[0001] Die Erfindung bezieht sich auf eine Kälteanlage nach dem Oberbegriff des Anspruchs
1.
[0002] Eine solche Kälteanlage arbeitet nach dem Prinzip, dass ein gasförmiges Kältemittel
verflüssigt wird, wobei die dabei auftretende Wärme beispielsweise durch Luft- bzw.
Wasserkühlung abgeleitet wird. Beim Entspannen verdampft das Kältemittel und entzieht
dabei die notwendige Wärme beispielsweise einem Kühlraum, in welchem Lebensmittel
gelagert sind. Eine solche Kälteerzeugung beruht daher auf einem Kreisprozess mit
dem Kältemittel. Das Kältemittel ist in einem solchen Kälte erzeugenden System in
der Lage, durch Verdampfen bei niedriger Temperatur und niedrigem Druck Wärme, beispielsweise
warme Luft aus einem zu kühlenden Raum, aufzunehmen und durch Verflüssigen bei höherer
Temperatur und höherem Druck Wärme abzugeben. Ein derartiges Kältemittel ist also
gewissermaßen der Arbeitsstoff in einer Kälteanlage, auch Kältemaschine genannt.
[0003] Eine Kälteanlage nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 ist beispielsweise aus der
DE 203 13 777.9 U1 bekannt. Das hier beschriebene thermostatische Expansionsventil ist ein sogenanntes
Standard-Expansionsventil, welches erst bei einer statischen Überhitzung ab etwa 5
K öffnet. Insofern lässt sich mit dieser Kälteanlage das eigentliche Ziel, die treibende
Temperaturdifferenz möglichst gering zu halten und Energie sparen zu können, kaum
erreichen.
[0004] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Kälteanlage der eingangs erwähnten
Art zu schaffen, welche wirtschaftlicher betreibbar ist.
[0005] Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Kälteanlage mit den Merkmalen des Anspruchs
1 gelöst.
[0006] Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
[0007] Dadurch, dass das Expansionsventil ein solches mit einer statischen Überhitzung ≤
2 K ist und der Überhitzungsfühler in Strömungsrichtung des Kältemittels hinter dem
Verdampfer und vor dem inneren Wärmeaustauscher angeordnet ist, wird eine Überhitzung
des Kältemittels im Verdampfer weitgehend ausgeschlossen. Die treibende Temperaturdifferenz
zwischen der Lufteintrittstemperatur und der Verdampfungstemperatur vor dem Verdampfer
kann damit äußerst niedrig, d.h. auf etwa 3 bis 4 K eingestellt werden. Damit kann
zum einen unmittelbar am Verdichter Energie eingespart werden, weil der Wirkungsgrad
der Kälteanlage erhöht ist, zum anderen kann Abtauenergie eingespart werden, weil
beispielsweise in einem Kühlraum weniger Entfeuchtung und somit weniger Vereisung
der Lamellen stattfindet. Durch die geringe Entfeuchtung eignet sich dieser Verdampfer
insbesondere für die Obst- und Gemüsekühlung, also für die Kühlung von frischen Lebensmitteln.
Die Überhitzung des gasförmigen Kältemittels, auch Sauggas genannt, findet damit nicht
mehr ausschließlich im Verdampfer sondern vielmehr in dem inneren Wärmeaustauscher
statt. Dadurch kann der Verdampfer klein dimensioniert sein, wodurch sich zusätzlich
zu den energetischen Vorteilen auch noch geringere Herstellungskosten erzielen lassen.
Durch die Verlegung der Überhitzungszone weg vom Verdampfer hin zum inneren Wärmeaustauscher
lässt sich also das Kosten/Nutzen-Verhältnis der Gesamtanlage positiv beeinflussen.
Auf der anderen Seite ist die letztlich vom inneren Wärmeaustauscher herbeigeführte
Überhitzung des gasförmigen Kältemittels so gewährleistet, dass Flüssigkeitsschläge
im Verdichter infolge von noch im Sauggas vorhandenen Flüssigkeitstropfen ausgeschlossen
sind. Insofern kann mit der erfindungsgemäßen Kälteanlage durch die geringe statische
Überhitzung am Expansionsventil die Überhitzungszone im Verdampfer möglichst klein
gehalten werden.
[0008] Gemäßs einer besonders bevorzugten Weiterbildng der Erfindung ist das Expansionsventil
derart ausgebildet, dass es bereits ab einer statischen Überhitzung von 0 oder 1 K
öffnet und bei einer Gesamt- oder Arbeitsüberhitzung von etwa 4 K eine Ventilleistung
von 100 % hat. Daraus folgt, dass das erfindungsgemäße Ventil bei einer Gesamt- oder
Arbeitsüberhitzung von etwa 4 K bereits vollständig geöffnet ist, wohingegen ein herkömmliches
Expansionsventil bei einer statischen Überhitzung von etwa 5 K überhaupt erst zu öffnen
beginnt. Daraus folgt ferner, dass das erfindungsgemäße Expansionsventil eine relativ
steile Kennlinie hat, mithin also schon bei äußerst geringer Überhitzung oder bereits
ab einer Überhitzung von 1 K. Daraus folgt auch, dass die Ventilleistung schon bei
geringer treibender Temperaturdifferenz schnell zur Verfügung steht.
[0009] Vorteilhafterweise ist das Expansionsventil ein thermostatisches oder ein elektronisches
Expansionsventil. Ein thermostatisches Expansionsventil zeichnet sich im Vergleich
zu einem elektronischen Expansionsventil durch ein günstiges Preis/Leistungsverhältnis
aus.
[0010] Ausführungsbeispiele des Erfindungsgegenstandes werden nachfolgend anhand der Zeichnung
näher erläutert, wobei alle beschriebenen und/oder bildlich dargestellten Merkmale
für sich oder in beliebiger Kombination den Gegenstand der vorliegenden Erfindung
unabhängig von ihrer Zusammenfassung in den Ansprüchen oder deren Rückbeziehung bilden.
Es zeigen:
- Fig. 1
- eine schematische Darstellung einer Kälteanlage mit in einem Kreisprozess geführtem
Kältemittel; und
- Fig. 2
- ein schematisches Schaubild mit Ventilkennlinien von Expansionsventilen.
[0011] In Fig. 1 ist schematisch eine Kälteanlage 1 gezeigt, bei der ein nicht näher dargestelltes
Kältemittel in einem Kreisprozess, d.h. im Kreislauf, geführt ist.
[0012] Die Kälteanlage 1, auch Kältemaschine genannt, hat einen Verdampfer 2, einen dem
Verdampfer in Strömungsrichtung des gasförmigen Kältemittels (siehe Pfeil A) nachgeordneten
inneren Wärmeaustauscher 3, einen dem inneren Wärmeaustauscher 3 nachgeordneten Verdichter
4, einen dem Verdichter nachgeordneten Verflüssiger 5, in dem das gasförmige Kältemittel
kondensiert wird, wobei dem Verflüssiger 5 in Strömungsrichtung des nunmehr flüssigen
Kältemittels (siehe Pfeil B) wiederum der innere Wärmeaustauscher 3 nachgeschaltet
ist, und ein dem inneren Wärmeaustauscher 3 in Strömungsrichtung des flüssigen Kältemittels
(siehe Pfeil B) nachgeordnetes und dem Verdampfer 2 vorgeschaltetes Expansionsventil
6.
[0013] Die vorgenannten Komponenten sind, wie zuvor erwähnt, zu einem Kreisprozess verbunden.
Dazu hat die Kälteanlage 1 vom Verdampfer 2 über den inneren Wärmeaustauscher 3 und
zum Verdichter 4 eine Sauggasleitung 7. Ferner hat die Kälteanlage 1 vom Verflüssiger
5 über den inneren Wärmeaustauscher 3 und das Expansionsventil 6 zum Verdampfer 2
hin eine Flüssigkeitsleitung 10, wodurch sich letztlich der in Fig. 1 schematisch
dargestellte Kreisprozess ergibt.
[0014] Das Expansionsventil 6 weist einen Überhitzungsfühler 11 auf.
[0015] Erfindungsgemäß ist das Expansionsventil 6 ein solches mit einer statischen Überhitzung
≤ 2 K und ist der Überhitzungsfühler 11 in Strömungsrichtung des Kältemittels, in
diesem Fall des gasförmigen Kältemittels (siehe Pfeil A), hinter dem Verdampfer 2
und vor dem inneren Wärmeaustauscher 3, mithin also in der Sauggasleitung 7 zwischen
dem Verdampfer 2 und dem inneren Wärmeaustauscher 3 angeordnet.
[0016] Das Expansionsventil 6 ist gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der
Erfindung derart ausgebildet, dass es bereits ab einer statischen Überhitzung von
0 oder 1 K öffnet und bei einer statischen Überhitzung von etwa 4 K eine Ventilleistung
von 100 % bewirkt. Das Expansionsventil 6 ist ein thermostatisches oder ein elektronisches
Expansionsventil.
[0017] In Fig. 2 sind Ventilkennlinien von thermostatischen Expansionsventilen schematisch
in einem Schaubild gezeigt. Auf der Ordinate ist aufgetragen die Ventilleistung in
%, auf der Abszisse ist die Überhitzung in Kelvin aufgetragen. Das erfindungsgemäße
Expansionsventil 6 mit einer statischen Überhitzung ≤ 2 K hat beispielsweise eine
Ventilkennlinie 12, welche in einer durchgezogenen Linie dargestellt ist, oder eine
Ventilkennlinie 13, welche strichpunktiert dargestellt ist. Ein herkömmliches thermostatisches
Expansionsventil nach dem Stand der Technik hat eine Ventilkennlinie 14, welche gestrichelt
gezeigt ist.
[0018] Fig. 2 verdeutlicht eine statische Überhitzung 15 in Bezug auf die gestrichelt dargestellte
Ventilkennlinie 14 eines herkömmlichen Expansionsventils von etwa 5 K. Demgegenüber
zeigt Fig. 2 für das erfindungsgemäße Expansionsventil gemäß der Ventilkennlinie 12
eine statische Überhitzung von 0 K und bei der anderen Ventilkennlinie 13 eines erfindungsgemäßen
Expansionsventils, welche in Fig. 2 strichpunktiert dargestellt ist, eine statische
Überhitzung von 1 K.
[0019] Ferner ist Fig. 2 jeweils auch die Öffnungsüberhitzung 16 zu entnehmen, welche im
Fall der Ventilkennlinie 14 etwa 14 K minus 5 K, also etwa 9 K und im Fall der Ventilkennlinie
12 4 K minus 0 K, also 4 K, und im Fall der Ventilkennlinie 13 4 K minus 1 K, also
3 K, beträgt. Die Summe aus jeweiliger statischer Überhitzung 15 und Öffnungsüberhitzung
16 ist dann die sogenannte Gesamt- oder Arbeitsüberhitzung 17. Diese beträgt im Falle
eines herkömmlichen Expansionsventils mit der Ventilkennlinie 14 ca. 14 K, im Falle
eines erfindungsgemäßen Expansionsventils mit der Ventilkennlinie 12 etwa 5 K und
im Falle eines erfindungsgemäßen Expansionsventils mit der Ventilkennlinie 13 ebenfalls
etwa 5 K.
[0020] Daraus folgt, dass die statische Überhitzung von etwa 5 auf 1 bzw. 0 K reduziert
wird und dass die Öffnungsüberhitzung 16 bei 100 % Ventilleistung von 7 K (12 K minus
5 K) auf 3 K (4 K minus 1 K) im Falle der Ventilkennlinie 13 bzw. auf 4 K (4 K minus
0 K) im Falle der Ventilkennlinie 12 reduziert wird.
[0021] In der nachfolgenden Tabelle 1 sind für einen Fall A mit einer konstanten Verdampfungstemperatur
t0 beispielhaft einzelne Temperaturen für eine herkömmliche Kälteanlage nach dem Stand
der Technik und für eine Kälteanlage gemäß der Erfindung angegeben. In Tabelle 2 sind
für einen Fall B mit einer konstanten Lufteintrittstemperatur tLe ebenfalls die sich
ergebenden Temperaturen für eine Kälteanlage nach dem Stand der Technik und eine solche
nach der Erfindung angegeben.
[0022] Die einzelnen Temperaturen sind in Fig. 1 angedeutet.
[0023] Die Unterkühlungstemperatur tu1 ist diejenige des flüssigen Kältemittels in Strömungsrichtung
(siehe Pfeil B in Fig. 1) vor dem inneren Wärmeaustauscher 3, die Unterkühlungstemperatur
tu2 diejenige des flüssigen Kältemittels nach dem inneren Wärmeaustauscher 3. Die
Verdampfungstemperatur t0 wird nach dem Verdampfer 2 abgegriffen. Die Eintrittstemperatur
der Luft in den Verdampfer 2, tLe bezeichnet, ist üblicherweise die von der Kälteanlage
zu kühlende Luft beispielsweise eines Kühlraums. Die abgekühlte Luft tritt mit der
Temperatur tLa, d.h. mit einer Luftaustrittstemperatur, welche niedriger als die Lufteintrittstemperatur
ist, aus dem Verdampfer 2 aus.
[0024] Die Temperaturdifferenz Δt1 bezeichnet die Differenz zwischen den vorgenannten Temperaturen
tLe und t0.
[0025] Die Überhitzungstemperatur toh11 wird in Strömungsrichtung des gasförmigen Kältemittels
(siehe Pfeil A) vor dem inneren Wärmeaustauscher 3 und die Temperatur toh22 nach dem
inneren Wärmeaustauscher 3 im Bereich der Sauggasleitung 7 abgegriffen.
Tabelle 1: Fall A: t0 = const.
Bezeichnungen Einheiten [°C] |
Stand der Technik |
Erfindung |
tu1: Unterkühlungstemp. |
26 |
26 |
tu2: Unterkühlungstemp. |
21 |
20 |
t0: Verdampfungstemp. |
0 |
0 |
t Luft ein (tLe) |
12 |
4 |
Δt1: (Eintrittstemp.-diff. tLe - t0) |
12 |
4 |
toh11: Überhitzungstemp. |
10 |
3,5 |
toh22: Überhitzungstemp. |
18 |
15 |
Tabelle 2: Fall B: t Luft ein (tLe) = const.
Bezeichnungen Einheiten [°C] |
Stand der Technik |
Erfindung |
tu1: Unterkühlungstemp. |
26 |
26 |
tu2: Unterkühlungstemp. |
20 |
20 |
t0: Verdampfungstemp. |
-8 |
0 |
t Luft ein (tLe) |
4 |
4 |
Δt1: (Eintrittstemp.-diff. tLe - t0) |
12 |
4 |
toh11: Überhitzungstemp. |
2 |
3,5 |
toh22: Überhitzungstemp. |
13 |
15 |
[0026] Aus Tabelle 1 folgt, dass es mit der erfindungsgemäßen Kälteanlage möglich ist, beispielsweise
Luft aus einem Kühlraum zu kühlen, die sich schon auf einem niedrigeren Temperaturniveau
als im Stand der Technik befindet. Mit einer Kälteanlage nach dem Stand der Technik
kann Luft mit einer Lufteintrittstemperatur tLe von 4°C und einer Verdampfungstemperatur
t0 von 0°C nicht mehr gekühlt werden, da das betreffende herkömmliche Expansionsventil
gemäß dessen Ventilkennlinie 14 (siehe Fig. 2) in diesem Fall noch vollständig geschlossen
ist. Eine derart geringe Überhitzung des gasförmigen Kältemittels, welche beim Temperaturniveau
der Luft erfindungsgemäß zu Grunde gelegt wird, ist nicht in der Lage, die statische
Überhitzung eines herkömmlichen Expansionsventils zu erreichen bzw. zu übertreffen.
Daher bleibt, wie zuvor erwähnt, das herkömmliche Expansionsventil in diesem Fall
geschlossen. Eine Kühlung ist damit unmöglich; die Kälteleistung beträgt 0.
[0027] Weiter folgt daraus, dass erfindungsgemäß Kälte bei einer treibenden Temperaturdifferenz
Δt1 von nur noch 4 K produziert werden kann, was bei einer Kälteanlage nach dem Stand
der Technik, wie zuvor erwähnt, nicht möglich ist.
[0028] Die durch das Verdampfen des Kältemittels im Verdampfer 2 benötigte Wärmemenge 20
kann beispielsweise der Luft eines Kühlraums entzogen werden. Umgekehrt wird beim
Verflüssigen des Kältemittels die Wärmemenge 21 abgegeben. Dies ist in Fig. 2 durch
die Pfeile 20 bzw. 21 angedeutet.
[0029] Im Fall der Tabelle 2 kann bei identischen Lufteintrittstemperaturen tLe die Verdampfungstemperatur
t0 im Falle der erfindungsgemäßen Kälteanlage deutlich höher gewählt werden, als dies
bei einer Kälteanlage nach dem Stand der Technik möglich wäre. Dadurch ergibt sich
zum einen der Vorteil eines geringeren Druckverhältnisses am Verdichter 4, so dass
dieser im Falle der Erfindung kleiner als bei einer herkömmlichen Kälteanlage dimensioniert
werden kann. Letztlich folgt daraus ein höherer Gesamtwirkungsgrad des Kälteprozesses.
Ein höherer Gesamtwirkungsgrad (englisch COP - Coefficient of Performance genannt)
ermöglicht letztlich ein wirtschaftlicheres Betreiben der Kälteanlage. Ferner ergibt
sich der Vorteil, dass die Entfeuchtung beispielsweise eines Kühlraumes reduziert
wird, so dass der darin befindlichen Ware nicht so viel Flüssigkeit wie im Falle einer
herkömmlichen Kälteanlage entzogen wird. Dadurch bleibt die Qualität und das Gewicht
der Ware hoch. Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Kälteanlage besteht darin,
dass bei einer im Vergleich zum Stand der Technik erhöhten Verdampfungstemperatur
(laut Tabelle 2 0°C im Falle der Erfindung und - 8°C im Falle des Standes der Technik)
sich der Eisaufbau und die Kondensatablagerung auf den Kühllamellen des Verdampfers
reduziert. Ein weniger stark vereister Verdampfer hat aber einen besseren Wärmeübergang
als ein stark vereister Verdampfer. Im Übrigen kann dadurch auch die Abtauenergie
verringert werden.
[0030] Daraus ergibt sich, dass die erfindungsgemäße Kälteanlage äußerst wirtschaftlich
betreibbar ist.
1. Kälteanlage
mit folgenden zu einem Kreisprozess für ein Kältemittel verbundenen Komponenten:
- einem Verdampfer (2),
- einem diesem in Strömungsrichtung des gasförmigen Kältemittels nachgeordneten inneren
Wärmeaustauscher (3),
- einem Verdichter (4),
- einem Verflüssiger (5), welchem in Strömungsrichtung des nunmehr flüssigen Kältemittels
der innere Wärmeaustauscher (3) nachgeschaltet ist, und
- einem dem inneren Wärmeaustauscher (3) in Strömungsrichtung des flüssigen Kältemittels
nachgeordneten und dem Verdampfer (2) vorgeschalteten Expansionsventil (6), welches
einen Überhitzungsfühler (11) aufweist,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Expansionsventil (6) ein solches mit einer statischen Überhitzung ≤ 2 K ist und
der Überhitzungsfühler (11) in Strömungsrichtung des Kältemittels hinter dem Verdampfer
(2) und vor dem inneren Wärmeaustauscher (3) angeordnet ist.
2. Kälteanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Expansionsventil (6) derart ausgebildet ist, dass es bereits ab einer statischen
Überhitzung von nahezu 0 oder 1 K öffnet und bei einer statischen Überhitzung von
etwa 4 K eine Ventilleistung von 100 % hat.
3. Kälteanlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Expansionsventil (6) ein thermostatisches oder ein elektronisches Expansionsventil
ist.