DE19802613A1 - Kälteanlage - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben ei­ nes Kältemittelkreislaufes gemäß dem Oberbegriff des Pa­ tentanspruchs 1 und eine Kälteanlage gemäß dem Oberbegriff des nebengeordneten Patentanspruchs 7.

Derartige Verfahren und Kälteanlagen werden beispiels­ weise zur Kühlung und Klimatisierung von Straßen- und Schienenfahrzeugen mit verbrennungsmotorischem Antrieb ein­ gesetzt.

Neben den bekannten Kältemitteln, wie beispielsweise Kohlenwasserstoffverbindungen (Frigen) Kühlsolen (NaCl- Lösungen) etc., wird auch Luft eingesetzt, so daß der für derartige Kaltluftkälteanlagen gültige thermodynamische Vergleichsprozeß der ideale Joule-Prozeß ist. Ein derarti­ ger idealer Joule-Prozeß ist in Fig. 1, auf die bereits an dieser Stelle hingewiesen sei, in einem T, s-Diagramm (Temperatur, Entropie-Diagramm) dargestellt. Der Joule-Pro­ zeß ist gekennzeichnet durch eine Verdichtung mit konstan­ ter Entropie (isentrope Verdichtung) (1→2), eine Wärmeab­ gabe bei konstantem Druck (isobare Wärmeabgabe) (2→3), eine isentrope Entspannung (3→4) und eine isobare Wärmeaufnahme (4→1). Das heißt, nach Ende der isobaren Wärmeaufnahme entlang der Linie konstanten Druckes p₁ ist der Ausgangszustand 1 wieder erreicht.

Ein derartiger idealer Joule-Kreisprozeß läßt sich theoretisch mit einer Kaltluftkälteanlage verwirklichen, wie sie in Fig. 2 stark vereinfacht dargestellt ist. Die im Zustand 1 (siehe Fig. 1) aus einem zu kühlenden Raum 1 (gestrichelt in Fig. 2) angesaugte Luft wird mittels eines Verdichters 2 isentrop verdichtet, wobei die zur Verdich­ tung erforderliche Energie von einem Elektromotor 4 oder von den Abgasen des Verbrennungsmotores geliefert werden kann. Die auf den Zustand 2 (Fig. 1) verdichtete und er­ wärmte Luft wird über einen umgebungsseitigen Wärmetauscher 6 entlang einer isobaren durch Wärmeaustausch mit der Umge­ bung abgekühlt und dem Eingang einer Expansionsmaschine 8 zugeführt. In dieser erfolgt eine isentrope Entspannung vom Zustand 3 zum Zustand 4, wobei die Luft auf ihre Kühltempe­ ratur abgekühlt wird. Diese Kaltluft wird einem im zu küh­ lenden Raum 1 angeordneten kühlraumseitigen Wärmetauscher 10 zugeführt, über den die Luft im zu kühlenden Raum 1 auf die gewünschte Temperatur abgekühlt wird. Dabei steigt entsprechend die Temperatur der Prozeßluft in der Kältean­ lage entlang der Isobaren p₁ vom Zustand 4 zum Ausgangs zu­ stand 1 an. Der Kältekreislauf kann nun von vorne beginnen.

Wie im folgenden noch näher ausgeführt werden wird, lassen sich derartige Kreisprozesse als geschlossene oder offene Überdruckprozesse realisieren, wobei bei geschlos­ senen Prozessen ein innerer Wärmetauscher verwendet wird, während dieser bei offenen Prozessen auf der Kühlseite nicht benötigt wird. Die offenen Prozesse sind energetisch günstiger als geschlossene Prozesse, da die Wärmetauscher­ verluste auf der Kühlseite des Kreislaufes entfallen.

Anstelle der in Fig. 2 dargestellten einstufigen Ver­ dichtung kann beispielsweise auch eine zweistufige Ver­ dichtung mit oder ohne Zwischenkühlung vorgesehen werden. Prinzipiell einsetzbar sind auch beidseitig offene Prozes­ se, bei denen die zu verdichtende Luft aus der Umgebung an­ gesaugt wird. Die Abkühlung der der Expansionsmaschine zu­ geführten Luft erfolgt über Kaltluft, die dem zu kühlenden Raum entzogen wird. Ein derartiger beidseitig offener Pro­ zeß läßt sich auch mit zweistufiger Verdichtung mit und ohne Zwischenkühlung darstellen.

Neben den vorgenannten Überdruckprozessen lassen sich noch Unterdruckprozesse realisieren, bei denen Luft aus der Umgebung angesaugt und die erzeugte Kälte über einen inne­ ren Wärmetauscher an den zu kühlenden Raum abgegeben wird.

Eine Kennziffer für einen derartigen idealen Joule-Pro­ zeß ist die theoretische Kälteleistungszahl ε. Ein derarti­ ger idealer Kreisprozeß hat einen isentropen Wirkungsgrad von η=1.0, während nicht ideale Joule-Prozesse isentrope Wirkungsgrade für die Verdichtung oder Expansion η<1 haben. Die maximal mögliche Kälteleistungszahl 6 nimmt mit abneh­ mendem isentropen Wirkungsgrad ab. Der Kaltluftprozeß kann erheblich verbessert werden, wenn sich ein hoher isentroper Wirkungsgrad η realisieren läßt.

Demzufolge liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Betreiben eines Kältmittelkreislaufes und eine Kälteanlage zur Durchführung eines derartigen Verfah­ rens zu schaffen, bei denen der isentrope Wirkungsgrad ge­ genüber herkömmlichen Lösungen verbessert ist.

Diese Aufgabe wird hinsichtlich des Verfahrens durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 und hinsichtlich der Kälteanlage durch die Merkmale des Patentanspruchs 7 ge­ löst.

Durch die Maßnahme, einen Teil der bei der Expansion (beispielsweise von Luft) freiwerdenden Energie zur Ver­ dichtung des Kältemittels nach der Wärmeabgabe an den zu kühlenden Raum zu verwenden, kann der isentrope Wirkungs­ grad wesentlich angehoben werden, so daß gegenüber herkömm­ lichen Lösungen höhere Kälteleistungszahlen erzielbar sind.

Ganz besonders vorteilhaft ist es, wenn die energeti­ sche Verbindung der Expansionseinrichtung und der Verdich­ tungseinrichtung durch die Verwendung einer Druckwellenma­ schine erfolgt, die praktisch als Kraft- und Arbeitsma­ schine wirkt. Eine derartige Druckwellenmaschine vereint in sich die Funktion eines Verdichters und einer Expansions­ maschine.

Die Druckwellenmaschine wird vorteilhafterweise in Kombination mit einem zusätzlichen Verdichter betrieben, da die im Expansionsteil der Druckwellenmaschine gewonnene Arbeit nicht ausreicht, um die für die Verdichtung erfor­ derliche Arbeit abzudecken. Dabei wird es besonders bevor­ zugt, wenn dieser Verdichter als Turboverdichter ausgeführt ist, der parallel oder in Reihe zur Verdichtungsseite der Druckwellenmaschine geschaltet ist.

Ein derartiger Verdichter, beispielsweise der Turbover­ dichter kann durch einen eigenen Elektromotor und/oder - bei Verbrennungsmotoren - durch eine von den Verbrennungs­ gasen angetriebene Gasexpansionsturbine angetrieben werden. Falls genügend Abgasenergie zur Verfügung steht, kann der Elektromotor derart ausgelegt werden, daß er auch als Ge­ nerator eingesetzt werden kann.

Die Kühlleistung der Kälteanlage läßt sich weiter ver­ bessern, wenn Druckwellenmaschine und Verdichter in Reihe angeordnet sind und zwischen diesen ein Zwischenkühler ge­ schaltet wird.

Eine weitere Verbesserung des Prozesses kann durch ei­ nen inneren Wärmeaustausch zwischen den der Expansionsseite und der Verdichterseite zugeführten Kältemittelströmen er­ folgen.

Je nach Prozeßführung kann ein äußerer Wärmetauscher zum Abkühlen des verdichteten Kühlmittels und/oder ein in­ nerer Wärmetauscher zum Abkühlen der Luft im zu kühlenden Raum vorgesehen werden.

Prinzipiell läßt sich der erfindungsgemäße Prozeß als geschlossener, offener, als Überdruck- oder Unterdruckpro­ zeß betreiben, so daß praktisch die gleichen Schaltungsva­ rianten wie bei den bekannten Kaltluftkälteanlagen reali­ sierbar sind.

Sonstige vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der weiteren Unteransprüche.

Im folgenden werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand schematischer Zeichnungen näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 ein Temperatur-Entropie-Diagramm eines idealen Joule-Prozesses;

Fig. 2 eine Kälteanlage für einen derartigen idea­ len Joule-Prozeß mit einstufiger Verdich­ tung;

Fig. 3 ein Kreislaufschema einer erfindungsgemäßen Kaltluftkälteanlage mit einstufiger Ver­ dichtung;

Fig. 4 Kälteleistungszahlen in Abhängigkeit vom Druckverhältnis und vom isentropen Wir­ kungsgrad;

Fig. 5 eine dreidimensionale Darstellung einer Druckwellenmaschine;

Fig. 6a, 6b geschlossene bzw. offene Überdruckprozesse mit einstufiger Verdichtung;

Fig. 7a, 7b geschlossene bzw. offene Überdruckprozesse mit Zwischenkühlung;

Fig. 8a, 8b geschlossene bzw. offene Überdruckprozesse mit innerer Kühlung;

Fig. 9a, 9b geschlossene bzw. offene Überdruckprozesse mit Zwischenkühlung und innerer Kühlung;

Fig. 10, 11 beidseitig offene Prozesse ohne bzw. mit Zwischenkühlung;

Fig. 12 einen dem Überdruckprozeß aus Fig. 6a ent­ sprechenden Unterdruckprozeß;

Fig. 13 einen Unterdruckprozeß mit innerer Kühlung;

Fig. 14 einen Unterdruckprozeß mit Zwischenkühlung und

Fig. 15 einen Unterdruckprozeß mit Zwischenkühlung und innerer Kühlung.

Fig. 3 zeigt ein stark vereinfachtes Ausführungsbei­ spiel eines Kreislaufschemas für eine erfindungsgemäße Kaltluftkälteanlage, bei der die Verdichterseite 14 einer Druckwellenmaschine 12 parallel zu einem Turboverdichter 2 geschaltet ist. Im folgenden werden für einander entspre­ chende Bauelemente die gleichen Bezugszeichen verwendet, wie sie bereits im Zusammenhang mit der Beschreibung und den Fig. 1 und 2 verwendet wurden.

Die Luft wird aus dem zu kühlenden Raum 1 abgesaugt und in zwei Teilströme aufgeteilt, wobei ein Kältemittelteil­ strom zum Turboverdichter 2 geführt ist, während der andere Kältemittelteilstrom mit der Verdichterseite 14 der Druck­ wellenmaschine 12 verbunden ist. Die beiden Kältemittel­ teilströme werden im Turboverdichter 2 und in der Verdich­ terseite 14 der Druckwellenmaschine 12 verdichtet, wobei bei realen Kreisprozessen diese Verdichtung nicht isentrop sondern mit einem isentropen Wirkungsgrad η (Verdichter, Druckwellenmaschine) < 1 erfolgt, der aufgrund der Zusam­ menschaltung der Druckwellenmaschine mit dem Turbover­ dichter höher ist als bei bisher bekannten Verdichtungsein­ richtungen.

Die beiden auf den Druck p₂ verdichteten und auf die maximale Prozeßtemperatur erwärmten Kältemittelteilströme werden zusammengeführt und in einem äußeren umgebungsseiti­ gen Wärmetauscher, im folgenden Wärmetauscher 6 genannt, durch Wärmeaustausch mit der Umgebungsluft abgekühlt. Beim realen Kreisprozeß erfolgt auch diese Abkühlung im äußeren Wärmetauscher 6 nicht entlang einer Isobaren, da die Durch­ strömung des Wärmetauschers mit Wärmetauscherverlusten verbunden ist. Der abgekühlte, verdichtete Kaltluftstrom wird dann der Expansionsseite 16 (Hochdruck) der Druckwel­ lenmaschine 12 zugeführt und dort mit dem für die Expansion kennzeichnenden Wirkungsgrad η < 1 entspannt. Durch diese Expansion kühlt sich die Luft etwa wie in Fig. 1 darge­ stellt, auf die niedrigste Prozeßtemperatur ab. Derart ab­ gekühlte Luft wird einem kühlraumseitigen inneren Wärmetau­ scher, im folgenden Wärmetauscher 10 genannt, zugeführt, der in dem zu kühlenden Raum 1 angeordnet ist. In diesem Kühlraum 1 befindliche Luft wird durch Wärmeaustausch mit der in den inneren Wärmetauscher 10 eintretenden Prozeßluft abgekühlt, während diese auf die Ausgangstemperatur (Zustand 1 in Fig. 1) erwärmt wird. Die aus dem inneren Wärmetauscher 10 aus tretende Kaltluft wird dann wieder aus dem zu kühlenden Raum 1 abgesaugt und der Verdichterseite 14 der Druckwellenmaschine 12 sowie dem Turboverdichter 2 zugeführt - der Kälteprozeß beginnt wieder von vorne.

Der äußere und/oder der innere Wärmetauscher 6 bzw. 10 können wahlweise im Gegenstrom oder im Kreuzstrom mit der Umgebungsluft oder mit der im zu kühlenden Raum 1 vorhande­ nen Luft geführt werden.

Die Kälteleistungszahl ε für einen derartigen Prozeß mit energetischer Kopplung zwischen Expansions- und Ver­ dichtungseinrichtung berechnet sich nach der Gleichung (1):

wobei p₂, p₁ die Isobaren im T, s-Diagramm und κ der Isentropen-Exponent sind. Für einen nicht idealen Prozeß, das heißt für einen Prozeß, bei dem die Zustandsänderung von 1 nach 2 bzw. von 3 nach 4 nicht entlang einer Vertika­ len im T, s-Diagramm sondern entlang einer geneigten Linie erfolgt ergibt sich eine maximale Kälteleistungszahl in Ab­ hängigkeit von einem bestimmten Druckverhältnis (p₂/p₁). Bei derartigen nicht-idealen Prozessen ist somit der isen­ trope Wirkungsgrad < 1.

Fig. 4 zeigt Kälteleistungszahlen von Joule-Prozessen mit Energiekopplung zwischen Verdichtungs- und Expansions­ teil in Abhängigkeit vom isotropen Wirkungsgrad η. Es wird deutlich, daß sich die Kälteleistungszahl an diejenige des Idealprozesses annähern läßt, wenn sich durch geeignete Anlagenkonzeption ein isentroper Wirkungsgrad η realisieren läßt.

Die Verwendung eines zusätzlichen Verdichters 2 ist aus den eingangs genannten Gründen erforderlich. Beim gezeigten Ausführungsbeispiel wird ein Turboverdichter 2 gewählt, prinzipiell könnten jedoch auch andere Verdichterbauarten eingesetzt werden. Turboverdichter zeichnen sich allerdings durch einen hohen isentropen Wirkungsgrad aus, so daß die Kälteleistung in Verbindung mit der eingesetzten Druckwel­ lenmaschine einen Maximalwert annimmt.

Für den Fall, daß die Kaltluftkälteanlage zur Klimati­ sierung eines Kraftfahrzeugs oder eines Schienenfahrzeugs mit Verbrennungsmotor eingesetzt wird, kann der Turbover­ dichter 2 unter Ausnützung des freiwerdenden Abgas es durch eine Abgasexpansionsturbine 20 bekannter Bauart angetrieben werden. Für die Kaltlaufphase des Verbrennungsmotors oder für Betriebszustände des Verbrennungsmotors, in denen nicht genug Abgasenergie zum Antrieb der Abgasexpansionsturbine 20 zur Verfügung steht, erfolgt der Antrieb des Turbover­ dichters 2 durch einen Elektromotor 18, so daß die Ver­ dichtung unabhängig von der nutzbaren Abgasenergie erfolgen kann.

In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel soll dieser Elektromotor 18 im Fahrbetrieb - das heißt bei ausreichen­ der Abgasenergie - als Generator eingesetzt werden, der durch die Abgasexpansionsturbine 20 angetrieben wird.

Turboverdichter, auch Kreiselverdichter oder Turbokom­ pressoren genannt, arbeiten nach dem dynamischen Prinzip, das heißt, sie erzeugen einen statischen Druck durch Um­ wandlung von kinetischer Energie in statische Druckenergie. Als energieübertragendes Element werden Laufräder einge­ setzt, die mit hoher Drehzahl rotieren. Je nach Laufradform unterscheidet man dabei Radialverdichter und Axialradver­ dichter. Wie bereits erwähnt zeichnen sich derartige Tur­ boverdichter 2 durch einen hohen isentropen Wirkungsgrad aus, so daß in Kombination mit der Druckwellenmaschine 14 hohe Kälteleistungszahlen realisierbar sind.

Hinsichtlich konstruktiver Details von Turboverdichtern 2 und Abgas-Expansionsturbinen 20 sei der Einfachheit halber auf die zahlreich vorhandene Fachliteratur verwie­ sen.

Die bei dem erfindungsgemäßen Kaltluftprozeß einge­ setzte Druckwellenmaschine ist im Prinzip ein Zellen­ radverdichter, der in den USA unter dem Namen "Comprex" be­ kannt ist. Während man normalerweise zur Verdichtung eines gasförmigen Mediums einen Verdichter und eine Antriebsma­ schine benötigt, wird in der Druckwellenmaschine (Zellenradverdichter) die Energie direkt von einem gasför­ migen Medium an ein anderes gasförmiges Medium übertragen. Es handelt sich somit um die Vereinigung einer Kraft- und Arbeitsmaschine in einer einzigen Maschine. Prinzipiell können Druckwellenmaschinen mit drei Betriebsarten betrie­ ben werden:

• a) ein Medium wird entspannt und verdichtet dadurch ein zweites Medium (diese Prozeßführung wird im vorliegenden Kaltluftprozeß eingesetzt);
• b) eine Medium von mittleren Druck wird in zwei Ströme unterteilt, von denen der eine auf einen höheren und der andere auf einen tieferen Druck gebracht wird und
• c) zwei Paßströme, von der eine einen höheren und der andere einen tieferen Druck haben werden auf ein mittleres Druckniveau gebracht.

Wie aus der stark vereinfachten räumlichen Darstellung gemäß Fig. 5 entnehmbar ist, hat eine derartige Druckwel­ lenmaschine 12 ein Zellenrad 22, das drehbar in einem Ge­ häuse 24 gelagert ist. Das Gehäuse 24 hat an der Verdich­ terseite 14 und der Expansionsseite 16 jeweils einen Ein­ tritt 26 bzw. 28 und einen Austritt 30 bzw. 32 zur Zu- und Abführung der zu verdichtenden bzw. zu expandierenden Kaltluft.

Die durch das Zellenrad 22 gebildeten, sich in Axial­ richtung erstreckenden Zellen 23 können mit geraden oder gekrümmten Wandungen ausgeführt werden, wobei bei geraden Zellen 23 in der Regel ein äußerer Antrieb benötigt wird, während bei gekrümmten Zellwandungen (Schaufeln) die Dre­ hung durch Ablenkung der Kaltluftströmung bewerkstelligt wird. Der gegebenenfalls erforderliche Antrieb des Zellen­ rades 22 ist in Fig. 5 mit dem Bezugszeichen 34 angedeutet.

Während der Drehung des Zellenrades 22 kommen die in Axialrichtung verlaufenden Zellen 23 an Öffnungen vorbei, die mit den Eintritts- und Austrittsstutzen 26 bis 32 ver­ bunden sind. Diese Öffnungen im Gehäuse 24 müssen derart angeordnet sein, daß sie in Abhängigkeit von der Zellen­ länge (Axiallänge) und der Drehzahl des Zellenrades 22 den gasdynamischen Vorgängen folgen. Das heißt, die Verdich­ tungs- und Verdünnungswellen (Druck-/Saugwellen) müssen im richtigen Takt auf die Öffnungen bzw. Wandungen des Gehäu­ ses 24 treffen. Dabei wird am expansionsseitigen Eintritt 28 eine Druckwelle in die jeweilige Zelle eingeleitet, die zu einer Verdichtung der durch den verdichterseitigen Ein­ tritt 26 eintretenden Luft führt, die durch den verdichter­ seitigen Austritt 30 die Druckwellenmaschine 12 verläßt. Durch den expansionsseitigen Austritt (Niederdruck) wird eine Saugwelle (Verdünnungswelle) in die jeweilige Zelle eingeleitet, welche die Expansion der durch den Eintritt 28 zugeführten Luft bewirkt. Die entstehenden Verdichtungs- und Verdünnungswellen (Druckwellen, Saugwellen) unterstüt­ zen sich gegenseitig im richtigen Takt, so daß sich im sta­ tionären Zustand die gewünschten Druckverhältnisse ein­ stellen. Die einzelnen Zellen 23 werden abwechselnd von vergleichsweise kühler Luft (expansionsseitig) und erwärm­ ter Luft (verdichterseitig) durchströmt, so daß die Wände der Zellen selbst eine mittlere Temperatur annehmen, die zwischen den beiden vorgenannten Temperaturen liegt. Der Einfachheit halber sei hinsichtlich weiterer Details eben­ falls auf die vorliegende Fachliteratur zum Comprex-Verfah­ ren verwiesen. Derartige Druckwellenmaschinen werden zur Aufladung bei kleinen, stationären Dieselmotoren oder bei Fahrzeugmotoren eingesetzt.

In Fig. 6a ist das Kreislaufschema der Kälteanlage aus Fig. 3 nochmals in etwas abgewandelter Form dargestellt. Daraus geht hervor, daß der Prozeßluft im inneren Wärmetau­ scher 10 eine Wärmemenge ₀ zugeführt wird, während der Prozeßluft im äußeren Wärmetauscher 6 durch Wechselwirkung mit der Umgebungsluft ein Wärmestrom _ab entzogen wird.

Bei dem in Fig. 3, 6a dargestellten Prozeß handelt es sich um einen sog. geschlossenen Prozeß, bei dem ein in­ nerer Wärmetauscher 10 auf der Kühlseite, d. h. zur Abküh­ lung des Kühlraumes 1 benötigt wird.

Aus energetischen Gesichtspunkten kann es allerdings vorteilhaft sein, wenn zur Vermeidung der Wärmetauscherver­ luste auf der Kühlseite der innere Wärmetauscher 10 ent­ fällt und die Prozeßluft direkt dem geschlossenen Kühlraum 1 zugeführt bzw. aus diesem abgesaugt wird. Ein derartiger offener Prozeß, bei dem kein innerer Wärmetauscher 10 ver­ wendet wird, ist in Fig. 6b dargestellt.

Während bei den vorbeschriebenen Ausführungsbeispielen Teilströme der Prozeßluft in der Druckwellenmaschine 12 und im Turboverdichter 2 verdichtet wurden und diese beiden Teilströme nach Vereinigung und Abkühlung der Expansi­ onsseite der Druckwellenmaschine zugeführt wurden, können der Turboverdichter 2 und die Verdichterseite 14 der Druck­ wellenmaschine auch hintereinander geschaltet werden. Zur Verbesserung der Kälteleistungszahl ist es bei einer der­ artigen Schaltung, die in den Fig. 7a, 7b dargestellt ist, vorteilhaft, wenn zwischen den Turboverdichter 2 und die Expansionsseite der Druckwellenmaschine 12 ein Zwi­ schenkühler 34 geschaltet wird. Durch einen derartigen Zwi­ schenkühler 34 wird die Prozeßluft nach der Verdichtung im Turboverdichter 2 durch Wärmeaustausch mit der Umgebung zwischengekühlt und somit mit niedrigerer Temperatur der Verdichterseite 14 der Druckwellenmaschine 12 zugeführt. Auch dieser Prozeß mit Zwischenkühler 34 zwischen den bei­ den Verdichtungsstufen im Turboverdichter 2 und in der Druckwellenmaschine 12 läßt sich als geschlossener Prozeß (in Fig. 7a) und offener Prozeß (in Fig. 7b) realisieren. Modellrechnungen zeigten, daß sich mit dem in Fig. 7b dar­ gestellten Prozeß höhere Kälteleistungszahlen realisieren lassen als mit den sonstigen, vorbeschriebenen Prozessen.

Die Fig. 8a, 8b, 9a und 9b zeigen Kaltluftkälteanla­ gen, bei denen die aus dem Kühlraum 1 austretende Kaltluft durch einen inneren Wärmeaustausch mit der der Expansions­ seite 16 der Druckwellenmaschine 12 zugeführten Prozeßluft erwärmt wird, so daß die Prozeßlufttemperatur am Eingang der Expansionsseite 16 der Druckwellenmaschine 12 entspre­ chend abgesenkt wird. Dieser innere Wärmeaustausch zwischen der Hochdruck-/Niederdruck-Prozeßluft erfolgt in einem Innenwärmetauscher 36, der im Gegen- oder im Kreuzstrom betrieben werden kann.

In den Fig. 8a, 8b sind Kaltluftkälteanlagen ge­ zeigt, bei denen - ähnlich wie bei den Ausführungsbeispie­ len gemäß den Fig. 6a, 6b der Turboverdichter 2 parallel zur Verdichterseite 14 der Druckwellenmaschine 12 geschal­ tet ist. Die Prozesse können wiederum als geschlossener (Fig. 8a) oder offener (Fig. 8b) Prozeß ausgeführt werden.

Bei den in den Fig. 9a, 9b dargestellten Prozessen sind der Turboverdichter 2 und die Verdichterseite 14 der Druckwellenmaschine entsprechend den Schaltschemata in den Fig. 7a, 7b hintereinander geschaltet, so daß wiederum die Möglichkeit besteht, einen Zwischenkühler 34 einzuset­ zen, um die Prozeßluft nach der Verdichtung im Turbover­ dichter 2 durch Abzug des Wärmestroms _zw zwischenzukühlen. Selbstverständlich lassen sich auch diese Prozesse ge­ schlossen (Fig. 9a) oder offen (Fig. 9b) realisieren. Die Kälteleistungszahl des in Fig. 9b dargestellten offenen Prozesses ist wiederum höher als diejenige der davor dar­ gestellten Prozesse.

Während bei den in den Fig. 6b, 7b, 8b und 9b darge­ stellten Kälteanlagen einseitig offene Prozesse verwendet werden, d. h. Prozesse, bei denen die Prozeßluft aus dem Kühlraum 1 angesaugt und abgekühlt in diesen zurückgeführt wird, können alternativ auch sog. beidseitig offene Pro­ zesse eingesetzt werden, bei denen die Prozeßluft aus der Umgebung angesaugt wird. Derartige Prozesse sind in den Fig. 10 und 11 dargestellt.

Bei dem in Fig. 10 gezeigten Kreislaufschema wird die Prozeßluft aus der Umgebung angesaugt und in zwei Teil­ ströme unterteilt, von denen einer im Turboverdichter 2 und der andere durch die Druckwellenmaschine 12 verdichtet wird. Nach Zusammenführung der beiden Teilströme erfolgt eine Abkühlung der Prozeßluft in einem Wärmetauscher 40, wobei zur Abkühlung Luft aus dem Kühlraum 1 entnommen und dem Wärmetauscher 40 zugeführt wird. Nach der Abkühlung wird die Prozeßluft in der bereits bekannten Weise der Ex­ pansionsseite 16 der Druckwellenmaschine 12 zugeführt, dort entspannt und abgekühlt und dann in den Kühlraum 1 einge­ leitet.

Bei dem in Fig. 11 dargestellten Ausführungsbeispiel wird die Prozeßluft ebenfalls aus der Umgebung angesaugt, wobei allerdings der Turboverdichter 2 und die Druckwellen­ maschine 12 hintereinander geschaltet sind, so daß wiederum ein Zwischenkühler 34 zur Abkühlung der im Turboverdichter 2 verdichteten Prozeßluft eingesetzt werden kann. Die Ab­ kühlung im Wärmetauscher 40 erfolgt analog zum vorbeschrie­ benen Ausführungsbeispiel.

Mit derartig beidseitig offenen Prozessen dürften sich optimale Kälteleistungszahlen realisieren lassen, die sehr nahe am idealen Joule-Prozeß angeordnet sind.

Bei den in den Fig. 3 bis 11 dargestellten Prozessen handelt es sich um sog. Überdruckprozesse, bei denen die Luft aus dem Kühlraum 1 oder aus der Umgebung angesaugt und nach der Entspannung wieder zum Kühlraum zurückgeführt wurde.

Prinzipiell lassen sich die in den Fig. 3 bis 9 ge­ zeigten Prozesse auch als sog. Unterdruckprozesse realisie­ ren, bei denen die Prozeßluft aus der Umgebung angesaugt uni nach der Verdichtung auch wieder zur Umgebung zurückge­ führt werden, während der Wärmeaustausch im Kühlraum 1 über einen inneren Wärmetauscher erfolgt.

Derartige Unterdruckprozesse sind in den Fig. 12 bis 15 dargestellt.

Bei dem in Fig. 12 gezeigten Kreislaufschema wird Pro­ zeßluft aus der Umgebung entnommen und der Expansionsseite 16 der Druckwellenmaschine zugeführt und dort auf einen Un­ terdruck gebracht. Durch diese Entspannung wird die Prozeß­ luft abgekühlt und anschließend dem inneren Wärmetauscher 10 im Kühlraum 1 zugeführt, so daß letzterem zur Klimati­ sierung Wärme entzogen wird. Die erwärmte Prozeßluft wird dann in zwei Teilströme aufgeteilt und im Turboverdichter 2 bzw. in der Verdichterseite 14 der Druckwellenmaschine 12 verdichtet, so daß die Prozeßluft mit Umgebungsdruck an die Umgebung abgegeben werden kann.

Fig. 13 zeigt ein Kreislaufschema, bei dem durch Ver­ wendung eines Innenwärmetauschers 36 die der Expansions­ seite 16 der Druckwellenmaschine 12 zugeführte Prozeßluft abgekühlt und die aus dem Innenraum 1 angesaugte Prozeßluft vor der Verdichtung erwärmt wird.

Die Fig. 14 und 15 zeigen den Fig. 12 und 13 ent­ sprechende Kälteanlagen, bei denen der Turboverdichter 2 und die Verdichterseite 14 der Druckwellenmaschine 12 hin­ tereinander geschaltet sind, so daß ein Zwischenkühler 34 zur Zwischenkühlung der im Turboverdichter 2 verdichteten Prozeßluft verwendet werden kann. Fig. 15 zeigt dabei ein Kreislaufschema, bei dem entsprechend der Darstellung in Fig. 13 ein Innenwärmetauscher 36 zur Abkühlung der in die Expansionsseite 16 der Druckwellenmaschine 12 eintretenden Prozeßluft bzw. zur Erwärmung der in den Turboverdichter 2 eintretenden Prozeßluft eingesetzt wird.

Selbstverständlich sind noch weitere Varianten und Kom­ binationen der vorgenannten Schaltungen realisierbar, wobei beispielsweise auch eine mehrstufige Verdichtung durch hin­ tereinander geschaltete, kleinere Turboverdichter vorstell­ bar ist. Wesentlich für die Erfindung ist, daß bei der Ex­ pansion der Prozeßluft freiwerdende Energie über die Druck­ wellenmaschine zur Verdichtung zumindest eines Teilstromes der Prozeßluft ausgenutzt wird, so daß der isentrope Wir­ kungsgrad der Anlage relativ nahe zum Wirkungsgrad eines idealen Kreisprozesses kommt.

Offenbart sind ein Verfahren zum Betreiben eines Kälte­ mittelkreislaufes und eine Kälteanlage zur Durchführung ei­ nes derartigen Verfahrens, bei denen die bei der Expansion der Prozeßluft freiwerdende Energie zumindest teilweise zur Verdichtung der Prozeßluft ausgenutzt wird. Die Verdichtung und Expansion der Prozeßluft erfolgt vorzugsweise in einer Druckwellenmaschine, der zum Ausgleich der Energieverluste ein Turboverdichter zugeordnet ist.

Claims (14)

1. Verfahren zum Betreiben eines Kältemittelkreislaufes mit den Schritten:

• - Expandieren eines gasförmigen Kältemittels;
• - Erwärmen des expandierten und abgekühlten Kältemit­ tels durch Wärmeaustausch mit einem zu kühlenden Me­ dium;
• - Verdichten des gasförmigen Kältemittels,
  dadurch gekennzeichnet, daß beim Expansionsschritt freiwerdende Energie zum Verdichten des Kältemittels genutzt wird.

2. Verfahren nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß zumindest ein Teil der Verdichtung in der Ver­ dichterseite (14) und die Expansion in der Expansions­ seite einer Druckwellenmaschine (12) erfolgt.

3. Verfahren nach Patentanspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Verdichtung zusätzlich in einem me­ chanischen Verdichter (2) erfolgt.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Patentansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß der Verdichter (2) durch das Abgas eines Verbrennungsmotors und/oder einen Elektromotor (18) betrieben wird.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Patentansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß der Kältemittelkreis­ lauf als geschlossener oder offener Überdruck- oder Un­ terdruckprozeß betrieben wird.

6. Verfahren nach Patentanspruch 5, dadurch gekennzeich­ net, daß der Kreislauf mit innerem Wärmeaustausch zwi­ schen expandiertem und verdichtetem Kältemittel betrie­ ben wird.

7. Kälteanlage, insbesondere zur Durchführung des Verfah­ rens nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, mit einer Verdichtungseinrichtung zum Verdichten eines gas­ förmigen Kältemittels, einer Expansionseinrichtung zum Entspannen des Kältemittels und einem zwischen Expansi­ onseinrichtung und Verdichtungseinrichtung angeordneten Wärmetauscher, dadurch gekennzeichnet, daß die Verdich­ tungseinrichtung und die Expansionseinrichtung derart in Wirkverbindung stehen, daß bei der Expansion frei werdende Energie zum Verdichten des Kältemittels nutz­ bar ist.

8. Kälteanlage nach Patentanspruch 7, dadurch gekennzeich­ net, daß die Expansionseinrichtung und die Verdich­ tungseinrichtung gemeinsam als Druckwellenmaschine (12) ausgebildet sind.

9. Kälteanlage nach Patentanspruch 8, dadurch gekennzeich­ net, daß der Druckwellenmaschine (12) ein Verdichter (2) zum zusätzlichen Verdichten des Kältemittels zuge­ ordnet ist.

10. Kälteanlage nach Patentanspruch 9, dadurch gekennzeich­ net, daß der Verdichter ein Turboverdichter (2) ist, der durch einen Elektromotor (18) und/oder eine Gasex­ pansionsturbine (20) angetrieben ist.

11. Kälteanlage nach Patentanspruch 9 oder 10, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Druckwellenmaschine (12) und der Verdichter (2) in Reihe geschaltet und zwischen Druck­ wellenmaschine (12) und Verdichter (2) ein Zwischenküh­ ler (34) angeordnet ist.

12. Kälteanlage nach einem der Patentansprüche 8 bis 11, gekennzeichnet durch einen Innenwärmetauscher (36) zum Abkühlen des in die Expansionsseite (16) der Druckwel­ lenmaschine (12) eintretenden Kältemittelstroms durch Wärmeaustausch mit dem zu verdichtenden Kältemittel­ strom.

13. Kälteanlagen nach einem der vorhergehenden Patentan­ sprüche 7 bis 12, gekennzeichnet durch einen äußeren Wärmetauscher (6) zum Abkühlen des verdichteten Kälte­ mittelstroms durch Wärmeaustausch mit der Umgebung.

14. Kälteanlage nach einem der vorhergehenden Patentansprü­ che 7 bis 13, gekennzeichnet durch einen inneren Wärme­ tauscher (10) zum Abkühlen eines Kühlraums (1) durch Wärmeaustausch mit dem expandierten Kältemittelstrom.