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Die Erfindung betrifft eine Kälteanlage, insbesondere eine Transportkälteanlage, mit mindestens zwei Nutztemperaturniveaus, umfassend mindestens einen ersten Kältemittelkreis und einen zweiten Kältemittelkreis, wobei jeder Kältemittelkreis mindestens einen Verdichter, mindestens ein Entspannungsorgan und mindestens einen Wärmetauscher aufweist, der Wärme von einem den Wärmetauscher umgebenden Medium aufnehmen oder an das den Wärmetauscher umgebende Medium abgeben kann. Mindestens einer der Wärmetauscher nimmt Wärme aus einem zu kühlenden Raum bei einem der Nutztemperaturniveaus auf und mindestens einer der Wärmetauscher gibt Wärme an die Umgebung ab.
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Kälteanlagen, die beispielsweise in Kühlfahrzeugen eingesetzt werden, weisen im Allgemeinen mehrere Wärmetauscher im isolierten Kühlaufbau auf, um den Anforderungen des gekühlten beziehungsweise temperaturgeführten Transports insbesondere von verderblichen Gütern Rechnung zu tragen. Die Lagertemperaturen der transportieren Güter können dabei sehr unterschiedliche Temperaturniveaus aufweisen. Diese Temperaturniveaus werden dabei auch als Nutztemperaturniveaus bezeichnet.
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Im Allgemeinen wird unterschieden zwischen einer Frischkühlung, die im Allgemeinen Temperaturen von oberhalb 0°C bis hin zu 12°C aufweist und einer Tiefkühlung, bei der im Allgemeinen Temperaturen von unter –18°C herrschen. Darüber hinaus weisen derartige Transportkühlanlagen für Kühlfahrzeuge gegebenenfalls noch weitere Wärmetauscher zur Klimatisierung der Fahrerkabine auf. Die Nutztemperaturniveaus für die Klimatisierung der Fahrerkabine, der Frischkühlung und der Tiefkühlung sind üblicherweise unterschiedlich.
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Die Transportkühlanlagen weisen im Allgemeinen einen von der Antriebsmaschine des Fahrzeugs betriebenen Verdichter und zusätzlich einen elektrisch angetriebenen Verdichter auf, um bei Fahrzeugstillstand die Kühlung auch aufrechterhalten zu können. Hierzu wird der elektrisch angetriebene Verdichter zum Beispiel über eine externe Stromversorgung betrieben.
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Um die Effizienz einer Klimaanlage eines Fahrzeugs zu steigern, ist es bekannt, zwei Kältemittelkreisläufe in Kaskade zu schalten. Hierzu wird von einem Tieftemperaturkreislauf Wärme an einen zweiten Kältemittelkreislauf, der bei höheren Temperaturen arbeitet, abgegeben. Der Verdichter des zweiten Kältemittelkreislaufs kann dabei wie zum Beispiel in
EP 1 803 593 A1 über eine zur Entspannung eingesetzte Turbine des ersten Kreislaufs angetrieben werden. Durch eine derartige Kaskadenschaltung ist jedoch nur ein Nutztemperaturniveau erreichbar. Die Kühlung zum Beispiel eines Kühlaufbaus eines Transportfahrzeugs, insbesondere mit mehreren Nutztemperaturniveaus ist dabei nicht möglich.
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Eine Anlage, mit der mehrere Temperaturniveaus erhalten werden können, ist zum Beispiel aus
CA 1 175 251 A bekannt. Der hier beschriebene Wärmetauscher arbeitet in einer ersten Schaltung als Kaskadenwärmetauscher, der für einen ersten Temperierkreis, der in einem Außenluftwärmetauscher Wärme aus der Umgebungsluft entzieht, als Kondensator und gleichzeitig für einen zweiten Temperierkreis, der Warmwasser erzeugt, als Verdampfer verwendet wird. In einer zweiten Schaltung arbeitet der Wärmetauscher als Kondensator für die Raumluftheizung mit dem ersten Temperierkreis oder als Verdampfer zur Raumluftkühlung und gleichzeitigen Warmwasserbereitung mit dem zweiten Temperierkreis. Eine Funktion als Kaskade ist jedoch nur für die Warmwasserbereitung mit Außenluft als Wärmequelle beschrieben. In diesem Fall gibt es nur ein Nutztemperaturniveau, nämlich das Warmwasser. In allen anderen Fällen ist die Kaskade außer Betrieb, da jeweils nur ein Temperierkreis betrieben wird.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Kälteanlage bereitzustellen, die eine Temperierung mehrerer zu kühlender Räume auf unterschiedliche Nutztemperaturniveaus ermöglicht und bei der auch bei Stillstand des Fahrzeugs und ausgeschalteter Antriebsmaschine das niedrigste Nutztemperaturniveau aufrechterhalten werden kann.
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Gelöst wird die Aufgabe durch eine Kälteanlage, insbesondere eine Transportkälteanlage, mit mindestens zwei Nutztemperaturniveaus, die mindestens einen ersten Kältemittelkreis und einen zweiten Kältemittelkreis umfasst, wobei jeder Kältemittelkreis mindestens einen Verdichter, mindestens ein Entspannungsorgan und mindestens einen Wärmetauscher aufweist, der Wärme von einem den Wärmetauscher umgebenden Medium aufnehmen oder an das den Wärmetauscher umgebenden Medium abgeben kann. Mindestens einer der Wärmetauscher nimmt Wärme aus einem zu kühlenden Raum bei einem der Nutztemperaturniveaus auf und mindestens einer der Wärmetauscher gibt Wärme an die Umgebung ab. Der erste und der zweite Kältemittelkreis sind über einen Kaskadenwärmetauscher miteinander gekoppelt, so dass Wärme von einem Kältemittelkreis an den anderen Kältemittelkreis übertragen werden kann. Der Kaskadenwärmetauscher kann weiterhin auch Wärme von einem den Wärmetauscher umgebenden Medium aufnehmen oder an das den Wärmetauscher umgebende Medium abgeben.
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Der Einsatz eines Kaskadenwärmetauschers, der Wärme von einem den Kaskadenwärmetauscher umgebenden Medium aufnehmen oder an das den Kaskadenwärmetauscher umgebende Medium abgeben kann, erlaubt auch einen Betrieb nur eines Kältemittelkreises der Kälteanlage. Hierdurch kann zum Beispiel bei Ausfall eines Verdichters oder alternativ auch bei Stillstand des Fahrzeugs, wenn zum Beispiel ein Verdichter über die Antriebsmaschine des Fahrzeugs betrieben wird, das Nutztemperaturniveau in dem zu kühlenden Raum aufrechterhalten werden. Die im zu kühlenden Raum vom Kältemittelkreis aufgenommene Wärme kann dann am Kaskadenwärmetauscher abgegeben werden.
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Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Kälteanlage ist es, dass eine Kaskadenschaltung, wie sie bei Betrieb beider Kältemittelkreise vorliegt, energieeffizienter ist als ein einstufiger Prozess. Die Effizienz ist noch größer, wenn mehrere Nutztemperaturniveaus vorliegen, wie dies zum Beispiel der Fall ist, wenn sowohl ein Tiefkühlbereich als auch ein Frischkühlbereich mit der Kälteanlage temperiert werden sollen. Als Nutztemperaturniveau werden dabei die Temperaturniveaus verstanden, die zur Temperierung der verschiedenen Kühlbereiche und gegebenenfalls zur Klimatisierung einer Fahrerkabine eingestellt werden.
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Da bei der Kaskadenschaltung Wärme von einem Kältemittelkreis an den anderen Kältemittelkreis abgegeben wird, liegt das Nutztemperaturniveau des Kaskadenwärmetauschers zwischen dem Nutztemperaturniveau des Wärmetauschers des ersten Kältemittelkreises, der aus einem zu kühlenden Raum Wärme aufnimmt und dem Temperaturbereich des Wärmetauschers, der Wärme an die Umgebung abgibt.
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In einer Ausführungsform der Erfindung sind der erste und der zweite Kältemittelkreis über mindestens zwei Wärmetauscher, die als Kaskadenwärmetauscher schaltbar sind, miteinander gekoppelt, wobei die Wärmetauscher jeweils von einem zu kühlenden Raum, dessen Temperatur jeweils einem Nutztemperaturniveau entspricht, Wärme aufnehmen können, und die Kältemittelkreise so schaltbar sind, dass die Nutztemperaturniveaus der Kältemittelkreise getauscht werden können. Durch den Tausch der Nutztemperaturniveaus ist der Anwender der Kälteanlage flexibel in der Wahl der Temperaturniveaus zwischen den Wärmetauschern der Kältemittelkreise. Auch ist es möglich, zum Beispiel bei Ausfall eines der beiden Verdichter der Kältemittelkreise das Nutztemperaturniveau in den zu kühlenden Räumen aufrecht zu erhalten.
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Besonders bevorzugt ist es, wenn der erste und zweite Kältemittelkreis auch über den Wärmetauscher mit dem höchsten Nutztemperaturniveau miteinander gekoppelt sind, so dass der Wärmetauscher mit dem höchsten Nutztemperaturniveau ebenfalls als Kaskadenwärmertauscher schaltbar ist. Der Wärmetauscher mit dem höchsten Nutztemperaturniveau ist dabei z. B. der Wärmetauscher des Frischkühlbereichs. Es ist notwendig, dass mindestens ein weiterer Wärmetauscher bei einem Temperaturniveau oberhalb des höchsten Nutztemperaturniveaus arbeitet. Wenn auch der Wärmetauscher mit dem höchsten Nutztemperaturniveau als Kaskadenwärmetauscher schaltbar ist, ist es somit erforderlich, dass ein weiterer Wärmetauscher vorgesehen ist, der bei einem höheren Temperaturniveau arbeitet und zum Beispiel Wärme an die Außenluft abgibt.
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Unter einem Kaskadenwärmetauscher ist im Sinne der vorliegenden Erfindung ein Wärmetauscher zu verstehen, in dem Wärme von einem Kältemittelkreis an den anderen Kältemittelkreis übertragen werden kann. Das heißt, dass der Kaskadenwärmetauscher vom Kältemittel beider Kältemittelkreise durchströmt wird, wobei das Kältemittel des einen Kältemittelkreises Wärme an das Kältemittel des anderen Kältemittelkreises überträgt. Gleichzeitig sind die Kaskadenwärmetauscher vorzugsweise so ausgestaltet, dass auch Wärme an das den Wärmetauscher umgebende Medium abgegeben werden kann oder vom den Wärmetauscher umgebenden Medium aufgenommen werden kann. Wenn die Temperatur des Kältemittels beider Kältemittelkreise unterhalb der Temperatur des umgebenden Mediums liegt, wird Wärme vom Kältemittel beider Kältemittelkreise aufgenommen. Wenn die Temperatur des Kältemittels beider Kältemittelkreise oberhalb der Temperatur des umgebenden Mediums liegt, wird Wärme von den Kältemittelkreisen an das umgebende Medium abgegeben. Wenn die Temperatur des Kältemittels eines Kältemittelkreises oberhalb der Temperatur des umgebenden Mediums liegt und die Temperatur des Kältemittels des anderen Kältemittelkreises unterhalb der Temperatur des umgebenden Mediums, so wird von dem Kältemittel, dessen Temperatur unterhalb der Temperatur des umgebenden Mediums liegt, Wärme aufgenommen und von dem Kältemittel, dessen Temperatur oberhalb der Temperatur des umgebenden Mediums liegt, Wärme an das umgebende Medium abgegeben. Gleichzeitig erfolgt jeweils auch ein Wärmeübergang vom wärmeren an das kältere Kältemittel.
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Der Anteil der Wärmeaufnahme aus dem umgebenden Medium des Kaskadenwärmetauschers kann vorzugsweise dadurch geregelt werden, dass der Volumenstrom des den mindestens einen Kaskadenwärmetauscher umgebenden Mediums einstellbar ist. Die Einstellung des Volumenstroms kann zum Beispiel durch ein Gebläse erfolgen. Durch die Einstellung des Anteils der Wärmeaufnahme aus dem den Kaskadenwärmetauscher umgebenden Medium legt gleichzeitig auch die Wärmemenge fest, die vom wärmeren an das kältere Kältemittel übertragen wird. Auf diese Weise lässt sich die Kälteanlage im Kaskadenbetrieb regeln und die unterschiedlichen Nutztemperaturniveaus der Wärmetauscher des ersten und des zweiten Kältemittelkreises können eingestellt werden. So kann zum Beispiel in einem Normalkühlraum die Luft des Normalkühlraumes mit dem Kaskadenwärmetauscher abgekühlt werden, wenn die Lamellentemperatur des Kaskadenwärmetauschers und gleichzeitig auch die Solltemperatur des Normalkühlraumes niedriger sind als die tatsächliche Raumtemperatur des Normalkühlraums. Mit Hilfe des Gebläses wird ein Luftvolumenstrom über den Kaskadenwärmetauscher erzeugt, dessen Temperatur dadurch angehoben wird. Hierdurch erhöht sich die Verdampfungstemperatur dafür den Hochtemperaturkältekreis und die Kondensationstemperatur für den Niedertemperaturkältekreis. Außerdem wird die Temperaturdifferenz zwischen der Verdampfungstemperatur und der Kondensationstemperatur kleiner, so dass die übertragene Wärmemenge ebenfalls kleiner wird. Die Wärmemenge, die vom Normalkühlraum übertragen wird, steigt mit steigendem Luftvolumenstrom und ist bei abgeschaltetem Gebläse nahezu Null.
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Das den Kaskadenwärmetauscher umgebende Medium ist im Allgemeinen Luft. Wenn der Kaskadenwärmetauscher zur Temperierung eines Frischkühlbereichs eingesetzt wird, so ist das den Kaskadenwärmetauscher umgebende Medium üblicherweise die im Frischkühlbereich enthaltene Luft. Auch der Wärmetauscher, an dem Wärme an die Umgebung abgegeben wird, kann als Kaskadenwärmetauscher arbeiten. In diesem Fall wird vom Kaskadenwärmetauscher Wärme an die Umgebungsluft abgegeben oder von der Umgebungsluft aufgenommen. Als Kaskadenwärmetauscher kann dieser Wärmetauscher jedoch nur eingesetzt werden, wenn die Temperatur der Umgebungsluft zwischen den Nutztemperaturniveaus liegt.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist der mindestens eine als Kaskadenwärmetauscher schaltbare Wärmetauscher ein Lamellenwärmetauscher, bei dem Rohre mit Lamellen miteinander verbunden sind, wobei jeweils ein Teil der Rohre von dem Kältemittel jeweils eines Kältemittelkreises durchströmbar ist, oder ein Wärmetauscher mit Doppelrohren, bei denen ein inneres Rohr von einem äußeren Rohr umschlossen ist, wobei die Doppelrohre an ihrem Außenumfang vom umgebenden Medium umströmt werden können.
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Durch die Verbindung der Rohre mit den Lamellen beim Lamellenwärmetauscher kann über die Lamellen Wärme von einem Kältemittelkreis an den anderen Kältemittelkreis übertragen werden. Zur Übertragung der Wärme im Doppelrohr wird das innere Rohr von einem Kältemittel durchströmt und das das innere Rohr umschließende äußere Rohr von dem anderen Kältemittel.
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Bei der erfindungsgemäß ausgestalteten Kälteanlage handelt es sich insbesondere um eine Transportkälteanlage, die an einem Fahrzeug montiert ist. Mit Hilfe der Kälteanlage lassen sich zum Beispiel ein Tiefkühlbereich und ein Frischkühlbereich eines Kühlaufbaus des Fahrzeugs temperieren. Der Tiefkühlbereich wird dabei üblicherweise auf eine Temperatur unterhalb von –18°C gekühlt und der Frischkühlbereich auf eine Temperatur oberhalb von 0°C und unterhalb von 12°C. Alternativ kann zum Beispiel auch die Fahrerkabine des Fahrzeugs temperiert werden.
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Bevorzugt ist es, wenn mindestens zwei der Verdichter der Kälteanlage mit unterschiedlichen Energieformen angetrieben werden. Dabei ist es besonders bevorzugt, wenn mindestens ein Verdichter über eine Antriebsmaschine des Fahrzeugs und mindestens ein Verdichter elektrisch betrieben werden kann.
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Der mindestens eine elektrisch betriebene Verdichter erlaubt es, auch bei Stillstand der Antriebsmaschine des Fahrzeugs die Kälteanlage weiter zu betreiben. Die erforderliche Energieversorgung des Verdichters erfolgt dann zum Beispiel über eine Fahrzeugbatterie oder eine externe Stromversorgung. Auch ist es möglich, zum Beispiel einen von der Antriebsmaschine des Fahrzeugs unabhängigen Generator vorzusehen, der die notwendige elektrische Energie zum Betrieb des elektrisch betriebenen Verdichters bereitstellt.
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Um den Kühlbetrieb auch bei Stillstand der Antriebsmaschine aufrecht zu erhalten, ist es bevorzugt, wenn der Kältemittelkreis, der den mindestens einen elektrisch betriebenen Verdichter umfasst, unabhängig von dem Kältemittelkreis, der den mindestens einen Verdichter umfasst, der über die Antriebsmaschine des Fahrzeugs angetrieben wird, betreibbar ist. Hierdurch lässt sich nur der Kältemittelkreis, der den mindestens einen elektrisch betriebenen Verdichter umfasst, betreiben. In diesem Fall wird vom Kältemittelkreis Wärme aus dem zu kühlenden Raum mit dem niedrigsten Temperaturniveau aufgenommen und in dem Wärmetauscher, der als Kaskadenwärmetauscher schaltbar ist, an das umgebende Medium abgegeben. Eine Wärmeabgabe an den zweiten Kältemittelkreis erfolgt dabei nicht.
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Insbesondere in der Ausführungsform, in der mindestens zwei Wärmetauscher als Kaskadenwärmetauscher schaltbar sind, ist es bevorzugt, wenn der Kältemittelkreis, der den mindestens einen elektrisch betriebenen Verdichter umfasst, alternativ mit mindestens zwei Wärmetauscher der unterschiedlichen Nutztemperaturniveaus oder mit mindestens einem Wärmetauscher eines der Nutztemperaturniveaus und dem Wärmetauscher, der Wärme an die Umgebung abgibt, betreibbar ist. Hierzu sind im Allgemeinen verschließbare Verbindungen zwischen den Wärmetauschern vorgesehen, die es erlauben, alternativ entweder die mindestens zwei Wärmetauscher der unterschiedlichen Nutztemperaturniveaus, üblicherweise dem Wärmetauscher zur Kühlung des Tiefkühlbereichs und dem Wärmetauscher zur Temperierung des Frischkühlbereichs oder alternativ entweder den Wärmetauscher zur Kühlung des Tiefkühlbereichs oder den Wärmetauscher zur Kühlung des Frischkühlbereichs und den Wärmetauscher, der Wärme an die Umgebung abgibt, zu betreiben. Je nach Schaltung können auf diese Weise die Temperaturen im Tiefkühlbereich und im Frischkühlbereich auch bei Betrieb der Kälteanlage nur mit einem elektrisch betriebenen Verdichter aufrechterhalten werden. Insbesondere bei gut isolierten Kühlbereichen ist es so zum Beispiel möglich alternierend einmal den Tiefkühlbereich und einmal den Frischkühlbereich zu kühlen und so die Temperatur in den einzelnen Kühlbereichen stabil zu halten.
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In Abhängigkeit vom Betrieb der Kälteanlage ist es vorteilhaft, wenn der mindestens eine elektrisch betriebene Verdichter mit unterschiedlichen elektrischen Leistungen betreibbar ist. So ist zum Beispiel im Kaskadenbetrieb, wenn auch die Antriebsmaschine des Fahrzeugs betrieben wird und damit sowohl der erste als auch der zweite Kältemittelkreis betrieben werden können, ausreichend, den Verdichter mit einer geringeren Leistung zu betreiben, um die gewünschten Temperaturniveaus aufrecht zu erhalten, wohingegen im Betriebszustand, in dem nur der Kältemittelkreis mit dem elektrisch betriebenen Verdichter in Betrieb ist, eine höhere elektrische Leistung erforderlich ist, um die gewünschten Nutztemperaturniveaus aufrecht zu erhalten. Üblicherweise wird der mindestens eine elektrisch betriebene Verdichter bei Betrieb mit einer geringeren Leistung mit einer geringeren Drehzahl und/oder Frequenz betrieben. Durch den Betrieb mit geringerer Drehzahl und/oder Frequenz wird der Volumenstrom des Kältemittels, der durch den Verdichter gefördert wird, reduziert.
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Um insbesondere den Wärmetauscher zur Temperierung des Tiefkühlbereichs abtauen zu können, ist es weiterhin vorteilhaft, wenn die Kälteanlage eine Schaltung umfasst, bei der das im elektrisch betriebenen Verdichter verdichtete Kältemittel direkt durch den abzutauenden Wärmetauscher geführt wird, ohne dass dieses vorher im Entspannungsorgan entspannt wird. Auf diese Weise wird das Kältemittel im Verdichter durch die Kompression erwärmt und kann die Wärme zum Abtauen im Wärmetauscher abgeben.
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Wenn alle Wärmetauscher der Kälteanlage als Kaskadenwärmetauscher schaltbar sind, erfolgt das Abtauen durch Umkehren der Wärmepumpenschaltung. In diesem Fall wird an dem Wärmetauscher, der im Normalbetrieb Wärme aufnimmt Wärme an die Umgebung zum Abtauen abgegeben und von dem Wärmetauscher, an dem im Normalbetrieb Wärme an die Umgebung abgegeben wird, wird Wärme von der Umgebung aufgenommen. Als Kaskadenwärmetauscher lassen sich hierbei jedoch nur die Wärmetauscher mit mittlerem Temperaturniveau schalten. Die Wärmetauscher mit dem höchsten und dem niedrigsten Temperaturniveau können jeweils nicht als Kaskadenwärmetauscher arbeiten. Es ist aber möglich, dass diese Wärmetauscher ebenfalls von beiden Kältemitteln durchströmbar sind und Wärme an die Umgebung abgeben bzw. von der Umgebung aufnehmen. Jedoch wird der Wärmetauscher dabei üblicherweise entweder mit dem Kältemittel des einen oder mit dem Kältemittel des zweiten Kältekreises durchströmt. Ein Wärmeübergang von einem Kältemittel an das andere erfolgt bei den Wärmetauschern mit dem höchsten und dem niedrigsten Temperaturniveau nicht.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
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Es zeigen:
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1 eine Schaltung einer erfindungsgemäß ausgebildeten Kälteanlage in einer ersten Ausführungsform,
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2 eine Schaltung einer erfindungsgemäß ausgebildeten Kälteanlage in einer zweiten Ausführungsform,
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3 die Kälteanlage gemäß 2 in einem ersten Betriebszustand,
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4 die Kälteanlage gemäß 2 in einem zweiten Betriebszustand,
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5 die Kälteanlage gemäß 2 in einem dritten Betriebszustand.
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In 1 ist eine Schaltung einer Kälteanlage in einer ersten Ausführungsform dargestellt. Eine Kälteanlage 1 umfasst einen ersten Kältemittelkreis 3 und einen zweiten Kältemittelkreis 5. Der erste Kältemittelkreis 3 wird in der hier dargestellten Ausführungsform mit einem Tieftemperatur-/Hochdruck-Kältemittel betrieben.
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In einem ersten Verdichter 7 kann das Tieftemperatur-/Hochdruck-Kältemittel des ersten Kältemittelkreises 3 verdichtet werden. Nach dem Verdichten strömt das Kältemittel im Kühlbetrieb des ersten Kältemittelkreises 3 durch ein geöffnetes erstes Ventil 9 zu einem ersten Wärmetauscher 11. Im ersten Wärmetauscher 11 gibt das komprimierte Kältemittel des ersten Kältemittelkreises 3 Wärme ab. Anschließend wird das Kältemittel des ersten Kältemittelkreises 3 in einem ersten Entspannungsorgan 13 entspannt und durchströmt einen zweiten Wärmetauscher 15. Im zweiten Wärmetauscher 15 nimmt das Kältemittel Wärme aus einem umgebenden Medium auf. Hierdurch wird das den zweiten Wärmetauscher 15 umgebende Medium gekühlt. Auf diese Weise kann zum Beispiel ein zu kühlender Raum eines Kühlaufbaus eines Fahrzeugs gekühlt werden. Vorzugsweise weist das Kältemittel des ersten Kältemittelkreises 3 im zweiten Wärmetauscher 15 eine Temperatur auf, mit der eine Tiefkühlung des umgebenden Raums durchgeführt werden kann. Hierzu liegt die Temperatur des Kältemittels beim Eintritt in den zweiten Wärmetauscher 15 vorzugsweise unterhalb der gewünschten Temperatur des zu kühlenden Tiefkühlbereichs. Nach dem Durchströmen des zweiten Wärmetauschers 15 gelangt das Kältemittel wieder zum ersten Verdichter 7, in dem es erneut verdichtet wird.
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Die im zweiten Wärmetauscher 15 aufgenommene Wärme kann das Kältemittel des ersten Kältemittelkreises 3 zum Beispiel im ersten Wärmetauscher 11 an eine den ersten Wärmetauscher 11 umgebende Umgebung abgeben. Hierdurch wird das in der Umgebung des ersten Wärmetauschers 11 enthaltene Medium erwärmt.
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In der hier dargestellten Ausführungsform ist der erste Wärmetauscher 11 als Kaskadenwärmetauscher schaltbar. Im ersten Wärmetauscher 11 ist der erste Kältemittelkreis 3 mit dem zweiten Kältemittelkreis 5 gekoppelt. Durch die Kopplung kann vom Kältemittel des ersten Kältemittelkreises 3 Wärme an das Kältemittel des zweiten Kältemittelkreises 5 übertragen werden. Das Kältemittel des zweiten Kältemittelkreises 5 nimmt somit im ersten Wärmetauscher 11 Wärme auf. Gleichzeitig kann das Kältemittel des zweiten Kältemittelkreises 5 auch Wärme aus dem den ersten Wärmetauscher 11 umgebenden Medium aufnehmen. Auf diese Weise ist eine Kühlung des den ersten Wärmetauscher 11 umgebenden Mediums möglich. Das den ersten Wärmetauscher 11 umgebende Medium ist vorzugsweise die in einem Frischkühlbereich des Kühlaufbaus enthaltene Luft. Mit Hilfe des ersten Wärmetauschers 11 lässt sich somit der Frischkühlbereich des Kühlaufbaus auf das gewünschte Nutztemperaturniveau temperieren.
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Nach dem Durchströmen des ersten Wärmetauschers 11 wird das Kältemittel im zweiten Verdichter 17 verdichtet. Das verdichtete Kältemittel strömt dann durch einen dritten Wärmetauscher 19, in dem das Kältemittel des zweiten Kältemittelkreises 5 Wärme an die Umgebung abgibt. Hierbei wird die Wärme vorzugsweise an die Außenluft abgegeben. Nach dem Durchströmen des dritten Wärmetauschers 19 wird das Kältemittel des zweiten Kältemittelkreises 5 in einem zweiten Entspannungsorgan 21 entspannt, bevor es den ersten Wärmetauscher 11 zur Wärmeaufnahme durchströmt.
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Als erstes Entspannungsorgan 13 und zweites Entspannungsorgan 21 eignet sich jedes beliebige, dem Fachmann bekannte Entspannungsorgan, das üblicherweise in Kältemittelkreisen eingesetzt wird. Geeignete Entspannungsorgane 13, 21 sind zum Beispiel Drosseln. Bevorzugt weisen die Entspannungsorgane ein stetiges Stellverhalten auf, um den Druck, auf den das Kältemittel entspannt wird, einstellen zu können. Hierdurch erfolgt gleichzeitig eine Einstellung der Temperatur des Kältemittels.
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Um den zweiten Wärmetauscher 15 abtauen zu können, ist eine Verbindung 23 vorgesehen, durch die das Kältemittel direkt vom ersten Verdichter 7 zum zweiten Wärmetauscher 15, der den Tiefkühlbereich des Kühlaufbaus kühlt, strömen kann. Mit einem zweiten Ventil 25 ist die Verbindung 23 im Betrieb der Kälteanlage 1 verschließbar. Zum Abtauen wird das erste Ventil 9 geschlossen und das zweite Ventil 25 geöffnet, so dass das im ersten Verdichter 7 verdichtete Kältemittel, das sich durch das Verdichten erwärmt, direkt durch den zweiten Wärmetauscher 15 geleitet wird, so dass dieser abgetaut wird.
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In der hier dargestellten Ausführungsform ist der erste Verdichter 7 ein elektrisch betriebener Verdichter und der zweite Verdichter 17 ein Verdichter, der durch die Antriebsmaschine eines Fahrzeugs betrieben wird. Bei Stillstand des Fahrzeugs und damit Stillstand der Antriebsmaschine wird der zweite Kältemittelkreis 5 nicht betrieben. Jedoch kann durch Stromzufuhr zum Beispiel aus dem Bordnetz des Fahrzeugs oder durch externe Stromzufuhr der erste Verdichter 7 weiterbetrieben werden und so die Temperatur im Tiefkühlbereich durch Wärmeaufnahme aus dem Tiefkühlbereich im zweiten Wärmetauscher 15 aufrechterhalten werden. Die vom zweiten Wärmetauscher 15 aufgenommene Wärme wird dann am ersten Wärmetauscher 11 an das den ersten Wärmetauscher 11 umgebende Medium abgegeben.
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Alternativ zum Frischkühlbereich eines Fahrzeugs kann mit dem ersten Wärmetauscher 11 zum Beispiel auch eine Fahrerkabine oder ein Fahrgastraum des Fahrzeugs temperiert werden.
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Sobald die Antriebsmaschine des Fahrzeugs gestartet wird, wird auch der zweite Kältemittelkreis 5 betrieben. Sobald der zweite Kältemittelkreis 5 betrieben wird, wird die Wärme aus dem ersten Kältemittelkreis 3 im ersten Wärmetauscher 11 an das Kältemittel des zweiten Kältemittelkreises 5 übertragen. Da üblicherweise mit dem ersten Wärmetauscher 11 ein Frischkühlbereich oder beispielsweise ein Fahrgastraum des Fahrzeuges temperiert werden, ist das Kältemittel des zweiten Kältemittelkreises 5 üblicherweise ein Hochtemperatur-/Niederdruck-Kältemittel.
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Als Tieftemperatur-/Hochdruck-Kältemittel für den ersten Kältemittelkreis 3 eignen sich zum Beispiel Kohlendioxid (R744), Distickstoffoxid (R744jA), R23, R32, R410A, R404A, R290, und R170. Besonders bevorzugt als Tieftemperatur-/Hochdruck-Kältemittel ist Kohlendioxid. Als Hochtemperatur-/Niederdruck-Kältemittel eignen sich beispielsweise R134a, R1234yf, R152a, R404A, R290, R600, R600a und R744 transkritisch. Besonders bevorzugt sind R134a und R744 transkritisch.
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2 zeigt ein Schaltbild einer Kälteanlage in einer zweiten Ausführungsform. In den 3, 4 und 5 sind verschiedene Schaltungen der Kälteanlage gemäß 2 dargestellt. Die in den 2 bis 5 dargestellte Kälteanlage 31 unterscheidet sich von der Kälteanlage 1, die in 1 dargestellt ist, dadurch, dass alle Wärmetauscher von beiden Kältemittelkreisen durchströmt werden und so als Kaskadenwärmetauscher schaltbar sind.
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Auch die Kälteanlage 31, wie sie in den 2 bis 5 dargestellt ist, umfasst einen ersten Kältemittelkreis 33, der mit einem Tieftemperatur-/Hochdruck-Kältemittel betrieben wird und einen zweiten Kältemittelkreis 35, der mit einem Hochtemperatur-/Niederdruck-Kältemittel betrieben wird.
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Der erste Kältemittelkreis 33 umfasst einen ersten Verdichter 37, der vorzugsweise elektrisch betrieben wird. Der zweite Kältemittelkreis 35 umfasst einen zweiten Verdichter 39, der in der hier dargestellten Ausführungsform durch die Antriebsmaschine des Fahrzeugs betrieben wird. Als Antriebsmaschine dient dabei im Allgemeinen eine Verbrennungskraftmaschine.
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Die Kälteanlage 31 umfasst weiterhin einen ersten Wärmetauscher 41, einen zweiten Wärmetauscher 43 und einen dritten Wärmetauscher 45. Der erste und zweite Wärmetauscher 41, 43 sind dabei jeweils als Kaskadenwärmetauscher schaltbar. Hierzu können der erste und zweite Wärmetauscher 41, 43 jeweils vom Kältemittel beider Kältemittelkreise 33, 35 durchströmt werden, so dass jeweils von einem Kältemittelkreis 33, 35 Wärme an den anderen Kältemittelkreis 33, 35 übertragen werden kann. Gleichzeitig erlauben der erste und zweite Wärmetauscher 41, 43 eine Wärmeabgabe an die Umgebung oder eine Wärmeaufnahme von der Umgebung. Ob von dem Kältemittel der Kältemittelkreise 33, 35 Wärme von der Umgebung aufgenommen wird oder an die Umgebung abgegeben wird, hängt dabei von der Temperatur des den jeweiligen Wärmetauscher 41, 43 durchströmenden Kältemittels ab. Wenn die Temperatur des Kältemittels höher ist als die Temperatur des den ersten bzw. zweiten Wärmetauscher 41, 43 umgebenden Mediums, so gibt das Kältemittel Wärme an das umgebende Medium ab, wenn die Temperatur des Kältemittels niedriger ist als die Temperatur des umgebenden Mediums, so nimmt das Kältemittel Wärme aus dem umgebenden Medium auf.
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Geeignete Wärmetauscher 41, 43, die als Kaskadenwärmetauscher schaltbar sind, sind von beiden Kältemittelkreisen durchströmbar und ermöglichen gleichzeitig einen Wärmetausch mit der Umgebung. Ein geeigneter Wärmetauscher ist zum Beispiel ein Lamellenwärmetauscher, der üblicherweise mit Lamellen verbundene Rohre aufweist, bei dem jeweils ein Teil der Rohre von dem Kältemittel eines der Kältemittelkreise 33, 35 durchströmt wird, wobei der Wärmetausch zwischen den Kältemitteln der Kältemittelkreise 33, 35 über die Lamellen des Wärmetauschers erfolgt. Alternativ können zum Beispiel auch Doppelrohre eingesetzt werden, die an ihrem Außenumfang vom umgebenden Medium umströmt werden.
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In der hier dargestellten Ausführungsform sind die Wärmetauscher 41, 43 und 45 jeweils als Luftwärmetauscher mit mehreren Kältekreisläufen ausgebildet. Hierbei sind die Wärmetauscher jeweils von Luft und mehreren Kältemitteln durchströmbar. Jedoch sind nur die Wärmetauscher 41, 43 als Kaskadenwärmetauscher schaltbar, da der dritte Wärmetauscher 45 bei einem höheren Temperaturniveau arbeitet als der erste und der zweite Wärmetauscher 41, 43. Im allgemeinen wird der dritte Wärmetauscher daher je nach Schaltung alternativ vom Kältemittel des ersten Kältemittelkreises 33 oder vom Kältemittel des zweiten Kältemittelkreises 35 und der Umgebungsluft durchströmt, jedoch nicht gleichzeitig von den Kältemitteln beider Kältemittelkreise 33, 35.
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Zur Entspannung des Kältemittels umfasst der erste Kältemittelkreis 33 weiterhin ein erstes Entspannungsorgan 47 und der zweite Kältemittelkreis 35 ein zweites Entspannungsorgan 49. Wie auch bei der in 1 dargestellten Ausführungsform kann als Entspannungsorgan 47, 49 jedes beliebige, dem Fachmann bekannte Entspannungsorgan eingesetzt werden. Üblicherweise werden als erstes Entspannungsorgan 47 und zweites Entspannungsorgan 49 schaltbare Drosseln verwendet.
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Die jeweiligen Wärmetauscher 41, 43, 45 sind mit Verbindungsleitungen miteinander verbunden, so dass das Kältemittel des ersten Kältemittelkreises 33 und das Kältemittel des zweiten Kältemittelkreises 35 jeweils alle Wärmetauscher 41, 43, 45 durchströmen kann. Hierzu können unterschiedliche Schaltungen, wie sie in den 3 bis 5 dargestellt sind, realisiert werden. Die unterschiedlichen Schaltungen werden realisiert, indem einzelne Leitungen durch Ventile 51 verschlossen werden.
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Eine erste Schaltung zum Betrieb der Kälteanlage 31 ist in 3 dargestellt. In den 3 bis 5 sind geschlossene Ventile 51 jeweils schwarz dargestellt.
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Bei der in 3 dargestellten Schaltung strömt das Kältemittel des ersten Kältemittelkreises 33 zunächst vom ersten Verdichter 37 durch eine geöffnete erste Leitung 52 zum ersten Wärmetauscher 41. Im ersten Wärmetauscher 41 gibt das Kältemittel des ersten Kältemittelkreises 33 Wärme sowohl an das Kältemittel des zweiten Kältemittelkreises 35 als auch an das den Wärmetauscher 41 umgebende Medium ab. Über eine geöffnete zweite Leitung 53 gelangt das Kältemittel des ersten Kältemittelkreises 33 dann zum ersten Entspannungsorgan 47, in dem dieses entspannt wird. Beim Entspannen kühlt sich das Kältemittel ab. Durch eine dritte Leitung 55 strömt das Kältemittel weiter durch den zweiten Wärmetauscher 43. Von dort gelangt das Kältemittel zurück zum Verdichter 37, in dem es erneut verdichtet wird. Im zweiten Wärmetauscher 43 nimmt das Kältemittel des ersten Kältemittelkreises 33 Wärme aus dem umgebenden Medium an und kühlt so seine Umgebung. Der zweite Wärmetauscher 43 wird vorzugsweise eingesetzt zur Kühlung eines Tiefkühlbereichs eines Kühlaufbaus eines Fahrzeugs. Im zweiten Wärmetauscher 43 wird somit das niedrigste Nutztemperaturniveau erreicht. Der erste Wärmetauscher 41 dient neben der Wärmeabgabe vom Kältemittel des ersten Kältemittelkreises 33 an das Kältemittel des zweiten Kältemittels 35 auch zur Temperierung beispielsweise eines Frischkühlbereichs des Kühlaufbaus oder alternativ zur Klimatisierung des Fahrbereichs oder auch des Fahrgastraums des Fahrzeugs. Bei dem Fahrzeug handelt es sich im Allgemeinen um einen Lastkraftwagen, der üblicherweise keinen Fahrgastraum sondern nur eine Fahrerkabine aufweist.
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Der dritte Wärmetauscher 45 wird in der in 3 dargestellten Schaltung nicht vom Kältemittel des ersten Kältemittelkreises 33 durchströmt.
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Das Kältemittel des zweiten Kältemittelkreises 35 strömt vom zweiten Verdichter 39 zunächst durch den dritten Wärmetauscher 45, in dem das Kältemittel Wärme an die Umgebung, üblicherweise an die Außenluft abgibt. Aus dem dritten Wärmetauscher 45 strömt das Kältemittel des zweiten Kältemittelkreises 35 weiter über eine vierte Leitung 57 zum als Kaskadenwärmetauscher geschalteten ersten Wärmetauscher 41, in dem das Kältemittel des zweiten Kältemittelkreises 35 Wärme vom Kältemittel des ersten Kältemittelkreises 33 aufnimmt. Gleichzeitig nimmt das Kältemittel des zweiten Kältemittelkreises 35 auch Wärme aus der Umgebung auf und kühlt so das den ersten Wärmetauscher 41 umgebende Medium. Bevor das Kältemittel des zweiten Kältemittelkreises 35 in den ersten Wärmetauscher 41 strömt, wird dieses in einem dritten Entspannungsorgan 59 entspannt. Durch das Entspannen im dritten Entspannungsorgan 59 sinkt auch die Temperatur des Kältemittels des zweiten Kältemittelkreises 35 auf die erforderliche Nutztemperatur. Aus dem ersten Wärmetauscher 41 strömt das Kältemittel anschließend wieder zum zweiten Verdichter 39, in dem es erneut verdichtet wird.
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Eine zweite alternative Schaltung der Kälteanlage 31 ist in 4 dargestellt. Hierbei strömt das Kältemittel des ersten Kältemittelkreises 33 zunächst über eine fünfte Leitung 61 zum zweiten Wärmetauscher 43. Im zweiten Wärmetauscher 43 gibt das Kältemittel des ersten Kältemittelkreises 33 Wärme sowohl an das Kältemittel des ersten Kältemittelkreises 35 als auch an die Umgebung ab. Nach dem Durchströmen des zweiten Wärmetauschers 43 strömt das Kältemittel des ersten Kältemittelkreises 33 durch eine sechste Leitung 63 zum ersten Entspannungsorgan 47, in dem das Kältemittel entspannt wird. Nach dem Entspannen strömt das Kältemittel des ersten Kältemittelkreises 33 zum ersten Wärmetauscher 41, in dem es von dem Wärmetauscher umgebenden Medium Wärme aufnimmt und so das den Wärmetauscher 41 umgebende Medium kühlt. Anschließend strömt das Kältemittel des ersten Kältemittelkreises 33 wieder zum ersten Verdichter 37, in dem es erneut verdichtet wird.
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Das Kältemittel des zweiten Kältemittelkreises 35 strömt zunächst durch den dritten Wärmetauscher 45, in dem das Kältemittel Wärme an die Umgebung, vorzugsweise die Außenluft abgibt. Nach dem Durchströmen des dritten Wärmetauschers 45 gelangt das Kältemittel des zweiten Kältemittelkreises 35 durch eine siebte Leitung 65 zum zweiten Entspannungsorgan 49, in dem das Kältemittel entspannt wird und anschließend durch den als Kaskadenwärmetauscher geschalteten zweiten Wärmetauscher 43 geleitet wird, wo es Wärme vom Kältemittel des ersten Kältemittelkreises 33 und aus dem den Wärmetauscher 43 umgebende Medium aufnimmt. Anschließend strömt das Kältemittel wieder zum zweiten Verdichter 39, in dem es erneut verdichtet wird.
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Die in 4 dargestellte Schaltung der Kälteanlage 31 eignet sich zum Beispiel, um den zweiten Wärmetauscher 43, mit dem der Tiefkühlbereich gekühlt wird, abzutauen. Alternativ ist es jedoch zum Beispiel auch möglich, dass in der in 4 dargestellten Schaltung der erste Wärmetauscher 41 zur Kühlung eines Tiefkühlbereichs eingesetzt wird und der zweite Wärmetauscher 43 zur Kühlung eines Frischkühlbereichs oder der Fahrerkabine des Fahrzeugs.
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Eine Schaltung bei Stillstand der Antriebsmaschine ist in 5 dargestellt.
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Bei Stillstand der Antriebsmaschine wird auch der zweite Verdichter 39 des zweiten Kältemittelkreises 35 nicht betrieben. Die Kühlung erfolgt allein durch den ersten Kältemittelkreis 33. Im ersten Kältemittelkreis 33 wird das Kältemittel im elektrisch betriebenen Verdichter 37 zunächst verdichtet. Anschließend durchströmt das Kältemittel den dritten Wärmetauscher 45, in dem es Wärme an die Umgebung abgibt. Nach dem Durchströmen des dritten Wärmetauschers 45 wird das Kältemittel im ersten Entspannungsorgan 47 entspannt. Nach dem Entspannen strömt das Kältemittel des ersten Kältemittelkreises 33 sowohl zum ersten Wärmetauscher 41 als auch durch die dritte Leitung 55 zum zweiten Wärmetauscher 43. Das Kältemittel des ersten Kältemittelkreises 33 nimmt dann sowohl im ersten Wärmetauscher 41 als auch im zweiten Wärmetauscher 43 Wärme vom umgebenden Medium auf. Durch Steuerung des Massenstroms des Kältemittels zum Beispiel durch den Öffnungsgrad der zu den jeweiligen Wärmetauschern 41, 43 führenden Ventile 51 kann das Temperaturniveau in den Wärmetauschern 41, 43 eingestellt werden. Vorzugsweise wird durch den zweiten Wärmetauscher 43, mit dem der Tiefkühlbereich gekühlt wird, ein größerer Massenstrom des Kältemittels zugeführt als durch den ersten Wärmetauscher 41. Alternativ ist es auch möglich, die Temperatur des umgebenden Mediums dadurch einzustellen, dass die jeweils zu den Wärmetauschern 41, 43 führenden Leitungen nur bei Bedarf geöffnet werden, um das den Wärmetauscher umgebende Medium in einzelnen Intervallen zu kühlen, um so die Temperatur in den Kühlaufbauten zu halten. Durch die in 5 dargestellte Schaltung lässt sich so auch bei abgeschalteter Antriebsmaschine des Fahrzeugs die Temperatur im Tiefkühlbereich und im Frischkühlbereich beziehungsweise der Fahrerkabine des Fahrzeugs halten.
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Neben der Kühlung eines Tiefkühlbereichs und eines Frischkühlbereichs lassen sich auch beliebige andere Aufbauten auf unterschiedliche Temperaturniveaus kühlen. So ist es zum Beispiel auch möglich, dass das niedrigere Nutztemperaturniveau zur Kühlung eines Frischkühlbereichs eingesetzt wird und das höhere Nutztemperaturniveau zur Temperierung und Klimatisierung der Fahrerkabine. Auch jeder beliebige andere Einsatz, in dem unterschiedliche Bereiche auch verschiedene Temperaturen gekühlt werden müssen, ist denkbar. Bevorzugt wird die erfindungsgemäß ausgebildete Kälteanlage 1, 31 jedoch in Fahrzeugen mit Kühlaufbauten eingesetzt, in denen ein Tiefkühlbereich und ein Frischkühlbereich gekühlt werden müssen oder in denen ein Tiefkühlbereich gekühlt wird und eine Fahrerkabine klimatisiert wird.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Kälteanlage
- 3
- erster Kältemittelkreis
- 5
- zweiter Kältemittelkreis
- 7
- erster Verdichter
- 9
- erstes Ventil
- 11
- erster Wärmetauscher
- 13
- erstes Entspannungsorgan
- 15
- zweiter Wärmetauscher
- 17
- zweiter Verdichter
- 19
- dritter Wärmetauscher
- 21
- zweites Entspannungsorgan
- 23
- Verbindung
- 25
- zweites Ventil
- 31
- Kälteanlage
- 33
- erster Kältemittelkreis
- 35
- zweiter Kältemittelkreis
- 37
- erster Verdichter
- 39
- zweiter Verdichter
- 41
- erster Wärmetauscher
- 43
- zweiter Wärmetauscher
- 45
- dritter Wärmetauscher
- 47
- erstes Entspannungsorgan
- 49
- zweites Entspannungsorgan
- 51
- Ventil
- 52
- erste Leitung
- 53
- zweite Leitung
- 55
- dritte Leitung
- 57
- vierte Leitung
- 59
- drittes Entspannungsorgan
- 61
- fünfte Leitung
- 63
- sechste Leitung
- 65
- siebte Leitung