KÄLTEKREISLAUF

Abstract

 Ein Kältekreislauf (K), umfassend zumindest folgende in Kältemittelflussrichtung aufeinander folgenden Bauteile: einen Verdichter (1), einen wärmeabgebenden Wärmeübertrager (2), ein Drosselorgan (3), und einen Verdampfer (9), soll eine besonders sichere Funktion und hohe Lebensdauer des Verdichters ermöglichen. Dazu umfasst der Kältekreislauf (K) einen Wärmeübertrager (4) mit zwei Durchleitungen, der für einen Austausch thermischer Energie zwischen den beiden Durchleitungen ausgebildet ist, wobei die erste Durchleitung dem Eintritt des Verdichters (1) vorgeschaltet und dem ersten Verdampfer (9) nachgeschaltet ist, und die zweite Durchleitung dem Verdampfer (9) vorgeschaltet und dem Drosselorgan (3) nachgeschaltet ist.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft einen Kältekreislauf, umfassend zumindest folgende in Kältemittelflussrichtung aufeinander folgenden Bauteile: einen Verdichter, einen wärmeabgebenden Wärmeübertrager, ein Drosselorgan, und einen Verdampfer. Solche Kältekreisläufe sind dem Fachmann aus der JP 2001- 349 623 A, der JP 2003- 194 432 A, der US 2009 / 0 071 177 A und der JP 2001- 116 376 A bekannt.

[0002] Ein Kältekreislauf ist ein System, das dazu dient, eine Einrichtung auf ein gewünschtes Maß abzukühlen, beispielsweise Kühlmöbel für Lebensmittel. Ein Kältemittel, das in dem geschlossenen Kreislauf bewegt wird, erfährt nacheinander verschiedene Aggregatzustandsänderungen: Das gasförmige Kältemittel wird zunächst durch einen Verdichter komprimiert. Im folgenden Wärmeüberträger kondensiert es unter Wärmeabgabe. Anschließend wird das flüssige Kältemittel aufgrund der Druckänderung über ein Drosselorgan, zum Beispiel ein Expansionsventil oder ein Kapillarrohr, entspannt. Im nachgeschalteten Verdampfer verdampft das Kältemittel unter Wärmeaufnahme bei niedriger Temperatur (Siedekühlung). Der Kreislauf kann nun von vorne beginnen. Der Prozess muss von außen durch Zufuhr von mechanischer Arbeit (Antriebsleistung) über den Verdichter in Gang gehalten werden.

[0003] Für die Funktion eines derartigen Kältekreislaufs ist es erforderlich, den Verdichter bei definierten Betriebszuständen zu halten. Einerseits muss vermieden werden, dass am Eintritt des Verdichters Flüssigkeit anfällt, zum anderen dürfen die Temperaturen des Verdichters nicht zu hoch werden. Schon ab ca. 140°C kann es beispielsweise zu Verkokungen im Öl kommen und Ventile können verkleben. Dies kann die Funktionsfähigkeit und Lebensdauer des Verdichters beeinträchtigen.

[0004] Es ist daher Aufgabe der Erfindung, einen Kältekreislauf der eingangs genannten Art anzugeben, der eine besonders sichere Funktion und hohe Lebensdauer des Verdichters ermöglicht.

[0005] Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass der Kältekreislauf einen Wärmeübertrager mit zwei Durchleitungen umfasst, der für einen Austausch thermischer Energie zwischen den beiden Durchleitungen ausgebildet ist, wobei die erste Durchleitung dem Eintritt des Verdichters vorgeschaltet und dem ersten Verdampfer nachgeschaltet ist, und die zweite Durchleitung dem Verdampfer vorgeschaltet und dem Drosselorgan nachgeschaltet ist.

[0006] Weiter umfasst der Kältekreislauf einen Mitteldruckbehälter. In diesem wird das Kältemittel nach dem Drosselorgan, d.h. dem Hochdruckventil gesammelt. Der Wärmeübertrager ist dabei noch zwischen Drosselorgan und Mitteldruckbehälter angeordnet, d.h. der Eintritt des Mitteldruckbehälters ist der zweiten Durchleitung nachgeschaltet. Der flüssigkeitsseitige Austritt des Mitteldruckbehälters ist dabei dem Verdampfer vorgeschaltet.

[0007] Die Erfindung geht dabei von der Überlegung aus, dass Probleme hinsichtlich der Betriebsbedingungen des Verdichters insbesondere durch wechselnde Außenbedingungen wie z.B. die Außentemperatur oder verschiedene Lastzustände am Verdampfer entstehen. Gleichzeitig wurde erkannt, dass insbesondere nach dem Drosselorgan (Hochdruckventil) hinter dem wärmeabgebenden Wärmeübertrager unabhängig von wechselnden Außenbedingungen vergleichsweise konstante Temperaturen vorliegen. Diese weitgehend konstanten Temperaturen sollten daher dazu genutzt werden, die Eingangstemperatur des Verdichters zu stabilisieren. Hierzu sollte ein Wärmeübertrager vorgesehen werden, der einen Wärmeaustausch zwischen dem Kältemittelstrom aus dem Hochdruckventil und dem Kältemittelstrom in den Verdichter ermöglicht. Hierdurch wird die Verdichtereintrittstemperatur stabilisiert.

[0008] Vorteilhafterweise ist dabei ein gasseitiger Austritt des Mitteldruckbehälters mit dem Eintritt der ersten Durchleitung über ein Mitteldruckventil verbunden. Das Mitteldruckventil dient dazu, bei übermäßigem Druck im Mitteldruckbehälter gasförmiges Kältemittel aus dem Mitteldruckbehälter abzulassen und direkt dem Verdichter wieder zuzuführen.

[0009] Der Wärmeübertrager ist vorteilhafterweise als Plattenwärmeübertrager ausgebildet. Ein solcher Plattenwärmeübertrager ist aus wellenförmig profilierten Platten gebildet, die so zusammengesetzt sind, dass jeweils in den aufeinanderfolgenden Zwischenräumen einmal das aufzuwärmende und danach das wärmeabgebende Kältemittel fließt. Das Plattenpaket ist nach außen und zwischen den beiden Kältemitteldurchgängen abgedichtet und wird beispielsweise mit Spannschrauben zusammengehalten oder verlötet. Ein Plattenwärmeüberträger bietet den Vorteil, dass er sehr gut erweiterbar und dadurch sehr gut an die benötigten Wärmeaustauschmengen anpassbar ist. Zudem erreicht er einen besonders guten Wärmeaustausch, da der Massenstrom jeder Durchleitung über mehrere kleine Kanäle in der Platte gedrückt wird. Die Durchleitung über die wellenförmig ausgeführten kleinen Kanäle begünstigen zudem die Durchmischung der zuvor zusammengeführten Massenströme.

[0010] Der Wärmeübertrager ist hinsichtlich seiner Dimensionierung und Wärmeübertragungsleistung zwischen den Kältemitteldurchleitungen derart ausgelegt, dass der Temperaturunterschied an den Austritten der Durchleitungen vorzugsweise weniger als 2 K beträgt. Hierdurch wird ein besonders stabiler Temperaturzustand am Verdichtereintritt erreicht.

[0011] Vorteilhafterweise ist zwischen dem flüssigkeitsseitigen Austritt des Mitteldruckbehälters und dem Eintritt der ersten Durchleitung parallel zum Verdampfer ein Tiefkühl-Verdampfer mit nachgeschaltetem Tiefkühl-Verdichter angeordnet. Dieser ermöglicht parallel zum bereits genannten Verdampfer einen parallelen Strang mit unterschiedlichem Temperaturniveau, so dass z.B. normale Kühlmöbel und Tiefkühlmöbel mit einem Kältekreislauf betrieben werden können.

[0012] Weiterhin ist vorteilhafterweise zwischen dem flüssigkeitsseitigen Austritt des Mitteldruckbehälters und dem Eintritt der ersten Durchleitung parallel zum Verdampfer ein Einspritzventil angeordnet. Dieses kann, als zusätzlicher Schutz des Verdichters, ebenfalls dazu genutzt werden, die Druckgastemperatur nach dem Verdichter zu verringern, indem Kältemittel unter Umgehung des Verdampfers direkt vor dem Verdichter bzw. vor dem Wärmeübertrager eingespritzt wird. Es sollte in der Regel nur dann zur Anwendung kommen, wenn die Sauggaskonditionierung durch den Wärmeübertrager aufgrund besonderer Umstände nicht ausreicht.

[0013] Vorteilhafterweise ist hierzu am Eintritt und/oder am Austritt der ersten Durchleitung jeweils ein Temperaturfühler angeordnet. Diese ermöglichen es, die Temperatur vor und nach dem Wärmeübertrager und damit insbesondere am Eintritt des Verdichters exakt zu bestimmen. Bei zu hohen Temperaturen können dann bedarfsweise zusätzliche Maßnahmen erfolgen, wie z.B. die Öffnung des oben beschriebenen Einspritzventils.

[0014] Der Kältekreislauf ist vorteilhafterweise zum Betrieb mit Kohlendioxid als Kältemittel ausgelegt und/oder der Wärmeüberträger des Kältekreislaufs ist ein Gaskühler. Bei derartigen Kältekreisläufen, die für den Betrieb mit Kohlendioxid ausgelegt sind, bietet der beschriebene Wärmeübertrager besondere Vorteile, da gerade hier die Temperaturen am Verdichter besonders hoch sein können.

[0015] Der Kältekreislauf ist vorteilhafterweise zur stationären Kühlung von Kühlmöbeln oder Kühlräumen ausgelegt.

[0016] Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, dass durch die Anordnung eines Wärmeübertragers, der Wärme aus dem Sauggasstrom zum Verdichter in den im Hochdruckventil entspannten Kältemittelstrom überträgt, eine Konditionierung des Sauggasstroms zum Verdichter auf eine stabile Temperatur erreicht wird und auf diese Weise der Verdichter hinsichtlich Lebensdauer und Funktion optimiert wird.

[0017] Die Erfindung wird anhand von Zeichnungen näher erläutert. Darin zeigen:

FIG 1

einen Kältemittelkreislauf,

FIG 2

ein Druck-Enthalpie-Diagramm für einen Kältemittelkreislauf aus dem Stand der Technik, und

FIG 3

ein Druck-Enthalpie-Diagramm für den Kältemittelkreislauf aus FIG 1.

[0018] FIG 1 zeigt einen Kältekreislauf K, der zur stationären Kühlung von Kühltruhen und Tiefkühltruhen, z.B. in Supermärkten dient. Der Kältekreislauf K wird im Folgenden ausgehend von einem Verdichter 1 beschrieben. Das im Verdichter 1 verdichtete Kältemittel - im Ausführungsbeispiel Kohlendioxid (Bezeichnung nach DIN 8960: R-744) - wird durch eine Kältemittelleitung in einen im Ausführungsbeispiel als Gaskühler ausgebildeten wärmeabgebenden Wärmetauscher 2 geleitet, in dem das verdichtete Kältemittel gekühlt und verflüssigt wird. Von dort strömt es über ein als Hochdruckventil ausgebildetes Drosselorgan 3 in einen Mitteldruckbehälter 5. In der Kältemittelleitung zwischen Verdichter 1 und wärmeabgebendem Wärmetauscher 2 werden in der Regel noch weitere Bauteile, insbesondere ein Ölabscheider angeordnet sein. Diese sind jedoch aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht dargestellt.

[0019] Aus dem Mitteldruckbehälter 5 strömt das Kältemittel aus einem flüssigkeitsseitigen Austritt über ein Einspritzventil 8 in einen Verdampfer 9. Hier wird das Kältemittel entspannt und nimmt Wärme auf, so dass die gewünschte Kühlwirkung erreicht wird. Aus dem Verdampfer 9 strömt das nun wieder gasförmige Kältemittel zurück in den Verdichter 1, wird dort komprimiert und der Kreislauf beginnt von neuem.

[0020] Um je nach Betriebszustand einen ggf. zu hohen Druck im Mitteldruckbehälter 5 ablassen zu können, ist der Mitteldruckbehälter 5 an einem gasseitigen Austritt über ein Mitteldruckventil mit dem Eintritt des Verdichters verbunden.

[0021] Parallel zu Einspritzventil 8 und Verdampfer 9 ist ein paralleler Tiefkühlstrang vorgesehen. Dieser zweigt ebenfalls vom flüssigkeitsseitigen Austritt des Mitteldruckbehälters 5 ab und umfasst in Flussrichtung des Kältemittels ein Einspritzventil 10, einen Tiefkühl-Verdampfer 11 und einen Tiefkühl-Verdichter 12.

[0022] Wiederum parallel zu Einspritzventil 8 und Verdampfer 9 sowie zum eben beschriebenen Tiefkühlstrang ist der flüssigkeitsseitige Austritt des Mitteldruckbehälters 5 mit dem Eintritt des Verdichters 1 über ein Einspritzventil 7 verbunden. Dieses dient dazu, ggf. zu hohe Temperaturen im Verdichter durch bedarfsweises Einspritzen flüssigen Kältemittels zu senken. Zu hohe Temperaturen im Verdichter 1 können zu Beschädigungen führen.

[0023] Um dies zu vermeiden, weist der der Kältekreislauf K der FIG 1 einen Wärmeübertrager 4 auf. Dieser ist als Plattenwärmeübertrager ausgebildet und weist zwei Durchleitungen auf, die thermisch in Kontakt stehen. Die erste Durchleitung ist dabei dem Eintritt des Verdichters 1 unmittelbar vorgeschaltet, d.h. sie ist der Zusammenführung der Kältemittelleitungen hinter Verdampfer 9, Tiefkühlverdichter 12, Einspritzventil 7 und Mitteldruckventil 6 nachgeschaltet. Die zweite Durchleitung des Wärmeübertragers 4 ist zwischen Drosselorgan 3 und Eintritt des Mitteldruckbehälters 5 angeordnet.

[0024] Der Wärmeübertrager 4 ist hinsichtlich seiner Dimensionierung so ausgelegt, dass zwischen den Austritten der Durchleitungen ein Temperaturunterschied von maximal 2 K besteht. Da die Temperatur des im Drosselorgan 3 entspannten Kältemittels unabhängig von den Außenbedingungen vergleichsweise stabil ist, wird so auch eine stabile Temperatur am Eintritt des Verdichters 1 erreicht. Zur Prüfung der Temperaturen und ggf. Veranlassung einer zusätzlichen Öffnung des Einspritzventils 7 sind in der ersten Durchleitung zum Verdichter 1 vor und hinter dem Wärmeüberträger 4 Temperatursensoren 7.1 und 7.2 vorgesehen.

[0025] Der Einfluss des zusätzlichen Wärmeübertragers 4 wird anhand der Druck-Enthalpie-Diagramme in FIG 2 und FIG 3 erläutert. Diese zeigen jeweils den Druck auf der Ordinate in bar (10 - 120 bar) sowie die Enthalpie auf der Abszisse in kJ/kg (80 - 600 kJ/kg). Die Diagramme zeigen jeweils für das im Kältekreislauf K nach FIG 1 verwendete Kältemittel R-744 (Kohlendioxid) den Kritischen Punkt, die Siedelinie und die Taulinie, sowie die Isothermen. Innerhalb der Siede- und Taulinie sind zusätzlich die Isovaporen gezeigt.

[0026] In beiden Diagrammen ist der oben beschriebene Kreisprozess im Druck-Enthalpie-Diagramm aufgetragen. Dabei zeigt FIG 2 den Kreisprozess ohne den Wärmeübertrager 4, FIG 3 den Kreisprozess mit Wärmeübertrager 4. Hierbei sind die Zustandsänderungen (dargestellt durch Linien) im Kreisprozess jeweils mit den Bezugszeichen aus der FIG 1 versehen.

[0027] Der Verdichtungsprozess im Verdichter 1 ist im Diagramm der FIG 2 durch die obere rechte diagonale Linie gekennzeichnet. Die Entspannung des Kühlmittels im Drosselorgan 3 (Hochdruckventil) hingegen ist durch die linke obere senkrechte Linie (Isenthalpe) gekennzeichnet.

[0028] Der oben beschriebene Wärmeübertrager 4 stellt nun eine thermische Verbindung zwischen dem Kältemittel nach dem Drosselorgan 3 und vor dem Verdichter 1 her. Der Effekt des Wärmeübertragers 4 wird im Diagramm der FIG 3 gezeigt. Die Zustandsveränderung beider Kältemittelströme in den beiden Durchleitungen des Wärmeübertragers 4 erfolgt isobar. In der dem Drosselorgan 3 nachgeschalteten Durchleitung erfolgt eine Erhöhung der Enthalpie. Die Temperatur ändert sich dabei nicht. In der dem Verdichter 1 vorgeschalteten Durchleitung erfolgt eine Verminderung der Enthalpie am Eintritt des Verdichters 1. Da sich das Kältemittel hier in der Gasphase befindet, wird dadurch die Temperatur auch vermindert.

[0029] Dieser Effekt verschiebt die gesamte Zustandsänderung im Verdichter 1. Wie aus den Diagrammen erkennbar, sinkt die Endtemperatur am Austritt des Verdichters 1 von ca. 145 °C auf ca. 100 °C. Hierdurch werden Verkokungen im Öl und ein Verkleben von Ventilen vermieden.

Bezugszeichenliste

[0030] 

1

Verdichter

2

wärmeabgebender Wärmeübertrager

3

Drosselorgan

4

Wärmeübertrager

5

Mitteldruckbehälter

6

Mitteldruckventil

7

Einspritzventil

7.1

Temperatursensor

7.2

Temperatursensor

8

Einspritzventil

9

Verdampfer

10

Einspritzventil

11

Tiefkühl-Verdampfer

12

Tiefkühl-Verdichter

K

Kältekreislauf

Ansprüche

1. Kältekreislauf (K), umfassend zumindest folgende in Kältemittelflussrichtung aufeinander folgenden Bauteile:

- einen Verdichter (1),

- einen wärmeabgebenden Wärmeübertrager (2),

- ein Drosselorgan (3), und

- einen Verdampfer (9),

wobei der Kältekreislauf (K) einen Wärmeübertrager (4) mit zwei Durchleitungen umfasst, der für einen Austausch thermischer Energie zwischen den beiden Durchleitungen ausgebildet ist, wobei die erste Durchleitung dem Eintritt des Verdichters (1) vorgeschaltet und dem Verdampfer (9) nachgeschaltet ist, und die zweite Durchleitung dem Verdampfer (9) vorgeschaltet und dem Drosselorgan (3) nachgeschaltet ist,

weiter umfassend einen Mitteldruckbehälter (5), dessen Eintritt der zweiten Durchleitung nachgeschaltet ist, und dessen flüssigkeitsseitiger Austritt dem Verdampfer (9) vorgeschaltet ist.

2. Kältekreislauf (K) nach dem vorhergehenden Anspruch, bei dem ein gasseitiger Austritt des Mitteldruckbehälters (5) mit dem Eintritt der ersten Durchleitung über ein Mitteldruckventil (6) verbunden ist.

3. Kältekreislauf (K) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Wärmeübertrager (4) als Plattenwärmeübertrager ausgebildet ist.

4. Kältekreislauf (K) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Wärmeübertrager (4) derart ausgelegt ist, dass der Temperaturunterschied an den Austritten der Durchleitungen weniger als 2 K beträgt.

5. Kältekreislauf (K) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem zwischen dem flüssigkeitsseitigen Austritt des Mitteldruckbehälters (5) und dem Eintritt der ersten Durchleitung parallel zum Verdampfer (9) ein Tiefkühl-Verdampfer (11) mit nachgeschaltetem Tiefkühl-Verdichter (12) angeordnet ist.

6. Kältekreislauf (K) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem zwischen dem flüssigkeitsseitigen Austritt des Mitteldruckbehälters (5) und dem Eintritt der ersten Durchleitung parallel zum Verdampfer (9) ein Einspritzventil (7) angeordnet ist.

7. Kältekreislauf (K) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem am Eintritt und/oder am Austritt der ersten Durchleitung jeweils ein Temperaturfühler (7.1, 7.2) angeordnet ist.

8. Kältekreislauf (K) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, der zum Betrieb mit Kohlendioxid als Kältemittel ausgelegt ist und/oder bei dem der wärmeabgebende Wärmeüberträger (2) ein Gaskühler ist.

9. Kältekreislauf (K) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ausgelegt zur stationären Kühlung von Kühlmöbeln.

Zeichnung