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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Kälteanlage für ein Fahrzeug mit einem eine Wärmepumpenfunktion aufweisenden Kältemittelkreislauf.
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Solche Kälteanlagen sind bekannt, die sowohl in einem Wärmepumpenbetrieb zum Beheizen eines Fahrzeuginnenraums als auch in einem Kälteanlagenbetrieb zum Kühlen des Fahrzeuginnenraums betreibbar sind. Im Wärmepumpenbetrieb wird die Zuluft, welche dem Fahrzeuginnenraum zugeführt wird, mittels der per Wärmepumpe bereitgestellten Wärme konditioniert und erwärmt.
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Bei der Verwendung der Umgebungsluft als Wärmequelle wird ein äußerer Wärmeübertrager eines Kältemittelkreislaufes zusammen mit einem Wärmepumpen-Expansionsorgan als Wärmepumpen-Verdampfer eingesetzt. Hierbei wird einerseits Wärme der Umgebungsluft entzogen und dadurch das Kältemittel in dem äußeren Wärmeübertrager verdampf und ggf. auch erwärmt bzw. überhitzt und andererseits der äußere Wärmetauscher auf seiner Außenseite aufgrund des sich im Kältemittel einstellenden Verdampfungstemperaturniveaus abgekühlt. Durch dieses Abkühlen des äußeren Wärmetauschers kann es aufgrund der sich unterhalb der Umgebungstemperatur einstellenden Verdampfungstemperatur zu einer Bereifung und letztlich Vereisung des Wärmetauschers kommen, indem sich in der Umgebungsluft gebundene Feuchte als Kondensat auf der Oberfläche des äußeren Wärmeübertragers abscheidet. Je nach Wettersituation kann auch direkt Feuchtigkeit auf der Oberfläche des äußeren Wärmeübertragers auftreffen und gefrieren.
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Aufgrund einer zunehmenden Bereifung und Vereisung auf der Oberfläche des äußeren Wärmeübertragers sinkt das Potenzial zur Verdampfung von Kältemittel und damit sinkt auch die Heizleistung, da sich über die Betriebsdauer des Wärmepumpenbetriebs die wärmeübertragende Oberfläche, und damit das Potenzial des Kältemittels Wärme aufzunehmen, abnimmt.
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Eine Kälteanlage mit einem Kältemittelkreislauf zur Durchführung eines Wärmepumpenbetriebs und eines Abtaubetriebs ist aus der
FR 3 025 299 A1 bekannt. Dieser Kältemittelkreislauf umfasst neben einem 2-teiligen äußeren Wärmeübertrager einen 2-stufigen Kältemittelverdichter, mit welchem neben einem Hochdruckniveau zusätzlich ein Zwischendruckniveau erzeugt wird. In einem Wärmepumpenbetrieb wird das auf Hochdruck verdichtete Kältemittel über ein Heizregister und ein Wärmepumpen-Expansionsorgan in eine Serienschaltung der beiden Abschnitte des äußeren Wärmeübertragers entspannt.
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Zur Durchführung eines ersten Abtaubetriebs wird ein erster Abschnitt des äußeren Wärmeübertragers mit einer ersten Stufe des Kältemittelverdichters verbunden, so dass dieser erste Abschnitt mit dem Zwischendruckniveau beaufschlagt und damit beheizt wird, während mittels des zweiten Abschnittes des äußeren Wärmeübertragers der Wärmepumpenbetrieb weitergeführt wird und hierbei dieser zweite Abschnitt über ein Expansionsorgan mit dem Hochdruckausgang des Kältemittelverdichters verbunden wird. Bei dieser Betriebsweise wird der äußere Wärmeübertrager partiell mittels des ersten Abschnittes enteist
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Zur Durchführung eines zweiten Abtaubetriebs wird der zweite Abschnitt des äußeren Wärmeübertragers über das Wärmepumpen-Expansionsorgan und einem Heizregister mit dem Hochdruckausgang des Kältemittelverdichters Verdampfers verbunden, wobei das Wärmepumpen-Expansionsorgan vollständig geöffnet ist. Das aus dem zweiten Abschnitt des äußeren Wärmeübertragers strömende Kältemittel wird mittels eines weiteren Expansionsorgans in den ersten Abschnitt des äußeren Wärmeübertragers entspannt und anschließend der Eintrittsseite des Kältemittelverdichters zugeführt. Bei dieser Betriebsweise wird der zweite Abschnitt des äußeren Wärmeübertragers enteist.
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Aus der
JP 2019-1244 A ist eine Kälteanlage mit einem eine Wärmepumpenfunktion aufweisenden Kältemittelkreislauf bekannt, welcher folgende Komponenten aufweist:
- - einen Kältemittelverdichter,
- - einen entweder als Kondensator oder als Wärmepumpen-Verdampfer betreibbaren äußeren Wärmeübertrager und ein für die Wärmepumpenfunktion einsetzbares Expansionsorgan,
- - einen direkt mit dem Hochdruckausgang des Kältemittelverdichters verbindbaren Heizkondensator, welcher in Reihe mit dem äußeren Wärmeübertrager verbindbar ist und zur Erwärmung eines dem Fahrzeuginnenraum zugeführten Zuluftstroms dient,
- - einen Verdampfer mit einem Expansionsorgan,
- - einen Chiller mit einem Expansionsorgan zur Kühlung einer wärmeerzeugenden Komponente des Fahrzeugs,
- - einen internen Zwischenwärmeübertrager zur Nutzung als Wärmequelle mittels eines weiteren Wärmepumpenprozesses, und
- - einen Abtauzweig, mit welchem der Hochdruckausgang des Kältemittelverdichters zum Abtauen des Kondensators direkt mit demselben verbindbar ist.
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Sowohl in einem Kälteanlagenbetrieb als auch in einem Heizbetrieb dieser bekannten Kälteanlage ist der äußere Wärmeübertrager direkt oder indirekt dem Heizkondensator nachgeschaltet, wobei im Heizbetrieb das Kältemittel aus dem Heizkondensator zunächst über den Zwischenwärmeübertrager strömt und anschließend mittels des Expansionsorgans in den äußeren Wärmeübertrager als Wärmepumpen-Verdampfer entspannt wird.
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Zur Entfeuchtung (Reheat) des in den Fahrzeuginnenraum zugeführten Zuluftstroms wird mittels des Verdampfers dem für den Fahrzeuginnenraum vorgesehenen Zuluftstrom Wärme entzogen und diese anschließend mittels des Heizkondensators dem Zuluftstrom wieder zugeführt. Im Abtaubetrieb wird das von dem Kältemittelverdichter verdichtete Kältemittel direkt dem Abtauzweig zugeführt. Dieser Abtaubetrieb kann parallel mit dem Entfeuchtungsbetrieb (Reheat-Betrieb) oder dem Heizbetrieb durchgeführt werden. Werden der Heizbetrieb und der Entfeuchtungsbetrieb parallel durchgeführt, dienen der äußere Wärmeübertrager als Wärmepumpen-Verdampfer, der Zwischenwärmeübertrager und der Chiller als Wärmequellen. Im Abtaubetrieb werden nur der Zwischenwärmeübertrager und der Chiller als Wärmequellen verwendet. Das letztgenannte gilt auch bei einer parallelen Durchführung eines Heizbetriebs und eines Abtaubetriebs.
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Bei einem aus der
US 2011/0016896 A1 bekannten Kälteanlage für ein Hybridfahrzeug mit einem eine Wärmepumpenfunktion aufweisenden Kältemittelkreislauf wird das von einem Kältemittelverdichter auf Hochdruck verdichtete Kältemittel in allen Betriebsarten stets direkt zuerst einem Heizkondensator zugeführt. Im Kälteanlagenbetrieb (AC-Betrieb) nimmt das Kältemittel mittels eines Verdampfers Wärme des in einen Fahrzeuginnenraum geführten Zuluftstroms auf. Anschließend wird das Kältemittel mittels des Kältemittelverdichters verdichtet, über den Heizkondensator in einen äußeren Kondensator geführt, in welchem die über den Verdampfer aufgenommene Wärme an die Umgebungsluft abgeführt wird, bevor das Kältemittel über ein Expansionsorgan in den Verdampfer entspannt wird. Wird eine Vereisung des äußeren Kondensators detektiert, wird der AC-Betrieb durchgeführt. Um eine Temperaturabsenkung des Fahrzeuginnenraums zu vermeiden, wird der Zuluftstrom mittels eines elektrischen Heizelementes oder mit der Abwärme der Brennkraftmaschine des Hybridfahrzeugs erwärmt.
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Weiterhin ist eine Kälteanlage mit einem eine Wärmepumpenfunktion aufweisenden Kältemittelkreislauf aus der
DE 11 2012 000 758 T5 bekannt, bei welcher eine Reifbildung auf einem in einem Klimagerät angeordneten Verdampfer während eines Heiz- und Entfeuchtungsbetriebs dadurch vermieden wird, dass ein Kältemittelzulauf in den Verdampfer verhindert wird.
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Ferner offenbart die
JP H07-19675 A eine Kälteanlage für ein Elektrofahrzeug mit einem eine Wärmepumpenfunktion aufweisenden Kältemittelkreislauf. Ein Abtaubetrieb eines äußeren Wärmeübertragers wird während dem Betrieb des Elektrofahrzeugs verhindert und erst durchgeführt, wenn sich das Elektrofahrzeug an einer Ladestation befindet. Zur Durchführung des Abtaubetriebs wird das Kältemittel aus dem Hochdruckausgang des Kältemittelverdichters zunächst einem Heizkondensator und anschließend dem äußeren Wärmeübertrager zugeführt, um dort die Abtaufunktion zu realisieren. Aus dem äußeren Wärmeübertrager wird das Kältemittel über eine Drosselstelle in einen Verdampfer zur Aufnahme von Wärme aus einem in den Fahrzeuginnenraum des Elektrofahrzeugs zugeführten Zuluftstrom zugeführt, bevor es wieder in den Kältemittelverdichter eintritt.
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Die
DE 695 03 822 T2 beschreibt eine bezüglich eines Entfeuchtungsbetriebs verbesserte Kälteanlage mit einem eine Wärmepumpenfunktion aufweisenden Kältemittelkreislauf. Eine dort beschriebene Lüfteransteuerung eines Kondensatorlüfters ist zur Vermeidung von schnell aufeinanderfolgenden Betriebsartwechseln mit einer Umschalthysterese versehen. Zur Durchführung eines Abtaubetriebs wird das Kältemittel aus dem Hochdruckausgang des Kältemittelverdichters zunächst einem Heizkondensator und anschließend dem äußeren Wärmeübertrager zugeführt, um dort die Abtaufunktion zu realisieren. Aus dem äußeren Wärmeübertrager wird das Kältemittel über eine Drosselstelle in einen Verdampfer zur Aufnahme von Wärme aus einem in den Fahrzeuginnenraum des Elektrofahrzeugs zugeführten Zuluftstrom zugeführt, bevor es wieder in den Kältemittelverdichter eintritt.
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Aus der
DE 10 2007 028 252 A1 ist ein Kältemittelkreislauf mit zwei Verdampfern und einer Ejektorpumpe bekannt, die als Kältemitteldekompressionseinrichtung und Kältemittelzirkulationseinrichtung funktioniert. Wenn während eines Kälteanlagenbetriebs in einem der beiden Verdampfer eine Frostbildung auftritt, wird die Ejektorpumpe stillgelegt, so dass ein vom Kältemittelverdichter ausgegebenes Hochtemperatur-Kältemittel einen Bypasskanalabschnitt und einen von demselben abzweigenden Kanalabschnitt durchströmt, so dass das Heißgas-Kältemittel in beide Verdampfer eingeleitet wird und dabei dieselben entfrostet.
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Die
US 2014/0020415 A1 beschreibt ein Verfahren zum Betreiben einer Vorrichtung zur Wärmeverteilung in einem Hybridfahrzeug. Diese Vorrichtung weist einen Motorkühlkreislauf und einen für einen kombinierten Betrieb im Kälteanlagen- und Wärmepumpenmodus sowie für einen Nachheizmodus ausgebildeten Kältemittelkreislauf mit einem Verdampfer, einem Verdichter, einem Wärmeübertrager zur Wärmezufuhr vom Kältemittel an die zu konditionierende Luft für einen Fahrzeuginnenraum sowie mit einem Wärmeübertrager zur Wärmeübertragung zwischen dem Kältemittel des Kältemittelkreislaufes und dem Kühlmittel des Motorkühlkreislaufes auf. Dieser Wärmeübertrager ist einerseits als Wärmepumpen-Verdampfer zur Wärmeübertragung vom Kühlmittel auf das Kältemittel und andererseits als Kondensator zur Wärmeübertragung vom Kältemittel an das Kühlmittel betreibbar. Im Wärmepumpenmodus wird das Kältemittel nach dem Durchströmen eines die Wärmeenergie der Brennkraftmaschine oder der Umgebungsluft aufnehmenden Wärmetauschers über eine Bypass-Leitung an dem Verdampfer und einem inneren Wärmeübertrager vorbei zu dem Verdichter des Kältemittelkreislaufs geleitet. Wird im Wärmepumpenmodus die Brennkraftmaschine als Wärmequelle verwendet, wird der aus der Umgebungsluft Wärmeenergie aufnehmende Wärmeübertrager des Kühlmittelkreislaufs mittels einer Bypass-Leitung überbrückt, so dass keine Wärmeenergie aus der Umgebungsluft aufgenommen werden kann.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren zum Betreiben einer Kälteanlage für ein Fahrzeug mit einem eine Wärmepumpenfunktion aufweisenden Kältemittelkreislauf anzugeben, mit welchem hinsichtlich eines Abtaubetriebs ein verbesserter und insbesondere effizienter Betrieb realisierbar ist.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1.
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Bei diesem Verfahren zum Betreiben einer Kälteanlage für ein Fahrzeug mit einem eine Wärmepumpenfunktion aufweisenden Kältemittelkreislauf mit folgende Komponenten:
- - einem Kältemittelverdichter mit einem Hochdruckausgang und einer Eintrittsseite,
- - einem äußeren Wärmeübertrager, welcher entweder zur Durchführung eines Kälteanlagenbetriebs als Kondensator oder Gaskühler oder zur Durchführung eines Wärmepumpenbetriebs als Wärmepumpen-Verdampfer mittels eines Wärmepumpen-Expansionsorgans betreibbar ist und mit dem Hochdruckausgang des Kältemittelverdichters mittels eines Absperrorgans direkt verbindbar ist,
- - einem Verdampferzweig mit einem Verdampfer und einem Verdampfer-Expansionsorgan, wobei der Verdampferzweig niederdruckseitig mit der Eintrittsseite des Kältemittelverdichters und hochdruckseitig mit dem äußeren Wärmeübertrager verbindbar ist, und
- - einem Heizzweig mit einem einen Zuluftstrom für den Fahrzeuginnenraum direkt oder indirekt erwärmenden Heizkondensator oder Heizgaskühler, wobei der Heizzweig zur Durchführung eines Wärmepumpenbetriebs stromaufwärts mit dem Hochdruckausgang des Kältemittelverdichters mittels eines Absperrorgans direkt und stromabwärts mit dem Wärmepumpen-Expansionsorgan verbindbar ist,
und wobei zum Abtauen des äußeren Wärmeübertragers nach einem Wärmepumpenbetrieb
- - der äußere Wärmeübertrager mit dem Heizkondensator oder Heizgaskühler auf dem von dem Kältemittelverdichter erzeugten Hochdruckniveau oder auf einem gegenüber dem Hochdruck niedrigeren Mitteldruck seriell verbunden wird,
- - das mittels des Kältemittelverdichters erwärmte Kältemittel zunächst am Heizkondensator oder Heizgaskühler vorgekühlt und anschließend die im Kältemittel verbleibende Restwärme im äußeren Wärmeübertrager abgegeben wird, und
- - das aus dem äußeren Wärmeübertrager austretende Kältemittel mittels eines Abtau-Expansionsorgans auf einen Niederdruck entspannt und dem Kältemittelverdichter eintrittsseitig zugeführt wird.
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Bei diesem Verfahren bleibt der Heizkondensator oder Heizgaskühler bei einem Wechsel von einem Luft-Wärmepumpenbetrieb in den Abtaubetrieb aktiv, so dass weiterhin ein Teilwärmestrom auf den in das Fahrzeuginnere geführten Zuluftstrom übertragen wird. Der zu enteisende äußere Wärmeübertrager wird mit moderat temperierter Abwärme des bspw. aus dem Heizregister austretenden Kältemittels beaufschlagt und damit eine Fortsetzung des Heizbetrieb über den Kältemittelkreislauf gesichert. Außerdem tritt keine hohe Temperatur-Beanspruchung des äußeren Wärmeübertragers auf im Gegensatz zur dessen direkter Beaufschlagung mit Heißgas aus dem Kältemittelverdichter, was letztlich auch eine Umschaltung der Kältemittelströmungsrichtung zur Folge haben kann.
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Ein Abtaubetrieb wird dann durchgeführt, wenn die Heizleistung aufgrund eines sinkenden Verdampfungspotenzials an dem äußeren Wärmeübertrager sinkt. Dieser Zustand kann anhand verschiedener Größen, wie bspw. der aufgenommenen Verdichterleistung und/oder des Hochdrucks am Austritt des Kältemittelverdichters detektiert werden.
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Nach einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird
- - das Abtau-Expansionsorgan in einem Abtau-Zweig angeordnet, mit welchem der äußere Wärmeübertrager mit der Eintrittsseite des Kältemittelverdichters zur Durchführung des Abtaubetriebs verbunden wird,
- - zur Durchführung des Abtaubetriebs der äußere Wärmeübertrager mit dem Heizkondensator oder Heizgaskühler über das Wärmepumpen-Expansionsorgan verbunden, wobei das Wärmepumpen-Expansionsorgan entweder in einen geöffneten Zustand gesteuert oder derart gesteuert wird, dass der äußere Wärmeübertrager auf einem gegenüber dem Hochdruck niedrigeren Mitteldruck arbeitet , und
- - mittels des Abtau-Expansionsorgans das Kältemittel auf Niederdruck entspannt.
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Bei diesem erfindungsgemäßen Verfahren arbeiten der Abtauprozess und die daran gekoppelte und fortgesetzte Innenraumklimatisierung auf der Basis eines Dreiecksprozesses. Dabei wird auf keine zusätzliche Wärmequelle, außer auf die von der verdichterseitig eingebrachten Wärme, zurückgegriffen.
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Ferner bleibt bei diesem erfindungsgemäßen Verfahren bei einem Wechsel vom Wärmepumpenbetrieb in den Abtaubetrieb der Hauptströmungsweg des Kältemittels unverändert, wobei lediglich die Öffnungsquerschnitte von Expansionsorganen verändert werden müssen. Hierbei wird das Wärmepumpen-Expansionsorgan vollständig geöffnet. Es ist auch möglich das Kältemittel mit diesem Wärmepumpen-Expansionsorgan nur geringfügig anzudrosseln, damit der äußere Wärmeübertrager auf einem niedrigeren Druckniveau, einem sogenannten Mitteldruckniveau, auch Zwischendruckniveau genannt, und damit auf einem Temperaturniveau betrieben wird, bei welchem ein Temperaturschockrisiko stark vermindert wird und bei welchem das Kältemittel den Wärmeübertrager mit einem über dem Gefrierpunkt von Wasser liegenden Temperaturniveau durchströmt.
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Nach einer anderen vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass
- - der Kältemittelkreislauf mit einem einen Chiller und ein Chiller-Expansionsorgan aufweisenden Chillerzweig ausgebildet wird, welcher parallel mit dem Verdampferzweig verbindbar ist,
- - zur Durchführung eines Reheat-Betriebs mittels eines ein Reheat-Expansionsorgan aufweisenden Reheat-Zweiges der Heizkondensator oder Heizgaskühler stromabwärts mit dem äußeren Wärmeübertrager verbunden wird,
- - zur Durchführung des Abtaubetriebs der Reheat-Betrieb durchgeführt wird, wobei das Reheat-Expansionsorgan entweder in einen geöffneten Zustand gesteuert oder derart gesteuert wird, dass der äußere Wärmeübertrager auf einem gegenüber dem Hochdruck niedrigeren Mitteldruck arbeitet, und
- - mittels des Chiller-Expansionsorgans als Abtau-Expansionsorgan das Kältemittel auf Niederdruck entspannt wird.
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Vorzugsweise wird bei geöffnetem Reheat-Expansionsorgan im äußeren Wärmeübertrager ein identisches Druckniveau wie im Heizkondensator oder Heizgaskühler eingestellt oder bei angedrosseltem Reheat-Expansionsorgan eine dritte Drucklage zwischen der Hochdrucklage im Heizkondensator oder Heizgaskühler und der Niederdrucklage im Chiller eingestellt.
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Bei dieser erfindungsgemäßen Weiterbildung der Erfindung wird das Kältemittel aus dem Heizkondensator oder Heizgaskühler über einen Reheat Zweig mit einem Reheat-Expansionsorgan dem äußeren Wärmeübertrager zugeführt und das aus dem äußeren Wärmeübertrager austretende Kältemittel dem Chillerzweig vor einer Rückführung auf die Eintrittsseite des Kältemittelverdichters zugeführt. Dabei übernimmt das Chiller-Expansionsorgan die Druckabsenkung auf Niederdruck bei stehendem Kühlmittelkreislauf des Chillers. Es ist auch möglich, diesen Abtaubetrieb als Kreisprozess mit strömenden Kühlmittel im Chiller durchzuführen, so dass damit eine weitere Wärmequelle zum Abtauen aktiviert wird, wodurch eventuell eine elektrische Zusatzleistung nicht mehr erforderlich oder reduziert wird.
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Ferner arbeiten bei diesem Abtauprozess und die daran gekoppelt und fortgesetzte Innenraumklimatisierung entweder in einem Dreiecksprozesses, bei welchem auf keine zusätzliche Wärmequelle außer der verdichterseitig eingebrachten Wärme zurückgegriffen wird, oder alternativ auf Basis eines Kreisprozesses mit eines mittels des Chillers realisierten Wasserwärmepumpenprozesses. Dabei wird neben der verdichterseitig eingebrachten Wärme, auch auf die im Kühlmedium des Chillers gebundene Wärme zurückgegriffen.
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Da der äußere Wärmeübertrager in der gleichen Richtung wie im Kälteanlagenbetrieb durchströmt wird, treten nur geringe Strömungs- und Druckverluste auf.
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Nach einer besonders vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird
- - der äußere Wärmeübertrager zur Durchströmung mit Außenluft mit einer steuerbaren Anordnung ausgebildet, wobei mittels dieser Anordnung zumindest ein Teil der Oberfläche des äußeren Wärmeübertragers für die Luftdurchströmung verschließbar ist, und
- - zur Durchführung des Abtaubetriebs die Anordnung vollständig verschlossen.
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Mit einer solchen Anordnung, bspw. einer Luftklappenanordnung oder einer Jalousieanordnung wird verhindert, dass bei einem kalten Luftstrom der Abtauprozess bei einer entsprechend erforderlichen und Hoch- oder Mitteldrucklage sich tatsächlich einstellt, nicht unmittelbar wieder die Vereisung beginnt oder der Abtauprozess verlängert wird. Insbesondere für den Anlauf des Abtauprozesses muss gewährleistet sein, dass sich ein Kondensationsdruck im äußeren Wärmeübertrager einstellt, dessen korrespondierende Kondensationstemperaturen mindestens 1°C beträgt und damit knapp über dem Gefrierpunkt von Wasser mit 0°C zu liegen kommt, um die Reif- und Eisschicht tatsächlich zum Auflösen b zu bringen.
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Nach einer weiteren bevorzugten Weiterbildung der Erfindung wird der Abtaubetrieb beendet, wenn die Austrittstemperatur des aus dem äußeren Wärmeübertrager austretenden Kältemittels einen vorgegebenen positiven Temperaturschwellwert erreicht, welcher bspw. 3 °C ist. Dabei sollte sich diese Austrittstemperatur dauerhafter stabil auf den Wert von bspw. 3 °C einstellen.
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Besonders vorteilhaft ist es ferner, wenn weiterbildungsgemäß zur Durchführung des Abtaubetriebs der Druckwert im äußeren Wärmeübertrager mittels des Luftwärmepumpen- oder Reheat-Expansionsorgans im Zusammenwirken mit dem Abtau-Expansionsorgan oder dem Chiller-Expansionsorgan einen Kondensationsdruck eingestellt wird, welches einer Kondensationstemperatur von größer als 0 °C entspricht.
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Des Weiteren ist es besonders vorteilhaft, wenn zur Einstellung und Überwachung des Mitteldrucks für den AC- und Wärmepumpenzweig mit dem äußeren Wärmeübertrager und dem Abtau-Expansionsorgan ein Druck-Temperatursensor eingesetzt wird, um ein Kondensationsdruckniveau im Kältemittel oberhalb des Gefrierpunktes von Wasser mit 0 °C zu erwirken. Hierbei können anstelle eines Kombisensors aus einem Druck- und Temperatursensor auch Einzelsensoren eingesetzt werden.
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In entsprechender Weise ist es auch besonders vorteilhaft, wenn zur Einstellungsüberwachung des Mitteldrucks für den Reheat-Zweig mit dem äußeren Wärmeübertrager bis zum Chiller-Expansionsorgan als Abtau-Expansionsorgan eine Druck-Temperatursensor eingesetzt wird, um ein Kondensation Druckniveau im Kältemittel oberhalb des Gefrierpunkt von Wasser mit 0 °C zu erwirken. Hierbei können anstelle eines Kombisensors aus einem Druck- und Temperatursensor auch Einzelsensoren eingesetzt werden.
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Sollte es während des Abtauvorgangs, trotz aktivem Wärmepumpensystems, zu Komforteinbußen in der Innenraumklimatisierung kommen, so kann ein elektrisches Heizelement eingesetzt werden, um ein Heizdefizit zu decken.
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Schließlich ist es nach einer besonders bevorzugten Weiterbildung vorteilhaft, wenn nach einer Beendigung des Abtaubetriebs mittels einer dem äußeren Wärmetauscher zugeordneten Lüfteranordnung das an dem äußeren Wärmetauscher erzeugte flüssige Kondensat ausgetrieben wird.
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Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen sowie anhand der Zeichnungen. Dabei zeigen:
- 1 ein Schaltbild einer Kälteanlage zur Erläuterung eines ersten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens, und
- 2 ein Schaltbild einer Kälteanlage zur Erläuterung eines zweiten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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Vor der Erläuterung der Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Verfahrens anhand der Kälteanlagen 10 gemäß den 1 und 2 werden diese zunächst aufgrund derer gleichen Grundstruktur gemeinsam beschrieben.
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Der Kältemittelkreislauf 1 der Kälteanlage 10 gemäß 1 und 2 kann sowohl in einem Kälteanlagen- oder Kühlbetrieb (kurz AC-Betrieb genannt) und in einem Wärmepumpenmodus betrieben werden und weist zwei Verdampfer auf, nämlich einen Verdampfer 2 und einen Chiller 3, welcher mit einem Kühlmittelkreislauf 3.0 zur Kühlung, bspw. einer Hochvoltbatterie thermisch gekoppelt ist.
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Der Kältemittelkreislauf 1 gemäß 1 und 2 besteht aus folgenden Komponenten:
- - einem Kältemittelverdichter 4,
- - einem als Kondensator oder Gaskühler ausgebildeten äußeren Wärmeübertrager 5 mit einem demselben in seiner Funktion als Wärmepumpenverdampfer für den Heizbetrieb zugeordneten Wärmepumpen-Expansionsorgan AE3,
- - einem inneren Wärmeübertrager 6,
- - einem niederdruckseitigen Akkumulator 7,
- - einem Innenraum-Verdampferzweig 2.1 mit dem als Frontverdampfer ausgebildeten Verdampfer 2 und einem vorgeschalteten Verdampfer-Expansionsorgan AE2,
- - einem dem Verdampfer 2 nachgeschalteten Rückschlagventil R1, welches über den Akkumulator 7 und den niederdruckseitigen Abschnitt des inneren Wärmeübertragers 6 mit der Eintrittsseite des Kältemittelverdichters 4 fluidverbunden ist,
- - einem Chiller-Zweig 3.1 mit dem Chiller 3, einem diesem vorgeschalteten Chiller-Expansionsorgan AE1, wobei der Chiller 3 neben der Kühlung bspw. einer elektrischen Komponente des Fahrzeugs auch zur Realisierung einer Wasser-Wärmepumpenfunktion unter Nutzung der Abwärme mindestens einer elektrischen Komponente eingesetzt wird,
- - einem AC- und Wärmepumpenzweig 5.1 mit dem äußeren Wärmeübertrager 5 und dem Wärmepumpen-Expansionsorgan AE3, wobei im Heizbetrieb der AC- und Wärmepumpenzweig 5.1 stromaufwärts über das Wärmepumpen-Expansionsorgan AE3 mit dem Innenraum-Verdampferzweig 2.1 unter Bildung eines ersten Abzweigpunktes Ab1 fluidverbindbar ist und stromabwärts über ein Abtau-Expansionsorgan AE5 gemäß 1 oder über ein Absperrorgan A2 gemäß 2 mit der Eintrittsseite des Kältemittelverdichters 4 fluidverbindbar ist, während im AC-Betrieb der AC- und Wärmepumpenzweig 5.1 stromaufwärts über ein Absperrorgan A4 mit dem Hochdruckausgang des Kältemittelverdichters 4 fluidverbindbar ist, - einem Heizzweig 8.1 mit einem einen Zuluftstrom L für den Fahrzeuginnenraum direkt oder indirekt erwärmenden Heizkondensator 8 oder Heizgaskühler 8, wobei der Heizzweig 8.1 stromaufwärts über ein Absperrorgan A3 mit dem Hochdruckausgang des Kältemittelverdichters 4 fluidverbindbar ist und stromabwärts über ein Absperrorgan A1 mit dem ersten Abzweigpunkt Ab1 und damit mit dem Innenraum-Verdampferzweig 2.1 fluidverbindbar ist,
- - einem Reheat-Zweig 5.2 mit einem als Expansionsventil ausgebildeten Reheat-Expansionsorgan AE4, wobei der Reheat-Zweig 5.2 stromabwärts mit dem äußeren Wärmeübertrager 5 unter Bildung eines zweiten Abzweigpunktes Ab2 und stromaufwärts mit dem Heizkondensator 8 oder Heizgaskühler 8 fluidverbunden ist,
- - einem Abtau-Zweig 5.4 mit einem absperrbaren Abtau-Expansionsorgan AE5 und einem Rückschlagventil R2 gemäß 1, wobei der Abtau-Zweig 5.4 stromaufwärts über den zweiten Abzweigpunkt Ab2 mit dem äußeren Wärmeübertrager 5 und stromabwärts mit dem Akkumulator 7 fluidverbindbar ist,
- - einem Wärmepumpenrückführzweig 5.4 mit einem Absperrorgan A2 und einem Rückschlagventil R2 gemäß 2, wobei der Wärmepumpenrückführzweig 5.4 stromaufwärts über den zweiten Abzweigpunkt Ab2 mit dem äußeren Wärmeübertrager 5 und stromabwärts mit dem Akkumulator 7 fluidverbindbar ist,
- - einem Absaugzweig 5.5 mit einem Absperrorgan A5, wobei der Absaugzweig 5.5 stromaufwärts mit dem Heizkondensator 8 oder Heizgaskühler 8 und stromabwärts über einen dritten Abzweigpunkt Ab3 mit dem Abtau-Expansionsorgan AE5 (vgl. 1) bzw. mit dem Absperrorgan A2 (vgl. 2) und dem Rückschlagventil R2 des Abtau-Zweiges 5.3 (vgl. 1) bzw. des Wärmepumpenrückführzweiges 5.4 (vgl. 2) fluidverbunden ist, und
- - einem bspw. als Hochvolt-PTC-Heizelement ausgeführten elektrischen Heizelement 9 als Zuheizer für einen in den Fahrzeuginnenraum geführten Zuluftstrom L, welches sich zusammen mit dem Heizkondensators 8 oder Heizgaskühler 8 und dem Verdampfer 2 in einem Klimagerät 1.1 befindet und dem Heizkondensators 8 oder Heizgaskühler 8 und damit auch dem Verdampfer 2 luftseitig nachgeschaltet ist.
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Als Sensoren sind in dem Kältemittelkreislaufs 1 gemäß 1 und 2 zur Steuerung und Regelung des Systems mehrere Druck-Temperatursensoren vorgesehen.
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So ist dem Kältemittelverdichter 4 ein erster Druck-Temperatursensor pT1 am Hochdruckausgang zugeordnet, ferner ein zweiter Druck-Temperatursensor pT2 am Ausgang des Akkumulators 7, ein dritter Druck-Temperatursensor pT3 am Ausgang des äußeren Wärmeübertragers 5, ein vierter Druck-Temperatursensor pT4 am Ausgang des Heizkondensators 8 oder Heizgaskühlers 8 und schließlich ein fünfter Druck-Temperatursensor pT5 am niederdruckseitigen Ausgang des Chillers 3 angeordnet.
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Mit den beiden Absperrorganen A3 und A4 gemäß den 1 und 2 wird der Kältemittelstrom ausgehend von der Hochdruckseite des Kältemittelverdichters 4 in Abhängigkeit des Zustandes dieser beiden Absperrorgane entweder bei offenem Absperrorgan A4 und gesperrtem Absperrorgan A3 für den AC-Modus in den äußeren Wärmeübertrager 5 geleitet oder strömt für den Heiz- oder Reheat-Modus bei offenem Absperrorgan A3 und geschlossenem Absperrorgan A4 in den Heizzweig 8.1.
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Im Folgenden soll der Heizbetrieb des Kältemittelkreislaufs 1 nach 1 beschrieben werden.
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Im Heizbetrieb des Kältemittelkreislaufs 1 wird unter Einsatz des äußeren Wärmeübertragers 5 als Wärmepumpenverdampfer zur Realisierung einer LuftWärmepumpe oder unter Einsatz des Chillers 3 zur Realisierung einer Wasser-Wärmepumpe das Absperrorgan A4 geschlossen und das Absperrorgan A3 geöffnet, so dass heißes Kältemittel, wie bspw. R744 in den Heizzweig 8.1 strömen kann. Darüber hinaus ist auch ein kombinierter Betrieb zwischen Wasser- und Luftwärmepumpe darstellbar.
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Zur Durchführung der Heizfunktion mittels des äußeren Wärmeübertragers 5 als Wärmepumpenverdampfer strömt das mittels des Kältemittelverdichters 4 verdichtete Kältemittel über das geöffnete Absperrorgan A3 zur Abgabe von Wärme an den in den Fahrgastinnenraum geführten Zuluftstrom L in den Heizkondensator 8 oder Heizgaskühler 8 und wird anschließend über das geöffnete Absperrorgan A1 mittels des Wärmepumpen-Expansionsorgans AE3 in den äußeren Wärmeübertrager 5 zur Aufnahme von Wärme aus der Umgebungsluft entspannt und strömt anschließend über den Abtau-Zweig 5.4 bei vollständig geöffnetem Abtau-Expansionsorgan AE5 zurück zum Kältemittelverdichter 4. Die Expansionsorgane AE1, AE2 und AE4 bleiben dabei geschlossen, ebenso wie das Absperrorgan A5.
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Bei diesem Luft-Wärmepumpenbetrieb mittels des äußeren Wärmeübertragers 5 wird dem über diesen äußeren Wärmeübertrager 5 geführten Luftstrom L1 Wärme entzogen und auf das Kältemittel übertragen und dabei die Oberfläche des äußeren Wärmetauschers abgekühlt. Durch dieses Abkühlen des äußeren Wärmetauschers kann es aufgrund einer unterhalb der Umgebungstemperatur sich einstellenden Verdampfungstemperatur zu einer Bereifung und Vereisung des Wärmetauschers 5 kommen, indem sich aus der Umgebung Kondensat auf der Oberfläche des äußeren Wärmeübertragers 5 abscheidet.
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Bei einer für den Komfort im Fahrzeuginnenraum relevanten Bereifung der Oberfläche des äußeren Wärmeübertrager 5 mit sinkendem Potenzial zur Verdampfung von Kältemittel und damit sinkender Heizleistung, detektierbar über einen sinkenden Verdichterfördervolumenstrom, d. h. verminderter Leistungsaufnahme des Kältemittelverdichters 4 und/oder über den sinkenden Hochdruck des Kältemittels am Austritt des Kältemittelverdichters 4, wird der Luft-Wärmepumpenbetrieb unterbrochen und ein Abtaubetrieb eingeleitet.
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Um ein Voranschreiten der Vereisung am äußeren Wärmeübertrager 5 und ein zu starkes Auskühlen des den äußeren Wärmeübertragers 5 durchströmenden Kältemittels zu verhindern, wird während des Abtaubetriebs mittels einer steuerbaren Anordnung 5.6 eine Luftzufuhr zum äußeren Wärmeübertrager 5 verhindert. Eine solche Anordnung 5.6 ist als steuerbare Luftklappenanordnung oder als steuerbare Jalousieanordnung ausgeführt und kann vollständig verschlossen werden. So wird während des Abtaubetriebs die Luftklappenanordnung bzw. Jalousieanordnung vollständig geschlossen.
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Zur Durchführung eines solchen Abtaubetriebs wird daher zunächst - falls es die fahrzeugseitigen Randbedingen erlauben - mittels der Anordnung 5.6 der Luftstrom L1 zum äußeren Wärmeübertrager 5 als Teil des Kühlerpakets unterbrochen und das Wärmepumpen-Expansionsorgan AE3 vollständig geöffnet, wodurch sowohl der Heizkondensator 8 oder Heizgaskühler 8 als auch der äußere Wärmeübertrager 5 auf gleichem von dem Kältemittelverdichter 4 erzeugten Hochdruckniveau betrieben werden, wobei der Kältemittelverdichter 4 als einzige Wärmequelle für diesen Abtaubetrieb verwendet wird. Hierbei sind der Heizkondensator 8 oder Heizgaskühler 8 und der äußere Wärmeübertrager 5 seriell bezüglich des Kältemittels verschaltet und werden als Wärmesenken betrieben, so dass das mittels des Kältemittelverdichters 4 erwärmte Kältemittel zunächst am Heizkondensator 8 oder Heizgaskühler 8 vorgekühlt wird, um anschließend die im Kältemittel verbleibende Restwärme im äußeren Wärmeübertrager 5 abzugeben, um damit ein Abtauen der Bereifung oder Vereisung der Oberfläche des äußeren Wärmeübertragers 5 zu bewirken.
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Das aus dem äußeren Wärmeübertrager 5 austretende Kältemittel tritt über den Abzweigpunkt Ab2 in den Abtau-Zweig 5.4 ein, in welchem das Kältemittel mittels des Abtau-Expansionsorgans AE5 auf Niederdruck entspannt wird. Anschließend wird das Kältemittel über das Rückschlagventil R2, den Akkumulator 7 und den Niederdruckabschnitt des inneren Wärmeübertragers 6 zur Eintrittsseite des Kältemittelverdichters 4 zurückgeführt.
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Falls bei diesem Abtaubetrieb der Heizkondensator 8 oder Heizgaskühler 8 keine Wärme abgibt oder sich dessen Hochdruckniveau und damit dessen Temperaturniveau zu stark reduziert, d.h. bspw. je nach verwendetem Kältemittel um einen Mindestbetrag von größer 5bar (chemisches Kältemittel) bzw. 10bar (R744), kann das Wärmepumpen-Expansionsorgan AE3 auch schrittweise angedrosselt werden, wodurch der äußere Wärmeübertrager 5 auf einem niedrigen Druckniveau, nämlich auf einem Mitteldruckniveau im Vergleich zum Druckniveau des Heizkondensators 8 oder Heizgaskühlers 8 und damit auf einem Temperaturniveau betrieben wird, bei welchem ein Temperaturschock unterbleibt, wie es ansonsten der Fall wäre, wenn die vom Kältemittelverdichter 4 erzeugte Wärme vollständig und direkt über das geöffnete Absperrorgan A4 an dem äußeren Wärmeübertrager 5 aufschlagen würde.
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Zur Durchführung des Abtaubetriebs wird der Hochdruck oder der Mitteldruck im äußeren Wärmeübertrager 5 mittels des Abtau-Expansionsorgans AE5 auf einen Kondensationsdruck eingestellt, welcher einer Kondensationstemperatur von größer als 0 °C, bspw. 5°C entspricht. Damit wird sichergestellt, dass eine ausreichende Temperaturdifferenz zwischen dem Kältemittel und der bereiften Oberfläche erreicht wird, so dass ein schnelles Enteisen und Abtauen ermöglicht wird.
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Bei diesem Abtaubetrieb kann der Kältemittelverdichter 5 auf einen maximalen Kältemittel-Volumenstrom gesteuert werden, um damit eine maximale Wärmemenge für den Abtaubetrieb zur Verfügung zu stellen. Hierbei ist der Kältemittelverdichter 4 als mechanischer oder als elektrischer Verdichter ausgeführt.
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Während des Abtaubetriebs kann ein auftretendes Heizdefizit für den Fahrzeuginnenraum, beispielsweise durch Zuschalten des elektrischen Heizelementes 9 ausgeglichen werden, wodurch der Zuluftstrom L zusätzlich erwärmt wird.
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Der Abtaubetrieb wird beendet, wenn die mit einem Temperatursensor T erfasste Austrittstemperatur am Austritt des äußeren Wärmeübertragers 5 dauerhaft und stabil einen positiven Temperaturschwellwert erreicht, bspw. 3°C.
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Weiter kann der mittels des dritten Druck-Temperatursensors pT3 gemessene Druckwert als Bezugsgröße für das am äußeren Wärmeübertrager 5 erfasste und anliegende Kondensationsdruckniveau herangezogen werden. Werden beide Werte in einem weiteren Schritt direkt zueinander in Bezug gesetzt, so kann sichergestellt werden, dass das den äußeren Wärmeübertrager 5 durchströmende Kältemittel im gesamten Bauteil entweder keine Überhitzung aufweist oder im Fall von Überhitzung, dass das Kältemittel durchgängig und ganzflächig im äußeren Wärmeübertrager 5 zur Sicherstellung einer ganzflächigen Abtauung ein höheres Temperaturniveau aufweist als der Gefrierpunkt von Wasser mit einer Temperatur von 0°C.
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Nach Beendigung des Abtaubetriebs kann mittels Aktivierung einer dem äußeren Wärmetauscher zugeordneten Lüfteranordnung (in 1 nicht dargestellt) das an dem äußeren Wärmetauscher 5 erzeugte flüssige Kondensat ausgetrieben werden. Mit diesem Vorgang der Trocknung durch ein Austreiben des Kondensats wird ein kurzfristiges und erneutes Vereisen an dem äußeren Wärmeübertrager 5 verhindert.
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Mit der Beendigung des Abtaubetriebs kann, nach zuvor erfolgter Öffnung der Anordnung 5.6, wieder zum Luft-Wärmepumpenbetrieb mittels des äußeren Wärmeübertragers 5 zurückgekehrt werden, indem die entsprechenden Arbeitspunkte wieder eingestellt werden, d. h. das Abtau-Expansionsorgan AE5 wird vollständig geöffnet und das Wärmepumpen-Expansionsorgan AE3 wird wieder auf die entsprechende Expansionsfunktion eingestellt. Gegebenenfalls wird auch das elektrische Heizelement 9 abgeschaltet oder dessen Heizleistung reduziert.
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Wenn Abwärme in dem Kühlmittelkreislauf 3.0 vorhanden ist, kann der Abtaubetrieb über den AC- und Wärmepumpenzweig 5.1 und den Abtau-Zweig 5.4 auch derart durchgeführt werden, dass der Kältemittelstrom nach dem Durchströmen des Heizkondensators 8 oder Heizgaskühlers 8 und des offenen Absperrorgans A1 in einen über das Wärmepumpen-Expansionsorgan AE3 und den äußeren Wärmeübertrager 5 strömenden Teilstrom und einen in den Chillerzweig 3.1 strömenden Teilstrom aufgeteilt wird, wobei mit diesem zuletzt genannten Teilstrom ein Wasser-Wärmepumpenbetrieb durchgeführt wird, indem das Kältemittel dieses Teilstroms mittels des Chiller-Expansionsorgans AE1 in den Chiller 3 entspannt wird. Damit wird zusätzlich das Heizen des Zuluftstroms L und das Abtauen des äußeren Wärmeübertragers 5 unterstützt. Bei diesem Abtaubetrieb werden der äußere Wärmeübertrager 5 und der Chiller 3 parallel mit Kältemittel durchströmt.
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Im Folgenden wird ein Heizbetrieb mittels des Chillers 3 als Wärmequelle beschrieben.
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Zur Durchführung der Heizfunktion mittels des Chillers 3 strömt das mittels des Kältemittelverdichters 4 verdichtete Kältemittel über das geöffnete Absperrorgan A3 zur Abgabe von Wärme an einen in den Fahrzeuginnenraum geführten Zuluftstrom L in den Heizkondensator 8 oder Heizgaskühler 8 und wird anschließend über das geöffnete Absperrorgan A1 und den ersten Abzweigpunkt Ab1 mittels des Chiller-Expansionsorgans AE1 in den Chiller 3 zur Aufnahme von Abwärme der in dem Kühlmittelkreislauf 3.0 angeordneten elektrischen und/oder elektronischen Komponenten entspannt. Bei dieser Heizfunktion sind die Expansionsorgane AE3 und AE4 sowie das Absperrorgan A5 geschlossen und das Absperrorgan A2 vollständig geöffnet, wobei im Wasser-Wärmepumpenbetrieb ausgelagertes Kältemittel über das Absperrorgan A2 aus dem AC- und Wärmepumpenzweig 5.1 abgesaugt und über das Rückschlagventil R2 dem Akkumulator 7 zugeführt wird.
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Eine indirekte Dreiecksschaltung wird dadurch realisiert, dass bei geöffnetem Absperrorgan A1 das von dem Kältemittelverdichter 4 verdichtete Kältemittel mittels des Chiller-Expansionsorgans AE1 in den Chiller 3 entspannt wird, wobei gleichzeitig kühlmittelseitig, also in dem Kühlmittelkreislauf 3.0 kein Massenstrom erzeugt wird, also bspw. das als Kühlmittel verwendete Wasser auf der Kühlmittelseite des Chillers 3 stehen bleibt bzw. der Chiller 3 nicht aktiv von Kühlmittel durchströmt wird. Die Expansionsorgane AE2, AE3 und AE4 bleiben bei dieser Schaltvariante geschlossen.
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Bei einem Reheat-Betrieb wird der in den Fahrzeuginnenraum zugeführte Zuluftstrom L mittels des Verdampfers 2 zunächst gekühlt und damit entfeuchtet, um anschließend mit der dem Zuluftstrom L entzogenen Wärme sowie der dem Kältemittel über den Kältemittelverdichter 4 zugeführten Wärme mittels des Heizkondensators 8 oder des Heizgaskühlers 8 den Zuluftstrom L zumindest teilweise wieder zu erwärmen.
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Ein Reheat-Betrieb des Kältemittelkreislaufs 1.1 wird in Abhängigkeit der Wärmebilanz auf unterschiedliche Weise durchgeführt.
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So wird bei ausreichender Heizleistung im Kältemittelkreislauf 1 nur der Verdampfer 2 mit Kältemittel durchströmt, indem der Heizkondensator 8 oder Heizgaskühler 8 stromabwärtsseitig mittels des geöffneten Absperrorgans A1 über das Verdampfer-Expansionsorgan AE2 mit dem Verdampfer 2 fluidverbunden wird, wobei das Chiller-Expansionsorgans AE1 gesperrt ist. Aus dem Verdampfer 2 strömt das Kältemittel über das Rückschlagventil R1, den Akkumulator 7 und den inneren Wärmeübertrager 6 wieder zurück zum Kältemittelverdichter 4, wobei die im Verdampfer 2 aufgenommene Wärme gemeinsam mit dem über den Kältemittelverdichter 4 eingetragenen Wärmestrom über den Heizkondensator 8 oder Heizgaskühler 8 wieder an den in das Fahrzeuginnere geführten Zuluftstrom L abgegeben wird. Die Expansionsorgane AE1, bei AE3 und AE4 sind hierbei vollständig geschlossen.
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Bei einem Wärmemangel im Kältemittelkreislauf 1.1 wird zur erweiterten Wärmeaufnahme zusätzlich zum Verdampfer 2 auch der Chiller 3 durch gezieltes und bedarfsgerechtes Öffnen des Chiller-Expansionsorgans AE1 und/oder der äußere Wärmeübertrager 5 durch ebenso gezieltes und bedarfsgerechtes Öffnen des Wärmepumpen-Expansionsorgan AE3 mit in den Nachheizprozess eingebunden.
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Bei einem Wärmeüberschuss im Reheat-Betrieb wird neben der Wärmeabgabe an den Zuluftstrom L des Fahrgastraums über den Heizkondensator 8 oder Heizgaskühler 8 zusätzlich über den äußeren Wärmeübertrager 5 Wärme an die Umgebung des Fahrzeugs abgegeben, bevor das Kältemittel über den Verdampfer 2 wieder zurück zum Kältemittelverdichter 4 strömt. Hierzu wird mittels des Reheat-Expansionsorgans AE4 des Reheat-Zweiges 5.2 das Kältemittel zur Kondensation auf einen über dem Verdampfungsdruck liegenden Zwischendruck entspannt und anschließend mittels des Verdampfer-Expansionsorgans AE2 in den Verdampfer 2 auf Niederdruck expandiert.
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Mittels dieses Reheat-Zweiges 5.2 wird ein Abtaubetrieb durchgeführt, wenn während eines Luft-Wärmepumpenbetriebs mittels des äußeren Wärmeübertragers 5 eine für den Komfort im Fahrzeuginnenraum relevante Bereifung im äußeren Wärmeübertrager 5 mit sinkendem Potenzial zur Verdampfung von Kältemittel und damit sinkende Heizleistung detektiert wird. Diese Detektion erfolgt anhand eines sinkenden Verdichterfördervolumenstromes, d. h. der aufgenommenen Leistung des Kältemittelverdichters 4 und/oder über den Verlauf, d.h. den sinkenden Hochdruck des Kältemittels am Austritt des Kältemittelverdichters 4.
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In diesem Fall wird der Luft-Wärmepumpenbetrieb unterbrochen und anschließend der Abtaubetrieb eingeleitet.
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Dieser Abtaubetrieb mittels des Reheat-Zweiges 5.2 wird anhand der Kälteanlage 10 mit dem Kältemittelkreislauf 1 gemäß 2 erläutert.
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Bei diesem Abtaubetrieb wird das von dem Kältemittelverdichter 4 erzeugte Kältemittel über das geöffnete Absperrorgan A3 dem Heizkondensator 8 oder Heizgaskühler 8 zugeführt und anschließend bei geschlossenem Absperrorgan A1 und vollständig geöffnetem Reheat-Expansionsorgans AE4 zum äußeren Wärmeübertrager 5 geleitet, wobei das Absperrorgan A2 des Wärmepumpenrückführzweiges 5.4 sowie das Absperrorgan A4 geschlossen sind.
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Damit werden sowohl der Heizkondensator 8 oder Heizgaskühler 8 als auch der äußere Wärmeübertrager 5 auf gleichem von dem Kältemittelverdichter 4 erzeugten Hochdruckniveau betrieben, wobei der Kältemittelverdichter 4 als einzige Wärmequelle für diesen Abtaubetrieb verwendet wird. Hierbei sind der Heizkondensator 8 oder Heizgaskühler 8 und der äußere Wärmeübertrager 5 seriell bezüglich des Kältemittels verschaltet und werden als Wärmesenken betrieben, so dass das mittels des Kältemittelverdichters 4 erwärmte Kältemittel zunächst am Heizkondensator 8 oder Heizgaskühler 8 vorgekühlt wird, um anschließend die im Kältemittel verbleibende Restwärme im äußeren Wärmeübertrager 5 abzugeben, um damit ein Abtauen der Bereifung oder Vereisung der Oberfläche des äußeren Wärmeübertragers 5 zu bewirken.
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Das aus dem äußeren Wärmeübertrager 5 austretende Kältemittel wird über den AC- und Wärmepumpenzweig 5.1 bei vollständig geöffnetem Wärmepumpen-Expansionsorgans AE3 dem Chiller-Zweig 3.1 zugeführt. In diesem Chiller-Zweig 3.1 wird mittels des Chiller-Expansionsorgans AE1 als Abtau-Expansionsorgan AE auf Niederdruck entspannt, bevor es über den Akkumulator 7 und den inneren Wärmeübertrager 6 zum Kältemittelverdichter 4 zurückgeführt wird. Mittels des Chiller-Expansionsorgans AE1 wird von Hochdruckniveau auf Niederdruck entspannt. Das Hochdruckniveau ist mindestens auf einen Wert von größer als 0°C, bspw. 5°C einzustellen, um weiterhin einen Zuheizeffekt für den Kabinenzuluftstrom L zu erzielen sollte dieser Wert noch deutlich höher sein. Damit wird sichergestellt, dass eine ausreichende Temperaturdifferenz zwischen Kältemittel und bereifter Oberfläche erreicht wird, die wiederum ein zügiges Enteisen und Abtauen ermöglicht.
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Dieser Abtaubetrieb kann als indirekte Dreiecksschaltung realisiert werden, bei welchem gleichzeitig kühlmittelseitig über den Chiller 3, also in dem Kühlmittelkreislauf 3.0 kein Volumenstrom erzeugt wird, also bspw. das als Kühlmittel verwendete Wasser-Glykol-Gemisch auf der Kühlmittelseite des Chillers 3 stehen bleibt bzw. der Chiller 3 nicht aktiv von Kühlmittel durchströmt wird. Alternativ kann der Abtaubetrieb auch als Kreisprozess mit aktivem Chiller 3 durchgeführt werden, bei welchem das Kühlmittel in dem Kühlmittelkreislauf 3.0 umgewälzt und gleichzeitig das ihn durchströmende Kältemittel verdampft wird. Hierbei kann zusätzliche Wärme aus dem Kühlmittelkreislauf aufgenommen werden, um damit das Heizen des Zuluftstromes L und das Abtauen des äußeren Wärmeübertragers 5 zu unterstützen.
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Bei diesem Abtaubetrieb mittels des AC-und Wärmepumpenzweiges 5.1 und des Chillerzweiges 3.1 kann der Kältemittelverdichter 4 auf einen maximalen Kältemittel-Volumenstrom bei maximal möglichem Druckverhältnis gesteuert werden, um damit eine maximale Wärmemenge für den Abtaubetrieb zur Verfügung zu stellen. Hierbei ist der Kältemittelverdichter 4 als mechanischer oder als elektrischer Verdichter ausgeführt.
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Falls bei diesem Abtaubetrieb der Heizkondensator 8 oder Heizgaskühler 8 keine Wärme abgibt, oder sich das Druckniveau im Heizregister und damit dessen Temperaturniveau zu stark reduziert, d.h. bspw. je nach verwendetem Kältemittel um einen Mindestbetrag von größer 5bar (chemisches Kältemittel) bzw. 10bar (R744), kann das Reheat-Expansionsorgan AE4 auch so weit angedrosselt werden, dass der äußere Wärmeübertrager 5 auf einem niedrigeren Druckniveau, nämlich einem Mitteldruck im Vergleich zum Druckniveau des Heizkondensators 8 oder Heizgaskühlers 8 und damit auf einem Temperaturniveau betrieben wird, bei welchem ein Temperaturschock unterbleibt, wie es ansonsten der Fall wäre, wenn die vom Kältemittelverdichter 4 erzeugte Wärme vollständig und direkt über das geöffnete Absperrorgan A4 an dem äußeren Wärmeübertrager 5 aufschlagen würde. Es gilt auch für den Fall der Mitteldruckausbildung die Voraussetzung, dass das Kondensationszwischendruckniveau und damit die Kondensationstemperatur oberhalb der 0°C Linie mittels des Abtau-Expansionsorgans AE (d. h. des Chiller-Expansionsorgans AE1) und des Reheat-Expansionsorgans AE4 einzustellen ist. Eine Überwachung der Drucklage kann über einen in dem Reheat-Zweig 5.2 vorgesehenen Druck- oder Druck-Temperatursensor realisiert werden.
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Um ein Voranschreiten der Vereisung am äußeren Wärmeübertragers 5 und ein zu starkes Auskühlen des den äußeren Wärmeübertragers 5 durchströmenden Kältemittels und ein damit verbundenes Absinken des Druckniveaus zu verhindern, wird während des Abtaubetriebs mittels einer steuerbaren Anordnung 5.6 eine Luftzufuhr zum äußeren Wärmeübertrager 5 verhindert.
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Eine solche Anordnung 5.6 ist als steuerbare Luftklappenanordnung oder als steuerbare Jalousieanordnung ausgeführt und kann vollständig verschlossen werden. So wird während des Abtaubetriebs die Luftklappenanordnung bzw. Jalousieanordnung vollständig geschlossen.
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Bei diesem mittels des AC- und Wärmepumpenzweiges 5.1 sowie des Chillerzweiges 3.1 durchgeführten Abtaubetriebs kann vorteilhafterweise der Chiller 3 als weitere Wärmequelle eingesetzt werden, um damit die Dauer des Abtaubetriebs zu verringern. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass die Strömungsrichtung des Kältemittels bei diesem Abtaubetrieb der Strömungsrichtung des Kältemittels im AC-Betrieb entspricht, wodurch Durchströmungs- und Druckverluste gering sind. Dadurch dass eine Vorkühlung des Kältemittels mittels des Heizkondensators 8 oder Heizgaskühlers 8 erfolgt, verursacht die am äußeren Wärmeübertrager 5 abgegebene Restwärme, dass an diesem kein Temperaturschock auftreten kann.
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Während des Abtaubetriebs kann ein auftretendes Heizdefizit für den Fahrzeuginnenraum, beispielsweise durch Zuschalten des elektrischen Heizelementes 9 der Zuluftstrom L erwärmt werden.
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Der Abtaubetrieb wird beendet, wenn die mit dem Druck-Temperatursensor pT3 erfasste Austrittstemperatur am Austritt des äußeren Wärmeübertragers 5 dauerhaft und stabil einen positiven Temperaturschwellwert, erreicht, bspw. 3°C.
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Weiter kann der über den dritten Druck-Temperatur-Sensor pT3 gemessene Druckwert als Bezugsgröße für das am äußeren Wärmeübertrager 5 erfasste und anliegende Kondensationsdruckniveau herangezogen werden. Werden beide Werte in einem weiteren Schritt direkt zueinander in Bezug gesetzt, so kann sichergestellt werden, dass das den äußeren Wärmeübertrager 5 durchströmende Kältemittel im gesamten Bauteil entweder keine Überhitzung aufweist bzw. im Fall von Überhitzung, dass das Kältemittel durchgängig und ganzflächig im äußeren Wärmeübertrager 5 zur Sicherstellung einer ganzflächigen Abtauung ein höheres Temperaturniveau aufweist als der Gefrierpunkt von Wasser mit einer Temperatur von 0°C .
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Nach Beendigung des Abtaubetriebs kann mittels Aktivierung einer dem äußeren Wärmetauscher 5 zugeordneten Lüfteranordnung (in 2 nicht dargestellt) das an dem äußeren Wärmetauscher 5 angesammelte flüssige Kondensat ausgetrieben werden. Mit diesem Vorgang der Trocknung durch ein Austreiben des Kondensats soll ein kurzfristiges und erneutes Vereisen an dem äußeren Wärmeübertrager 5 verhindert werden.
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Mit der Beendigung des Abtaubetriebs kann wieder zum Luft-Wärmepumpenbetrieb mittels des äußeren Wärmeübertragers 5 zurückgekehrt werden, indem nach zuvor erfolgter Öffnung der Anordnung 5.6 die entsprechenden Arbeitspunkte wieder eingestellt werden, d. h. das Absperrorgan A2 wird vollständig geöffnet und bei geöffnetem Absperrorgan A1 und geschlossenem Reheat-Expansionsorgan AE4 das Wärmepumpen-Expansionsorgan AE3 wird wieder auf die entsprechende Expansionsfunktion eingestellt. Gegebenenfalls wird auch das elektrische Heizelement 9 abgeschaltet oder dessen Heizleistung reduziert.
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Wird bei der Ausführung des Kältemittelkreislaufes 1 der Kälteanlage 10 ein Absperrorgan A2 im Wärmepumpenrückführzweig 5.4 eingesetzt, so kann der Abtauprozess bei weiter aktiven Heizkondensator 8 oder Heizgaskühler 8 vollumfänglich nur über den Reheat-Zweig 5.2 und das Reheat-Expansionsorgan AE4 erfolgen. Kommt statt dem Absperrorgan A2 ein Abtau-Expansionsorgan AE5 zum Einsatz (vgl. 1), so kann ein Abtauprozess des äußeren Wärmeübertragers 5 entweder über den Reheat-Zweig 5.2 und das Reheat-Expansionsorgan AE4 erfolgen oder alternativ über den AC- und Wärmepumpenzweig 5.1 und das ihm zugeordnete Wärmepumpen-Expansionsorgan AE3 entsprechend dem Ausführungsbeispiel nach 1.
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Es ist auch möglich, dass bei Vorhandensein von ausreichender Abwärme im Fluid des Kühlmittelkreises 3.0 nach der Beendigung des Abtaubetriebs nicht zum Luft-Wärmepumpenbetrieb zurückgewechselt wird, sondern von dem direkten oder indirekten Dreiecksprozess während des Abtaubetriebs auf einen Wasser-Wärmepumpenbetrieb umgeschaltet wird. Nach erfolgtem Abtau- und Trocknungsprozess erfolgt damit eine Fortführung der Innenraumheizung über einen reinen Wasser Wärmepumpenbetrieb.
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Der Vollständigkeit halber wird noch der AC-Betrieb des Kältemittelkreislaufs 1 der Kälteanlage 10 gemäß den 1 und 2 erläutert.
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Im AC-Betrieb ist der Heizzweig 8.1 mittels des Absperrorgans A3 abgesperrt, so dass heißes Kältemittel, wie bspw. R744, nicht durch den Heizkondensator 8 oder Heizgaskühler 8 strömen kann. Zur Rückholung von Kältemittel aus dem inaktiven Heizzweig 8.1 wird jedoch das Absperrorgan A5 des Absaugzweig 5.5 geöffnet und das Kältemittel kann über das Absperrorgan A5 und das Rückschlagventil R2, bei gleichzeitig geschlossenem Abtau-Expansionsorgan AE5 (vgl. 1) bzw. bei gleichzeitig geschlossenem Absperrorgan A2 (vgl. 2) in Richtung des Akkumulators 7 strömen.
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Im AC-Betrieb des Kältemittelkreislaufs 1 gemäß 1 und 2 strömt das auf Hochdruck verdichtete Kältemittel ausgehend von dem Kältemittelverdichter 4 bei offenem Absperrorgan A4 in den äußeren Wärmeübertrager 5, den Hochdruckabschnitt des inneren Wärmeübertragers 6, über das vollständig geöffnete Wärmepumpen-Expansionsorgan AE3 sowie des ersten Abzweigpunkt Ab1 in den Verdampferzweig 2.1 und/oder in den Chiller-Zweig 3.1. Aus dem Chiller-Zweig 3.1 strömt das Kältemittel über den Akkumulator 7 und den Niederdruckabschnitt des inneren Wärmeübertragers 6 zurück zum Kältemittelverdichter 4, während das Kältemittel aus dem Verdampferzweig 2.1 über das Rückschlagventil R1 strömt und anschließend über den Akkumulator 7 und den Niederdruckabschnitt des inneren Wärmeübertragers 6 ebenso zurück zum Kältemittelverdichter 4 fließen kann.
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Der erste Druck-Temperatursensor pT1 des Kältemittelkreislaufs 1 dient zur Bestimmung der Kältemitteltemperatur sowie des Hochdrucks des verdichteten Mediums am Austritt des Kältemittelverdichters 4. Die Überwachung dieser beiden Größen dient dazu, die maximal zulässigen mechanischen und thermischen Belastungen der Kälteanlage speziell am Austritt des Kältemittelverdichters 4 zu überwachen und ggf. durch Abregelungsmaßnahmen, eingefordert durch ein Steuergerät, bspw. einem Klimasteuergerät, den Systembetrieb zu limitieren, um die zulässigen Höchstwerte nicht zu überschreiten.
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Der zweite Druck-Temperatursensor pT2 des Kältemittelkreislaufs 1 dient, insbesondere bei Kälteanlagen mit niederdruckseitig angeordnetem Kältemittelspeicher, zur Unterfüllungserkennung, aber auch zur Einstellung und Überwachung eines geforderten Niederdrucks.
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Der an der Austrittsseite des äußeren Wärmeübertragers 5 vorgesehene dritte Druck-Temperatursensor pT3 des Kältemittelkreislaufs 1 dient primär zur Einstellung bzw. Überwachung der Systembetriebsgrößen „optimaler Hochdruck“ bei überkritischem Systembetrieb bzw. „Unterkühlung nach dem äußeren Wärmeübertrager 5“ bei unterkritischem Systembetrieb.
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In einer weiteren Funktion überwacht dieser dritte Druck-Temperatursensor pT3 das während eines Abtaubetriebs im äußeren Wärmeübertrager 5 eingestellte Mitteldruckniveau. Über Kennfelder kann je nach Position des Drucksensoranteils p3 vor oder nach dem äußeren Wärmeübertrager 5 auf die resultierende Drucklage nach oder vor dem äußeren Wärmeübertrager 5 geschlossen werden.
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Der gemäß des Kältemittelkreislaufs 1 nach 1 und 2 stromabwärts des Heizkondensators 8 oder Heizgaskühlers 8 angeordnete vierte Druck-Temperatursensor pT4 dient zur Steuerung, aber auch zur Überwachung der unterschiedlichen Betriebsmodi des Kältemittelkreislaufs 1, insbesondere im Wärmepumpenmodus bei aktiv durchströmten Heizkondensator 8 oder Heizgaskühler 8 durch ein Steuergerät bspw. ein Klimasteuergerät.
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Der fünfte Druck-Temperatursensor pT5 des Kältemittelkreislaufs 1 dient der Überwachung und Regelung des Überhitzungsgrades am Austritt des Chillers 3.
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Ergänzend sei erwähnt, dass alle Sensoren sowohl als Kombinationssensoren oder als Einzelsensoren zur Erfassungen der Zustandsgrößen des Kältemittelkreislaufs ausgeführt werden können.
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BEZUGSZEICHEN
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- 1
- Kältemittelkreislauf der Kälteanlage 10
- 1.1
- Klimagerät
- 2
- Verdampfer
- 2.1
- Innenraum-Verdampferzweig
- 3
- Chiller
- 3.0
- Kühlmittelkreislauf des Chillers 3
- 3.1
- Chillerzweig
- 4
- Kältemittelverdichter
- 5
- äußerer Wärmeübertrager
- 5.1
- AC- und Wärmepumpenzweig
- 5.2
- Reheat-Zweig
- 5.4
- Abtau-Zweig oder Wärmepumpenrückführzweig
- 5.5
- Absaugzweig
- 5.6
- Anordnung des äußeren Wärmeübertragers 5
- 6
- innerer Wärmeübertrager
- 7
- Akkumulator
- 8
- innerer Heizkondensator oder Heizgaskühler
- 8.1
- Heizzweig
- 9
- elektrisches Heizelement
- 10
- Kälteanlage
- A1
- Absperrorgan
- A2
- Absperrorgan
- A3
- Absperrorgan
- A4
- Absperrorgan
- A5
- Absperrorgan
- Ab1
- Abzweigpunkt
- Ab2
- Abzweigpunkt
- Ab3
- Abzweigpunkt
- AE
- Abtau-Expansionsorgan
- AE1
- Chiller-Expansionsorgan
- AE2
- Verdampfer-Expansionsorgan
- AE3
- Wärmepumpen-Expansionsorgan
- AE4
- Reheat-Expansionsorgan
- AE5
- Abtau-Expansionsorgan
- L
- Zuluftstrom
- L1
- Luftstrom
- pT1
- erster Druck-Temperatursensor
- pT2
- zweiter Druck-Temperatursensor
- pT3
- dritter Druck-Temperatursensor
- pT4
- vierter Druck-Temperatursensor
- pT5
- fünfter Druck-Temperatursensor
- R1
- Rückschlagventil
- R2
- Rückschlagventil
- T
- Temperatursensor