DE1055018B

DE1055018B - Verfahren zur Regelung einer Kaeltemaschine und dafuer geeignete Kaeltemaschine

Info

Publication number: DE1055018B
Application number: DES49380A
Authority: DE
Original assignee: Sulzer AG
Current assignee: Sulzer AG
Priority date: 1956-06-29
Filing date: 1956-07-06
Publication date: 1959-04-16

Description

Verfahren zur Regelung einer Kältemaschine und dafür geeignete Kältemaschine Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Regelung einer Kältemaschine, bei welcher das Kältemittel in flüssigem Zustand in einen Verdampfer eintritt und das Flüssigkeitsniveau in diesem Verdampfer lastabhängigen Schwankungen unterworfen ist, wobei man am Verdampferaustritt das Mengenverhältnis zwischen flüissiger und dampfförmiger Phase des abströmenden Kältemittels mißt und die Menge des in den Verdampfer eintretenden flüssigen Kältemittels nach dem gemessenen Verhältnis einstellt.
Es ist eine Regelung für Kältemaschinen für naß aus dem Verdampfer austretenden Kältemitteldampf bekannt, bei der aus dem Kältemittelstrom ein Teilstrom abgezweigt wird. Durch die Zufuhr einer immer gleichen Wärmemenge zu diesem Teilstrom wird dieser getrocknet und schließlich überhitzt. Die Temperatur des überhitzten Dampfes wird gemessen und regelt so die Flüssigkeitszugabe für den Käl.temittelkreislauf. Diese bekannte Meßei:nrichtung bedarf eines genau einzuhaltenden Wärmeströmungsgleichgewichtes zwischen dem durch ein Abzweigrohr geführten Teilstrom des teilweise verdampften Kältemittels und dem zur Aufheizung desselben im Gegenstrom durch einen Wärmeaustauscher geführten, flüssigen Kältemittelstrom. Beide Teilströme werden durch Drosselventile einreguliert. Das sich bei dieser Anordnung ergebende Wärmeströmungsgleichgewicht der beiden Kältemittelströme ist außerordentlich labil, vor allen Dingen dann, wenn man aus Gründen der Wirtschaftlichkeit die Teilströme im Verhältnis zu den Hauptströmen relativ klein wählt. Denn dann genügt bereits eine geringfügige, durch Verstellung der Drosseln, Verschmutzung, Korrosion oder sonstige Einflüsse verursachte Änderung der Str5mungsgeschwindigkeit eines der Teilströme, um das Meßergebnis zu verfälschen und damit die selbsttätige Regelung unbrauchbar zu machen.
Weiterhin bringt die Abzweigung eines Teilstromes vom Kältemittel und dessen Aufhelzung bis zur Lrberhitzungstemperatur einen Verlust an Kälteleistung mit sich. Wenn dieser Verlust möglicherweise auch in geringen Grenzen gehalten werden kann, so dürfte er doch immerhin von einer solchen Größenordnung sein, daß er einen meßbaren Rückgang der Kälteleistung der mit dieser Einrichtung geregelten Maschine hervorruft.
Die Erfindung besteht darin, daß man das abströmende Phasengemisch an einer Wand entlang führt, an deren anderer Seite eine hIeßstelle vorhanden ist, welche mit gleichbleibender Heizleistung geheizt wird, und daß man an der beheizten Stelle die Temperatur mißt. welche sich in Abhängigkeit von der - mit zunehmendem Anteil an unverdampftem Kältemittel im Phasengemisch größer werdenden -Wärmeübergangszahl a zwischen der Wand und dem Phasengemisch im Wärmeströmungs_gleichgewicht einstellt.
Dadurch werden diese Nachteile vermieden, da die Regelung unabhängig ist von dem labilen Gleichgewicht zweier Wärmeströmungen, von denen die eine - um die Wirtschaftlichkeit nicht erheblich zu beeinträchtigen - verglichen mit der anderen sehr klein gewählt werden müßte. Weiterhin wird die Kälteleistung der Anlage durch die Meßeinrichtung nicht merkbar beeinträchtigt.
Vorteilhaft kann es sein, wenn man den Wärmeleitwiderstand zwischen dem Phasengemisch einerseits und der gleichmäßig geheizten Temperaturmeßstelle andererseits so einstellt, daß die Temperaturdifferenz zwischen dem Phasengemisch und' dem Wärmefühler bei einem bestimmten Mengenverhältnis des Phasengemisches im Wärmeströmungsgleichgewicht einen bestimmten Sollwert annimmt.
Eine Kältemaschine zur Ausführung des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Kältemittel einerseits und der geheizten Meßstelle andererseits eine den Wärmefluß :hemmende Schicht angeordnet ist und daß diese Schicht im Verhältnis zu ihrem Wärmeleitwiderstand eine geringe spezifische Wärme besitzt. Zweckmäßig ist es, wenn die den Wärmefluß hemmende Schicht eine Gasschicht ist.
Es kann auch die Maßnahme getroffen sein, daß das Kältemittelrohr aus einem Material besteht -l:eispiersweise einem Kunststoff -, welches einen relativ großen Wärmeleitwiderstand und eine relativ geringe spezifische Wärme besitzt.
Eine besonders zweckmäßige Anordnung ergibt sich dann, wenn Heizelement und Wärmefühler in der den Wärmefluß hemmenden Schicht angeordnet sind.
Zum Schutz gegen äußere Temperatureinflüsse ist die 1leßstelle zweckmäßig mit einer Isolierschicht umgeben.
Die Erfindung ist nachstehend an Hand einiger Ausführungsbeispiele des Erfindungsgegenstandes näher erläutert.
Fig. 1 zeigt die Kältemaschine, bestehend aus dem Kompressor 1, dem Kondensator2, demVerdampfer3. Der Kälteträger tritt angewärmt an der Stelle 5' in cl--,n Verdampfer ein und verläßt den Verdampfer gel:iililt an der Stelle 5. Das im Kondensator 2 unter Druck und Wärmeentzug verflüssigte Kältemittel tritt durch das Drosselorgan 6 in den Verdampfer ein. Das verdampfte Kältemittel verläßt den Verdampfer durch den Auslaß 7, um schließlich durch die Leitung 8 wieder in den Kompressor zurückgeführt zu werden. Das Drosselorgan 6 besitzt einen Stellmotor 9, welcher seinen Stellimpuls über die Regelleitung 10 von der am Verdampferaustritt 7 angeordneten Meßeinrichtung 11 erhält.
In der gleichen Weise, wie es bereits bei temperaturbeeinflußten Reglern bekannt ist, kann der Stellmotor 9 des Drosselorgans 6 auch noch eine Impulsleitung 10' besitzen, welche eine Wirkungsverbindung des Drosselorgans 6 mit einer Druckmeßstelle P herstellt. Hierdurch wird zusätzlich zur Regelung nach dem Feuchtigkeitsgehalt auch noch eine Beeinflussung des Regelorgans durch den Druck des Kältemitteldampfes in der Leitung 8 erreicht, welche mit zunehmendem Druck eine Verringerung des Durchflußduerschnittes des Drosselorgans bewirkt.
Fig. 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel für die Meßeinrichtung nach der Erfindung, welche aus dem eigentlichen Thermofühler 12, dem Heizelement 13 und der den Wärmeefluß zwischen der Meßstelle und dein Kälteinitteldampf im Innern des Rohres 8 hemmenden Schicht 4 besteht.
Der Wärmefühler 12 kann dabei in bekannter Weise aus einem mit einer leicht siedenden Flüssigkeit gefüllten metallischen Hohlkörper bestehen, wobei der Dampfdruck mit der Temperatur ansteigt und durch ein Kapillarrohr 17 unter eine Membran oder einen Kolben 23 (Fig. 1) des Stellmotors 9 tritt und das Drosselorgan 6 bei zunehmender Temperatur zum Öffnen bringt. Das Heizelement 13 besteht zweckmäßig aus einem elektrischen Widerstandsdraht, welcher in einem geeigneten Isoliermaterial, beispielsweise einem Porzellankörper 24, angeordnet ist.
Eine weitere Ausführung der Meßstelle ist in Fig. 3 gezeigt. Hierin bedeutet 12 den bereits beschriebenen Wärmefühler mit dem Kapillarrohr 17. Das Kältemittel strömt im Innern des Rohres 8, welches aus einem Material besteht, dessen Wärmeleitwiderstand relativ groß und dessen spezifische Wärme relativ gering ist, beispielsweise einem Kunststoff der Tetrafluoräthylengruppe (z. B. einem unter der Handelsbezeichnung Teflon, Polyurebhan oder Durethan bekannten Produkt). Zwischen dem Wärmefühler 12 und der Wand des Rohres 8 befindet sich das Heizelement 13, bestehend aus dem elektrisch beheizten Widerstandsdraht 25, welcher gegenüber dem Wärmefühler 12 beiispi@el(sweise durch ein dünnes Glimmerplättchen 16 elektrisch isoliert ist.
Fig. 4 zeigt eine andere Anordnung der Meßstelle am Rohr 8 im Schnitt. Innerhalb einer Einbuchtung 26 befindet sich, beaufschlagt von dem Strom des Kälteinitteldampfes, der Wärmefühler 12 mit der den Druck übertragenden Kapillare 17. Der Wärmefühler 12 ist umgeben von einer den Wärmefluß hemmenden Schicht 4, zwischen welcher Schicht und dem Wärmefühler 12 der Heizdraht 25 angeordnet ist.
Fig. 5 zeigt ein Diagramm des Temperaturverlaufs in der das Kältemittel führenden Wand 8 bei einem Temperaturniveau &,y des Heizelementes und dem Temperaturniveaus des siedenden Kältemittels. Nach der Wärmeströmungslehre der Thermodynamik (z. B. nach der bekannten Literatur »Einführung in die technische Thermodynamik« von Dr. Ing. Ernst S ch m i d t) bedeutet a1 die Wärmeübergangszahl vom Kältetnitteldampf zur Wand, 2 die Wärmeleitzahl der Wand und a2 die Wärmeübergangszahl zwischen einem Gas und der Wand. Der Einfachheit halber sei angenommen, daß der Wärmeiibergang vom Heizelement zur Wand durch Gaskonvektion (beispielsweise einer Luftschicht) erfolgt. Hierdurch wird die folgende Betrachtung übersichtlicher, ohne daß andererseits nennenswerte Fehler entstehen.
Nach einer bekannten graphischen Darstellungsinethode läßt sich der Temperaturverlauf in der Wand ermitteln, indem man das Produkt,l/a jeder Seite als Strecke senkrecht zur Wand in Höhe des zugehörigen Temperaturniveaus aufträgt, wodurch man zu beiden Seiten die Temperatur-Pole R1 und R2 erhält. Es sei zunächst nur die Wand 8 ohne die Schicht 4 betrachtet. Die Verbindungslinie durch die beiden Pole R1 R2 schneidet dann die beiden äußeren Wandflächen 8', 8" in den Temperaturpunkten üt und 79a, welche die beiden äußeren Wandtemperaturen unter den gegebenen Bedingungen darstellen.
Wenn nun der Wert a1 mit zunehmendem Feuchtigkeitsgehalt des Dampfes ansteigt a1 -> ai , so verkleinert sich das Produkt Va, auf Va', und es verschiebt sich der Pol R1 -> R1', wobei sich auch die Werte Oi t9i' und 0a @ eä verändern und die Temperaturdifferenz d ü" ergeben. Bei verringerter Heiztemperatur verschiebt sich das Temperaturgefälle, es ergeben sich für &H mit dem Pol R2' die entsprechenden Wandtemperaturen 0_" und riä' mit dem Pol R1 und mit dem Pol R; entsprechend einem vergrößerten a1 - -> a1' bei verkleinertem Produkt A/a,' die entsprechenden Werte ?9i" und 4,"', mit der meßbaren Temperaturdifferenz d Üd .
Hieraus ist zu erkennen, daß eine Steigerung der Heiztemperatur die meßbare Temperaturdifferenz bei bestimmter Änderung der mit dem Feuchtigkeitsgehalt in Funktion stehenden Werte a1 heraufsetzt, während umgekehrt eine Verringerung der Heizung die entsprechende Temperaturdifferenz herabsetzt. Bei Abschalten der Heizung würde der Pol R2 auf das Temperaturniveau Os absinken, und es ergibt sich auf der Verbindungslinie R,-R, bei Änderung des Produktes A/ai keine meßbare Temperaturdifferenz mehr. Andererseits steigt die Temperaturdifferenz bei einer bestimmten Heizung durch Vergrößerung der Wärmeübergangszahl a1. Diese Wärmeübergangszahl hängt sowohl von dem Feuchtigkeitsgehalt, als auch von der Ölkonzentration im Dampf des Kältemittels ab, weswegen man mit dem Regelverfahren nach der Erfindung außer der Mengenregulierung des in den Verdampfer eintretenden Kältemittels auch die Konzentration von Öl im Kältemittel des Verdampfers innerhalb bestimmter Grenzen hält.
Die Heizleistung ist von Einfluß auf die Empfindlichkeit der Regelung. Infolgedessen kann man durch Einstellen der Heizleistung die Empfindlichkeit so einregulieren, daß die Regelung der Kältemaschine stabil arbeitet.
Im Diagramm bestimmt tg cpi die Heizleistung. Arbeitet man nun in einem speziellen Fall mit kleiner Heizleistung, so kann die notwendige Differenz zwischen Siedetemperatur und Fühlertemperatur durch eine wärmedämmende Schicht genügend groß gemacht werden.
In einem solchen Falle wählt man zweckmäßig ein Material mit geringer spezifischer Wärme, damit nicht die Regelung durch zu lange Anlaufzeit unstabil wird.
Man erreicht also, indem man den Wärmeleitwiderstand zwischen dem Kältemitteldampf einerseits und der Heizstelle und der Temperaturmeßstelle andererseits in ein bestimmtes Verhältnis zur Heizleistung bringt, daß die Regelung stabil wird, d. h., daß eine durch eine Störung eingeleitete Regelschwingung zum Abklingen gebracht wird.
Die gezeigten und erläuterten Ausführungen der Erfindung sind nur als Beispiele aufzufassen. Es sind noch weitere Varianten denkbar und fallen unter die Erfindung, sofern sie die beanspruchten Merkmale aufweisen.

Claims

PATENTANSPRÜCHE: 1. Verfahren zur Regelung einer Kältemaschine, bei welcher das Kältemittel in flüssigem Zustand in einen Verdampfer eintritt und das Flüssigkeitsniveau in diesem Verdampfer lastabhängigen Schwankungen unterworfen ist, wobei man am Verdampferaustritt das Mengenverhältnis zwischen flüssiger und dampfförmiger Phase des abströmenden Kältemittels mißt und die Menge des in den Verdampfer eintretenden flüssigen Kältemittels nach dem gemessenen Verhältnis einstellt, dadurch gekennzeichnet, daß man das abströmende Phasengemisch an einer Wand entlangführt, an deren anderer Seite eine Meßstelle vorhanden isst, welche mit gleichbleibender Heizleistung geheizt wird, und daß man an der beheizten Stelle die Temperatur mißt, welche sich in Abhängigkeit von der - mit zunehmendem Anteil an urverdampftem Kältemittel im Phasengemisch größer werdenden - Wärmeübergangszahl a zwischen der Wand und dem Phasengemisch im Wärmeströmungsgleichgewicht einstellt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man den Wärme@leitwiderstand zwischen dem Phasengemisch einerseits und der gleichmäßig geheizten Temperaturmeßstelle anderersei.ts so einstellt, daß die Temperaturdifferenz zwischen dem Phasengemisch und dem Wärmefühler bei einem bestimmten Mengenverhältnis des Phasengemisches im Wärmeströmungsgleichgewicht einen bestimmten Sollwert annimmt.
3. Kältemaschine zur Ausführung des Verfahrens nach dem Anspruch 1 mit einem Drosselorgan am Eintritt des Verdampfers und einer das Drosselorgan steuernden Meßeinrichtung an dessen Austritt, welche Meßeinrichtung eine Temperaturmeßstelle besitzt, die den Temperaturgradienten an einer Stelle zwischen dem abströmenden Phasengemisch und der mit konstanter Heizleistung beheizten Meßstelle mißt, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Kältemittel einerseits und der geheizten Meßstelle andererseits eine den Wärmefluß hemmende Schicht angeordnet ist und daß diese Schicht im Verhältnis zu ihrem Wärmeleitwiderstand eine geringe spezifische Wärme besitzt.
4. Kältemaschine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die den Wärmefluß hemmende Schicht eine Gasschicht ist.
5. Kältemaschine nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Kältemittelrohr aus einem Material besteht, welches einen relativ großen Wärmeleitwiderstand und eine relativ geringe spezifische Wärme besitzt.
6. Kältemaschine nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß Heizelement und Fühler in der den Wärmefluß hemmenden Schicht angeordnet sind.
7. Kältemaschine nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßeinrichtung zum Schutz gegen äußere Temperatureinflüsse mit einer Isolierschicht umgeben ist. In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Patentschrift Nr. 686 777.