), Trockner (9), Filter, Ventile, Sicherheitsapparaturen, Absperrapparaturen, Sammler (9), Öl- pumpen, Verteilsysteme (9), Elektro-, Steuer-und Regelteile (9), kältetechnische Hilfsstoffe, etc. auf.

Die Wärmeaustauscher (3/4/5/6/7/8) können als einzelne Komponenten verrohrt oder als Kombitauscher konstruiert eingesetzt werden.

Das Einspritzventil (2) wird vor dem Verdampfer (4) oder im Verdampfer (4/5) (erste Ver- dampfungsstufe) montiert.

Bei der Montage des Einspritzventils (2) vor dem Verdampfer (4) wird der Messwert zur Saugdampfbegrenzung an der Saugleitung zum Kältemittelverdichter (1/22) abgenommen.

Alternativ stehen die Messwerte der unterkühlten Flüssigkeit (28), des Hochdrucks vor dem Einspritzventil (2/29) und des Saugdampfdrucks nach dem Einspritzventil (2/30) ebenfalls zur Regelung des Zweistufen-Verdampfers mit integriertem Flüssigkeitsunterkühler/Saug- dampfüberhitzung (4/5) zur Verfügung.

Im Minimum reichen folgende Komponenten (gem. Zeichnung Fig. 1) zum Bauen eines Mo- duls (11) aus : Kältemittelverdichter (1), Verflüssiger (3), Zweistufenverdampfer mit integrier- tem Flüssigkeitsunterkühler/Saugdampfüberhitzer (4/5), Einspritzventil (2), Kältemittel, kältetechnische Hilfsstoffe (9), Frequenzumformer (Fig. 4 ; 10), Leitungen und elektrische Steuerungen.

Eine deutliche Leistungssteigerung wird durch das Vorschalten einer oder mehrerer Unter- kühlungsstufen (Fig. 2 ; 6) zu dem integrierten Unterkühler (5) erreicht. Alle weiteren Kombinationen von Komponenten (Zeichnung Fig. 3 und 4 als Beispiel) dienen nur zur Anpassung an spezielle Kälteprozesse und gelten als bekannt und als Stand der Tech- nik.