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Verfahren zum Betrieb von Kältemaschinen Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb von Kältemaschinen, bei denen die Verflüssigung und eine eventuelle Unterkühlung des Kältemittels unter Abführung der Wärme an einen Kühlwasserkreislauf erfolgt, der eine Rückkühleinrichtung aufweist.
Sie bezieht sich weiterhin auf eine Kältemaschine zur Durchführung des Verfahrens.
Bei Kältemaschinen, bei denen im Kältemittelkreislauf die Verflüssigung des Kältemittels unter Abführung der Verflüssigungswärme an Kühlwasser erfolgt, wird häufig das erforderliche Kühlwasser im Kreislauf geführt. Besonders in den Fällen, in denen kein grosser Vorrat an Kühlwasser z. B. in Form von See-, Fluss- oder Grundwasser zur Verfügung steht, ist man darauf angewiesen, dem Kühlwasser in einer Rückkühleinrichtung die vom Kältemittelkreislauf aufgenommene Wärme wieder zu entziehen, worauf es dann wiederum zur Wärmeaufnahme aus dem Kältemittelkreislauf zur Verfügung steht.
Die Rückkühlung geschieht gewöhnlich in einer die Kühlwirkung der Aussenluft ausnutzenden Kühleinrichtung, beispielsweise in einem Kühlturm. Die mit einer solchen Rückkühleinrichtung zu erreichende niedrigste Temperatur des Kühlwassers liegt etwa 3 höher als die Feuchttemperatur der Aussenluft. Damit liegt für die in mittleren Breitengraden während des Sommers herrschenden klimatischen Verhältnisse die untere zu erreichende Rückkühltempe- ratur etwa bei 28 bis 32 C.
Im Bestreben, den Wirkungsgrad einer Kältemaschine zu verbessern, d. h. den Kreisprozess der Kältemaschine möglichst an den als idealen Ver- gleichsprozess geltenden Carnotschen-Kreisprozess anzunähern, besteht eine Möglichkeit darin, das im Käl- temittelkreislauf im Kondensator verflüssigte Kältemittel zu unterkühlen, bevor es verdampft wird.
Es ist deshalb bei Kältemaschinen bereits bekannt, das die Rückkühleinrichtung verlassende Wasser zunächst einem Wärmeübertrager zuzuführen, in welchem das aus dem Kondensator des Kältemittelkreis- laufs kommende verflüssigte Kältemittel unterkühlt wird und es erst danach in den Kondensator zu leiten, in welchem es unter weiterer Wärmeaufnahme die Verflüssigung des Kältemittels herbeiführt. Da die niedrigste zu erreichende Temperatur des Kühlwassers bei Kühlung in einem Kühlturm, wie dargelegt, bei 28 bis 32 C liegt, ist auch die niedrigste Unterkühltemperatur des Kältemittels damit nach unten abgegrenzt.
Die Aufgabenstellung der Erfindung besteht darin, den Wirkungsgrad von Kältemaschinen darüber hinaus zu verbessern. Sie geht dabei von dem Gedanken aus, durch möglichst gute Ausnutzung des zur Kühlung zur Verfügung stehenden Wassers das Kältemittel vor seiner Entspannung zu unterkühlen; denn je tiefer das Kältemittel herabgekühlt werden kann, desto geringer ist bei gegebener Kälteleistung die in der Zeiteinheit umzuwälzende Kältemittelmenge und damit auch die Antriebsleistung des Kom- pressors.
Die möglichst weitgehende Unterkühlung des Kältemittels mit Hilfe des zur Kühlung dienenden Wassers geschieht nach den folgenden überlegun- gen: Dem bei Kältemaschinen bekannten Kühlwasserkreislauf wird in einer bekannten Rückkühlein- richtung die Wärme, die das Kühlwasser beim Kondensieren des Kältemittels aufgenommen hat, wieder entzogen, indem in der Rückkühleinrichtung ein Teil des Kühlwassers verdunstet. Die zur Verdunstung erforderliche Wärme wird dem Kühlwasser entzogen, wodurch sich seine Temperatur erniedrigt.
Da die Verdunstungswärme von Wasser etwa 600 kcal/kg beträgt, so folgt daraus, dass für etwa 600 kcal, die in der Rückkühleinrichtung und damit auch im Kondensator des Kältemittelkreislaufs abgeführt werden,
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1 kg Wasser verdunstet. Dieses verdunstete Wasser muss dem Kühlwasserkreislauf wieder zugesetzt werden, beispielsweise durch Entnahme aus einer Grundwasserfassung, aus dem Stadtwassernetz oder aus einem ähnlichen Vorrat.
Darüber hinaus werden in der Rückkühleinrichtung, in der gewöhnlich das zu kühlende Wasser und die Kühlluft sich im Gegenstrom durchsetzen, durch den Luftstrom feine Wassertröpfchen mitgerissen, wodurch ein weiterer Kühlwasserverlust auftritt, der durch Zusatzwasser ausgeglichen werden muss. Dieser Verlust kann bei den gebräuchlichen Luftgeschwindigkeiten etwa gleich gross wie der Verlust durch Verdunstung angenommen werden. Um die beiden genannten Kühlwasserverluste auszugleichen, müssen somit, bezogen auf die abgeführte Wassermenge Q pro Stunde, an Zusatzwasser G", zugesetzt werden.
G"_ = Q/300 (kg/h).
Vielfach wird die Zusatzwassermenge noch weiter erhöht, um eine Anreicherung des zirkulierenden Kühlwassers an Salzen und anderen Stoffen zu vermeiden.
Auch wenn das zur Verfügung stehende Zusatzwasser eine tiefere Temperatur als das aus der Rückkühleinrichtung kommende Kühlwasser hatte, die, wie eingangs dargelegt, etwa 28-32 C beträgt, so hat man bei bisher bekannten Kältemaschinen das Zusatzwasser gewöhnlich in der Rückkühleinrichtung dem Kühlwasserkreislauf zugesetzt. Die Austrittstemperatur des Kühlwassers aus der Rückkühlein- richtung wird dabei nur geringfügig herabgesetzt, da die Zusatzwassermenge verhältnismässig klein zur Wassermenge im Kühlwasserkreislauf ist.
Das erfindungsgemässe Verfahren besteht demgegenüber darin, dass zum Ausgleich von Verlusten bzw. zur Erneuerung des Kühlwassers ein Kühlzu- satzwasser verwendet wird, welches eine tiefere Temperatur als das rückgekühlte Wasser des Kühlwasserkreislaufes aufweist, und dass das Zusatzwasser zunächst einem im Kältemittelkreislauf angeordneten Wärmeübertrager zugeführt wird und hier zur Unterkühlung des Kältemittels dient und danach erst dem Kühlwasserkreislauf zugesetzt wird.
Damit wird erreicht, dass das den Kondensator verlassende Kältemittel durch das Zusatzkühlwasser unterkühlt wird, wodurch der Wirkungsgrad der Anlage verbessert wird. Dabei kann diese Unterkühlung an die bereits bekannte Unterkühlung des Kältemittels durch den Kühlwasserkreislauf anschliessen, wodurch eine weitere Unterkühlung und damit eine weitere Verbesserung des Wirkungsgrades herbeigeführt wird.
Das Verfahren kann sowohl bei ein- oder mehr- stufigen Kompressionsmaschinen als auch bei Absorptionskältemaschinen mit Vorteil angewendet werden.
Die Kältemaschine zur Durchführung des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass im Kältemittelkreislauf zwischen Verflüssiger und Entspannungsorgan ein auf der einen Seite von Kältemittel und auf der anderen Seite von Kühlzusatzwasser beaufschlagter Wärmeübertrager angeordnet ist, der auf der Seite des Kühlzusatzwassers mit einem Anschluss für das Kühlzusatzwasser versehen ist und am Austritt eine Verbindung zum Kühlwasserkreislauf aufweist, so dass das Kühlzusatzwasser nach Durchsetzen des Wärmeübertragers in den Kühlwasserkreislauf gelangt.
Dabei kann bei dem im Kältemittelkreislauf angeordneten Wärmeübertrager im Anschluss für das Kühlzusatzwasser ein Durchflussregelorgan angeordnet sein, das durch eine von der Wassermenge im Kühlwasserkreislauf abhängige Stellgrösse gesteuert wird.
Der Gegenstand der Erfindung wird nachstehend anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen: Fig. 1 und 2 Schaltpläne einstufiger Kompres- sionskältemaschinen zur Durchführung des Verfahrens, Fig. 3 ein Druck-Enthalpie-Diagramm für das Ausführungsbeispiel gemäss Fig. 1.
Beim Schaltplan des Ausführungsbeispiels nach Fig. 1 wird das die Rückkühleinrichtung 1 über Leitung 15 verlassende Kühlwasser durch die Pumpe 2 in einen als Unterkühler bezeichneten Wärme- übertrager 3 gefördert. Von dort gelangt es über Leitung 4 in den Kondensator 5 und anschliessend über Leitung 6 wieder in die Rückkühleinrichtung 1. Die Fliessrichtung des Kühlwassers ist mit Pfeilen 7 gekennzeichnet.
In der Rückkühleinrichtung wird dem Wasser durch bekannte Mittel Wärme entzogen. Das geschieht beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 durch Versprühen des über Leitung 7 der Rückkühlleitung 1 zugeführten Wassers mittels der Düsen B. Durch im Gehäuse der Rückkühleinrichtung vorgesehene öff- nungen 9 strömt Aussenluft (Pfeile 14) in das Innere des Gehäuses, erwärmt sich dort, steigt auf und wird über die kaminartige Öffnung 10 abgeführt. Das Abführen der erwärmten Luft aus dem Inneren der Rückkühleinrichtung kann, wie in Fig. 1 dargestellt, durch eine Absaugeinrichtung unterstützt werden, die aus einem durch Motor 11 angetriebenen Ventilator 12 besteht.
Auf diese Weise kann die Luftmenge, die die Einrichtung durchsetzt und damit die Kühlleistung gesteigert werden.
Im Kältemittelkreislauf gelangt das Kältemittel im dampfförmigen Zustand in den Kompressor 16, wird durch diesen verdichtet und strömt darnach über Leitung 17 in den Kondensator 5. Nach Verflüssigung im Kondensator 5 gelangt es über Leitung 18 in den Unterkühler 3 und von dort über Leitung 19 in einen weiteren, als Unterkühler wirkenden Wärme- übertrager 20. Anschliessend wird es über Leitung 21, Regelventil 22 in den Verdampfer 23 geführt. Das im Verdampfer 23 verdampfende Kältemittel nimmt Wärme auf, die es dem in Leitung 24, Rohrschlange 25 und Leitung 26 strömenden Kaltwasser entzieht. Das in Leitung 24, 25, 26 fliessende Kaltwasser,
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welches auch eine Sole oder ähnliches sein kann, steht mit einem nicht dargestellten zu kühlenden Objekt in Verbindung.
Das den Verdampfer verlassende Kältemittel gelangt über Leitung 27 wieder zum Kompressor 16, um den Kreislauf von neuem zu beginnen. Die Fliessrichtung des Kältemittels ist mit Pfeilen 30 gekennzeichnet.
Das zum Ausgleich bzw. zur Erneuerung des Kühlwassers erforderliche Kühlzusatzwasser wird über eine Leitung 31, die mit einem nicht gezeichneten Wasservorrat in Verbindung steht, dem Unterkühler 20 zugeführt (Pfeil 38). In der Leitung 31 ist ein Durchflussregelorgan 32 angeordnet, welches von einem in der Rückkühleinrichtung 1 angeordneten Niveaumessfühler, der hier als Schwimmerteil 33 ausgebildet ist, und über einen in der Leitung 34 eingebauten Regler 35 gesteuert wird. Das den Unterkühler 20 über Leitung 37 verlassende Kühlzusatzwasser wird an der Stelle 36 dem Kühlwasserkreislauf zugesetzt.
Es versteht sich, dass der Druck im Kühlzusatzwasser etwas höher sein muss als der förderseitig herrschende Druck der Pumpe 2 im Kühlwasserkreislauf. Das Kühlzusatzwasser kann natürlich auch an einer beliebigen anderen Stelle dem Kühlwasserkreislauf zugesetzt werden. Eine solche Variante zeigt das Ausführungsbeispiel nach Fig.2, bei dem das Kühlzusatzwasser über die Leitung 37 in der Rück- kühleinrichtung 1 dem Kühlwasserkreislauf zugesetzt wird.
Das Ausführungsbeispiel nach Fig.2 zeigt im wesentlichen dieselbe Anordnung wie das Beispiel nach Fig. 1. Gleiche Teile sind deshalb mit gleichen Bezugszeichen versehen. Bei der Anordnung nach Fig. 2 gelangt im Gegensatz zur Anordnung nach Fig. 1 das die Rückkühleinrichtung verlassende Wasser nicht erst in einen Unterkühler, sondern sofort in den Kondensator 5. Ebenfalls wird somit das den Kondensator verlassende Kältemittel nicht erst durch einen von Kühlwasser beaufschlagten Wärmeübertrager unterkühlt, sondern es wird lediglich durch einen von Kühlzusatzwasser beaufschlagten Wärme- übertrager 20 unterkühlt.
Die Zustandsänderungen der Anordnung nach Fig. 1 und die durch das erfindungsgemässe Verfahren erzielte Verbesserung der Kälteleistung werden anhand des in Fig. 3 dargestellten Druck-Enthalpie- Diagramms, abgekürzt p-i-Diagramm, erläutert. Das vom Kompressor angesaugte Kältemittel hat eine Temperatur to und den Ansaugdruck po. Es befindet sich im trockengesättigten Zustand und liegt somit auf der rechten Grenzkurve (trockengesättigter Dampf) 38, Punkt 39. Durch den Kompressor wird es auf den Druck p1 verdichtet, Punkt 40.
Das sich im überhitzten Zustand befindende Kältemittel wird nunmehr im Kondensator enthitzt, Punkt 41, und verflüssigt, Punkt 42. Die Kurve 43 ist die Grenzkurve Flüssigkeit-Dampf (siedende Flüssigkeit) des Kältemittels. Beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 erfolgt anschliessend eine erste Unterkühlung des Kältemittels im vom Kühlwasser beaufschlagten Wärmeübertrager 3, Punkt 43.
Anschliessend erfolgt eine weitere Unterkühlung in dem von Kühlzusatz- wasser beaufschlagten Wärmeübertrager 20, Punkt 44. Anschliessend wird das Kältemittel auf den Druck p" entspannt, Punkt 45, und es folgt anschliessend die Verdampfung, Punkt 39. Die zur Verdampfung erforderliche Wärme, Strecke 45-39, wird einem Kaltwasserkreislauf, von dem die Teile 24, 25, 26 in Fig. 1 dargestellt sind, entzogen und damit die gewünschte Kälteleistung erzielt.
Man erkennt, dass die Kälteleistung nach dem erfindungsgemässen Verfahren durch die weitere Unterkühlung verbessert wird. Wäre das Kältemittel nur durch den Kühlwasserkreislauf unterkühlt worden, Punkt 43, und anschliessend entspannt und verdampft, so stünde nur die durch die Strecke 46-39 dargestellte Kälteleistung zur Verfügung. Im Falle einer weiteren Unterkühlung durch das Kühlzusatz- wasser steht nunmehr eine der Strecke 45-39 entsprechende Kälteleistung zur Verfügung, die grösser als die Strecke 46-39 ist.