DE102022100491A1 - Ejektor - Google Patents

Abstract

Vorgeschlagen ist ein Ejektor mit einem Mischrohr (B), dessen Länge betrieblich einstellbar ist.

Description

• Kohlenstoffdioxid, vereinfacht CO2 bezeichnet oder R744 genannt, ist eines der weit verbreitet eingesetzten Kältemittel in vielen Bereichen aufgrund seiner geringen Herstellkosten und Sicherheit im Vergleich zu den meisten anderen Kältemitteln. Mit zunehmender Marktdurchdringung von E-Fahrzeugen im Automobilbereich werden Innovationen zur Temperierung relevanter. Durch den Einsatz von R744-Klimaanlagen- und Wärmepumpensystemen kann der Verbrauch elektrischer Energie reduziert, d.h. die Effizienz deutlich gesteigert werden und damit die Reichweite des E-Fahrzeugs erhöht werden. Allerdings existiert weiterhin ein hohes Optimierungspotential zur Effizienzsteigerung von Anlagen und Systemen, in welchen dieses Kältemittel verwendet wird.
• In einem konventionellen R744-Kreislauf wird das kondensierte Kältemittel nach dem Gaskühler über ein Expansionsventil entspannt, wodurch das Kältemittel auf ein niedrigeres Druckniveau zur erneuten Arbeit des Kreislaufs gebracht wird. Allerdings können hohe Drosselverluste aufgrund der großen Druckdifferenz zwischen Gaskühleraustritt und Verdampfereintritt auftreten. Der Grund dafür ist die Dissipation der kinetischen Energie, was einen negativen Einfluss auf die Systemeffizienz verursachen kann. Als eine der Optimierungsmöglichkeiten zur Effizienzsteigerung kann das Expansionsventil durch einen Ejektor ersetzt werden.
• Ein Ejektor hat vier Hauptkomponenten: Eine Treibdüse, eine Saugdüse, ein Mischrohr und einen Diffusor. In der Treibdüse strömt das Kältemittel mit dem Hochdruck und wird am Austritt der Düse entspannt. In der Saugdüse wird das Kältemittel mit dem Niederdruck mittels Druckdifferenz ab-/angesaugt. In dem Mischrohr werden beide Massenströme vermischt. Über Impuls- und Energieaustausch während der Mischung wird der Druck des Saugmassenstroms zurückgewonnen. Im Diffusor wird der Druck des gemischten Massenstroms über Diffusion weiter erhöht. Wird der Ejektor im Kältemittelkreislauf eingesetzt, muss die Topologie des Kreislaufs für den Ejektor angepasst werden.
• In DE 10 2012 011 278 A1 und in „Untersuchung der Betriebscharakteristik, Christian Lucas“ wird der Kältemittelkreislauf vorgestellt, in dem verdampftes Kältemittel durch den Ejektor in einen Separator gefördert wird. Der Ejektor wirkt somit als die erste Verdichtungsstufe. Der Separator hat dann zwei Auslässe für die Weiterleitung des gasförmigen und flüssigen Kältemittels. Der Gasteil strömt in den Verdichter ein, wobei der flüssige Teil über ein Regelventil im Verdampfer zur Wärmeaufnahme gebracht wird. Das Regelventil wirkt nicht als Expansionsorgan, sondern reguliert die Überhitzung des Kältemittels am Verdampferaustritt. Mit dieser Auslegung wird das Druckverhältnis im Verdichter im Vergleich zu einem konventionellen R744-Kreislauf reduziert, wobei der nutzbare Enthalpiestrom wegen dem erhöhten Flüssigkeitsgehalt des Kältemittels im Verdampfer vergrößert wird. Dadurch wird der Anstieg der Effizienz des ganzen Systems realisiert.
• In „CO2-Ejektoren beim Einsatz in der gewerblichen Kältetechnik in tropischen Gebieten“ hat M.Sc.-Ing. Ricardo Fiorenzano de Albuquerque und Dipl.-Ing. Christian Tischendorf aus TU Braunschweig mehrere Experimente über die Effizienzsteigerung mit Einsatz eines Ejektors gemacht. Als Beispiele werden die Ergebnisse von zwei Experimenten im Folgenden gezeigt. In dem ersten Experiment wurde die Effizienz von dem ganzen Kältemittelsystem (COP) mit und ohne Einsatz des Ejektors unter verschiedenen Randbedingungen gemessen. Die relative Abweichung zwischen beiden Werten wurde gemessen. Unter der hohen Umgebungstemperatur und dem hohen Ejektorwirkungsgrad ist der relative Gewinn der Systemeffizienz beim Einsatz des Ejektors besonders hoch. In dem zweiten Experiment wird der relative COP-Gewinn bei den unterschiedlichen Kältemitteln ausgerechnet. In dem ganzen Temperaturbereich weist der Ejektor-Kreislauf in Verbindung mit CO2 im Vergleich zu den meisten anderen Kältemittel die höchste Effizienzsteigerung auf.
• Der wesentliche Mangel eines Ejektors ist seine feste Geometrie. Für das Hauptexpansionsorgan in einem Kältekreislauf ist eine Variation der Geometrie erforderlich, damit das Kältemittelsystem bei instationären Betriebszuständen (zeitlich und örtlich veränderte Bedingungen) optimal betrieben werden kann.
• In „Experimental validation of a prototype ejector designed to reduce throttling losses encountered in transcritical R744 system operation, Stefan Elbel und Pega Hrnjak“ wurde ein Ejektor mit einer variablen Geometrie vorgestellt. Eine Ventilnadel wurde innerhalb der Treibdüse aufgebaut und lässt sich durch Regelung des Aktuators axial bewegen. Die Spitze der Ventilnadel reguliert dann die Größe des Expansionsquerschnitts der Treibdüse. Somit wird die Hochdruckregelung wie in einem elektronischen Expansionsventil bei einem Ejektor ermöglicht, was ein zusätzlicher Freiheitsgrad in einem R744 Ejektor Kreislauf bedeutet.
• In „Experimental and numerical investigation of the design and control of vaporcompression systems with integration of two-phase ejectors for performance enhancement through expansion work recovery, Neal Lawrence“ wurde ein Ejektor-Prototyp basierend auf dem Konstruktionsprinzip eines R744 variablen Ejektors von Stefan Elbel aufgebaut. Mit dem Prototyp wurden Experimente für die Validierung der Hochdruckreglung bei einem Ejektor durchgeführt. Nach seinen Ergebnissen existiert immer ein spezifischer Wert des Hochdrucks zu einer spezifischen Randbedingung, bei dem der COP, welcher die Systemeffizienz beschreibt, maximal ist (optimaler Hochdruck für höchsten COP).
• In EP 2 570 753 A2 wurde ein Wärmepumpensystem mit Ejektor ohne Regelfunktion vorgestellt. In dem Kreislauf wird ein regelbares Bypass-Ventil parallel mit dem Ejektor geschaltet. Die Topologie bietet die Möglichkeit an, den Hochdruck zu regeln, ohne den Ejektor geometrisch variabel zu konstruieren.
• Das Mischrohr, in dem Kältemittel mit Niederdruckniveau durch Zumischung von Kältemittel mit Hochdruckniveau komprimiert wird, hat zwei wichtige Geometrieparameter. Ein Parameter davon ist die Länge des Mischrohrs. In „Experimental investigation on the effect of mixing length on the performance of two-phase ejector for CO2 refrigeration cycle with and without heat exchanger, M.Nakagawa, A.R. Marasigan" wurde ein Experiment zur Untersuchung des Zusammenhangs zwischen der Mischrohrlänge und dem Druckrückgewinn im Ejektor durchgeführt. Nach ihren experimentellen Ergebnissen verursacht ein Übermaß der Mischrohrlänge zusätzliche Reibungsverluste, wobei ein Untermaß der Mischrohrlänge zu Instabilität im gemischten Massenstrom führen kann. Darunter ist Folgendes zu verstehen: Im Mischrohr werden die Massenströme gemischt. Der Treibmassenstrom hat einen geringen Dampfgehalt und höhere Geschwindigkeit, wobei der Saugmassenstrom einen vergleichsweise höheren Dampfgehalt und niedrigere Geschwindigkeit hat. Aufgrund solcher Unterschiede zwischen beiden Massenströmen tritt ein Impuls- und Energieaustausch auf, wodurch sich der Druck im Mischrohr erhöht. Idealerweise soll eine möglichst homogene Geschwindigkeits- und Druckverteilung erreicht werden, wenn der Impuls- sowie Energieaustausch im Mischrohr vollständig sind.
• Der präzise Ausdruck sollte Inhomogenität bzw. heterogener Zustand der beiden Massenströme sein. In beiden Fällen wird der zurückgewinnbare Druck in dem Ejektor negativ beeinflusst (reduziert).
• Aufgrund des hohen Betriebsdrucks von R744 im Vergleich zu anderen (synthetischen) Kältemitteln (z.B. R1234yf) entsteht ein hoher Anteil von Wirbelströmung mit dem Kältemittelfluss durch den Expansionsquerschnitt, was die Reibungsverluste und die Dissipationseffekte verstärkt. In diesem Fall wird mehr Energie im Massenstrom dissipiert. In WO 2017101547 A1 wurde eine Auslegung der Ventilnadel in einem elektronischen Expansionsventil vorgestellt. Die Ventilnadel ist eine axial-bewegbare Komponente im Expansionsventil, wodurch die Änderung der Expansionsquerschnittsgröße bei veränderten äußeren Bedingungen ermöglicht wird. Die neue Nadel hat einen konusförmigen Kopf, an dem drei Nuten eingefräst wurden. Der Winkel zwischen je zwei Nuten ist 120 Grad. Die Nuten wurden als Strömungsführungsnut genannt. Das bedeutet: Es ist eine Reduzierung der Verluste bei der Treibdüse erforderlich. Aufgrund des zusätzlich eingebrachten Elements in der Treibdüse hat der Treibmassenstrom mehr Reibfläche mit der Treibdüse und daher werden höhere Reibungsverluste während der Drosselung erzeugt. Eine der möglichen Lösungen dafür ist das Einfräsen von Nuten auf der Ventilnadel. Diese Nuten können die Strömung in die richtige Durchflussrichtung leiten und die Wirbel in der Strömung reduzieren.
• „Kältemittelmassentrom-Führungsnuten“: Es geht darum die entstehenden Turbulenzen zu reduzieren und den KM-Massenstrom zu kanalisieren. Die Nuten leiten die Strömung entlang der Ventilnadel ab und die erzeugte Wirbelströmung besetzt dann die Räume in den Nuten. Somit wurden die negativen Einflüsse der Wirbelströmung minimiert und der Massenstrom im Expansionsventil kann erhöht werden.
• Nach der Untersuchung in der Abschlussarbeit von Bin Yang hat der Mischrohrdurchmesser keinen wesentlichen Einfluss auf die Effizienz eines Ejektorkreislaufs. Der Mischrohrdurchmesser muss somit nicht variabel gestaltet werden und kann ca. 1,6mm groß gewählt werden. Weitere nicht variabel auszugestaltende Geometrieparameter ebenfalls in der Abschlussarbeit ersichtlich (z.B. Abstand Treibdüse-Mischrohr, Diffusorwinkel,...)
• Aufgabe / Technisches Problem
• Nur die Größe des engsten Querschnitts, in dem das Kältemittel expandiert, wird durch die beschriebene Methode geregelt. Allerdings hat ein Ejektor mehrere Geometrieparameter und es besteht die Möglichkeit, sie variabel zu konstruieren.
• Im instationären Betrieb ändern sich die Eintrittsbedingungen am Ejektor im Kreislauf. Wenn die Länge des Wegs für die Zumischung der beiden Massenströme zu lang ist, werden die Reibungsverluste zwischen dem Massenstrom und der Innenwand erhöht und ein Teil der zurückgewinnbaren Energie wird dissipiert. In diesem Fall wird die Leistung eines Ejektors stark reduziert. Wenn die Länge des Mischrohrs nicht für die vollständige Mischung der Massenströme ausreicht, besteht die Gefahr einer Fluidseparation der Massenströme im Diffusor, was Instabilität, d.h. Inhomogenität im Ejektor verursachen kann. D.h. unter den unterschiedlichen Randbedingungen sollte die Länge des Mischrohrs variabel einstellbar sein.
• Einsatz einer Ventilnadel bietet die Variation des engsten Querschnitts an der Treibdüse, aber es erhöht die Reibungsverluste im Massenstrom und der Druckrückgewinn im Ejektor wird reduziert. Der Grund dafür ist die erhöhte Kontaktfläche zwischen dem Massenstrom und der Treibdüse aufgrund der zusätzlichen aufgebauten Ventilnadel. Um diese erhöhten Reibungsverluste zu kompensieren, sollte die Geometrie der Ventilnadel zur Reibungsreduktion optimiert werden.
• Der im Experiment eingesetzte Ejektor ist nicht komplett variierbar. Der Ejektor ist nur mit 3 Mischrohren unterschiedlicher Länge montierbar. Allerdings ist es erforderlich, ein integriertes automatisch regelbares Mischrohr in einem Ejektor vorzusehen, damit der Montageaufwand reduziert wird und eine präzise Regelung des Mischrohrs mit bereiteren Regelspektrum zur Verfügung steht. Reduzierter Montageaufwand ist ein Nebeneffekt eines Ejektors mit variabel einstellbarer Mischrohrlänge. Es geht darum dass es theoretisch unendlich viele optimale Mischrohrlängen gibt, immer passend zu den Druck- und Temperaturzuständen der Eingangsmassenströme (Hoch- und Saugdruck-Zuführung) und der Treibdüsennadelposition (bzw. Treibdüsenquerschnittsfläche). Genau das soll der variable Ejektor können. In Realität wird man das System nicht kontinuierlich µm-weise in der Länge variieren, sondern diskret in mm-Stufen, allenfalls könnte man sich noch eine Längenänderung von 100/200/500µm vorstellen. Es muss physikalisch einen nutzbaren Effekt bringen und der Aufwand vertretbar sein. In der Literatur sind Messergebnisse von Mischrohrlängen 5mm, 15mm und 25mm zu sehen, also eine große Änderung.
• Die erfinderische Lösung der Aufgabe besteht in:
• Ein konstruktives Design von einem Geometrie-variablen Ejektor wird vorgestellt. Außer den 4 Hauptkomponenten (Treibdüse, Saugdüse, Mischrohr and Diffusor) hat der neue Ejektor zwei zusätzliche Stellglieder/-elemente.
• Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Beschreibung und der Zeichnung erläutert, die ein erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel zeigen:
• 1 einen erfindungsgemäßen Ejektor in perspektivischer Darstellung;
• 2 den Ejektor in der Seitenansicht;
• 3 den Schnitt A-A gem. 2;
• 4 eine vergrößerte Darstellung eines Düsen-Teils des Ejektors gem. 1;
• 5 ein erstes Stellglied des Ejektors in perspektivischer Darstellung;
• 6 das erste Stellglied in der Seitenansicht;
• 7 den Schnitt B-B gem. 6;
• 8 die Wirkungsweise des ersten Stellglieds in schematischer Darstellung;
• 9 eine Detailansicht einer Treibdüse des Ejektors;
• 10 ein Mischrohr des Ejektors in perspektivischer Darstellung;
• 11 das Mischrohr in der Seitenansicht;
• 12 den Schnitt Y-Y gem. 11;
• 13 den Schnitt W-W gem. 11;
• 14 den Schnitt X-X gem. 11;
• 15 die Wirkungsweise des zweiten Stellglieds in schematischer Darstellung;
• 16 ein kaskadierter Regelkreis des Ejektors.
• In der 1 ist eine Übersicht des ganzen CAD-Modells von dem Geometrie-variablen Ejektor. In der 2 wurde eine Seitenansicht und in 3 die dazugehörige Schnittansicht A-A dargestellt.
• Der Ejektor hat einen Düsen-Teil A. Der Düsen-Teil A enthält eine Treibdüse A-2, welche einen Anschluss mit dem Gaskühler hat und das Kältemittel auf ein niedrigeres Druckniveau entspannt. Eine längere Rohrleitung 2 wird an der Seite der Treibdüse A-2 festgehalten, in welcher der Kältemittelfluss mit Hochdruck geleitet werden kann. Der Düsen-Teil enthält anschließend eine Saugdüse A-1, welche einen Anschluss mit dem Verdampfer hat und das Kältemittel komprimieren kann. Eine kürzere Rohrleitung 1 wird seitlich an der Saugdüse A-1 montiert. Der Kältemittelfluss wird danach in einen hohlkegelförmigen Kanal 3 weiterleitet und mithilfe der Verengung komprimiert. Ein freier Raum 4 befindet sich zwischen dem Eintritt des Mischrohrs B und dem Austritt der Treibdüse A-2. Der Treibmassenstrom und Saugmassenstrom treffen im Raum 4 zwischen Austritt der Saugdüse A-1 und dem Eintritt ins Mischrohr B aufeinander und der Mischprozess beginnt hier und wird im Mischrohr B weiter fortgeführt, s. Vergrößerung gemäß 4.
• Das erste Stellglied 5 wurde an der Treibdüse A-2 montiert, damit der Massenstrom in der Treibdüse über das Stellglied zur Effizienzmaximierung geregelt werden kann. In der 2 wurde gezeigt, dass das erste Stellglied 5 an der Seite der Treibdüse A-2 angeschraubt wird. Ein zusätzlicher Dichtring 6 wird an der Kombination zwischen der Treibdüse A-2 und dem ersten Stellglied 5 eingestellt, damit eine ausreichende Dichtung für Vermeidung des Rücklaufs des Massenstroms gewährleistet werden kann. Also eine Verbindungsstelle: Wie beschrieben wird das Stellglied 5 eingeschraubt, könnte aber auch eingepresst oder in jeder anderen Art befestigt sein (alle in der Technik bekannten Verbindungstechniken, schweißen, kleben, usw...). Eine Schraubverbindung (wie viele andere Verbindungstechniken auch) ist zunächst nicht druck- oder gasdicht. Dafür kommt ein O-Ring zur Anwendung (so wie man einen O-Ring eben verwendet, mit einer gewählten Überdeckung, aufgespannt in der erkennbaren Nut am Umfang, beim Einpressvorgang wird er verformt und die erzeugte Anpressung ermöglicht die Dichtwirkung). Das Dichtungsmaterial muss beständig ggü. CO2/R744 und PAG Öl Reniso ACC HV sein. Es kann aber auch eine andere Abdichtung sein.
• In den 5 bis 7 wird eine detaillierte Ansicht von dem ersten Stellglied 5 gezeigt. Das Stellglied 5 wird für die Regelung der Größe von dem engsten Querschnitt eingebaut oder verwendet. Diese Geometriegröße spielt eine sehr wichtige Rolle in die Hochdruckregelung, welche einen wesentlichen Einfluss auf die gesamte Effizienz von dem System hat. Das Stellglied wird durch eine Schraubenverbindung an der Treibdüse A-2 montiert.
• Das Stellglied 5 besteht aus einer Ventilnadel 41, einem Rotor mit dem Permanentmagnet 42 und einem Aktuator 43. Der Aktuator 43 hat einen Stromanschluss, wodurch sich der Rotor mit Permanentmagnet 42 über die Lorenzkraft drehen kann. Die Ventilnadel 41 wird mit einem Schneckengewinde 44 im Rotor verpresst und drehbar gelagert. Nach der Betätigung des Aktuators 43 kann sich die Ventilnadel 41 über die Umdrehung des Rotors axial bewegen und lässt sich um 2-4 mm Hub dafür haben. Das bedeutet: Der Aktor betätigt die Ventilnadel 41 und ermöglicht einen Hub von bis zu 2-4mm. Dies kann erfolgen über einen Stellmotor und ein Getriebe, das eine Umsetzung einer Dreh- in eine Linearbewegung ermöglicht (z.B. Schnecke). Es sind aber auch alle anderen von regelbaren Expansionsventilen bekannten Ausführungen möglich. Die Ventilnadel 41 könnte auch nach dem Hubmagnet-Prinzip aktuiert sein (ohne oder mit Permanentmagnet und Feder für stabilen Haltezustand/ stabile Endlagen (Kendrion Binder ist hier führend...)
• Auf der Oberseite des Rotors steht noch ein Kupplungselement 45, welches mit dem Endaschlag 46 Kontakt hat, damit das Gehäuse mit Rotor zusammendrehen kann. Über die axiale Bewegung von der Ventilnadel 41 ändert sich dann die Größe von dem freien Querschnitt am Austritt der Treibdüse A-2, damit der Durchfluss des Treibmassenstroms regelbar ist und eine Regelfunktion bezüglich des Hochdrucks erzielt werden kann. Der Hochdruck kann mit der variabel regelbaren Treibdüse A-2 eingestellt werden. R744-Systeme müssen für einen effizienten Betrieb auf optimalen Hochdruck geregelt werden. Auch die reinen EXV (elektronische Expansionsventile) tun das im R744/CO2. Eine schematische Zeichnung zur Darstellung der Wirkungsweise des ersten Stellglieds wird in der 8 gegeben.
• In der 9 wird eine weitere Verbesserung von dem ersten Stellglied 5 des Ejektors dargestellt. Es wird eine verbesserte konstruktive Auslegung der Treibdüse A-2 mit der Ventilnadel 41 gezeigt. Mit Betracht der verbesserten Konstruktion besteht eine Querschnittserweiterung unmittelbar nach dem engsten Querschnitt 413 der Treibdüse A-2. Der Vorteil ist es, den Freistrahl, welcher den Treibmassenstrom ausbreitet und die spätere Mischung mit dem Saugmassenstrom erschwert, zu reduzieren. Ein weiterer Vorteil von der gerundeten Querschnittserweiterung ist es, die Kontraktionseffekte beim Entspannen des Hochdruck-Kältemittels zu vermindern. Anschließend wird die Ventilnadel 41 auch konstruktiv verbessert. Die Kontur von dem Kopf 411 der neuen Ventilnadel 41 ist nicht mit einer geraden Linie sondern mit der Kurve eingezeichnet. Das bedeutet: Würde man einen Abdruck der Ventilnadel 41 herstellen (Negativ) ergäbe sich ein Trichter mit nichtlinearer Querschnittsänderung. Für die bildliche Vorstellung wie bspw. bei einem Blechblasinstrument. Als der wesentliche Vorteil dieser Konstruktion wird der Raum 412 (Hohlkegel mit nicht-linearer Querschnittsänderung) für die Wirbelströmung in dem Kältemittelfluss freigegeben, das heißt, die Ventilnadel 41 hat genau die positive Wirkung wie eine Ventilnadel mit Strömungsnuten und die geringeren Herstellungskosten davon kann gleichzeitig vorzusehen sein. Die Idee ist, dass eine Nadel mit kontinuierlicher nichtlinearer Querschnittsänderung kostengünstiger ist als eine mit linearer Querschnittsänderung und eingefrästen Nuten.
• Nachdem Massenstrom mit Niederdruck von der Saugdüse A-1 geleitet (Saugmassenstrom) und Massenstrom mit Hochdruck von der Treibdüse A-2 entspannt (Treibmassenstrom) wird, werden beide Massenströme in dem nächsten Schritt zugemischt, damit die thermischer und physikalische Zuständen von beiden Massenströmen ausgeglichen werden können. Der Treibmassenstorm liegt auf hohem Temperatur-/Druckniveau mit niedrigem Dampfgehalt während der Saugmasenstrom auf niedrigem Temperatur-/Druckniveau mit hohem Dampfgehalt liegt. D.h. die Temperaturen, Drücke und Dampfgehalt müssen angeglichen werden (thermisch/physikalisch).
• Als in dem vorherigen Abschnitt erwähnt wird der Druck von dem Saugmassenstrom über das riesige Enthalpie- sowie Energieaustausch mit dem Treibmassenstrom zurückgewonnen. Treibmassenstrom und Saugmassenstrom haben einen sehr hohen Unterschied in der Enthalpie und dieser muss während des Ausgleichsvorgangs komplett abgebaut werden.
• Den Druckrückgewinn kann man sich so vorstellen, dass durch die Entspannung des Kältemittels in der Treibdüse die freiwerdende Energie genutzt wird um den Saugmassenstrom „an zu treiben“. In einem System ohne Ejektor würde dieser Prozess im Expansionsventil ablaufen, allerdings ohne die freiwerdende Energie zu nutzen. Allerdings ist die Menge der Druckrückgewinnung von der Vollständigkeit der Mischung abhängig, wobei dieser Mischungsgrad nach der Literatur einen engen Zusammenhang mit der Länge des Mischrohrs B hat. Um den maximalen Druckrückgewinn zu erzielen, wurde ein neuer Geometrieparameter (Mischrohrlänge) als Variable in dem Regelungsprozess eingeführt. In den 10 bis 14 wird eine detaillierte Übersicht und Schnittansicht von dem neuen Ausführungsform des Mischrohrs B gezeigt.
• Das Mischrohr B in dem Geometrie-variablen Ejektor hat zwei Teile. Der erste Teil 7 ist an der Saugdüse A-1 festgehalten, wobei der zweite Teil 8 an dem Diffusor C festgehalten und axial bewegbar aufgebaut ist. In der 12 wird eine weitere Schnittansicht auf der Vorderseite gezeigt und es ist erkennbar, dass beide Teile durch drei Passungen 71, hier durch Führungsnuten und -stege verbunden sind.
• Das Mischrohr B soll translatorisch in seiner Länge variabel sein, z.B. Teleskopstange/Radioantenne. Gleichzeitig sollte der Mischrohrdurchmesser über die gesamte Mischrohrlänge konstant bleiben (ideal) und möglichst kein KM-Massenstrom in die Bewegungselemente strömen, insbesondere nach außen hin muss es dicht sein. Die Passungen 71 sind gleichmäßig um das Rohr verteilt. Einerseits hat so eine Konstruktion weniger Montageaufwand, andererseits verhindert Passungsverbindung die Rotation des Mischrohrs B während der Regulierung, welche negative Einflüsse wie zum Beispiel die Instabilität in dem Massenstrom mit sich bringen kann.
• Ein zweiter Stellglied 9 ist mit dem Mischrohr B integriert, d.h. ein zweites Stellglied kann die Mischrohrlänge variabel verändern. Dazu muss es am Mischrohr B befestigt, installiert oder eben dort baulich integriert sein. Das Stellglied 9 bietet eine Schubkraft an, über welche sich der zweite Teil 8 des Mischrohrs B axial bewegen kann. Das zweite Stellglied 9 besteht aus einem Aktuator 91, einem Rotor mit Permanentmagnet 92 einem Drehkörper 93 und einem Bewegungselement 94. Der Aktuator wird auf eine Platte 98 festgehalten und die Platte 98 wurde auf dem ersten Teil 7 des Mischrohrs B geschweißt. Somit hält der Aktuator 91 während der Änderung der Mischrohrlänge still. Mit dem Stromanschluss wird der Aktuator 91 bestätigt. Dann kann der Rotor 92 über die Lorenzkraft zum Drehen beginnen. Der mit Rotor 92 integrierte Drehkörper 93 kann damit zusammendrehen. Auf der anderen Seite des Drehkörpers 93 wird das Gewinde 95 gefräst. Über das Gewinde 95 hat der Drehkörper 93 einen Anschluss mit dem Bewegungselement 94. Auf der Seite des Bewegungselements 94 gegen dem Drehkörper 93 wird eine Bohrung mit ca. 4 cm Tiefe gemacht und ein Gewinde 96 wird auf der Innenseite davon gefräst. Der Drehkörper 93 fasst dann das Bewegungselement 94 über die Schraubenverbindung. Das Bewegungselement 94 ist auf dem zweiten Teil 8 des Mischrohrs B festgehalten. Die Platte ist im Bild mit 98 bezeichnet.
• Die translatorische Bewegung kann über jedes bekannte System erreicht werden (Kugelgewindetrieb, Planetenrollentrieb, Planetenwälzgewindespindel, Schneckentrieb usw.).
• Dieser Ausführungsform ermöglicht die Längenänderung des Mischrohrs B. Eine Schematische Zeichnung zur Darstellung der Wirkungsweise des zweiten Stellglieds wurde in der 15 gezeigt. Über die Drehung des Drehkörpers 93 wird der Drehkörper 93 langsam aus dem Bewegungselement 94 ausgeschraubt. Dann entsteht eine Längskraft durch Umsetzung der Umfangskraft. Über diese Längskraft wird dann der Bewegungselement 94 weg von dem Drehkörper 93 axial geschoben. Da das Bewegungselement 94 mit dem zweiten Teil 8 des Mischrohrs B integriert ist - d.h. Bewegungselement 94 und zweiter Teil 8 des Mischrohrs B sind zusammengebaut, also ein „integrales“ Bauteil - wird der zweite Teil 8 aus dem ersten Teil 7 axial gezogen. Wenn der Rotor mit dem Drehen stoppt, bleibt wieder der Drehkörper 93, der erste 7 und zweite Teil 8 des Mischrohrs B nach der Abwandlung im Stillstand (wenn der Aktor nicht bestromt/betätigt ist bleibt das Mischrohr B in der zuvor eingestellten Länge, da das Getriebe selbsthemmend ausgeführt ist), weil die Längskraft an der Schraubenverbindung zwischen Drehkörper 93 und Bewegungselement 94 die axiale Bewegung verhindert, wobei die Passungen 71 zwischen beide Teile von dem Mischrohr B die Rotation entgegenwirken: Führungsnut und- stege ermöglichen eine translatorische Bewegung, verhindern aber gleichzeitig ein Verdrehen.
• Die Steigung von dem Gewinde 95, 96 um den Drehkörper 93 ist 1 cm, das heißt, dass sich die Länge des Mischrohrs B 1 cm je nach einer Umdrehung des Rotors 92 verändert. Dazu stellt ein Hub von 4 cm für die Mischrohrlängenveränderung zur Verfügung.
• Am Austritt des Mischrohrs B wird der Diffusor C mit dem Mischrohrende fest verbunden, so dass ein nahtloser Übergang des Kältemittels vom Mischrohraustritt in den Diffusoreintritt gewährleistet ist. Verbindungstechnik geschraubt, geschweißt, gepresst, geklebt... usw., Abdichtung O-Ring s.o. verbunden. Der Diffusor C wirkt als ein Verdichter in dem Ejektor. Im Prinzip hat ein Diffusor C eine umkehrende Wirkung von einer Treibdüse. Der Diffusor C kann die kinetische Energie von dem Massenstrom in die Druckenergie umwandeln. Der Querschnitt des Diffusors vergrößert sich entlang der Fließrichtung, womit die Strömung verzögert und verdichtet werden kann.
• In der 16 wird ein kaskadierter Regelkreis von dem Geometrie-variablen Ejektor dargestellt. Als die erste Führungsgröße wird der Sollwert vom Hochdruck in das erste Stellglied an der Treibdüse importiert. Unter diesem Sollwert des Hochdrucks sollte die Systemeffizienz (COP) bei der aktuellen Umgebungsbedingung maximal sein. Nach dem ersten Stellglied wird der Durchmesser am engsten Querschnitt der Treibdüse ermittelt. Danach wird eine zweite Führungsgröße importiert und sie ist der Sollwert von dem Niederdruck. Unter diesem Sollwert des Niederdrucks mit dem bekannten Hochdruck sollte eine vollständige Mischung zwischen beiden Massenströmen unmittelbar am Austritt des Mischrohrs erreicht werden. Nach dem zweiten Stellglied wird eine sogenannte optimale Länge des Mischrohrs eingestellt. In dem Regelkreis handelt es sich noch um eine Kaskadierung bei zwei Führungsgrößen. Im Gegensatz zu einem direkt wirkenden Regelkreis erhöht sich in diesem Fall die Regelgenauigkeit.
• Bezugszeichenliste

A

Düsen-Teil

A-2

Treibdüse

2

längere Rohrleitung (Treibmassenstrom)

A-1

Saugdüse

1

kürzere Rohrleitung (Saugmassenstrom)

3

Kanal der Saugdüse

4

freier Raum zwischen Mischrohreintritt und Saugdüsenaustritt

B

Mischrohr

5

erstes Stellglied (an der Treibdüse)

6

Dichtring

41

Ventilnadel

411

Ventilnadelkopf

412

Räume für die Wirbelströmung

413

Engster Querschnitt der Treibdüse

42

Rotor mit Permanentmagnet (1.Stellglied)

43

Aktuator (1.Stellglied)

44

Schneckengewinde

45

Schneckengewinde

46

Endschlag

7

erster Teil des Mischrohrs

8

zweiter Teil des Mischrohrs

71

Führungsnuten/-stege

9

zweites Stellglied

91

Aktuator (2.Stellglied)

92

Rotor mit Permanentmagnet (2.Stellglied)

93

Drehkörper

94

Bewegungselement

95

Gewinde auf dem Drehkörper

96

Bohrung am Bewegungselement

97

Gewinde auf der Innenseite der Bohrung

98

Platte

C

Diffusor

• ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
• Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
• Zitierte Patentliteratur
• DE 102012011278 A1 [0004]
• EP 2570753 A2 [0009]
• WO 2017101547 A1 [0012]

Claims (2)

1. Ejektor mit einem Mischrohr (B), dessen Länge betrieblich einstellbar ist.
2. Ejektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Ejektor eine Treibdüse (A-2) mit betrieblich einstellbarem Düsenquerschnitt hat.

Images