DE3415000C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Betreiben eines Kreislaufsystems zur Wärme- und/oder Kälteerzeugung, in dem ein Kreislaufmittel entspannt, verdampft, komprimiert und im Wärmetausch mit einem Medium von Umgebungstemperatur verflüssigt wird.

In einem Kreislaufsystem dieser Art, beispielsweise in einer Kompressionskälteanlage wird verdampftes Kreislaufmittel in einem Kompressor auf ein hohes Druckniveau verdichtet. Im nachfolgenden Verflüssiger wird das komprimierte Kreislaufmittel durch Wärmetausch mit einem Kühlmedium zur Kondensation gebracht und nachfolgend in einer Expansionseinrichtung entspannt. Bei konstantem Volumenstrom des Kühlmediums wird der Verflüssigungsdruck des Kreislaufmediums im wesentlichen durch die Temperatur des Kühlmediums bestimmt. Wird als Kühlmedium ein Minimum mit von der Umgebung abhängiger Temperatur, beispielsweise Luft oder Wasser verwendet, so ist die Temperatur des Kühlmediums naturgemäß Schwankungen unterworfen. Bei tiefen Temperaturen des Mediums stellt sich dann ein niedrigerer Druck im Verflüssiger ein. Dies ist von Nachteil, da die Expansionseinrichtung - abgestimmt auf die im jeweiligen Kreislaufsystem gewünschte Druckdifferenz bei einem gegebenen Durchfluß - auf einen bestimmten Soll-Druck ausgelegt ist. Um eine einwandfreie Funktion der Expansionseinrichtung sicherzustellen, ist es erforderlich, den Druck im Verflüssiger künstlich auf einem konstanten Niveau zu halten.

Dies kann beispielsweise bei einem luftgekühlten, mit Ventilatoren betriebenen Verflüssiger durch Verringerung der Kühlluftmenge, d. h. durch Reduzierung der Ventilatorleistung bewirkt werden. Bei großen Temperaturunterschieden des Kühlmediums kann der Verflüssigungsdruck auch durch Zu- und Abschalten von Befeuchtungseinrichtungen für das Kühlmedium konstant gehalten werden. Alternativ bzw. ergänzend zu den aufgezählten Möglichkeiten kann der Verflüssigungsdruck auch durch Begasung des üblicherweise zwischen Verflüssiger und Expansionseinrichtung angeordneten Sammelbehälters konstant gehalten werden. Dazu wird ein Teil des verdichteten gasförmigen Kreislaufmittels in den Sammelbehälter geleitet, wie dies beispielsweise in der US-PS 28 07 940 vorgeschlagen wird.

Die geschilderten Maßnahmen, im Verflüssiger einen relativ hohen Druck aufrechtzuerhalten, obwohl die Temperaturen des Kühlmediums einen tieferen Druck zuließen, haben energetische Nachteile. So ist beispielsweise bei einem hohen Druck im Verflüssiger eine höhere Verdichterantriebsleistung erforderlich als bei einem niedrigen Verflüssigungsdruck.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren bzw. eine Vorrichtung der eingangs erwähnten Art anzugeben, das bzw. die einen möglichst wirtschaftlichen Betrieb eines Kreislaufsystems auch bei größeren Schwankungen der Temperatur des Kühlmediums ermöglicht.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Druck des verflüssigten Kreislaufmittels bei Unterschreiten des für die Entspannungseinrichtung erforderlichen Soll-Druckniveaus mittels einer Pumpe auf wenigstens diese Soll-Druckniveau angehoben wird.

Erfindungsgemäß werden keine Maßnahmen getroffen, durch die der Druck des Kreislaufmediums im Verflüssiger bei tiefen Temperaturen des Kühlmediums künstlich auf hohem Niveau gehalten wird. Vielmehr wird erfindungsgemäß ein möglichst niedriger Druck im Verflüssiger angestrebt. Dadurch wird die erforderliche Verdichterantriebsleistung erheblich reduziert. Zusätzlich wird eine erhöhte Kälteleistung erzielt. Das im Verflüssiger verflüssigte Kreislaufmittel wird mit dem von der Temperatur des Kühlmediums bestimmten Druck beispielsweise in einen Sammelbehälter geleitet. Entspricht der Druck dem erforderlichen Soll-Druckniveau, so wird das Kreislaufmittel der Expansionseinrichtung direkt zugführt. Sinkt der Verflüssigungsdruck aber unter das erforderliche Soll-Druckniveau ab, so wird die Druckdifferenz zwischen dem Verflüssigungsdruck und dem erforderlichen Soll-Druckniveau durch eine Pumpe ausgeglichen. Auf diese Weise kann die installierte Verflüssigungsfläche unabhängig von der Temperatur des Kühlmediums stets voll wirksam bleiben. Dient beispielsweise Luft von Umgebungstemperatur als Kühlmedium, so kann ein Verflüssiger ganzjährig ohne Reduzierung der Luftmenge betrieben werden. Das bedeutet, daß eventuell vorhandene Ventilatoren vollständig in Betrieb gehalten werden und auch eine zusätzliche Kühlung der Luft durch Besprühen mit Wasser beibehalten werden kann. Da die Antriebsenergie für die Ventilatoren des Verflüssigers und für die Flüssigkeitspumpe deutlich geringer ist als die Energie, die bei niedrigen Kühlmediumtemperaturen und dadurch niedrigen Verflüssigungstemperaturen durch die geringere Verdichterantriebsleistung eingespart werden kann, ist das erfindungsgemäße Verfahren energiesparender als herkömmliche Verfahren.

Die Pumpe wird erfindungsgemäß eingeschaltet, sobald ein Mindestdruck vor der Expansionseinrichtung unterschritten wird. Dazu wird der Druck des Kreislaufmittels vor der Expansionseinrichtung gemessen und, sobald ein Unterschreiten des Mindestdruckes festgestellt wird, die Pumpe in Gang gesetzt. Dies kann durch eine automatische Regelung erfolgen.

In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung, bei der verflüssigtes Kreislaufmedium in einem Sammelbehälter gespeichert wird, wird das Kreislaufmittel aus dem Sammelbehälter mittels einer ungeregelten Pumpe der Entspannungseinrichtung zugeleitet, wobei bei Überschreiten des erforderlichen Soll-Druckniveaus überschüssiges Kreislaufmittel im Kreislauf zum Sammelbehälter zurückgeführt wird.

In einer bevorzugten weiteren Ausgestaltung der Erfindung, bei der ebenfalls verflüssigtes Kreislaufmittel in einem Sammelbehälter gespeichert wird, erübrigt sich eine Kreislaufführung des von der Pumpe geförderten Kreislaufmittels. Dabei wird das Kreislaufmittel aus dem Sammelbehälter der Entspannungseinrichtung mittels einer geregelten Pumpe zugeführt, wobei der Förderstrom der Pumpe im Sinn einer Angleichung des aktuellen Vordruckes an das erforderliche Soll-Druckniveau geregelt wird.

Eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht im wesentlichen aus einem Verdichter, einem Verflüssiger, einem Sammelbehälter, einer Expansionseinrichtung und einem Verdampfer, die zu einem Kreislaufsystem zusammengeschaltet sind. Erfindungsgemäß ist eine derartige Vorrichtung dadurch gekennzeichnet, daß in die den Sammelbehälter mit der Expansionseinrichtung verbindende Leitung eine weitere Leitung mit einer Pumpe mündet, wobei die Saugseite der Pumpe an den Sammelbehälter angeschlossen und in der den Sammelbehälter mit der Expansionseinrichtung verbindende Leitung zwischen der Einmündung der weiteren Leitung und dem Sammelbehälter ein Rückschlagventil angeordnet ist.

Solange der Druck im Verflüssiger nicht unter das für die Expansionseinrichtung erforderliche Soll-Druckniveau absinkt, strömt Kreislaufmittel vom Kondensator über den Sammelbehälter und die Leitung mit dem Rückschlagventil direkt zur Expansionseinrichtung. Die Pumpe ist nicht in Betrieb. Sinkt der Druck vor der Expansionseinrichtung unter das erforderliche Soll-Druckniveau, wird die Pumpe in Betrieb genommen und Kreislaufmittel in die Leitung, die das Rückschlagventil mit der Expansionseinrichtung verbindet, gefördert. Das Rückschlagventil verhindert, daß mit der Pumpe gefördertes Kreislaufmittel über die Leitung mit dem Rückschlagventil in den Sammelbehälter zurückströmt, ohne daß vor der Expansionseinrichtung der erforderliche Druck aufgebaut wird.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann eine ungeregelte Pumpe verwendet werden. Ist der Förderstrom bei einer gewünschten Differenz zwischen dem Vordruck und dem Entspannungsdruck größer als der Durchfluß durch die Expansionseinrichtung, so ist es erforderlich, das überschüssige Kreislaufmittel aus dem zwischen der Pumpe und der Expansionseinrichtung liegenden Teil des Kreislaufsystems abzuführen.

Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung ist es zu diesem Zweck die Druckseite der Pumpe an ein Überströmventil angeschlossen, dessen Ausgang über eine Leitung in den Sammelbehälter mündet.

Sobald der Druck auf der Druckseite der Pumpe einen über dem erforderlichen Soll-Druckniveau liegenden Grenzwert überschreitet, öffnet die Überströmeinrichtung, beispielsweise ein federbelastetes Ventil, bis der Druck wieder unter dem Grenzwert liegt. Der Grenzwert kann in der Überströmeinrichtung eingestellt werden. Das überschüssige Kreislaufmittel kann nach dem Verlassen der Überströmeinrichtung in den Sammelbehälter zurückgeführt werden.

Eine Überströmeinrichtung erspart man sich in einer weiteren Variante der erfindungsgemäßen Vorrichtung. Dabei ist die Pumpe eine automatisch geregelte Pumpe.

Obwohl das erfindungsgemäße Verfahren bzw. die erfindungsgemäße Vorrichtung auf Wärmepumpen anwendbar ist, wird es bevorzugt auf luft- und/oder wassergekühlte Kälteanlagen bzw. auf Kälteanlagen mit Wärmerückgewinnung angewendet. Bei Anlagen zur Wärmerückgewinnung ist ein zusätzlicher Verflüssiger zwischen Verdichter und Normalverflüssiger geschaltet. Die Ventilatoren des Normalverflüssigers werden betrieben, um eine Unterkühlung des Kreislaufmittels im Normalverflüssiger zu erzielen. Dazu ist ein Anstau des Kreislaufmittels im Normalverflüssiger erforderlich.

Im folgenden soll anhand schematischer Skizzen ein Ausführungsbeispiel der Erfindung erläutert werden. Es zeigt

Fig. 1 eine erfindungsgemäße Vorrichtung;

Fig. 2 ein Druck-Enthalpiediagramm.

In Fig. 1 ist eine luftgekühlte Kälteanlage schematisch dargestellt. Das Kreislaufsystem besteht im wesentlichen aus einem Verdichter 1, einem Verflüssiger 2 mit nachgeschaltetem Sammelbehälter 3, einer Expansionseinrichtung 4 und einem Verdampfer 5. Erfindungsgemäß ist in der den Sammelbehälter 3 mit der Expansionseinrichtung, im Ausführungsbeispiel ein Ventil, verbindenden Leitung 9 ein Rückschlagventil 6 angeordnet. Parallel zur Leitung 9 verläuft eine an den Sammelbehälter angeschlossene Leitung 10 mit einer Pumpe 7. Leitung 10 mündet zwischen Rückschlagventil 6 und Ventil 4 in die Leitung 9. Die ungeregelte Pumpe 7 fördert annähernd konstanten Strom. Daher zweigt von Leitung 10 eine Leitung 11 mit einer Überströmeinrichtung 8, im Ausführungsbeispiel ein federbelastetes Ventil, ab. Leitung 11 mündet in den Sammelbehälter 3. Nicht dargestellt sind z. B. Ventilatoren für den Kondensator.

Solange die zur Kühlung des Kondensators 2 dienende Luft eine ausreichend hohe Temperatur besitzt, herrscht im Kondensator 2 und damit im Sammelbehälter 3 und vor dem Ventil 4 das erforderliche Soll-Druckniveau. Bei tieferen Außentemperaturen stellt sich im Verflüssiger 2 bei unveränderter Ventilatorleistung ein niedrigerer Druck ein. Ein Absinken dieses Druckes unter das erforderliche Soll-Druckniveau wird (z. B. automatisch) erfaßt und Pumpe 7 in Gang gesetzt. Durch die Pumpe 7 wird das Kreislaufmittel aus dem Sammelbehälter mit dem niedrigen Verflüssigungsdruck gefördert und auf das erforderliche Soll-Druckniveau gebracht. Das Rückschlagventil 6 schließt. Sobald in Leitung 9 bzw. in Leitung 10 ein über dem erforderlichen Soll-Druckniveau liegender Grenzwert überschritten wird, öffnet das Überströmventil 8, und überschüssiges Kreislaufmittel strömt über die Leitung 11 in den Sammelbehälter 3 zurück.

In Fig. 2 ist ein Druck-Enthalpiediagramm für eine Außenlufttemperatur dargestellt, die zu einem Verflüssigungsdruck p_c führt, der unterhalb des erforderlichen Soll-Druckniveaus p_m liegt. Der Druck ist auf der vertikalen Achse, die Enthalpie auf der horizontalen Achse aufgetragen.

Das Kreislaufmittel, das den Verdampfer 5 verlassen hat, befindet sich in einem Zustand, der im p-h-Diagramm mit 12 bezeichnet ist. Im Verdichter 1 wird das Kreislaufmittel auf das Druckniveau p_c gehoben. Der Zustand des dampfförmigen Kreislaufmittels nach Durchlaufen des Verdichters 1 ist im p-h-Diagramm durch den Punkt 13 angedeutet. Im Verflüssiger wird das Kreislaufmittel bei der Verflüssigungstemperatur t_c, die etwa zwischen 5 und 15 K oberhalb der Außentemperatur liegt, kondensiert (Punkt 14 im p-h-Diagramm). Da der Druck p_c unterhalb des erforderlichen Mindestdruckes p_m liegt, wird das Kreislaufmittel durch die Pumpe 7 auf das Druckniveau p_m gehoben (Punkt 15 im p-h-Diagramm). Im Ventil 4 wird das Kreislaufmittel vom Vordruck p_m auf den Entspannungsdruck p₀ entspannt und dem Verdampfer 5 zugeleitet. Der Zustand des Kreislaufmittels ändert sich im Ventil 4 von Punkt 15 nach Punkt 16. Nach Durchlaufen des Verdampfers hat das Kreislaufmittel wieder den Zustand, der im p-h-Diagramm mit 12 bezeichnet ist, eingenommen. Die Differenz p_m-p_c ist die Druckdifferenz, die durch die Pumpe 7 ausgeglichen werden muß.

Wie das folgende Ausführungsbeispiel zeigt, wird beim erfindungsgemäßen Verfahren eine deutliche Energieeinsparung erzielt, wenn man als Vergleichsverfahren ein Verfahren zugrundelegt, bei dem die Ventilatorleistung bei niedrigen Außentemperaturen zurückgenommen wird, um den Verflüssigungsdruck nicht unter das erforderliche Soll-Druckniveau absinken zu lassen:

Claims (7)

1. Verfahren zum Betreiben eines Kreislaufsystems zur Wärme- und/oder Kälteerzeugung, in dem ein Kreislaufmittel entspannt, verdampft, komprimiert und im Wärmetausch mit einem Medium von Umgebungstemperatur verflüssigt wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Druck des verflüssigten Kreislaufmittels bei Unterschreiten des für die Entspannungseinrichtung erforderlichen Soll-Druckniveaus mittels einer Pumpe auf wenigstens dieses Soll-Druckniveau angehoben wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das verflüssigte Kreislaufmittel in einem Sammelbehälter gespeichert wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Kreislaufmittel aus dem Sammelbehälter mittels einer ungeregelten Pumpe der Entspannungseinrichtung zugeleitet wird, wobei bei Überschreiten des erforderlichen Soll-Druckniveauss überschüssiges Kreislaufmittel im Kreislauf zum Sammelbehälter zurückgeführt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das verflüssigte Kreislaufmittel in einem Sammelbehälter gespeichert wird, dadurch gekennzeichnet, das Kreislaufmittel aus dem Sammelbehälter der Entspannungseinrichtung mittels einer geregelten Pumpe zugeführt wird, wobei der Förderstrom der Pumpe im Sinn einer Angleichung des aktuellen Vordruckes an den erforderlichen Vordruck geregelt wird.

4. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 3 mit einem aus einem Verdichter, einem Verflüssiger, einem Sammelbehälter, einer Expansionseinrichtung und einem Verdampfer bestehenden Kreislaufsystem, dadurch gekennzeichnet, daß in die den Sammelbehälter (3) mit der Expansionseinrichtung (4) verbindende Leitung (9) eine weitere Leitung (10) mit einer Pumpe (7) mündet, wobei die Saugseite der Pumpe (7) an den Sammelbehälter (3) angeschlossen und in der verbindenden Leitung (9) zwischen der Einmündung der weiteren Leitung (10) und dem Sammelbehälter (3) ein Rückschlagventil (6) angeordnet ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckseite der Pumpe (7) an ein Überstromventil (8) angeschlossen ist, dessen Ausgang über eine Leitung (11) in den Sammelbehälter mündet.

6. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Pumpe (7) eine automatisch geregelte Pumpe ist.

7. Anwendung des Verfahrens und der Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6 auf Kälteanlagen mit Wärmerückgewinnung.