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Die Erfindung betrifft einen Ölsammler für einen Kältekreislauf, umfassend eine Ölkammer mit einem Eintritt für ein Öl-Kältemittel-Gemisch, einem Austritt für ein Kältemittel und einem Auslass für Öl. Sie betrifft weiter einen Kältekreislauf, umfassend einen Verdichter und einen Wärmeüberträger, wobei eine Kältemittelleitung den Verdichter ausgangsseitig mit dem Wärmeüberträger verbindet.
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Ein Kältekreislauf ist ein System, das dazu dient, eine Einrichtung auf ein gewünschtes Maß abzukühlen, beispielsweise eine Kühltruhe für Lebensmittel. Ein Kältemittel, das in dem geschlossenen Kreislauf bewegt wird, erfährt nacheinander verschiedene Aggregatzustandsänderungen: Das gasförmige Kältemittel wird zunächst durch einen Verdichter komprimiert. Im folgenden Wärmeüberträger kondensiert es unter Wärmeabgabe. Anschließend wird das flüssige Kältemittel aufgrund der Druckänderung über ein Drosselorgan, zum Beispiel ein Expansionsventil oder ein Kapillarrohr, entspannt. Im nachgeschalteten zweiten Wärmeüberträger (Verdampfer) verdampft das Kältemittel unter Wärmeaufnahme bei niedriger Temperatur (Siedekühlung). Der Kreislauf kann nun von vorne beginnen. Der Prozess muss von außen durch Zufuhr von mechanischer Arbeit (Antriebsleistung) über den Verdichter in Gang gehalten werden.
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Im Verdichter wird Öl als Schmiermittel verwendet. Baubedingt gelangt dabei stets ein Teil des Öls in das austretende verdichtete Kältemittel. Ausgangsseitig ist dem Verdichter daher in der Regel ein Ölabscheider nachgeschaltet, der z.B. als Prallabscheider ausgebildet sein kann, und in dem das Öl wieder aus dem Kältemittel entfernt wird. Das abgeschiedene Öl wird dabei nicht verworfen, sondern über einen separaten Ölkreislauf in einen Ölsammler geleitet und dem Verdichter von dort wieder zugeführt.
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In dem abgeschiedenen Öl üblicherweise noch Reste des Kältemittels enthalten. Der Ölsammler weist daher eine Ölkammer auf, die einen Eintritt für das im Abscheider abgeschiedene Öl-Kältemittel-Gemisch aufweist. Das Öl-Kältemittel-Gemisch sammelt sich nun in der Ölkammer und Kältemittel kann aus dem Öl ausgasen. Die Ölkammer weist daher weiter einen Austritt für das ausgasende Kältemittel auf. Schließlich ist ein Auslass zur Entnahme von Öl an den Verdichter vorgesehen.
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Problematisch ist hierbei, dass insbesondere bei modernen Anlagen, die Kohlendioxid als Kältemittel verwenden, eine vergleichsweise große Menge des Kältemittels im Öl gelöst sein kann. Dies wirkt sich negativ auf die Eigenschaften des Öls aus und kann Probleme im Betrieb des Verdichters mit sich bringen, da das Öl während oder nach dem Einspritzvorgang in den Verdichter aufschäumt. Durch ein Aufschäumen wird die Schmierung an den Lagerstellen beeinträchtigt. Zudem erschwert ein Aufschäumen die exakte Messung des Ölfüllstandes im Verdichter und kann zu einem erhöhten Ölaustrag aus dem Verdichter führen.
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Es ist daher Aufgabe der Erfindung, einen Ölsammler der eingangs genannten Art anzugeben, welcher einen besonders wartungsarmen und zuverlässigen Betrieb des Verdichters ermöglicht.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst, indem der Ölsammler einen Kältemittelkanal umfasst, ausgebildet zur Leitung verdichteten, gasförmigen Kältemittels, und wobei der Kältemittelkanal derart im Verhältnis zur Ölkammer angeordnet ist, dass ein Wärmeaustausch zwischen Ölkammer und verdichtetem, gasförmigem Kältemittel erfolgt.
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Die Erfindung geht dabei von der Überlegung aus, dass ein besonders wartungsarmer Betrieb des Kältekreislaufs möglich wäre, wenn das im abgeschiedenen Öl enthaltene und gelöste Kältemittel reduziert werden könnte. Dies kann durch geeignetes Erwärmen des Öles erfolgen. Üblicherweise reicht die Umgebungstemperatur hierfür nicht aus und es ist künstlich Wärme zuzuführen, beispielsweise in Form einer Heizung. Dies erhöht jedoch den Energieverbrauch der Anlage. Um eine Erwärmung des Öls ohne separate Heizung zu erreichen, sollte daher die vorhandene Wärme des komprimierten Kältemittels zur Erwärmung des Öls genutzt werden. Hierzu sollte der Ölsammler selbst in der Art eines Wärmetauschers ausgebildet sein, so dass Wärme aus dem verdichteten Kältemittel an das Öl übertragen werden kann, ohne dass eine stoffliche Verbindung besteht. Hierzu umfasst der Ölsammler einen Kältemittelkanal, der entsprechend zur Leitung von verdichtetem, gasförmigen Kältemittel ausgebildet ist. Der Kältemittelkanal ist dabei derart im Verhältnis zur Ölkammer des Ölsammlers angeordnet, dass ein Wärmeaustausch zwischen Ölkammer und verdichtetem, gasförmigem Kältemittel erfolgt. Hierdurch kann ohne zusätzlich Heizung ein Ausgasen des Kältemittels aus dem Öl erreicht werden.
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In vorteilhafter Ausgestaltung des Ölsammlers ist die Anordnung des Kältemittelkanals derart, dass ein Wandungsanteil des Kältemittelkanals außenseitig im Inneren der Ölkammer angeordnet ist. Mit anderen Worten: An der einen Seite des entsprechenden Wandungsanteils fließt verdichtetes Kältemittel, an der anderen Seite liegt Öl bzw. Öl-Kältemittel-Gemisch im Inneren der Ölkammer an. Der Wandungsanteil sollte selbstverständlich aus einem geeignet wärmeleitenden Material bestehen, z.B. einem Metall.
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Zudem sollte die Fläche des Wandungsanteils ausreichend groß sein, so dass genügend Wärme übertragen wird. Hierzu ist die Fläche des Wandungsanteils vorteilhafterweise größer als 20 cm2/Liter Öl-Füllmenge auszuführen.
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In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung ist der Kältemittelkanal mit seinem gesamten Umfang durch das Innere der Ölkammer geführt. Die Ölkammer wird als von dem z.B. zylindrisch ausgebildeten Kältemittelkanal durchstoßen. Hierdurch ergibt sich ein einfacher Aufbau, bei dem der komplette Umfang des Kältemittelkanals zur Wärmeübertragung genutzt werden kann.
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In einer vorteilhaften Ausführung ist der Kältemittelkanal vom Boden zur Decke der Ölkammer geführt.
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In vorteilhafter Ausgestaltung sind der Eintritt und/oder der Austritt für Öl-Kältemittel-Gemisch bzw. Kältemittel in der oberen Hälfte, bevorzugt im oberen Viertel der Ölkammer angeordnet, so dass diese im gasförmigen Teil der Ölkammer münden.
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Ebenso ist der Auslass für das Öl vorteilhafterweise im Bereich des Bodens der Ölkammer angeordnet, so dass aus dem flüssigen Teil der Ölkammer Öl entnommen wird.
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Ein Kältekreislauf, umfassend einen Verdichter und einen Wärmeüberträger, wobei eine Kältemittelleitung den Verdichter ausgangsseitig mit dem Wärmeüberträger verbindet, umfasst vorteilhafterweise einen oben beschriebenen Ölsammler. Dabei ist der Ölsammler derart im Kältekreislauf angeordnet, dass der Kältemittelkanal des Ölsammlers zwischen Verdichter und Wärmeüberträger Teil der Kältemittelleitung ist. Der Kältemittelkanal wird also derart in die Kältemittelleitung vom Verdichter geschaltet, dass er möglichst nah am Verdichter angeordnet ist und noch eine möglichst hohe Wärmemenge im Kältemittel enthalten ist.
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In einem Kältemittelkreislauf, in dem in der Kältemittelleitung zwischen Verdichter und Wärmeüberträger weiter ein Ölabscheider angeordnet ist, ist der Ölsammler vorteilhafterweise derart im Kältekreislauf angeordnet, dass der Kältemittelkanal des Ölsammlers zwischen Verdichter und Ölabscheider Teil der Kältemittelleitung ist. Auch hier wird der Kältemittelkanal des Ölsammlers möglichst nah am Verdichter angeordnet.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist in einer Ölleitung zwischen Ölabscheider und Eintritt des beschriebenen Ölsammlers ein zweiter Ölsammler angeordnet. Dieser kann nach dem bekannten Stand der Technik ausgebildet sein, d.h. ohne Durchführung der Kältemittelleitung. Eine derartige Vorschaltung eines weiteren Ölsammlers dient lediglich dazu, die Ölkapazität des Systems zu erhöhen - der Ölsammler sammelt das abgeschiedene Öl-Kältemittel-Gemisch in der Art eines Zwischenspeichers. Erst anschließend wird es in den oben beschriebenen Ölsammler geführt.
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Der Kältekreislauf ist vorteilhafterweise zum Betrieb mit Kohlendioxid als Kältemittel ausgelegt und/oder der Wärmeüberträger des Kältekreislaufs ist ein Gaskühler. Bei derartigen Kältekreisläufen, die für den Betrieb mit Kohlendioxid ausgelegt sind, bietet der beschriebene Ölsammler besondere Vorteile, da hier besonders viel Kältemittel im Öl gelöst sein kann, welches durch die wärmetauschenden Eigenschaften des Ölsammlers entfernt wird.
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Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, dass durch die Ausgestaltung des Ölsammlers als Wärmeüberträger zwischen dem gesammelten Öl-Kältemittel-Gemisch und dem verdichteten Kältemittel aus dem Verdichter ein besonders gutes Ausgasen des Kältemittels aus dem Öl erreicht wird. Dies wird ohne zusätzliche Heizung und damit ohne entsprechenden zusätzlichen Energieverbrauch erreicht. Das gesammelte Öl enthält dann vergleichsweise wenig gelöstes Kältemittel und es wird ein problemloser Betrieb des Verdichters erzielt.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand von Zeichnungen näher erläutert. Darin zeigen:
- 1 einen Ölsammler nach dem Stand der Technik
- 2 einen Ölsammler mit einem Kältemittelkanal zum Austausch von Wärme, und
- 3 einen Kältekreislauf mit einem Ölsammler gemäß 2.
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Gleiche Teile sind in allen Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen.
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1 zeigt einen aus dem Stand der Technik bekannten Ölsammler 1. Dieser ist im Wesentlichen zylindrisch mit aufgebaut, da in der seiner Ölkammer 2 ein vergleichsweise hoher Druck herrscht. Die Ölkammer 2 umfasst das gesamte Innere des Ölsammlers 1 und ist daher ebenfalls zylindrisch mit Boden 4 und Decke 6 geformt. Sie weist in Ihrer Decke 6 einen Eintritt 8 für ein Öl-Kältemittel-Gemisch 10 auf, welches in einem noch zu beschreibenden Ölabscheider aus verdichtetem Kältemittel abgeschieden wird.
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Das Öl-Kältemittel-Gemisch 10 tritt in die Ölkammer 2 ein, so dass sich am Boden 4 eine flüssige Phase 12 sammelt. Über der flüssigen Phase 12 füllt eine gasförmige Phase 14 die Ölkammer 2 aus. Diese besteht im Wesentlichen aus ausgasendem Kältemittel 16, welches über einen ebenfalls in der Decke 6 angeordneten Austritt 18 aus der Ölkammer 2 entnommen werden kann. Von hier wird es dem Kältekreislauf wieder zugeführt.
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Am Boden 4 der Ölkammer 2 befindet sich ein Auslass 20 in der flüssigen Phase 12, durch den Flüssigkeit 22 aus dem Ölsammler 1 entnommen werden kann und zur Schmierung des Verdichters verwendet werden kann.
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Hierbei ist jedoch problematisch, dass insbesondere bei der Verwendung von Kohlendioxid als Kältemittel dieses nicht vollständig aus dem Öl ausgast und somit in der entnommenen Flüssigkeit 22 noch eine vergleichsweise große Menge Kältemittel gelöst sein kann.
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Zur Lösung dieses Problems wird der Ölsammler 1 modifiziert so wie in 2 gezeigt. Durch die Mitte der Ölkammer 2, im Wesentlichen in der Achse des Zylinders, führt ein Kältemittelkanal 24. Dieser durchstößt den Boden 4 und die Decke 6, wobei die ebenfalls zylinderförmige Wandung 26 des Kältemittelkanals 24 das Innere des Kältemittelkanals 24 vom Inneren der Ölkammer 2 dicht trennt. Jedoch ist über die Wandung 26 ein Wärmeaustausch gegeben. Der Kältemittelkanal 24 wird von unten nach oben mit Kältemittel aus dem Verdichter durchströmt. Durch den Wärmeaustausch wird insbesondere die flüssige Phase 12 erwärmt und das Ausgasen von Kältemittel 16 beschleunigt. Hierdurch wird durch den Auslass 20 Öl 28 mit einem geringeren Anteil an gelöstem Kältemittel entnommen. Durch die Verwendung des verdichteten Kältemittels zur Heizung des Öls 28 im Ölsammler 1 wird hierfür auch keine zusätzliche Energie benötigt.
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3 zeigt schließlich die Anordnung des Ölsammlers 1 in einem Kältekreislauf 30. Der Kältekreislauf 30 wird im Folgenden ausgehend von einem Verdichter 32 beschrieben. Das im Verdichter 32 verdichtete Kältemittel - im Ausführungsbeispiel Kohlendioxid - wird in einer Kältemittelleitung 34 zunächst durch den in 2 beschriebenen Kältemittelkanal 24 des Ölsammlers 1 geführt. Dort gibt es Wärme an das dort gesammelte Öl 28 ab, so dass gelöstes Kältemittel 16 ausgast und es beim Einspritzen in die Ölwanne des Verdichters nicht zum Aufschäumen kommt.
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Hieran schließt sich zunächst ein Ölabscheider 36. Der Ölabscheider 36 ist als Prallabscheider ausgebildet und scheidet Öl ab, welches dem Kältemittel im Verdichter 32 beigemischt wurde. Das abgeschiedene Öl enthält jedoch - wie beschrieben - noch einen großen Anteil Kältemittel. Kältemittelseitig schließt sich an den Ölabscheider 36 ein im Ausführungsbeispiel als Gaskühler ausgebildeter Wärmetauscher 38 an, in dem das verdichtete Kältemittel gekühlt und verflüssigt wird. Von dort strömt es über ein Hochdruckventil 40 in einen Mitteldrucksammler 42.
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Aus dem Mitteldrucksammler 42 strömt das Kältemittel über ein Einspritzventil 44 in einen Verdampfer 46. Hier wird das Kältemittel entspannt und nimmt Wärme auf, so dass die gewünschte Kühlwirkung erreicht wird. Aus dem Verdampfer 46 strömt das nun wieder gasförmige Kältemittel zurück in den Verdichter 32, wird dort komprimiert und der Kreislauf beginnt von neuem.
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Bislang wurde nur die Anordnung des Ölsammler 1 hinsichtlich des Kältemittelkanals 24 im Kältekreislauf 30 beschrieben. Hinsichtlich der Ölkammer 2 ist der Ölsammler 1 wie folgt angeordnet: Der Eintritt 8 für Öl-Kältemittel-Gemisch ist mit dem entsprechenden Auslass des Ölabscheiders 36 verbunden. Der Austritt 18 für ausgasendes Kältemittel ist einerseits mit dem Mitteldrucksammler 42, andererseits über ein Mitteldruckventil 48 mit der Kältemittelleitung 34 zwischen Verdampfer 46 und Verdichter 32 verbunden. Das am Auslass 20 dem Ölsammler 1 entnommene Öl 28 ist über einen Ölspiegelregulator 50 mit dem Verdichter 32 verbunden.
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In einer weiteren, nicht bildlich dargestellten Ausführungsform ist in zwischen Ölabscheider 36 und Eintritt 8 des Ölsammlers 1 ein zweiter Ölsammler angeordnet. Dieser ist ohne Durchführung der Kältemittelleitung in üblicher Weise nach dem Stand der Technik ausgestaltet und ermöglicht es, die Ölkapazität des Systems zu erhöhen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Ölsammler
- 2
- Ölkammer
- 4
- Boden
- 6
- Decke
- 8
- Eintritt
- 10
- Öl-Kältemittel-Gemisch
- 12
- flüssige Phase
- 14
- gasförmige Phase
- 16
- Kältemittel
- 18
- Austritt
- 20
- Auslass
- 22
- Flüssigkeit
- 24
- Kältemittelkanal
- 26
- Wandung
- 28
- Öl
- 30
- Kältekreislauf
- 32
- Verdichter
- 34
- Kältemittelleitung
- 36
- Ölabscheider
- 38
- Wärmetauscher
- 40
- Hochdruckventil
- 42
- Mitteldrucksammler
- 44
- Einspritzventil
- 46
- Verdampfer
- 48
- Mitteldruckventil
- 50
- Ölspiegelregulator
