Verfahren und Einrichtung zur Regelung der Leistung von Kälte- bezw. Wärmepnmpenanlagen. Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regelung der Leistung von Kälte- bezw. Wärmepumpenanlagen und eine Einrichtung zum Ausüben dieses Verfahrens. Sie be zweckt, die Trägheit der Regulierung zu vermindern.
Nach den bisherigen Methoden wird die Kälteleistung oder die Temperatur des ver dampfenden Kältemittels oder die Tempera tur des zu kühlenden Mediums entweder durch Verstellung des Expansionsventils, das heisst Veränderung der zeitlich einge spritzten hältemittelmenge oder periodische In- oder Ausserbetriebsetzung der Kälte maschine geregelt. Dies kann von Hand oder vollautomatisch erfolgen, im letzteren Fall unter der Einwirkung von Pressostaten oder Thermostaten oder ihren möglichen Kombi nationen.
In den weitaus meisten Fällen von Kälte anlagen und Wärmepumpenanlagen sind Be triebsschwankungen nicht zu vermeiden, sei es, dass zum Beispiel der Kälteverbrauch sich durch äussere Einflüsse gegenüber der prak tisch gleichbleibenden Kälteproduktion än dert, oder sei es, dass die Temperatur des zu kühlenden Mediums und damit die Tempera tur des verdampfenden Kältemittels variiert.
Man hat zwar bisher versucht, solche Schwan kungen durch möglichste Anpassung der Re gelung an die momentanen Betriebsbedingun gen auszugleichen und hat Regelorgane in stalliert mit kontinuierlich oder intermittie- rend veränderlicher Durchlasseinstellung. Es sind Steuerungen bekannt geworden, die Im- pulsgeber, Schaltuhren oder modulierende Apparate verwenden.
Damit ist es aber nicht gelungen; die Phasenverschiebung zwischen Regelungsein griff und dessen Wirkung zu beseitigen. Die rein durch solche Phasenverschiebungen verursachten Schwankungen sind der Grö ssenordnung nach erfahrungsgemäss haupt sächlich von der im Verdampfer befindlichen flüssigen Kältemittelmenge abhängig. Ist die Füllung an flüssigem Kältemittel gering, wie bei einem üblichen Schlangenverdamp fer, dann sind die Schwankungen ebenfalls gering.
Handelt es sich aber um füllungs reiche, überflutete Verdampfer, insbesondere um solche in Röhrenkesselbauart, dann kön nen solche Schwankungen beträchtliches Ausmass annehmen und die Betriebssicher heit der Anlage gefährden, besonders bei Flüssigkeitskühlern, in denen die zu küh lende Flüssigkeit his nahe an den Gefrier punkt abgekühlt werden muss. Dies trifft zu bei Süsswasserkühlern, bei Kühlern der Ge tränkeindustrie, wie für alkoholfreie Frucht säfte etc., und bei Verdampfern von Wärme pumpenanlagen wegen der Gefahr des Ein- frierens.
Das erfindungsgemässe Verfahren besteht darin, dass Kältemittelgas, das einen über dem Verdampferdruck liegenden Druck auf weist, in den Verdampfer eingeführt wird. Die Einrichtung zur Ausübung des Verfah rens weist eine am Verdampfer angeschlos sene Vorrichtung auf, mittels welcher Kälte mittelgas, das einen über dem Verdamp- fungsdruck liegenden Druck aufweist, in regelbarer Menge dem Verdampfer zugeführt werden kann.
Durch die vorliegende Erfindung wird es möglich, die Betriebsschwankungen, verur sacht durch die Phasenverschiebungen zwi schen Regelungseingriff und dessen Wir kung, auch bei füllungsreichen Verdampfern auf ein Minimum zu reduzieren und somit die grösstmögliche Regelungsgenanigkeit und Betriebssicherheit zu erzielen.
Auch kann auf Verflüssigungsdruck oder einen Zwischendruck verdichtetes Kältemit- telgas intermittierend in den Verdampfer eingeblasen werden. Dabei kann die Einfüh rung dieser Gase im Dampfraum des Ver dampfers oder unter Flüssigkeitsspiegel er folgen.
Durch die Zuführung von Gasen höheren Druckes in den Dampfraum des Verdamp fers wird der Verdampferdruck und die die sem entsprechende Verdampfungstemperatur augenblicklich erhöht. Die Temperaturdiffe renz zwischen dem verdampfenden Kälte-
EMI0002.0021
mittel <SEP> und <SEP> dem <SEP> zu <SEP> kühlenden <SEP> Medium <SEP> wird
<tb> verkleinert <SEP> und <SEP> demzufolge <SEP> der <SEP> Wärmeaus tausch <SEP> bezw. <SEP> die <SEP> Kälteabgabe <SEP> reduziert.
<SEP> Das
<tb> Ansaugdampfvolumen <SEP> des <SEP> Verdichters <SEP> aus
<tb> dem <SEP> Verdampfer <SEP> kann <SEP> sich <SEP> gleich <SEP> bleiben,
<tb> darin <SEP> befindet <SEP> sich <SEP> aber <SEP> der <SEP> nicht <SEP> kältelie fernde <SEP> Anteil <SEP> des <SEP> von <SEP> aussen <SEP> zugeführten
<tb> Gases.
<tb> Bei <SEP> Einleitung <SEP> der <SEP> komprimierten <SEP> Gase
<tb> unter <SEP> den <SEP> Flüssigkeitsspiegel <SEP> wird <SEP> minde stens <SEP> ein <SEP> Teil <SEP> davon <SEP> augenblicklich <SEP> verflüs sigt. <SEP> Dem <SEP> verdampfenden <SEP> Kältemittel <SEP> wird
<tb> somit <SEP> Wärme <SEP> von <SEP> innen <SEP> zugeführt <SEP> und <SEP> da mit <SEP> seine <SEP> Wärmeaufnahme <SEP> von <SEP> aussen <SEP> bezw.
<tb> seine <SEP> Kälteabgabe <SEP> an <SEP> das <SEP> zu <SEP> kühlende <SEP> Me dium <SEP> entsprechend <SEP> verringert.
<SEP> Durch <SEP> die <SEP> von
<tb> den <SEP> kondensierenden <SEP> Gasen <SEP> hervorgerufene
<tb> Verdampfung <SEP> steigt <SEP> sofort <SEP> die <SEP> Temperatur
<tb> des <SEP> verdampfenden <SEP> Kältemittels <SEP> und <SEP> in folgedessen <SEP> dessen <SEP> Verdampfungsdruck. <SEP> Der
<tb> Endeffekt <SEP> bleibt <SEP> sich <SEP> der <SEP> gleiche <SEP> wie <SEP> bei <SEP> der
<tb> Einblasung <SEP> der <SEP> komprimierten <SEP> Gase <SEP> in <SEP> den
<tb> Dampfraum.
<tb> In <SEP> beiden <SEP> Fällen <SEP> findet <SEP> somit <SEP> eine <SEP> von
<tb> der <SEP> Gaseinblasemenge <SEP> abhängige <SEP> Reduktion
<tb> der <SEP> Kälteleistung <SEP> statt,
<SEP> die <SEP> fast <SEP> augenblick lich <SEP> wirkt <SEP> und <SEP> somit <SEP> die <SEP> nach <SEP> der <SEP> bisherigen
<tb> Regelungsmethode <SEP> unvermeidlichen <SEP> Betriebs schwankungen <SEP> eliminiert <SEP> oder <SEP> zum <SEP> minde sten <SEP> sehr <SEP> stark <SEP> reduziert..
<tb> Beiliegende <SEP> Abbildungen <SEP> zeigen <SEP> Kälte anlagen <SEP> mit <SEP> verschiedenen <SEP> Ausführungsbei spielen <SEP> der <SEP> Einrichtung <SEP> zur <SEP> Regelung <SEP> der
<tb> Leistung.
<tb> Fig. <SEP> 1 <SEP> zeigt <SEP> eine <SEP> Kälteanlage <SEP> mit <SEP> Schlan genverdampfer <SEP> und <SEP> Handregelung.
<tb> Fig. <SEP> 2 <SEP> zeigt <SEP> eine <SEP> Anlage <SEP> wie <SEP> Fig. <SEP> 1 <SEP> mit
<tb> einer <SEP> selbsttätig <SEP> geregelten <SEP> Druckgaszufuhr.
<tb> Fig.
<SEP> 3 <SEP> ist <SEP> eine <SEP> Anlage <SEP> mit <SEP> Überflutungs verdampfer <SEP> in <SEP> Röhrenkesselbauart,
<tb> Fig. <SEP> 4 <SEP> eine <SEP> Anlage <SEP> wie <SEP> Fig. <SEP> 3, <SEP> mit <SEP> selbst tätig <SEP> geregelter <SEP> Druckgaszufuhr,
<tb> Fig. <SEP> 5 <SEP> eine <SEP> Anlage <SEP> wie <SEP> Fig. <SEP> 4, <SEP> mit <SEP> einem
<tb> Niveauregler <SEP> zur <SEP> selbsttätigen <SEP> Zufuhr <SEP> von
<tb> Kältemittelflüssigkeit,
<tb> Fig. <SEP> 6 <SEP> eine <SEP> Anlage <SEP> wie <SEP> Fig. <SEP> 5, <SEP> mit <SEP> einem
<tb> Sicherheitsschalter. Fig. 7 stellt eine Anlage wie Fig. 6 mit erweiterter Sicherheitsvorrichtung dar.
Der Verdichter 1 in Fig. 1, der Verflüs- siger 2 und der Verdampfer 3 sind durch die Leitungen 4, 5 und 6 in üblicher Weise verbunden. Am Verdichter 1 sind die Druck abschliessung 8 und die Saugabschliessung 9.
Das Regelventil 10 dient zur Entspannung der unter Verflüssigungsdruck vom Verflüs- siger 2 anfallenden Kältemittelflüssigkeit auf den Verdampferdruck. Die Vorrichtung zur regelbaren Zufuhr von Verdichtergasen in den Verdampfer 3 besteht hier aus der Leitung 7 und dem Handregelorgan 11 zur Dosierung der Gasmengen. Die Einführung dieser verdichteten Gase kann entweder un mittelbar am Verdampfereintrittsstutzen, Leitung 7, oder am Austritt aus dem Ver dampfer 3, Leitung 7', oder an beliebiger Stelle zwischen diesen beiden extremen La gen erfolgen, Leitung 7".
Die Dosierung der zum Verdampfer 3 strömenden Kältemittel- flüssigkeit, das heisst die Bedienung des Re- gelorganes 10 erfolgt hier von Hand, wie auch die Dosierung des Druckgaszusatzes mittels Regelorgan 11.
In Fig. 2 ist der Schlangenverdampfer 3 in einen Flüssigkeitsbehälter 12 eingetaucht zur Abkühlung der darin enthaltenen Flüs sigkeit. Die Regelung der Kältemittelflüs- sigkeitszufuhr zum Verdampfer 3 erfolgt wiederum von Hand mittels des Regelorga- nes 10. Dagegen erfolgt hier die Druckgas zufuhr zwecks rascher Leistungsregelung selbsttätig mit Hilfe eines in der Leitung 7 eingebauten Magnet- und Motorventils 13. Nur wenn dieses geöffnet ist, kann Druck gas vom Verflüssiger 2 über die Leitung 7 und das einmal eingestellte Drosselorgan 11 in den Verdampfer 3 gelangen.
Die Steuerung des Magnet- oder Motor ventils 13 erfolgt entweder durch den Presso- staten 14, der mittels Leitung 15 am Saug stutzen des Verdichters 1 angeschlossen ist und. den Saugdruck überwacht, oder durch den Thermostaten 16, dessen Fühler 16' die Temperatur des zu kühlenden Mediums kon trolliert, oder durch den Thermostaten 17, dessen Fühler 17' die im Verdampferinnern herrschende Verdampfungstemperatur bezw. die dieser naheliegende Oberflächentem peratur des Verdampfers 3 überwacht.
Sinkt infolge zu grosser Kälteproduktion bezw. zu geringen Kälteverbrauches der Verdampfer druck oder die Temperatur des zu kühlenden Mediums oder die Verdampfungstemperatur bezw. Wandtemperatur des Verdampfers un ter einen zulässigen Wert, dann wird durch die Steuerorgane 14, 16 oder 17 ein Strom kreis 18 geschlossen, der ein Öffnen des Magnet- oder Motorventils 13 bewirkt. Die ses bleibt so lange geöffnet, bis der Normal zustand der Anlage wieder hergestellt ist und über die Steuerorgane 14, 16 oder 17 der Stromkreis 18 wieder unterbrochen wird.
Die Steuerorgane 14, 16 oder 17 können je allein angeordnet sein, es können aber auch zwei oder alle drei gleichzeitig instal liert sein und parallel auf das Magnet- oder Motorventil 13 wirken.
In Fig. 3 ist an Stelle eines Schlangen verdampfers 3 ein Überflutungsverdampfer 3' in Röhrenkesselbauart vorgesehen. Die Regelung der Kältemittelflüssigkeit wie der leistungsregelnden Druckgase erfolgt wie bei Fig. 1 von Hand.
In Fig. 4 ist ausser dem Röhrenkesselver- dampfer 3' und der Handregelung der Kälte mittelflüssigkeit eine selbsttätige Druckgas zufuhr zum Verdampfer 3' zwecks Lei stungsverminderung vorgesehen, die mittels Magnet- oder Motorventils 13 vom Presso- staten 14 aus gesteuert wird. Wie in Fig. 2 kann auch hier die Steuerung statt durch den Pressostaten 14 auch durch Thermo state oder deren mögliche Kombinationen erfolgen.
In Fig. 5 erfolgt auch die Zufuhr der Kältemittelflüssigkeit zum Überflutungsver dampfer 3' selbsttätig mit Hilfe des Niveau reglers 10'. Dieser ist durch die Leitungen 19 und 20 mit dem Verdampfer 3' kommuni zierend verbunden. Der Schwimmkörper re gelt die Flüssigkeitszufuhr, so dass im Ver dampfer dauernd eine konstante optimale Flüssigkeitsfüllung erhalten bleibt. Die ge- zeichneten Absperrorgane 21 sind normaler weise immer geöffnet und werden nur zu Revisionszwecken oder bei gänzlicher Ausser betriebsetzung der Anlage geschlossen. Über die Leitungen 5' und 6' können noch wei tere, nicht gezeichnete Verdampfer der An lage angeschlossen sein.
Für selbsttätige Anlagen und mit über flutendem Verdampfer könnte es vorkom men, dass bei stark reduzierter Kälteleistung oder längerer reduzierter Kälteleistung der Kältemittelstand durch Kondensation ein geführter Druckgase auf ein zu hohes Ni veau steigen würde, was zu Flüssigkeits schlägen im Verdichter führen müsste, oder bei Anlagen mit mehreren Verdampfern Ver schiebungen der Kältemittelfüllung zur Folge hätte, mit dem Resultat, dass andere Verdampfer nicht mehr mit genügend Kälte mittel gespiesen werden könnten.
Um solche Störungen zu vermeiden, ist in Fig. 6 ein Schwimmerschalter 22 einge baut, der die Flüssigkeitsstandshöhe im Ver dampfer 3' überwacht und beim Erreichen einer bestimmten Maximalhöhe den Ver dampfer 3' kältemittelseitig, sowohl am Flüssigkeits- wie Druckgaseintritt, wie auch am Saugstutzen von der übrigen Anlage gänzlich absperrt, und zwar mit Hilfe der Magnet- oder Motorventile 13, 23 und 24.
Sobald der Schwimmkörper des Schwimmer schalters 22 durch zu hohen Flüssigkeits stand einen gewissen Auftrieb erfährt, wird über eine an und für sich bekannte, bei spielsweise vom Schwimmkörpergestärlge be tätigte Kontaktvorrichtung der Stromkreis unterbrochen und somit die sonst über den Stromkreis 18 unter Strom stehenden Ma gnet- oder Motorventile 23, 13 und 24 ge schlossen. Es gibt Fälle von Verdampfern, insbeson dere Kühler von Flüssigkeiten, welche sehr nahe auf ihren Erstarrungspunkt abgekühlt werden müssen und bei denen aus irgend einem Grunde einmal die Zufuhr der zu kühlenden Flüssigkeit unterbleiben kann.
In solchen Fällen ist die Zufuhr von Druck-
EMI0004.0016
gasen <SEP> in <SEP> den <SEP> Verdampfer <SEP> zur <SEP> augenblick lichen <SEP> Leistungsregelung <SEP> besonders <SEP> wertvoll.
<tb> Für <SEP> solche <SEP> Fälle <SEP> wird <SEP> gemäss <SEP> Fig. <SEP> 7 <SEP> in
<tb> der <SEP> Zu- <SEP> oder <SEP> Ableitung <SEP> der <SEP> zu <SEP> kühlenden
<tb> Flüssigkeit <SEP> ein <SEP> Schwimmerschalter <SEP> 22' <SEP> oder
<tb> irgendein <SEP> Durchlassanzeiger <SEP> mit <SEP> Kontakt vorrichtung <SEP> oder <SEP> eine <SEP> dem <SEP> gleichen <SEP> Zwecke
<tb> dienende <SEP> ähnliche <SEP> Vorrichtung <SEP> eingebaut.
<tb> Bleibt <SEP> der <SEP> Flüssigkeitsstrom <SEP> aus,
<SEP> so <SEP> wird
<tb> selbsttätig <SEP> über <SEP> das <SEP> Netz <SEP> 18 <SEP> das <SEP> Magnet oder <SEP> Motorventil <SEP> 13 <SEP> geöffnet <SEP> und <SEP> Druckgas
<tb> in <SEP> den <SEP> Verdampfer <SEP> 3' <SEP> eingeblasen.
<tb> An <SEP> Stelle <SEP> der <SEP> in <SEP> den <SEP> Fig. <SEP> 1 <SEP> bis <SEP> 7
<tb> dargestellten <SEP> Flachschlangenverdampfer <SEP> 3
<tb> und <SEP> überfluteten <SEP> Röhrenkesselverdampfer <SEP> 3'
<tb> kann <SEP> das <SEP> Verfahren <SEP> gemäss <SEP> der <SEP> Erfindung
<tb> auch <SEP> bei <SEP> Anlagen <SEP> mit <SEP> Verdampferbauarten
<tb> angewendet <SEP> werden, <SEP> deren <SEP> Wärmeaustausch flächen <SEP> durch <SEP> die <SEP> Kältemittelflüssigkeit <SEP> be rieselt <SEP> werden.
<SEP> Bestehen <SEP> die <SEP> Wärmeaus tauschflächen <SEP> solcher <SEP> Verdampfer <SEP> aus <SEP> Röh ren, <SEP> so <SEP> können <SEP> diese <SEP> sowohl <SEP> horizontal <SEP> als
<tb> auch <SEP> vertikal <SEP> angeordnet <SEP> sein. <SEP> Bei <SEP> der <SEP> Verti kalanordnung <SEP> können <SEP> die <SEP> Rohre <SEP> entweder <SEP> an
<tb> ihrer <SEP> äussern <SEP> oder <SEP> an <SEP> ihrer <SEP> innern <SEP> Fläche <SEP> mit.
<tb> Kältemittelflüssigkeit <SEP> berieselt. <SEP> werden. <SEP> Die
<tb> sich <SEP> im <SEP> untern <SEP> Teil <SEP> solcher <SEP> Verdampfer <SEP> an sammelnde <SEP> Kältemittelflüssigkeit <SEP> wird <SEP> mit tels <SEP> einer <SEP> Umwälzpumpe <SEP> angesaugt <SEP> und
<tb> einer <SEP> über <SEP> der <SEP> Wärmeaustauschfläche <SEP> ange ordneten <SEP> Verteil- <SEP> bezw.
<SEP> Zerstäubungseinrich tung <SEP> unter <SEP> Druck <SEP> zugeführt. <SEP> Statt <SEP> der <SEP> in
<tb> den <SEP> Ausführungsbeispielen <SEP> gezeichneten <SEP> Kol benverdichter <SEP> können <SEP> auch <SEP> Turboverdichter,
<tb> z. <SEP> B. <SEP> Axialverdichter, <SEP> Vielzellenverdichter
<tb> oder <SEP> Drehkolbenverdichter"' ^ <SEP> einzeln <SEP> oder <SEP> in
<tb> Gruppen <SEP> entweder <SEP> von' <SEP> mehreren <SEP> gleicharti gen <SEP> oder <SEP> von <SEP> verschiedenen <SEP> Verdichtertypen
<tb> vorgesehen <SEP> sein.
<tb> Das <SEP> beschriebene <SEP> Verfahren <SEP> zum <SEP> Regeln
<tb> der <SEP> Leistung <SEP> kann <SEP> sowohl <SEP> bei <SEP> Kälteerzeu gungsanlagen <SEP> als <SEP> auch <SEP> bei <SEP> Wärmepumpen
<tb> angewendet <SEP> werden,
<SEP> bei <SEP> welchen <SEP> die <SEP> Um weltwärme <SEP> auf <SEP> ein <SEP> höheres <SEP> Temperatur niveau <SEP> gebracht <SEP> werden <SEP> muss. <SEP> Im <SEP> Fall <SEP> der
<tb> Wärmepumpe <SEP> besteht <SEP> die <SEP> Gefahr <SEP> der <SEP> Er starrung <SEP> des <SEP> Wärmeträgers.
Bei Anlagen mit nur einem Verdampfer, welche längere Zeit mit reduzierter Leistung arbeiten müssen, kann selbstverständlich auch als weitere Schutzvorrichtung das zeit weise Abstellen des Verdichters mitkombi- niert werden, insbesondere wenn infolge zu grosser oder zu plötzlicher Kondenserga.sent- spannung in den Verdampfer die Gefahr entstehen könnte, dass der Kondensator als Verdampfer arbeitet und somit das Kühl wasser einfrieren könnte.
Als Schutz gegen das Einfrieren des Kondensers wird ein Thermostat am Kühlwasseraustritt des Kon- densers eingebaut, der die Maschine abstellt, wenn die Temperatur des Kühlwassers sich dem Gefrierpunkt nähert.