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Kühlanlage und Verfahren zum Betrieb derselben Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Kühlanlage mit einem Kompressor, einem Motor zum Antrieb des Kompressors, einen Kondensator, einer Entspannungskammer und einem Verdampfer und bezweckt, verbesserte Mittel zur Kühlung des Motors zu schaffen.
Die vorerwähnten Anlageteile sind so untereinander verbunden, dass in diesen ein Kältemittel einen Kreislauf beschreiben kann. Bei einer solchen Kühlanlage wird das Kältemittel im flüssigen Zustand in den Verdampfer gebracht und darin verdampft, da Wärme einem Medium wie Wasser oder ähnlichem entzogen wird, das in Wärmeaustausch mit dem Kältemittel im Verdampfer steht. Das dampfförmige Kältemittel wird dann durch den Kompressor aus dem Verdampfer gesogen und mit einem höheren Druck zum Kondensator geführt, wo es wieder in den flüssigen Zustand übergeht, weil es in Wärmeaustausch mit einem kühlenden Medium tritt.
Wenn ein Zentrifugal- kompressor verwendet wird, ist es allgemein üblich, in den Kältemittelkreislauf zwischen dem Kondensator und dem Verdampfer die vorerwähnte Entspannungskammer anzuordnen, in welcher ein Teil des flüssigen Kältemittels verdampft wird. Der gasförmige Kältemittelanteil wird dann vom Kompressor angesaugt und gelangt in denselben bei einem mittleren Druck, damit eine sparsame Arbeitsweise der Kühlanlage erreicht wird.
Es ist Zweck vorliegender Erfindung, eine Anordnung zur Kühlung des Motors zu schaffen, der den Kompressor antreibt, indem wasserfreies, gasförmiges Kältemittel, das in der Entspannungskammer gebildet wird, in Wärmeaustausch mit dem wärmeren Motor gebracht wird. Dem Kältemittelkreislauf wird auf diese Weise zusätzliche Wärme zugeführt, was eine Erhöhung des Wirkungsgrades der Kühlanlage bewirkt. Es wurde schon vorgeschlagen, einen übli- chen Kühlmantel um das Gehäuse des Motors herum zu verwenden, der Wasser oder ein anderes Kältemittel verwendet. Offensichtliche Nachteile entstehen bei der Verwendung einer Konstruktion dieses Typs wie zum Beispiel Sickerverluste, Abdichtungen und ungeeignete Kühlung.
Entsprechend weist die Kühlanlage nach der Erfindung, bei welcher Kältemittelgas von der Entspannungskammer verwendet wird, um den Motor zu kühlen, viele Vorteile auf, wobei hauptsächlich die bei der Manteltyp-Kühlanordnung auftretenden Abdichtungsprobleme ausgeschaltet werden.
Um die Sicherung des Durchtrittes von Kältemittel, das in Wärmeaustausch mit dem Motor steht, unter allen Belastungen zu gewährleisten, so dass selbst wenn die Kühlanlage mit niedriger Belastung arbeitet, Kältemittel zur Kühlung des Motors zur Verfügung steht, kann man Mittel vorsehen, die den Durchtritt von gasförmigem Kältemittel vom Kondensator zum Motor erlauben, und zwar während gewissen vorbestimmten Betriebsbedingungen der Kühlanlage.
Weiterhin kann man Mittel zur Sicherstellung der Kältemittelversorgung zur Kühlung des Motors von einer zweiten Quelle in der Kühlanlage aus versehen, wenn der Kältemittelstrom von der Entspannungskammer zum Motor zur Erzielung ausreichender Kühlung des Motors ungenügend ist.
Schliesslich können Mittel zur Steuerung des Kälte- mittelstromes in der die Entspannungskammer mit dem Motorgehäuse verbindenden Leitung vorgesehen sein, um den Zufluss flüssigen Kältemittels aus der Entspannungskammer in das Motorgehäuse, während den Perioden, in welchen der Verdampfungsdruck den Druck in der Leitung übersteigt, zu verhindern.
In der beiliegenden Zeichnung ist eine beispiels-
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weise Ausführungsform der Erfindung dargestellt, und zwar zeigt: Fig. 1 das Schema der Kühlanlage nach der Erfindung, Fig.2 eine graphische Darstellung, welche einen Vergleich der aufgewendeten Arbeit in der Kühl- anlage zeigt, wenn gasförmiges Kältemittel zur Kühlung des Motors, der den Kompressor antreibt, verwendet wird, für die Fälle, dass es von dem Kompressor oder aus der Entspannungskammer entnommen wird, Fig. 3 im Schnitt eine Ausführungsform des zwischen dem Kondensator und der Entspannungskammer befindlichen Behälters,
die die Sicherstellung des Durchtrittes von Kältemittel vom Kondensator zu der das Motorgehäuse mit der Entspannungskammer verbindenden Leitung gewährleistet, Fig.4 einen Teilschnitt schematisch einer Vorrichtung zur Steuerung eines Ventils in der die Entspannungskammer mit dem Motorgehäuse verbindenden Leitung, Fig. 5 eine Variante der in Fig. 4 illustrierten Vorrichtung, Fig. 6 einen Längsschnitt durch den Motor der Kühlanlage, der den Strömungsweg des Kältemittels durch den Motor veranschaulicht und Fig. 7 einen Teil eines Querschnittes längs der Linie 7-7 in Fig. 6.
Nach Fig. 1 weist eine Motorkompressoreinheit 10 ein Kompressorgehäuse 11 auf, wobei eine Wand 12 des Motorgehäuses die Motorkompressoreinheit 10 in ein erstes Abteil 13, das den Kompressor 40 aufnimmt und ein zweites Abteil 14, das den Motor M aufnimmt, teilt. Der Kompressor und der Motor M sind je für sich in hermetisch abgedichteten Gehäusen angeordnet. Der Motor könnte auch mit dem Kompressor in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet sein.
Zum Zwecke klarerer Darstellung wurde der Motor M in der Zeichnung nur schematisch angedeutet. Die Leitung 15 verbindet das Gehäuse 11, welches das erste Abteil 13 darstellt, mit dem Motorabteil 14. Eine Auslassleitung 16 verbindet den Kompressor mit dem Kondensator 17, der mit einem üblichen, nicht gezeigten Ablass versehen ist. Gasförmiges Kältemittel geht vom Kompressor durch die Leitung 16 zum Kondensator 17 und wird durch die Wirkung einer Kühlschlange 18 in der üblichen Weise in den flüssigen Zustand übergeführt.
Eine Leitung 19 verbindet den Kondensator 17 mit einem Behälter 20, der eine Auslassleitung 21 aufweist, die durch ein Ventil 22 gesteuert wird, das der Wirkung eines Schwimmers 23 folgt. Ein Glied 90 (Fig. 3) begrenzt den Weg der Bewegung des Schwimmers 23. Der Behälter 20 weist ein Standrohr 24 auf, das in eine Leitung 25 übergeht, die parallel zur Auslassleitung 21 geschaltet ist. Das freie Ende des Standrohres 24, das nach oben in den Behälter 20 ragt, ist mit einer Öffnung 26 ver- sehen, deren Zweck später beschrieben wird. Flüssiges Kältemittel geht durch die Leitung 28, die mit der Auslassleitung 21 und dem Standrohr 25 verbunden ist, vom Behälter 20 zur Entspannungskammer 30.
Diese besitzt ein Flüssigkeitsabteil 31, das mit einem Schwimmerventil 32 ausgerüstet ist, und der Dampfabteil 33 der Entspannungskammer 30 ist mit einem Abscheider 34 versehen. Die Wirkungsweise der Entspannungskammer 30 ist den Fachleuten wohlbe- kannt, wobei es klar ist, dass Kältemitteldampf, der durch die Entspannungskammer 30 strömt, vom Kompressor angesaugt wird, während das flüssige Kältemittel, das durch die Entspannung gekühlt wurde, durch das Schwimmerventil 32 tritt und weiter über die Leitung 35 in den Verdampfer 37 geht, wo es in Wärmeaustausch mit dem zu kühlenden :Medium tritt. Eine Schlange 37 führt das zu kühlende Medium, welchem das Kältemittel Wärme entzieht.
Das Kältemittel wird, wenn es in Wärmeaustausch mit dem Medium in der Schlange 37 gebracht wird, in den gasförmigen Zustand übergeführt und fliesst in diesem Zustand durch die Saugleitung 38 zum Kompressor.
Die Leitung 39 ist mit der Entspannungskammer 30 verbunden und erlaubt den Durchtritt von dampf- förmigem Kältemittel, das darin erzeugt wird, zum Motorabteil 14 der Motor-Kompressoreinheit 10. Das Kältemittelgas fliesst dann um den Motor M herum und durch die Leitung 15 und die Öffnung 15a in den Kompressorabteil 13 der Motor-Kompressor- einheit 10. Der Motor M, der bei einer Temperatur arbeitet, die über derjenigen des gasförmigen Kältemittels liegt, wird dabei gekühlt.
Gemäss den Fig. 1, 6 und 7 tritt zur Sicherstellung der Strömung von gasförmigem Kältemittel über den Motor M hinweg das gasförmige Kältemittel, das in der Entspannungskammer 30 gebildet wurde, auf der einen Seite in den Motorabteil 14 ein. Ein kleiner Teil des gasförmigen Kältemittels fliesst durch den Spalt zwischen dem Rotor 42 und dem Stator 43 und einem Teil der Nuten 43' hindurch.
Der Stator 43 besteht aus einzelnen im Abstand voneinander befindlichen Blechpaketen mit Lamellie- rung und Distanzstücken 45, wobei das Ganze mittels im Abstand über den Umfang verteilten Stangen 44, die mit den Stützplatten 44' verbunden sind, in dieser Stellung gehalten wird. Die Distanzstücke 45 bilden Kanäle 48 zwischen den einzelnen Paketen. Die Innenseite des Gehäuses ist ebenfalls mit im Abstand über den Umfang verteilten Gliedern 45' versehen, die auf den Stangen 44 liegen und mit denselben sich in der Längsrichtung erstreckende Durchlässe 46 bilden.
Um die Durchlässe 46 zu vervollständigen, sind Abschlussbleche 47 an abwechselnden Eintrittsstellen und an ebensolchen Austrittsstellen der Durchlässe 46 angeordnet, so dass diejenigen Durchlässe, deren Eintrittswelle verschlossen ist, eine freie Austrittsstelle haben und diejenigen Durchlässe, welche eine unbehinderte Eintrittsstelle haben, eine abgeschlossene Austrittsstelle aufweisen. Gasförmiges Kältemittel, das
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durch den Motor M fliesst, tritt in den freien Teil der Durchlässe 46 ein. Teile des durch die Durchlässe 46 fliessenden Gases strömen radial einwärts gegen den Rotor 42, durch die am Abstand voneinander befin- lichen Kanäle 48 zwischen den Blechpaketen.
Im Abstand über den Umfang verteilt angeordnete Leit- bl;,cbe 49 sind von den Stangen 44 aus radial nach innen gerichtet. Die Leitbleche 49 enden kurz vor dem Rotor 42 und bestimmen die Grenzen des Gasstromes in der Umfangsrichtung. Die Strömung des gasförmigen Kältemittels gegen innen durch die Kanäle 48 tritt auch am Umfang in einem durch die Leit- bleche 49 bestimmten Ausmass auf. Der Strömungsweg verläuft dann weiter gegen aussen, in bezug auf den Rotor 42, zu dem Teil der Durchlässe 46, die eine freie Austrittsstelle aufweisen.
Passende, nicht gezeigte Leitbleche verteilen das kühlende Gas über die Wicklungsköpfe, welche aus dem Stator herausra < zen.
Mit Bezug auf den Behälter 20 ist es klar, dass unter Bedingungen mit herabgesetzter Kälteleistung, wie sie sich zum Beispiel durch eine Reduktion der Temperatur des durch die Schlange 37 strömenden Mediums ergeben, die Menge flüssigen Kältemittels im Behälter 20 unter das obere Ende des Standrohres 24 fallen kann. Das Schwimmerventil 22 wird die Öffnung zwischen dem Behälter 20 und der Leitung 21 scllli--ssen, wenn in der Anlage sich ein Gleichge- wichtszustand einstellt. Bei der gezeigten Anordnung fliesst dann gasförmiges Kältemittel nur durch die Öffnung 26 und das Standrohr 24 zur Entspannungskammer 30 und in das Motorabteil 14 der Motör- Ko_m_pressoreinheit 10.
Diese Anordnung ergibt eine Kühlung für den :Motor M bei Bedingungen mit herabgesetzter Last, indem dann gasförmiges Kälte- mittel über einen zweiten Strömungsweg zum Motorabteil 14 gelangt. Während eine Anordnung zur Durchführung der Motorkühlung bei herabgesetzter Kälteleistung gezeigt wurde, ergeben sich für den Fachmann auch andere Konstruktionen von selbst. Zum Beispiel kann eine aus zwei Räumen bestehende Entspannungskammer anstelle der gezeigten Behälter- und Entspannungskammerkonstruktion verwendet werden.
Unter diesen Umständen kann einer der beiden Räume, normalerweise der obere, demselben Zweck wie der Behälter 20 dienen. So wird, wenn eine Änderung der Betriebsbedingungen, wie schwache Belastung oder hohe Temperatur des zu kühlenden Mediums auftritt, gasförmiges Kältemittel durch den oberen Raum zum Motor M fliessen.
Eine andere Anordnung zur Sicherstellung des Durchtritts von: Kältemittelgas zum Motorgehäuse bei herabgesetzter Kälteleistung der Anlage ist in Fig. 3 gezeigt und bedingt die Ausbildung eines unterdimensionierten Ventiles 22a im Behälter 20, im Vergleich zur Grösse der Öffnung im Boden des Behälters 20. Auf diese Art wird bei kleinen Kälteleistungen eine Öffnung für den Durchtritt von Kältemittelgas sichergestellt. Die Flüssigkeit sammelt sich dann in der Entspannungskammer, wo das Ventil 32 den Durch- tritt von Kältemittel in den Verdampfer verhindert.
Daher wird bei herabgesetzter Kälteleistung das unterdimensionierte Ventil 22a immer noch arbeiten, um einen Druckabfall zu schaffen, und es wird gleichzeitig den Durchtritt von Kältemittelgas zum Motorgehäuse gestatten, während bei höherer Belastung nur Flüssigkeit durch das Ventil 22a tritt. Das Führungs- glied 90 begrenzt die Bewegung des Ventils 22a auf einen senkrechten Weg. Eine Anordnung in der Form eines Anschlaggliedes begrenzt die Drosselwirkung des Ventils 22a durch Begrenzung der Bewegung des Schwimmers 23a und ergibt ebenfalls das gewünschte Spiel.
Bei gewissen Betriebsbedingungen kann der Druck im Verdampfer den Druck in der die Entspannungskammer 30 mit dem Motorabteil 14 verbindenden Leitung 39 übersteigen. Zum Beispiel kann der Kon- densatordruck abfallen, was einen entsprechenden Druckabfall in der Entspannungskammer 30 bzw. an der Öffnung 15a im Kompressor unter den Ver- dampferdruck veranlasst. Dann würde ein Strom von flüssigem Kältemittel aufwärts durch die die Entspannungskammer 30 und das Motorabteil 14 verbindende Leitung 39 auftreten, was auf die Druckverminderung in der Leitung 39 zurückzuführen ist.
Um diesen Zustand zu verhindern, wird in der Leitung 39 eine Drossel in Form einer Klappe 50 angeordnet. Die Bewegung der Klappe 50 wird durch ein Gestänge gesteuert, das auf die Differenz der Drücke zwischen der Entspannungskammer 30 und dem Verdampfer 36 anspricht. Schwenkbar mit der Klappe 50 verbunden, ist ein Arm 51 vorgesehen, dessen der Klappe 50 abgekehrtes Ende schwenkbar mit dem Winkelhebel 52 verbunden ist. Der Hebel 52 ist auf die Querwelle 53 aufgekeilt. Die Stange 54 ist ebenfalls mit dem Hebel 52 verbunden. Das dem Hebel 52 entgegengesetzte Ende der Stange 54 ist an einem Balg 55 befestigt.
Das Innere des Balges 55 steht in Verbindung mit einem Rohr 56, das seinerseits durch die Leitung 57 mit dem Verdampferraum verbunden ist. Die Bewegung des Balges 55 tritt in Abhängigkeit von Druckdifferenzen zwischen der Entspannungskammer 30 und dem Verdampfer 36 auf. Öffnungen 80 in der Klappe 50 erlauben eine Verbindung zwischen der Entspanrungskammer 30 und dem Motorabteil 14. Bei der gezeigten Ausführungsform bewirkt die Drosselwirkung der Klappe 50 während einer Schliessbewegung eine Druckerhöhung in der Entspannungskammer 30.
Fig. 5 zeigt eine weitere Anordnung zur Bewegung der Klappe in der die Entspannungskammer mit dem Motorabteil verbindenden Leitung. In der Entspannungskammer ist ein zusätzlicher Schwimmer 60 vorgesehen und so angeordnet, dass der durch den normalen Betriebsflüssigkeitsstand in ersterer nicht beeinflusst wird. Wenn aber eine erhöhte Flüssigkeitsansammlung in der Entspannungskammer auftritt, ein Zustand, der einen Druck im Verdampfer anzeigt, der in der Nähe oder grösser ist als der Druck in der Entspannungskammer, betätigt der Schwimmer 60 die
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Klappe 50 in der Schliessrichtung, durch den Verbindungsarm 61, den Winkelhebel 62 und die Stange 63.
Bisher wurde vorgeschlagen, das gasförmige Kältemittel in der Saugleitung des Kompressors als Kühlmedium für den den Kompressor antreibenden Motor zu verwenden. Nun erlaubt aber das aus der Entspannungskammer austretende gasförmige Kältemittel die Erreichung gewisser Vorteile, die bei Verwendung von Sauggas nicht erreichbar sind. Wenn zum Beispiel gasförmiges Kältemittel zur Kühlung des Motors verwendet wird, erleidet das Kältemittelgas einen Drackabfall und wird überhitzt, wenn es in Wärmeaustausch mit dem Motor tritt.
Die in der Korn pressionsphase des Prozesses aufgewendete Arbeit steht direkt mit der Grösse des Druckabfalles und der auftretenden Überhitzung in Beziehung. Die zusätzlich erforderliche Arbeit, bei Verwendung von Sauggas zur Kühlung des Motors, ist in Fig. 2 im pv-Dia- gramm graphisch dargestellt. Die durch die Linien AB, BC, CD, DE, EF und FA begrenzte Fläche stellt die im Idealfall zur Kompression des Kältemittelgases erforderliche Arbeit dar. Die Gerade AB stellt das Gasvolumen beim Kompressoreinlass dar.
Die Gerade CD zeigt eine Volumenerhöhung, bedingt durch die Einführung von Kältemittelgas aus der Entspannungskammer zwischen den beiden Stufen des Kompressors nach Fis. 1, wenn kein Druckabfall und keine Über- hitzung stattfänden. Die Fläche GH, HJ, JK, KL, LF und FG stellt die Arbeit dar, die zu leisten wäre, wenn ein Volumen Sauggas zur Motorkühlung verwendet wird, welches einen Druckabfall und eine Überhitzung erfährt.
Es ist klar, d'ass wenn aus der Entspannungskammer kommendes Kältemittelgas als Kühlmittel für den Motor verwendet wird, die zusätzlich zu leistende Arbeit auf die durch die Linien MN, NL, LE, ED, DC und CM begrenzte Fläche beschränkt ist.
Hier stellt die Fläche CMWD die zu- sätzliche Arbeit dar, bedingt durch den Druckabfall des Kältemittelgases im Motor, und der Rest der Fläche ist bedingt durch die Überhitzung. Es ist ebenfalls klar, dass für dieselbe aufgewendete Arbeitsmenge ein grösserer Druckabfall in der Entspannungskammer aufrechterhalten werden kann (wodurch ein wirkungsvollerer Wärmeaustausch ermöglicht wird).
Ein weiterer, durch die Verwendung von aus der Entspannungskammer kommendem Kältemittelgas zu erreichender Vorteil ergibt die Gasdichte, da das von der Entspannungskammer fliessende Kältemittelgas dichter ist als das Sauggas, was einen wirksameren Wärmeaustausch zwischen dem Motor und dem Kälte- mittelgas zur Folge hat.
Ein weiterer Vorteil, der durch die Verwendung von aus der Entspannungskammer kommendem Käl- temittelgas als Motorkühlungsmedium erreicht wird, liegt in der Tatsache begründet, dass das vorgenannte Kältemittelgas relativ trocken ist, d. h. es hat eine niedrigere relative Feuchtigkeit, so dass es die Fähigkeit, Feuchtigkeit aufzunehmen, besitzt. Dies ist wichtig, wenn der Betrieb der Kühlanlage nach einer Stillstandsperiode wieder aufgenommen wird. Sehr häufig nehmen die Wicklungen des Motors während der Stülstandsperiode Feuchtigkeit, die in der Kühlanlage vorhanden ist, auf.
Das aus der Entspannungskammer kommende Kältemittelgas wird beim Wiederanlassen die Fähigkeit haben, diese Feuchtigkeit aufzunehmen, und zwar wegen seiner niedrigen relativen Feuchtigkeit.