11s Kolbenmaschine ausgebildeter Kältekompressor. Die Erfindung betrifft einen als Kolben maschine ausgebildeten Kältekompressor, bei dem zwei aufeinanderfolgende Verdichtungs stufen im gleichen Zylinder einander gegen überliegen und besteht darin, dass beide Stufen nach dem Gleichstromprinzip arbei ten und mindestens ein sowohl den Auslass der niedrigeren Stufe, wie auch den Einlass der höhere Stufe steuerndes Überströmorgan in einem als Tauchkolben ausgebildeten Stu fenkolben angeordnet ist, das Ganze zum Zweck,
nicht nur den bisher bei Kältekom pressoren üblichen Aufnehmer und den Kreuzkopf überflüssig zu machen. sondern auch eine bei gedrungener Form und bestem Wirkungsgrad besonders einfache Bauart zu schaffen. Der schädliche Raum der höhere Stufe kann dabei um soviel grösser als der- jenige der niedrigeren Stufe bemessen sein, dass die Leistungsaufnahme der Maschine bei der Hinbewegung des Kolbens annähernd gleich gross wie bei der Herbewegung ist. Er lässt sich aber auch so bemessen, dass die maximalen $nlbendrücke bei beiden Bewe- gungen gleich gross sind.
Von den schädli chen Räumen kann mindestens der eine mit Mitteln zum Verändern von dessen Inhalt versehen sein. Der Inhalt der schädlichen Räume lässt sich dabei auch selbsttätig, sei es in Abhängigkeit vom Endkompressionsdr.ack der höhere Stufe oder in Abhängigkeit vom Saugdruck der niedrigeren Stufe oder in Ab hängigkeit von beiden bezw. in Abhängig keit von der Differenz der beiden selbsttätig verändern.
Bei mehrstufigen Verdichtern können mehrere Stufen in demselben Zylin der angeordnet und die Überströmorgane ab wechslungsweise im Kolben und im Zylinder angeordnet sein.
Einige Ausführungsbeispiele des Erfin dungsgegenstandes sind auf der Zeichnung schematisch im Schnitt dargestellt.
In Fig. 1 ist a der Zylinder, b der Kol ben, c die Kurbel und d das Kurbelgehäuse eines als Kolbenmaschine ausgebildeten, zweistufigen Kältekompressors, bei dem die Arbeitsräume e und f der beiden Verdich tungsstufen einander gegenüber im Zylinder angeordnet sind. g ist das Einlassorgan der ersten und h das Auslassorgan der zweiten Stufe.
Der zweistufige Kolben ist mit einem sowohl den Auslass der niedrigeren Stufe, wie auch den Einlass der höhere Stufe steuernden Überströmorgan i versehen und ausserdem in der Weise als Tauchkolben ausgebildet, dass die Schubstange q unter Er- übr bgung einer Kolbenstange und. eines Kreuzkopfes direkt an einem im Kc>Iben- innern angeordneten Kolbenzapfen angreift.
Dadurch werden nicht nur der sonst übliche Aufnehmer und die langen ihn mit den Stufen verbindenden, durch Bohrungen ge bildeten Überstromkanäle, sowie besondere Auslassorgane der niedrigeren ,Stufe, bezw. Einlassorgane der höhere Stufe in Wegfall gebracht, was jedes für sich schon eine Ver besserung des:
Wirkungsgrades ergibt, son dern es wird - unter gleichzeitiger Schaf fung einer besonders einfachen Bauart von kurzer, gedrungener Aussenform, wie sie für mittlere und kleinere Kältemaschinen be sonders wertvoll ist - in beiden Stufen auch .das Gleichstromprinzip verwirklicht, das einer weiteren Verbesserung des Wirkungs grades gleichkommt.
In Fig. 2 ist ,das zu obigem Kompressor gehörende Indikatordiagramm dargestellt. Ausgegangen von der -untern Totpunktlage UT werden beim Aufwärtsgang des Kolbens die in die Niederdruokstufe angesaugten Gase. komprimiert, wobei der Druck gemäss der Linie 1 allmählich ansteigt.
Gleichzeitig wird auf der Hochdruckseite, welche- vorher unter dem Endkompressionedruck stand, Ar beitsmittel bei geschlossenem Überström- und Auslassorgan i aus dem schädlichen Raum rückexpandiert, so dass sich der Druck auf dieser Seite nach der Linie 1' absenkt.
Unmittelbar nach der Kolbenstellung, die dem Schnittpunkt 2 der Linien 1 und 1' ent spricht, ist auf der Niederdruckseite der Druck etwas grösser als auf der Hochdruck seite geworden, wodurch das Überströmventil i im Kolben geöffnet werden wird. Bei der weiteren Aufwärtsbewegung des Kolbens strömt also,das Arbeitsmittel von der Nieder- druckseite auf die Hochdruckseite über.
Da aber die Verdrängung auf der Niederdruck seite grösser als. die Volumenzunahme auf der Hochdruckseite ist, so erfährt. das Arbeits- mittel eine weitere Kompression, die etwa nach der Linie ss verläuft.
Während des Überströmens wird also der Druck auf beiden Seiten des Kolbens im gleichen Mass sich er höhen, bis in der obern Totpunktlage der ma ximale Zwischendruck, dem der Punkt .1 ent spricht, erreicht ist. Beim darauffolgenden Abwärtsgang des Kolbens wird zunächst das Überströmventildurch das Bestreben des Arbeitsmittels, zurückzuströmen, geschlossen.
worauf auf der Hochdruckseite die Kompres sion gemäss !der Linie 5' weiter getrieben wird und auf der Niederdruckseite eine Rückexpansion aus. dem schädlichen Raum nach der Linie 5 sich vollzieht. Auf der Hochdruckseite dauert die Kompression so lange, bis der Förderdruck erreicht ist (Punkt 6'), worauf sich das Druckventil h öffnet und das Arbeitsmittel entsprechend der Linie 7 ausgestossen wird.
Auf der Nie derdruckseite dauert die Expansion so lange, bis im Punkt 6 der Saugdruck erreicht ist, worauf das Saugventil g sich öffnet und neues Arbeitsmittel gemäss der Linie 7' in die Niederdruckstufe einströmt.
Der durch die Überströmkanäle im Kolben auf der Hochdruckseite gebildete re lativ grosse schädliche Raum ist nicht etwa von Nachteil. Im Gegenteil kann mit Hilfe desselben, wie im Nachstehenden erläutert; entweder eine gleichmässige Verteilung der Leistungsaufnahmen beider Druckstufen, oder aber ein annähernder Ausgleich der Konstruktionsdrücke, das heisst der .maxi malen Kolbendrücke der beiden Hubbewe gungen erreicht werden.
Wie bereits erwähnt, findet infolge des grossen schädlichen Raumes auf der Iloch- druckstufe eine starke Rückexpansion beim Aufwärtsgang des Kolbens statt. Je grösser der schädliche Raum der Hochdruckstufe ist, umso flacher verläuft die Linie 1', das heisst umsomehr verschiebt sich der Schnitt punkt 2.
der Expansionslinie der Hochdruck- stufe mit der Kompressionslinie der Nieder- drackstu% nach links und umso höher wird der Enddruck der Niederdruckstufe. Man kann also durch geeignete Bemessung dieses schädlichen Raumes .den Enddruck der Nie derdruckstufe (Zwischendruck) ganz nach Belieben wählen. Dieser Enddruck wird am zweckmässigsten so gewählt, :dass die Arbeit.
die von der Niederdruckstufe aufgenommen wird, gleich gross wie die von der Hoch- druckstufe aufgenommene wird.
Um den Zwischendruck auch veränder lichen Betriebsbedingungen anpassen zu kön nen, ist der Zylinder auf der Hochdruckseite mit einem regulierbaren schädlichen Raum k versehen, der mittelst eines von aussen ver stellbaren Kolbens 1 je nach den veränder lichen Betriebstemperaturen vergrössert oder verkleinert werden kann, zum Beispiel so, dass für die verschiedenen Betriebszustäude gleiche Arbeitsflächen im Niederdruck- und Hochdruckdiagramm entstehen.
Dieser Kol ben kann entweder von Hand bedient wer den, oder er kann in Abhängigkeit vom Saugdruck oder vom Verflüssigungsdruck, oder aber in Abhängigkeit von beiden selbst tätig beeinflusst werden.
In Fig. 3 sind :die Änderungen auf gezeichnet, die das Indikatordiagramm bei drei verschiedenen Volumen des schädlichen Raumes im Hochdruckteil erfährt, und in Fig. 4 ist die Änderung :der Arbeitsflächen des Hochdruck- und Niederdruckdiagramms in Funktion vom schädlichen Raum auf getragen. Durch den Schnittpunkt der beiden F-Linien wird diejenige Grösse des schäd lichen Raumes bestimmt, welche für gleiche Arbeitsflächen erforderlich ist.
Es ist jedoch nicht gesagt, dass bei gleich grossen Arbeitsflächen auch die Konstrnk- tions-drücke für beide Hubbewegungen gleich gross sind. Es können im Gegenteil beträcht liche Differenzen entstehen.
Beim Abwärtsgang :des Kolbens wird der nach oben gerichtete Konstruktionsdruck Pi ^' <I>F. A p</I> sein, wenn F2 die Hochdruck kolbenfläche und L p die Druckdifferenz zwisehen Saug- und Verflüssigungsdruck be deutet.
Bei .der Aufwärtsbewegung des Kolbens wird der nach abwärts gerichtete Konstruk tionsdruck Pz ^' <I>(F, -</I> F2) <I>0 p',</I> wobei F, die Niederdruckkolbenfläche und 0 p' die Druckdifferenz zwischen Ansaugdruck und Ausstossdruck der Niederdruekstufe ist. P1 ist also von der totalen Druckdifferenz ab hängig und lässt sich bei gegebenen Betriebs verhältnissen nicht ändern.
Dagegen kann P2, da er vom Ausstossdruck der Niederdruck stufe abhängig ist, in weiten Grenzen variieren. Um zu verhindern, :dass er bei falscher Manipulation ,seinen maximalen zulässigen Wert überschreitet, ist am Zylinderdeckel eine Sicherheitsvorrichtung angebracht, die aus einem durch ein Sicherheitsventil in und durch ein Rückschlagventil n mit dem Ar beitsraum verbundenen geschlossenen Raum o besteht.
Sobald der Ausstossdruck der Nie derdruckstufe einen gewissen maximalen Wert überschreitet, öffnet sich das Sicher heitsventil und ein Teil des in der Nieder- druekstufe verdichteten Mittels wird in den Raum o ausgestossen. Beim darauffolgenden Abwärtsgang des Kolbens wird das aus- gestossene Mittel infolge Rückexpansion durch das Pückschlagventil wieder in den Arbeits raum zurückgeführt.
In Fig. 5 ist das einer solchen Arbeitsweise entsprechende In- dikator-Diagramm dargestellt. Das Aus stossen ist :durch die Linie 8 und die Rück expansion aus :dem Sicherheitsraum durch die Linie 9 veranschaulicht, die, wie ersicht lich, einen flacheren Verlauf als die Ex pansionslinie 5 (Fig. 2) aus .dem normalen schädlichen Raum aufweist, und die in folgedessen eine Leistungsreduktion infolge Verkürzung :des Ansaugens zur Folge hat.
Durch geeignete Vorspannung der Be lastungsfeder des Sicherheitsventils kann .der Abblasedruck nach Wunsch eingestellt wer ,den. Für den Fall, dass eine dauernde Lei- atungsreduktion verlangt wird, wie das auch vorkommt, kann das Sicherheitsventil auch herausgenommen werden.
Der Hohlraum des Zylinderdeckels bildet dann einen zusätz- liehen schädlichen Raum für die Nieder- drwckstufe. Das Sicherheitsventil kann je doch auch mit einer Abhebevorriehtung ver sehen sein, und diese lässt ,sich wiederum so ausbilden, dass sie automatisch in Abhängig keit vom Saugdruck der niedrigeren Stufe betätigt wird.
In gewissen Fällen wird es vorteilhaft sein, den schädlichen Raum des Hochdruck teiles so zu bemessen, dass die Konstraktions- drücke der beiden Hubbewegungen ungefähr gleich gross sind.
Es muss für diesen Zweck die Bedingung erfüllt sein:
EMI0004.0016
und, für
EMI0004.0017
, wobei<B>99</B> das Zylinder verhältnis bedeutet:
EMI0004.0018
EMI0004.0019
- 1 hat für eine gegebene Konstruktion einen konstanten Wert k, und es ist somit bei gleichen Kanstruktionadrücken
EMI0004.0021
Ist beispielsweise<B>99</B> = 0,4, so wird 7c <I>=</I> 1,5 und
EMI0004.0023
Die Druckdifferenz zwischen Saug- und Ausstossdruck ist also in der Niederdruck stufe direkt proportional der totalen Druck zunahme im zweistufigen Verdichter. Je grösser letztere wird,
umso grösser muss auch d <I>p'</I> werden. Aus Fig. 3 geht klar hervor, dass durch Änderung des schädlichen Rau mes die Dfuckstufe 0 p' variiert und den jeweiligen Verhältnissen entsprechend so ein gestellt werden kann, dass die Bedingung P1 - P2 praktisch erfüllt ist.
Selbstvereständlich kann die Maschine auch als zwei- oder mehrzylindriger Verdichter oder Doppelverdichter mit gegenüberliegen den Zylindern ausgebildet werden.
Der Hauptvorteil der Erfindung ist der, dass bei den Stufen desselben Zylinders das Gleichstromprinzip eingehalten und so die grösste Wirtschaftlichkeit des Verdichters erreicht wird.
Das, durch die Erfindung verwirklichte Gleichstromprinzip ist in analoger Weise auch für drei-, vier-, fünf- und mehrstufige Verdichter anwendbar. In F'ig. 6 ist bei spielsweise ein sechsstufiger Einzylinder Kältekompressor nach der Erfindung sche matisch dargestellt.
Die Überströmventile sind dabei abwechslungsweise im Kolben und im Zylinder untergebracht. Durch Einsprit zen von flüssigem Kältemittel in die ein zelnen Stufen kann die bei grossen Druck stutzen unvermeidlich hohe Endkompres- sionstemperatur in zulässigen Grenzen gehal ten werden.
Fig. 7 zeigt das zugehörige Indikator diagramm (Druck-Hub-Diagramm).
Ist zwecks bester Ausnützung der Kon- struktion, bezw. Erreichung des günstigsten Lieferungsgrades, auf der Niederdruckseite ein möglichst kleiner schädlicher Raum er wüns,cht, so ist :dies bei der Maschine nach .der Erfindung ebenfalls möglich, indem das Überströmorgan sich so in den Kolben ein fügen lässt, dass es keine grossen Spielräume erfordert.