DE102021000460A1 - Power increase refrigeration machine - Google Patents

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DE102021000460A1
DE102021000460A1 DE102021000460.4A DE102021000460A DE102021000460A1 DE 102021000460 A1 DE102021000460 A1 DE 102021000460A1 DE 102021000460 A DE102021000460 A DE 102021000460A DE 102021000460 A1 DE102021000460 A1 DE 102021000460A1
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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25BREFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B40/00Subcoolers, desuperheaters or superheaters
    • F25B40/04Desuperheaters

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Thermal Sciences (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Compression-Type Refrigeration Machines With Reversible Cycles (AREA)

Abstract

Die Erfindung, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1, zur Verbesserung der Leistung von Verdichter-Kältemaschinen, bezieht sich auf eine Modifikation des Kälte-Kreislauf einer Kältemaschine (Figur 1). Die Modifikation erfolgt durch das Einbinden eines kleinen koaxialen Wärmetauschers (6) (Figur 2), der die hohe Temperatur, des durch den Verdichter (1) komprimierten gasförmigen Kältemittels, nutzt, um das, nach dem Verflüssiger (2), jetzt flüssige Kältemittel, unmittelbar vor der Drossel (4) auf ein höheres Temperatur- und Druckniveau zu bringen. Durch die Expansion des gasförmigen Kältemittels in der Drossel (4) erfolgt ein Temperaturabfall, der die Kälteleistung bewirkt, die z.B. bei einem Kühlschrank über den Verdampfer im Kühlraum abgegeben wird. Das kalte gasförmige Kältemittel aus dem Verdampfer (5) wird vom Verdichter angesaugt und wieder komprimiert. Als Kältemittel dienen heute handelsübliche leicht flüchtige Kohlenwasserstoffe mit niedrigem Siedepunkt, wie z.B. Isobutan (R600A), die, entgegen den früher üblichen Kältemittel, nicht klimaschädlich sind. Weitere Kältemittel, mit ähnlicher Wirkung sind ebenfalls im oder noch als Medium von Kältemaschinen/Wärmepumpen im Einsatz.The invention, according to the preamble of claim 1, for improving the performance of compressor refrigeration machines, relates to a modification of the refrigeration cycle of a refrigeration machine (Figure 1). The modification is carried out by integrating a small coaxial heat exchanger (6) (Figure 2), which uses the high temperature of the gaseous refrigerant compressed by the compressor (1) to convert the now liquid refrigerant after the condenser (2) bring to a higher temperature and pressure level immediately before the throttle (4). The expansion of the gaseous refrigerant in the throttle (4) causes a drop in temperature, which causes the refrigeration capacity that is emitted, for example, in a refrigerator via the evaporator in the cold room. The cold gaseous refrigerant from the evaporator (5) is sucked in by the compressor and compressed again. Commercially available highly volatile hydrocarbons with a low boiling point, such as isobutane (R600A), are used today as refrigerants, which, unlike the refrigerants used in the past, are not harmful to the climate. Other refrigerants with a similar effect are also used in or as a medium in refrigeration machines/heat pumps.

Description

Die Erfindung, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 zur Leistungsverstärkung von Kältemaschinen, bezieht sich auf einen Eingriff in den Kälte-Kreislauf von Kältemaschinen entsprechend dem Stand der Technik (1). Kältemaschinen mit Kompressoren/ Verdichtern, ausgeführt als Kolbenverdichter oder Rotationsverdichter, basieren auf dem Wirkungsprinzip der Wärmepumpe. Erfindungsgemäß wird ein zusätzlicher Wärmetauscher (6) ( 2) in den Kältemittelkreislauf einer Kältemaschine integriert. Anwendungsbereiche sind: Haushaltsgeräte, so z.B. bei Kühlschränken, Kühltruhen, Gefrierschränken, Gefriertruhen, Kühl-Gefrierkombination, Wärmepumpentrockner, Heizungen und in industriellen Bereichen, so z.B. bei Temperatur-/Klimakammern, Kühlhäusern, Umwelttestanlagen. Das Einsatzfeld von Kältemaschinen erstreckt, kann sowohl stationär, als auch mobil (Fahrzeuge, Schiffe, Fluggeräte) sein.The invention, according to the preamble of patent claim 1 for increasing the performance of refrigeration machines, relates to intervention in the refrigeration circuit of refrigeration machines according to the prior art ( 1 ). Refrigeration machines with compressors, designed as piston compressors or rotary compressors, are based on the principle of the heat pump. According to the invention, an additional heat exchanger (6) ( 2 ) integrated into the refrigerant circuit of a chiller. Areas of application are: Household appliances, such as refrigerators, chest freezers, freezers, chest freezers, fridge-freezers, heat pump dryers, heaters and in industrial areas, such as temperature/climate chambers, cold stores, environmental test systems. The field of application of refrigeration machines extends, can be both stationary and mobile (vehicles, ships, aircraft).

Das wesentliche Merkmal der Erfindung ist die Nutzung der Kompressionswärme des Kältemittels, unmittelbar nach Austritt des komprimierten Kältemittels aus dem Kompressor (1), zur Nacherwärmung des Kühlmittelkreislaufes unmittelbar vor der Drossel (5). Für diese Nacherwärmung wird ein Wärmetauscher (6) in den Kreislauf integriert. Als Drossel (5) wird üblicherweise ein Expansionsventil oder eine Kapillare verwendet. In Haushaltsgeräten wird vorzugsweise die Kapillare eingesetzt. Die Nacherwärmung des Kältemittels im Kühlmittelkreislauf, um einige wenige Temperaturgrade, bewirkt auch einen Anstieg des Drucks. Dadurch erhöht sich die Leistung des Kühlkreislaufs durch die damit verbundene höhere Potentialdifferenz, vor und nach der Drossel. Zusätzlich begünstigt der Wärmetauscher (6) mit seiner Einbindung in den Kühlkreislauf vor dem Verflüssiger noch den Verflüssigungsprozess des Kältemittels.The essential feature of the invention is the use of the heat of compression of the refrigerant immediately after the compressed refrigerant has exited the compressor (1) to reheat the refrigerant circuit immediately before the throttle (5). A heat exchanger (6) is integrated into the circuit for this reheating. An expansion valve or a capillary is usually used as the throttle (5). The capillary is preferably used in household appliances. The reheating of the refrigerant in the coolant circuit by a few degrees of temperature also causes an increase in pressure. This increases the performance of the cooling circuit due to the associated higher potential difference before and after the throttle. In addition, the heat exchanger (6), with its integration into the cooling circuit before the condenser, also promotes the liquefaction process of the refrigerant.

Beispiel: T 1 / p 1 = T 2 / p 2 ;  T 1  bzw .  T 2 = T + t ( ° K )

Figure DE102021000460A1_0001

  1. a) Temperatur - Druck Kühlmittel, unmittelbar nach dem Kompressor: ta = 70 °C; pa = 20 bar
  2. b) Temperatur - Druck Kühlmittel, ohne Leistungsverstärkung durch den Wärmetauscher (6) nach dem Verflüssiger (3), vor der Drossel (5): tv = 40 °C; pv = 10 bar.
  3. c) Temperatur - Druck Kühlmittel mit Leistungsverstärker durch den Wärmetauscher (6) nach dem Verflüssiger (3) und Wärmetauscher (6), vor der Drossel (5): tvl = 50 °C; pv1 = 12 bar.*

* diese Werte sind in diesem Beispiel nicht exakt berechnet. Die erzielbaren Werte sind auch von der Auslegung des Wärmetauschers abhängig. Durch Berechnungen und Auslegungsversuche kann der Wärmetauscher und damit der Prozess anwendungsspezifisch optimiert werden.Example: T 1 / p 1 = T 2 / p 2 ; T 1 or . T 2 = T + t ( ° K )
Figure DE102021000460A1_0001
  1. a) Temperature - pressure coolant, immediately after the compressor: ta = 70 °C; pa = 20 bar
  2. b) temperature - pressure coolant, without power boost by the heat exchanger (6) after the condenser (3), before the throttle (5): tv = 40 °C; PV = 10 bars.
  3. c) Temperature - pressure coolant with power booster through the heat exchanger (6) after the condenser (3) and heat exchanger (6), before the throttle (5): tvl = 50 °C; pv1 = 12 bar.*

* these values are not exactly calculated in this example. The achievable values also depend on the design of the heat exchanger. The heat exchanger and thus the process can be optimized for specific applications by means of calculations and design tests.

Das Delta von z.B. +10 °C und + 2 bar (hier als Beispiel: c minus b = Delta) bewirkt eine Verbesserung der Kälteleistung oder reduziert den Stromverbrauch bei gleicher Kälteleistung des Geräts, im Bereich von ca. 20% bis 30%.The delta of e.g. +10 °C and + 2 bar (here as an example: c minus b = delta) improves the cooling capacity or reduces the power consumption with the same cooling capacity of the device, in the range of approx. 20% to 30%.

Bezeichnungen zu Figur 1 und zu Figur 2:Designations for Figure 1 and Figure 2:

Kältekreislauf

  • 1
    1
    Verdichter (z.B. Kolben- oder Rotationsverdichter)
    2
    Verflüssiger (z.B. Rückwand Kühlschrank)
    3
    Trockner/Filter (entweder nur Trockner oder Kombination Filter-Trockner)
    4
    Drossel (Expansionsventil oder Kapillare)
    5
    Verdampfer (innen im Kühlschrank)
    6
    Wärmetauscher z.B. koaxialer WT, Röhren-WT, Platten-WT)
    7
    Füll-/Entleerventil
    ta →
    Temperatur Austritt Verdichter (1)
    pv →
    Druck Austritt Verdichter (1)
    tv →
    Temperatur nach Verflüssiger (2)
    pv →
    Druck nach Verflüssiger (2)
    tv1 →
    Temperatur nach Wärmetauscher (6)
    pv1 →
    Druck nach Wärmetauscher (6)
refrigeration cycle
  • 1
    1
    Compressors (e.g. piston or rotary compressors)
    2
    Condenser (e.g. rear wall of refrigerator)
    3
    Dryer/Filter (either only dryer or combination filter-dryer)
    4
    Throttle (expansion valve or capillary)
    5
    evaporator (inside the refrigerator)
    6
    Heat exchanger e.g. coaxial WT, tube WT, plate WT)
    7
    Fill/drain valve
    ta →
    Compressor outlet temperature (1)
    pv →
    Compressor outlet pressure (1)
    tv →
    Temperature after condenser (2)
    pv →
    Pressure after condenser (2)
    tv1 →
    Temperature after heat exchanger (6)
    pv1 →
    Pressure after heat exchanger (6)

Koaxialer Wärmetauscher

  • 2 Nicht maßstäblich! Abmessungen in mm ca. 4-5 Windungen; Höhe 50 mm - 80 mm da = Außendurchmesser: ≥ 50 mm - ≤ 100 mm Anschlüsse an Kühlkreislauf mittels Kupferfittinge Anschlüsse inneres Rohr ca. d: 6 mm Anschlüsse äußeres Rohr ca. d: 6 mm Koaxiale Rohre des Wärmetauschers:
    • -inneres Rohr: - Durchströmung = gasförmig; Anschluss Verdichter - äußeres Rohr: - Durchströmung = flüssig: Anschluss nach Verflüssiger
    Durchströmungs-Richtung: Gegenstromprinzip oder Gleichstromprinzip
Coaxial Heat Exchanger
  • 2 Not to scale! dimensions in mm approx. 4-5 turns; Height 50 mm - 80 mm da = outer diameter: ≥ 50 mm - ≤ 100 mm Connections to the cooling circuit using copper fittings Connections to the inner pipe approx. d: 6 mm Connections to the outer pipe approx. d: 6 mm Coaxial pipes of the heat exchanger:
    • -inner tube: - flow through = gaseous; Compressor connection - outer pipe: - flow = liquid: connection after condenser
    Direction of flow: counter-current principle or co-current principle

Claims (5)

Der Kältemittelkreislauf von Kältemaschinen (1) mit Verdichter (1), Verflüssiger (2), Trockner/Filter (3), Drossel (4) - ausgeführt als Expansionsventil oder Kapillare - und Verdampfer (5) nach dem Stand der Technik wird zur Leistungsverstärkung so modifiziert, dass die Kältemaschine entweder weniger Strom bei gleicher Spannung, bei unveränderter Kühlleistung benötigt oder aber eine Verbesserung der Kühlleistung bei konstanter Stromaufnahme, üblicherweise geregelt durch einem Temperatur- bzw. Leistungsregler, erzielt wird. Die erfindungsgemäße Kühlmaschine ist dadurch gekennzeichnet dass in die Rohrleitung des Kältemittelkreislaufs, unmittelbar nach dem Kompressor (1), so modifiziert wird, dass durch das erfindungsgemäße Einbinden eines koaxialen Wärmetauschers (6) die hohe Wärme des ve rdichteten, gasförmigen Kältemittels genutzt wird, um diese Wärme auf das im Verflüssiger (2), jetzt flüssige und kühlere gewordene Kältemittel, unmittelbar vor dem Trockner/Filter (3) und/oder der Drossel (4), übertragen wird und dadurch die Temperatur des flüssigen Kältemittels erhöht wird. Mit der Temperaturerhöhung erfolgt im geschlossen Kältemittelkreislauf zugleich auch eine Druckerhöhung.The refrigerant cycle of chillers ( 1 ) with compressor (1), condenser (2), dryer / filter (3), throttle (4) - designed as an expansion valve or capillary - and evaporator (5) according to the prior art is modified to increase performance so that the refrigeration machine either Less current is required at the same voltage with the same cooling capacity, or an improvement in the cooling capacity is achieved with constant current consumption, usually controlled by a temperature or power controller. The cooling machine according to the invention is characterized in that the pipeline of the refrigerant circuit, immediately after the compressor (1), is modified in such a way that the high heat of the compressed, gaseous refrigerant is used by the inventive integration of a coaxial heat exchanger (6) to Heat is transferred to the refrigerant in the condenser (2), which has now become liquid and cooler, immediately before the dryer/filter (3) and/or the throttle (4), thereby increasing the temperature of the liquid refrigerant. With the increase in temperature, there is also an increase in pressure in the closed refrigerant circuit. Der Wärmetauscher (6) nach Anspruch 1 als Plattenwärmetauscher oder koaxialer Röhrenwärmetauscher - gewendelt (Bilder 1-2) oder gerade (Bild 3) - ausgeführt wird. Vorzugsweise arbeitet der Wärmetauscher dabei im Gegenstromprinzip. Zur Vermeidung von Wärmeverlusten an die Umgebung wird der Wärmetauscher thermisch isoliert.The heat exchanger (6) after claim 1 designed as a plate heat exchanger or coaxial tubular heat exchanger - coiled (Figs. 1-2) or straight (Fig. 3). The heat exchanger preferably works on the countercurrent principle. To avoid heat loss to the environment, the heat exchanger is thermally insulated. dass der Wärmetauscher (6), nach Anspruch 1, auch als spiralförmige Ummantelung der Kältemittelleitung oder des Trockners/Filters (3), zur Vergrößerung der Kontaktfläche im Gleichstromprinzip oder im Gegenstromprinzip, unmittelbar nach dem Kompressor (1) in den Kühlmittelkreislauf integriert wird und der Wärmetauscher (6) durch Isolationsmaterial thermisch gegen Wärmeverlust geschützt wird.that the heat exchanger (6), after claim 1 , also as a spiral jacket of the refrigerant line or the dryer/filter (3), to increase the contact surface in the cocurrent principle or in the counterflow principle, is integrated into the coolant circuit immediately after the compressor (1) and the heat exchanger (6) is thermally protected against heat loss by insulation material becomes. Der gewendelte koaxiale Röhrenwärmetauscher nach Anspruch 2 wird in Abweichung vom Stand der Technik (Bild 2 und 3), konstruktiv so verändert, dass sich die Ein- und Auslassöffnungen in einer Linie gegenüberliegend befinden (2).The coiled coaxial tubular heat exchanger claim 2 In contrast to the state of the art (Figures 2 and 3), the design is changed so that the inlet and outlet openings are in a line opposite each other ( 2 ). die Leistungsverstärkung Kältemaschine nach den Ansprüchen 1 bis 4 bei Maschinen/Geräten, die mit dem Wärmepumpenprinzip arbeiten, im privaten und industriellen Bereich, sowohl stationär, als auch mobil zur Anwendung kommt.the power gain of the refrigeration machine according to the claims 1 until 4 for machines/devices that work with the heat pump principle, in the private and industrial sector, both stationary and mobile.
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