CH342588A - Verfahren und Vorrichtung zur Regelung einer Kältemaschine - Google Patents

Description

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 Verfahren    und      Vorrichtung      zur      Regelung      einer      Kältemaschine   Das vorliegende Patent bezieht sich auf ein Verfahren zur Regelung einer Kältemaschine, bei welcher ein Kältemittel in flüssigem Zustand in einen Verdampfer geführt wird. 



  Fernerhin bezieht sich das Patent auf eine Kältemaschine zur Ausführung des Verfahrens mit einer ein Drosselorgan am    Kältemitteleintritt   in den Verdampfer und einer das Drosselorgan steuernde    Mess-      vorrichtung   aufweisenden Regeleinrichtung. 



  Es ist bekannt, Kältemaschinen der genannten Gattung dadurch zu regeln, dass man die Menge des in den Verdampfer eintretenden flüssigen Kältemittels nach der am    Verdampferaustritt   gemessenen Differenz zwischen Dampftemperatur und Siedetemperatur des Kältemittels, welche als Überhitzung bezeichnet wird, einstellt. 



  Wenn eine Kältemaschine jedoch so eingerichtet ist, dass das verdampfte Kältemittel den Verdampfer nur mit geringer Überhitzung oder gar gesättigt verlässt und ohne zusätzliche Zwischenüberhitzung in den Kompressor geführt wird, dann ergeben sich für eine auf die Überhitzung des Kältemittels am    Ver-      dampferaustritt   ansprechende Regelung erhebliche Schwierigkeiten, die zum Versagen der Regelung führen können, weil die für eine brauchbare Regelgenauigkeit notwendige Temperaturdifferenz bzw. Überhitzung am    Verdampferaustritt   erst bei sehr weit    auseinanderliegenden   Füllungsgraden des Verdampfers sich einstellt und daher die Kontinuität der Arbeitsweise der Kältemaschine in Frage gestellt ist. 



  Es ist ein Regelverfahren für Kältemaschinen bekannt, bei welchem der Eintritt des flüssigen Kältemittels in den Verdampfer nach der Höhe des Flüssigkeitsspiegels im Verdampfer geregelt wird. 



  Diese bekannte Regelung hat jedoch den Nachteil, dass sie den Einfluss der mehr oder minder starken Ölkonzentration im Verdampfer nicht berücksichtigt. Infolgedessen steigt die Ölkonzentration durch fraktionierte Destillation im Verdampfer an, wobei in bekannter Weise die thermodynamischen Eigenschaften des Kältemittels verschlechtert werden, der Ölspiegel im Kompressor in    gefährlicher   Weise reduziert wird und zusätzliche Mittel und Arbeit erforderlich werden, um das Öl aus dem Verdampfer abzuziehen. 



  Alle diese Schwierigkeiten werden durch das erfindungsgemässe Verfahren beseitigt. 



  Das Verfahren nach der Erfindung besteht darin, dass man die Menge des in den Verdampfer eintretenden flüssigen Kältemittels nach dem Dampfgehalt des aus dem Verdampfer abströmenden Kältemitteldampfes einstellt. 



  Die Kältemaschine zur Ausführung des    Verfahrens   ist dadurch gekennzeichnet, dass die    Messvorrichtung   aus einer durch den abströmenden    Kältemitteldampf   beeinflussten    Messstelle   mit einem die    Messstelle   heizenden Element, einer den    Wärmefluss   vom    Heiz-      element   zum    Kältemitteldampf   hemmenden Schicht sowie einem Wärmefühler besteht, welcher den Durchflussquerschnitt des Drosselorgans beim Steigen des Dampfgehaltes des    Kältemitteldampfes   vergrössert und umgekehrt bei dessen Sinken verkleinert. 



  Das    Verfahren   nach der Erfindung wird nachstehend anhand einiger Ausführungsbeispiele näher erläutert. 



     Vig.   1 zeigt schematisch eine Kältemaschine mit dem Kompressor 1, dem Kondensator -2 und dem Verdampfer 3. Ein zu kühlendes Medium tritt angewärmt an der Stelle 5' in den Verdampfer 3 ein und verlässt diesen gekühlt an der Stelle 5. Das im Kondensator 2 unter Druck und Wärmeentzug verflüssigte Kältemittel tritt durch das Drosselorgan 6 in den Verdampfer 3 ein. Das verdampfte Kältemittel verlässt den Verdampfer 3 durch den    Auslass   7, um 

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 schliesslich durch die Leitung 8 wieder in den Kompressor 1 zurückgeführt zu werden.

   Das Drosselorgan 6 besitzt einen Stellmotor 9, welcher seinen Stehimpuls über die    Regelleitung   10 von der am    Verdampferauslass   7 angeordneten    Messvorrichtung   11 erhält, die weiter hinten näher erläutert ist. 



  In der gleichen Weise, wie es bereits bei    tempe-      raturbeeinflussten   Reglern bekannt ist, kann der Stellmotor 9 des Drosselorgans 6 auch noch eine Impulsleitung 10' besitzen, welche eine Wirkungsverbindung des Drosselorgans 6 mit einer    Druck-      messstelle   P herstellt. Hierdurch wird zusätzlich zur Regelung nach dem Dampfgehalt auch noch eine Beeinflussung des Drosselorgans 6 durch den Druck des    Kältemitteldampfes   in der Leitung 8 erreicht, welche mit zunehmendem Druck eine Verringerung des    Durchflussquerschnittes   des Drosselorgans 6 bewirkt. 



     Fig.   2 zeigt eine    Messvorrichtung   nach der Erfindung, welche aus dem Wärmefühler 12 mit dem    Kapillarrohr   17, dem Heizelement 13 und der den    Wärmefluss   zwischen dem Wärmefühler 12 und dem vom    Kältemitteldampf   durchströmten Rohr 8 hemmenden Schicht 4 besteht. 



  Der Wärmefühler 12 kann dabei in bekannter Weise aus einem mit einer leicht siedenden Flüssigkeit gefüllten metallischen Hohlkörper 12 bestehen, wobei der Dampfdruck mit der Temperatur ansteigt und durch ein    Kapillarrohr   17 unter eine Membrane oder einen Kolben 23    (Fig.   1) des Stellmotors 9 tritt und das Drosselorgan 6 bei zunehmender Temperatur zum Öffnen bringt. Das Heizelement 13 besteht zweckmässig aus einem elektrischen Widerstandsdraht, welcher in einem geeigneten Isoliermaterial, beispielsweise einem    Porzellankörper24,   angeordnet ist. 



  Eine weitere Ausführung der    Messvorrichtung   ist in    Fig.   3 gezeigt. Hierin bedeutet 12 den bereits beschriebenen Wärmefühler mit dem    Kapillarrohr   17. Das Kältemittel strömt im Innern des Rohres 8, welches aus einem Material mit geringer Wärmeleitfähigkeit und geringer spezifischer Wärme, beispielsweise einem Kunststoff der    Tetra-Fluor-Äthylen-      Gruppe,      z.R.       Teflon    (eingetragene Marke) 0,2 Kcal ; C - 025 Kcal    mh    C kg     C)   besteht.

   Zwischen dem Wärmefühler 12 und der Wand des Rohres 8 befindet sich das Heizelement 13, bestehend aus dem elektrisch    beheizten   Widerstandsdraht, welcher gegenüber dem Wärmefühler 12 beispielsweise durch ein dünnes    Glimmerplättchen   16 elektrisch isoliert ist. 



     Fig.   4 zeigt eine andere Anordnung der    Mess-      vorrichtung   am Rohr 8 im Schnitt. Innerhalb einer Einbuchtung 26 des vom Kältemittel durchströmten Rohres 8 befindet sich der Wärmefühler 12 mit der den Druck übertragenden Kapillare 17. Der Wärmefühler 12 ist umgeben von einer den    Wärmefluss   hemmenden Schicht 4, zwischen welcher    Schicht   4 und dem Wärmefühler 12 der Heizdraht 25 angeordnet ist. 



     Fig.   5 zeigt ein    Diagramm   des Temperaturverlaufs in der Wand des das Kältemittel führenden Rohres 8 bei der Temperatur    ü.   des Heizelementes und der Temperatur*" des siedenden Kältemittels. 



  Es sei    a,   die    Wärmeübergangszahl   des Kältemitteldampfes,    A,   die Wärmeleitzahl der Rohrwand und    a2   die    Wärmeübergangszahl   eines die Rohrwand aussen umgebenden Gases. Der Einfachheit halber sei angenommen, dass der Wärmeübergang vom    Heiz-      element   zur Rohrwand durch Gaskonvektion (beispielsweise einer Luftschicht) erfolgt. Hierdurch wird die folgende Betrachtung übersichtlicher, ohne dass anderseits nennenswerte Fehler entstehen. 



  Nach einer bekannten graphischen Darstellungsmethode lässt sich der Temperaturverlauf in der Rohrwand ermitteln, indem man den Quotient A bei jeder a    Rohrwandseite   als Strecke senkrecht zur Rohrwand in Höhe der zugehörigen Temperatur aufträgt, wodurch man zu beiden Seiten die Temperaturpole R, und    R,   erhält. Es sei zunächst nur die Wand des Rohres 8 ohne die Schicht 4 betrachtet. Die Verbindungslinie durch die beiden Pole    R,      R2   schneidet dann die beiden Wandflächen 8', 8" in den Temperaturpunkten    Oi   und    ga,   welche die Temperaturen an den beiden Wandflächen 8' und 8" unter den gegebenen Bedingungen darstellen. 



  Wenn nun der Wert    a,   mit abnehmendem Dampfgehalt des    Kältemitteldampfes   auf    a,'   ansteigt, so verkleinert sich der Quotient ? auf A,' und es verschiebt a, a, sich der Pol    R,@R',,   wobei sich auch der Wert 0; auf bzw.    öla   auf    Üa'   verändert und die Temperaturdifferenz d    0a   ergibt.

   Bei verringerter Heiztemperatur verschiebt sich das Temperaturgefälle; es ergeben sich für    fix'   mit dem Pol    R2   die entsprechenden Wandtemperaturen    171"   und    8a"   mit dem Pol    R,,   und mit dem Pol    R,'   entsprechend einem vergrösserten    a,-->a,'   bei verkleinertem Quotient die entsprechenden Werte    O1"'   und    üa"',   mit der messbaren Temperaturdifferenz d    ?9a'.   



  Hieraus ist zu erkennen, dass eine Steigerung der Heiztemperatur die messbare Temperaturdifferenz bei bestimmter Änderung der mit dem Dampfgehalt des Kältemittels in Funktion stehenden Werte    a,   heraufsetzt, während umgekehrt eine Verringerung der Heizung die    entsprechnde   Temperaturdifferenz herabsetzt. Bei Abschalten der Heizung würde der Pol    R2   auf das Temperaturniveau    es   absinken, und es ergibt sich auf der Verbindungslinie    R,-Ro   bei Änderung des Quotienten A keine messbare Temperaturdifferenz    a,   mehr.

   Anderseits steigt die Temperaturdifferenz bei einer bestimmten Heizung durch Vergrösserung der    Wärmeübergangszahl      a,.   Diese    Wärmeübergangszahl   hängt sowohl von dem Dampfgehalt als auch von der Ölkonzentration im Dampf des Kältemittels ab, weswegen man mit dem Regelverfahren nach der Erfindung ausser der Mengenregulierung des in den 

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 Verdampfer eintretenden Kältemittels auch die Konzentration von Öl im Kältemittel des Verdampfers innerhalb bestimmter Grenzen hält. 



  Die Heizleistung ist von Einfluss auf die Empfindlichkeit der Regelung. Infolgedessen kann man durch Einstellen der Heizleistung die Empfindlichkeit so einregulieren, dass die Regelung der Kältemaschine stabil arbeitet. 



  Im Diagramm bestimmt    tg   991 die Heizleistung. Arbeitet man nun in einem speziellen Fall mit kleiner Heizleistung, so kann die notwendige Differenz zwischen Siedetemperatur und    Vühlertemperatur   durch eine wärmedämmende Schicht genügend gross gemacht werden. 



  In einem solchen Falle wählt man zweckmässig für die wärmedämmende Schicht ein Material mit geringer spezifischer Wärme 
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 damit nicht die Regelung durch zu lange Anlaufzeit unstabil wird. Die Schicht kann aus einem Isoliermaterial, beispielsweise Kork, bestehen. 



  Man erreicht also, indem man den    Wärmeleit-      widerstand   zwischen dem    Kältemitteldampf   einerseits und der Heizstelle und der    Temperaturmessstelle   anderseits in ein bestimmtes Verhältnis zur Heizleistung bringt, dass die Regelung stabil wird, d. h. dass eine durch eine Störung eingeleitete Regelschwingung zum Abklingen gebracht wird.

Claims (1)

1. PATENTANSPRUCH I Verfahren zur Regelung einer Kältemaschine, bei welcher ein Kältemittel in flüssigem Zustand in einen Verdampfer geführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass man die Menge des in den Verdampfer eintretenden flüssigen Kältemittels nach dem Dampfgehalt des aus dem Verdampfer abströmenden Kältemitteldampfes einstellt. UNTERANSPRÜCHE 1.

   Verfahren nach Patentanspruch I, dadurch gekennzeichnet, dass der Kältemitteldampf an einer Seite einer Wand entlanggeführt wird und dass man auf der andern Seite der Wand eine Messstelle derselben heizt und ihre Temperatur misst, welche in Abhängigkeit von der mit abnehmendem Dampf- gehalt des Kältemitteldampfes ansteigenden Wärme- übergangszahl a desselben im Wärmeströmungs- gleichgewicht sich einstellt. 2.

   Verfahren nach Unteranspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass man den Wärmeleitwiderstand zwischen dem Kältemitteldampf einerseits und der Heizstelle und der Temperaturmessstelle anderseits so einstellt, dass die Temperaturdifferenz zwischen Siedetemperatur und Wärmefühlertemperatur unabhängig von der Heizleistung einen vorbestimmten Wert annimmt.

   PATENTANSPRUCH 1I Kältemaschine zur Ausführung des Verfahrens nach Patentanspruch I mit einer ein Drosselorgan am Kältemitteleintritt in den Verdampfer und einer eine das Drosselorgan steuernde Messvorrichtung aufweisenden Regeleinrichtung, dadurch gekennzeichnet, dass die Messvorrichtung aus einer durch den abströmenden Kältemitteldampf beeinflussten Messstelle mit einem die Messstelle heizenden Element, einer den Wärmefluss vom Heizelement zum Kältemitteldampf hemmenden Schicht sowie einem Wärmefühler besteht,

   welcher den Durchflussquerschnitt des Drosselorgans beim Steigen des Dampfgehaltes des Kältemitteldampfes vergrössert und umgekehrt bei dessen Sinken verkleinert. UNTERANSPRÜCHE 3. Kältemaschine nach Patentanspruch II, dadurch gekennzeichnet, dass die den Wärmefluss hemmende Schicht zwischen dem das Kältemittel führenden Rohr und der Heizstelle und der Messstelle angeordnet ist. 4. Kältemaschine nach Unteranspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die den Wärmefluss hemmende Schicht eine Gasschicht ist. 5. Kältemaschine nach Patentanspruch 1I, dadurch gekennzeichnet, dass Heizelement und Wärmefühler in der den Wärmefluss hemmenden Schicht angeordnet sind. 6.

   Kältemaschine nach Patentanspruch II, dadurch gekennzeichnet, dass die Messvorrichtung zum Schutz gegen äussere Temperatureinflüsse mit einer Isolierschicht umgeben ist.