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Verfahren zum Betrieb einer Kompressor-Kühlanlage mit mindestens zweistufiger
Kompression eines in der Anlage umlaufenden Kältemittels sowie Kompressor-Kühlanlage
zur Durchführung des Verfahrens Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb
einer Kompressoranlage mit mindestens zweistufiger Kompression eines in der Anlage
umlaufenden Kältemittels sowie eine Kompressor-Kühlanlage zur Durchführung des Verfahrens.
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Kälte- oder Kühlanlagen dieser Art sind bekannt und lassen gegenüber
einem nur einstufigen Kreislauf des Kältemittels bedeutende Vorteile in der Verringerung
des Aufwandes von Kompressionsarbeit und in der Erhöhung der Kälteleistung erzielen.
Eine besonders vorteilhafte Arbeitsweise solcher Anlagen, von der bei der vorliegenden
Erfindung ausgegangen ist. sieht vor, daß man als Eingehäuse-Turbokompressor ausgebildeten
Kompressor in zumindest einer höheren Druckstufe von einem zugehörigen Zwischendruckgefäß
aus dampfförmiges Kältemittel zugeleitet wird, welches nach der Kompression in einem
Kondensator verflüssigt und gegebenenfalls in einem anschließenden Kühler gekühlt,
danach in mindestens einem Drosselventil entspannt und wieder dem Zwischendruckgefäß
zugeführt wird, während die im Zwischendruckgefäß bzw. in dem in Strömungsrichtung
des Kältemittels letzten Zwischendruckgefäß angesammelte Kältemittelflüssigkeit
in einem zugleich nach außen die Kühlung bewirkenden Verdampfer der Anlage verdampft
und anschließend als Dampf von der Niederdruckseite des Kompressors angesaugt wird
und in unmittelbarer Aufeinanderfolge durch sämtliche Druckstufen bzw. Laufräder
desselben strömt.
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Bei den bekannten Kompressions-Kälteanlagen dieser Art wird meist
ein Kompressor mit zwei getrennten Stufen verwendet, auch wenn der Kompressor ein
Turbokompressor mit einer größeren Anzahl von Druckstufen oder Laufrädern ist.
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Der Nachteil einer solchen Einrichtung besteht im erhöhten Materialgewicht
und in der Kompliziertheit der Konstruktion eines Kompressors mit zwei voneinander
getrennten Stufen, hauptsächlich mit Rücksicht auf sein Dichtungs- und Schmiersystem.
Außerdem sind bei dieser Einrichtung ziemlich große Energieverluste zu verzeichnen,
die durch erhöhten Widerstand in den Übergangsrohrleitungen entstehen, in welchen
zuerst die ganze Menge des Kältemittels aus dem Niederdruckteil des Kompressors
in das Zwischendruckgefäß befördert und in den Hochdruckteil neuerdings eingesaugt
wird. Der dadurch entstehende Verlust trägt zur Verschlechterung des Wirkungsgrades
der Kälteanlage bei, wodurch auch der Arbeitsverbrauch für eine Kälteeinheit erhöht
wird.
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Die Anwendung dieses zwei- oder mehrstufigen Kühlungsprinzips bei
einem Eingehäuse-Turbokompressor ist mit Rücksicht auf die große Anzahl von Ansaug-
und Austrittsstutzen bzw. die an dem Kompressorgehäuse angeordneten Kammern sehr
schwierig. Mit steigender Anzahl der Kompressorlaufräder wird diese Schwierigkeit
noch erhöht.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die vorgenannten Nachteile
zu beseitigen und zugleich den Wirkungsgrad der Kühlanlage durch eine möglichst
wirksame und doch einfache Kompressorkühlung weiter zu verbessern.
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Die gestellte Aufgabe ist erfindungsgemäß im wesentlichen dadurch
gelöst, daß in den von einem Zwischendruckgefäß aus zum Kompressor gesaugten Dampf
vor dem Kompressor mittels eines Reduzierventils zerstäubte und verdampfte Flüssigkeit
zugeführt wird, die aus der dem jeweiligen Zwischendruckgefäß zugeführten und noch
nicht auf den Druck des Zwischendruckgefäßes entspannten Kältemittelflüssigkeit
abgezweigt ist.
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Man kennt bereits ein Verfahren zum Betrieb einer Kompressor-Kühlanlage,
bei dem in die von einem Zwischendruckgefäß zum Kompressor führende Leitung ebenfalls
weiteres, der Kühlung dienendes Kältemittel eingespritzt wird. Während jedoch bei
dem erfindungsgemäßen Verfahren eine vollständige Kondensation des verdichteten
Kältemittels vorausgesetzt ist, tritt bei dem bekannten Verfahren aus dem
Kondensator
ein Flüssigkeits-Dampf-Gemisch aus, von welchem lediglich ein dampfförmiger Anteil
zur zusätzlichen Einspritzung in die vom ZwischendruckgefäB zum Kompressor führende
Leitung verwendet wird. Während somit der Kondensator der bekannten Kompressor-Kühlanlage
nur einen Teil des im Kompressor verdichteten Dampfes verflüssigt, bewirkt der Kondensator
der erfindungsgemäßen Anlage eine vollständige Verflüssigung des Kältemittels, so
daß das in die vom Zwischendruckgefäß zum Kompressor führende Leitung eingespritzte
Kältemittel an der Stelle des Reduzierventils nicht aus einem dampfförmigen Zustand
lediglich entspannt, sondern zugleich aus dem flüssigen Zustand in den dampfförmigen
Zustand verdampft wird. Infolgedessen bewirkt die dem Kältemittel dabei entzogene
Verdampfungswärme eine wesentlich intensivere Kühlung des zusätzlich eingespritzten
Dampfes, als sie lediglich durch eine Entspannung von Dampf erzielt werden könnte.
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In der Zeichnung ist die Erfindung beispielsweise veranschaulicht;
es zeigt Fig. 1 das grundsätzliche Schema des Kältemittelkreislaufs bei einem nach
dem erfindungsgemäßen Verfahren arbeitenden Zweistufenkompressor, Fig. 2 ein ähnliches
Schema, jedoch für einen fünfstufigen Kältemittelkreislauf in Verbindung mit einem
Fünfstufen-Turbokompressor, Fig.3 einen Teillängsschnitt durch zwei aufeinanderfolgende
Laufräder eines erfindungsgemäß ausgeführten Mehrstufen-Turbokompressors.
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Bei dem in Fig. 1 dargestellten Kältemittelkreislauf bedeutet 1 den
Verdampfer des zugleich als Kühlmittel eines Zweistufenkompressors 2 ausgenutzten
Kältemittels, wie Ammoniak, Freon u. ä., aus welchem die gesättigten Dämpfe dieser
Kältemittel durch den Kompressor2 abgesaugt werden. Die ganze angesaugte Menge des
Kältemittels strömt nacheinander durch alle Laufräder des Kompressors, in dem es
verdichtet und in den Kondensator 3 bzw. weiter in den Nachkühler 4 befördert wird.
Das verflüssigte und abgekühlte Kältemittel wird zum Regulierventil s gebracht,
nach dessen Durchtreten es sich in ein Gemisch von Dampf und Flüssigkeit umgewandelt
hat, dessen Druck - der sogenannte Zwischendruck -niedriger ist. Das Gemisch wird
sodann weiter in das Zwischendruckgefäß 6 geleitet. Hier scheidet sich der Dampf
von der Flüssigkeit ab, die zum zweiten Regulierventil 7 befördert wird, bei dessen
Durchströmen nochmals ein Flüssigkeits- und Dampfgemisch entsteht, welches in den
Verdampfer 1 zurückgeführt wird. Der Dampf aus dem Zwischendruckgefäß 6 wird von
dem Kompressor 2 zusätzlich angesaugt, und zwar in eine seiner Druckstufen, deren
Druck dem Druck des Zwischendruckgefäßes 6 entspricht.
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Wie aus Fig. 1 weiterhin hervorgeht, führt eine (gestrichelt dargestellte)
Abzweigleitung von einer vor dem Regulierventil 5 befindlichen Stelle der Kältemittelleitung
über ein weiteres Regulierventil 14 zu der vom Zwischendruckgefäß zum Kompressor
2 führenden Leitung 18. Diese Abzweigleitung dient zur zusätzlichen Einspritzung
von Naßdampf an der Stelle des Regulierventils 14 entspannten und dabei verdampften
Kältemittels in die vom Zwischendruckgefäß zum Kompressor 2 führende Leitung 18,
wodurch der vom Zwischendruckgefäß kommende Kältemitteldampf eine wirksame Abkühlung
erfährt.
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Die dem zweiten Ausführungsbeispiel entsprechende Kompressor-Kühlanlage
weist gemäß Fig.2 einen Turbokompressor 2 mit fünf Laufrädern auf. Infolgedessen
sind im Kältemittelkreislauf hierfür vier Zwischendruckgefäße 6, 8, 10 und 12 vorgesehen,
aus denen je eine Dampfleitung vor je eine der auf die erste Stufe des Kompressors
folgenden vier Kompressorstufen führt.
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Da der in Fig.2 dargestellte Fünfstufen-Kältemittelkreislauf ungefähr
dem Zweistufen-Kältemitt--lkreislauf nach Fig. 1 entspricht, wird weiterhin nur
das vierstufige Ansaugsystem beschrieben. Das verflüssigte und nachgekühlte Kältemittel
wird zum Regulierventil 5 befördert, wo durch die Wirkung des Durchganges der Druck
des Gemisches von Dampf und Flüssigkeit herabgesetzt und das Gemisch dann zum Zwischendruckgefäß
6 befördert wird. Von hier aus wird der Dampf durch die Leitung 18 in das fünfte
Laufrad, das ist vor die höchste Stufe des Kompressors 2, eingesaugt. Die Flüssigkeit
aus dem Mitteldruckgefäß 6 gelangt zu dem Regulierventil 7, wo sie auf einen niedrigeren
Druckwert gedrosselt wird. Aus dem dabei entstehenden Kältemittelgemisch wird im
anschließenden Zwischendruckgefäß 8 der gesättigte Dampf abgeschieden und durch
die Leitung 19 in das vierte Laufrad des Kompressors 2 eingesaugt, während die Flüssigkeit
zum nächsten Regulierventil 9 kommt. Auf dieses Regulierventil folgen sodann wiederum
ein Zwischendruckgefäß 10, ein weiteres Regulierventil 11, ein weiteres Zwischendruckgefäß
12 und schließlich ein letztes Regulierventil 13, von welchem aus der nasse Dampf
in den Verdampfer 1 zurückgelangt. In diesem Verdampfer 1 verdampft sodann das flüssige
Kältemittel, wobei dem zu kühlenden Medium, d. h. Gas oder Flüssigkeit, Wärme entzogen
wird; der gesättigte Dampf wird sodann in die erste Stufe des Kompressors 2 eingesaugt.
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Wie aus Fig. 2 hervorgeht, wird der Kältemittelkreislauf durch je
eine Zusatzeinspritzung von NaB-dampf in die zum Kompressor 2 führenden Ansaugleitungen
18,19 usw. für die Zwischendruckdämpfe ergänzt. Die zugehörigen Einspritzleitungen
sind in Fig. 2 ebenfalls gestrichelt dargestellt. So wird z. B. aus dem Zwischendruckgefäß
6 die Flüssigkeit über das Regulierventil 15 der Ansaugleitung 19 zugeführt, wo
die feinzerstäubte und verdampfte Flüssigkeit sich mit gesättigtem Dampf des Kältemittels
vermischt, welcher aus dem Zwischendruckgefäß 8 abgesaugt wird. Gleiche Einspritzungen
erfolgen auch in die weiteren Ansaugleitungen, die von den übrigen Zwischendruckgefäßen
6, 10 und 12 zum Kompressor2 führen, und zwar jeweils über eines der Regulierventile
14, 16 und 17.
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Aus Fig.3 ist die entsprechende Anpassung des Turbokompressors ersichtlich.
Diese besteht in der Anfügung je einer Kammer 20 an den Kompressor zwischen den
benachbarten Laufrädern (21, 22), mit dessen gemeinsamem Gehäuse die Kammern eine
Einheit bilden. Das Innere jeder Kammer ist einerseits mittels Rohrleitungen mit
dem zugehörigen Zwischendruckgefäß, anderseits über eine Öffnung 23 mit einem Verbindungskanal
24, 25, 26 verbunden, durch den die Kältemitteldämpfe vom vorhergehenden Laufrad
21 des Kompressors zum nächsten Laufrad 22 strömen. An der Stelle des Zusammentreffens
beider Ströme mischt sich der aus dem Zwischendruckgefäß kommende gesättigte Dampf
mit dem aus dem Verdampfer 1 bzw. aus dem vorhergehenden Laufrad 21 herrührenden
Dampf. Das Gemisch tritt in das nächste Laufrad 22 ein, wo es weiterverdichtet und
im Falle, daß dieses das letzte Laufrad des Kompressors war, schließlich in den
Kondensator 3 weitergefördert wird.
Bei dem beschriebenen Kühlverfahren
wird übrigens auch das sich von Stufe zu Stufe verringernde Durchflußvolumen des
Kältemittels vorteilhaft ausgeglichen, weil die Gewichtsmenge des Kältemittels vom
ersten Laufrad an stufenweise anwächst und im letzten Laufrad ihren höchsten Wert
erreicht. Dieser Umstand ist für die Konstruktion des Turbokompressors sehr günstig,
da hierdurch infolge des kleinen Niederdruckeintrittsvolumens die Niederdruckschaufeln
mit einem verhältnismäßig kleinen Durchmesser ausgeführt und deshalb höhere Drehzahlen
benutzt werden können, wodurch das Gewicht des Aggregates herabgesetzt und die Gesamtleistung
erhöht wird.