-
Kühlsystem mit einer Abtauanordnung Die Erfindung betrifft ein Kühlsystem
mit einer Anordnung zur Verwendung von komprimiertem gasförmigem Kältemittel zum
Erwärmen des Verdampferteiles des Systems auf die Abtautemperaturen.
-
Es ist eine Anzahl von Kühlsystemen bekannt, in denen warmes Kältemittelgas
zum periodischen Aufheizen des Verdampfers auf die Abtautemperatur verwendet wird.
In einem System dieser Art ist eine durch ein Ventil gesteuerte Nebenschlußleitung
vorgesehen, um Drosseleinrichtungen für den Umlauf des Kältemittels zwischen Kondensator
und Verdampfer zu umgehen und warmes gasförmiges Kältemittel entweder direkt vom
Kompressor oder vom Kondensator in die gleichen Verdampferleitungen einzuleiten,
die während des normalen Kühlbetriebes des Systems das Kältemittel enthalten. Der
Abtauprozeß bei solchen Systemen hängt von der Wärmekapazität des Kompressors ab
und von der des Kondensators, wenn er einen Teil des Abtaukreises bildet, weil diese
den größten Teil der zum Abtauen des Verdampfers nötigen Wärme liefern müssen, da
die einzige andere verfügbare Wärme durch die elektrische Eingangsleistung des Motorkompressors
dargestellt wird. Diese ist während des Abtauprozesses deshalb gering, weil bei
Umgehung der Drosseleinrichtungen für den Umlauf des Kältemittels der Kältemittelstrom
durch den Abtaukreis im wesentlichen uneingeschränkt ist, so daß der Motorkompressor
unter geringer Belastung arbeitet. Weiterhin läuft das Kältemittel in gasförmigem
Zustand durch das System, weil die Druckverhältnisse im Verdampfer während des Abtauprozesses
unterhalb des Kondensationsdruckes des Kältemittels liegen; deshalb ist die latente
Kondensationswärme des Kältemittels nicht zum Aufwärmen des Verdampfers verfügbar.
Infolgedessen kann, besonders bei geringer Temperatur der Umgebung, die Abtauperiode
so lang sein, daß ein unzulässiger Temperaturanstieg der gelagerten gefrorenen Lebensmittel
auftritt und zusätzliche Regeleinrichtungen zur Vermeidung eines zu langen Abtauprozesses
notwendig werden. Um diese geringe Leistungsfähigkeit bei niedriger Umgebungstemperatur
zu vermeiden, verwenden manche Abtausysteme einen elektrischen Heizer, der entweder
den Verdampfer direkt oder das zum Verdampfer geleitete Kältemittel aufheizt. Die
Verwendung eines elektrischen Heizers bringt jedoch Nachteile mit sich, nämlich
seinen Preis, seinen Platzbedarf, seine Befestigung, den Wärmeübergang, Fehler in
der elektrischen Versorgung und die Notwendigkeit eines Schutzes gegen zu hohe Temperaturen
im Falle eines Fehlers in der Heizerregelung. Ein anderes System, das zur Vermeidung
der ventilgesteuerten Nebenschlußleitung entworfen wurde, verwendet einen Vorratstank
für das Kältemittel zwischen der Strömungsdrossel und dem Verdampfer, sowie einen
elektrischen Heizer, der im Wärmeaustausch mit dem im Tank gespeicherten Kältemittel
steht. Zum Abtauen des Verdampfers wird der Heizer betrieben, während der Kompressor
arbelxet, und Kältemittel; das durch den Heizer verdampft wird, gelangt in den Verdampfer,
wo es kondensiert und dabei seine latente Kondensationswärme abgibt und das Eis
auf dem Verdampfer schmilzt. Abgesehen von den Nachteilen des Heizers wird bei diesem
Abtausystem auch die Verwendung der vorhandenen gespeicherten Wärme und der elektrischen
Eingangsleistung des Kompressoraggregats versäumt, wodurch ein unwirtschaftlicher
Stromverbrauch verursacht wird. Da weiter die Menge des Kältemittels, die durch
den Kreislauf fließt, während des Betriebs des Heizers wesentlich vermehrt wird,
ist es im allgemeinen notwendig, einen überdimensionierten Motorkompressor vorzusehen,
um das während des Abtauzyklus zusätzlich durch das System zirkulierende Kältemittel
zu bewältigen. In noch einer anderen Art eines Warmgas-Abtausystems wird der Umlauf
des Kältemittels umgekehrt, und der Verdampfer erhält komprimiertes gasförmiges
Kältemittel direkt vom Kompressor. Solch ein System hat als Nachteile die Notwendigkeit
einer teuren Vierwegeventilanordnung und eines überdimensionierten Kondensators,
damit es wirkungsvoll arbeiten kann, und seine Verwendung ist im allgemeinen auf
die
Gebiete der kommerziellen Luftklimatisierung und Kühlung beschränkt.
-
Die Anordnung erlaubt rasches Abtauen des Verdampfers sowohl bei hoher
wie bei niedriger Umgebungstemperatur sowie ein schnelles Zurückführen zu den normalen
Arbeitsbedingungen nach einem Abtauzyklus.
-
Das Ziel der Erfindung liegt in der Schaffung eines Kühlsystems mit
einem Warmgas-Abtaukreis, der als hauptsächliche Wärmequelle für das Abtauen die
elektrische Eingangsenergie des Kompressormotors verwendet und so angeordnet ist,
daß die elektrische Energieaufnahme des Kompressormotors während der ganzen Abtauperiode
hoch ist.
-
Das Kühlsystem dieser Erfindung enthält einen vom Kältemittel gekühlten
Motorkompressor, einen Kondensator, eine feste Drosseleinrichtung zur Begrenzung
des Durchflusses und einen Verdampfer, die so verbunden sind, daß sie einen normalen
Kältemittelkreis in Serie miteinander bilden. Um den Verdampfer periodisch auf die
Abtautemperaturen mittels des heißen komprimierten Kältemittels zu erwärmen, liegt
ein Hilfskreis zwischen der Hoch- und Niederdruckseite des normalen Kältemittelkreises
und parallel zumindest zu dem Teil des normalen Kreises, der die feste Drossel und
den Verdampfer enthält. Der Hilfskreis enthält einen Abtauabschnitt in Wärmeaustausch
mit dem Verdampfer und eine Strömungsdrossel zwischen dem Abtauabschnitt und dem
Kompressor, wobei die Drosselwirkung so bemessen ist, daß nach Betätigung einer
geeigneten DurchHuß-Steueranordnung, die in dem Hilfskreis vorgesehen ist, im wesentlichen
alles heiße Kältemittel in komprimiertem Zustand vom Kompressor durch den Hilfskreis
fließt und in Wärmeaustausch mit dem Verdampfer kommt, wobei die Kondensation des
Kältemittels im Abtauabschnitt, der dann als Kondensator arbeitet, rasch und wirkungsvoll
den Verdampfer auf die Abtautemperaturen erwärmt.
-
Das Kompressoraggregat enthält vorzugsweise ein hermetisch verschlossenes
Gehäuse für den Kompressor und den elektrischen Motor zum Antrieb des Kompressors,
und das Aggregat ist mit den übrigen Teilen des Systems in der Weise verbunden,
daß der Motor durch Umlaufen des Niederdruckkältemittels, das zum Kompressor fließt,
gekühlt wird. Dadurch werden während des Abtauens sowohl die im Kompressorgehäuse
gespeicherte Wärme als auch die Eingangsleistung des Kompressormotors als Wärmequellen
zum Abtauen des Verdampferabschnitts verwendet. Da die aufgespeicherte Wärme rasch
verbraucht ist, dient als Hauptabtauenergiequelle die elektrische Eingangsleitung
des Motors, der durch das Kältemittel im Gehäuse gekühlt wird, so daß das Gehäuse
eigentlich der Verdampferteil des Abtaukreises ist. Diese Energie wird durch das
Kältemittel zur Verdampferanordnung als Wärmeenergie übertragen.
-
Um die elektrische Eingangsleitung des Kompressormotors während des
Abtauprozesses zu erhöhen und dadurch ein rasches Abtauen des Verdampfers zu erreichen,
ist das ganze System vorzugsweise so entworfen, daß die Belastung des Kompressormotors
während des Abtauzyklus größer ist als während des normalen Kühlzyklus. Der größere
Teil der vermehrten Motorbelastung wird erreicht durch eine Vergrößerung des Ansaugdruckes
auf der Niederdruckseite des Kompressors, indem der größte Teil der Kältemittelfüllung
im System während des Abtaubetriebs des Systems zu dem hermetisch abgeschlossenen
Gehäuse übergeführt wird. Wenn man das Kompressorgehäuse während des Abtauens als
Verdampfer arbeiten läßt, wird der Kompressor durch das Kältemittel während des
Abtauzyklus in der Weise stärker gekühlt, daß trotz einer vermehrten elektrischen
Eingangsleistung der Motorwicklungen die Temperatur der Motorwicklungen durch das
umlaufende Kältemittel in Wirklichkeit verringert wird. Da ferner der umgangene
Abschnitt des normalen Kältemittelkreises während des Abtauzyklus offen und zu dem
Hilfskreislauf parallel geschaltet ist, erzeugt jeder abnorme Druckanstieg innerhalb
des Systems, der z. B. von einem Fehler in der Steuerung beim Abtauen herrührt,
praktisch einen Kühlbetrieb des normalen Kreises, der einem weiteren Druckanstieg
entgegenwirkt.
-
Die Erfindung wird an Hand der Zeichnung beispielshalber erläutert.
Darin zeigt Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Kühlsystems, das die erfindungsgemäße
Warmgas-Abtauanordnung enthält, und Fig. 2 eine schematische Darstellung einer anderen
Ausführung der Erfindung.
-
Fig. 1 der Zeichnung zeigt eine bevorzugte Ausführung der Erfindung
mit den üblichen Bestandteilen eines Kühlsystems. Dazu gehören ein hermetisch abgeschlossener
Motorkompressor 1, ein Kondensas tor 2, eine Strömungsdrosseleinrichtung
3, vorzugsweise in Art eines Kapillarrohres, eine Kühl- oder Verdampferanordnung
4 und eine Ansaugleitung 5, die in Serie geschaltet sind. Vorzugsweise steht die
Ansaugleitung 5 entsprechend der üblichen Praxis im Wärmeaustausch mit einem Abschnitt
der Strömungsdrossel 3, wie bei 8 gezeichnet. Die Verdampferanordnung 4, die einen
Verdampferkreis 6 und in der gezeichneten Ausführung auch einen Sammler 7 enthält,
kann - wie in der Zeichnung - eine »walzgeschweißte« oder »walzgeschmiedete« Verdampferanordnung
sein, zu welcher auch die Platte 9 gehört. Dabei ist in diesem Falle der Sammler
zweckmäßigerweise aus einer Vielzahl sich schneidender vertikaler und horizontaler
Röhrenabschnitte zusammengesetzt, wie allgemein üblich ist.
-
Der Motorkompressor 1 enthält einen Motor 10 zum Antrieb eines Kompressors
11, wobei beide in ein hermetisch abgeschlossenes Gehäuse 12 eingeschlossen sind.
Eine (Ölmenge 14 ist im unteren Teil des Gehäuses 12 vorgesehen und wird im Gehäuse
mittels einer nicht gezeichneten Ölpumpe zum Schmieren des Kompressors und des Motors
in Umlauf gehalten. Die Ansaugleitung 5 ist mit dem Gehäuse 12 in der Weise verbunden,
daß das Gehäuse einen Teil der Niederdruckseite des normalen Systems bildet, und
ist deshalb mit Niederdruck-Kältemittel gefüllt, das den Motor 10 durch direkte
Berührung kühlt, während der Kompressor 11, dessen Eingang 15 mit dem Inneren des
Gehäuses 12 verbunden ist, das Hochdruck-Kältemittel unmittelbar durch eine Austrittsleitung
16 zum Kondensator 2 abgibt. In diesem Kühlsystem bilden die Bestandteile 6 und
7 der Verdampferanordnung und das Gehäuse. 12 die Niederdruckseite des normalen
Kühlkreises, während der Kompressor 11 und der Kondensator 2 die Hochdruckseite
darstellen.
-
Bei einer typischen Anwendung eines Kühlsystems dieses Typs wird die
Verdampferanordnung in einem (nicht gezeichneten) Schrank angebracht, welcher gekühlt
werden
soll, während der Kondensator 2 im freien Raum angeordnet wird. Während des normalen
Betriebs des bisher beschriebenen Kühlsystems ist der Weg des Kältemittelflusses
derjenige, der in Fig. 1 durch die nicht unterbrochenen Pfeile bezeichnet ist. Der
Motorkompressor 1 entnimmt verdampftes Kältemittel vom oberen Teil des Sammlers
7 durch die Ansaugleitung 5 und gibt komprimiertes Kältemittel in gasförmigem Zustand
zu dem Kondensator 2 ab, wo es verflüssigt wird. Das im Kondensator 2 verflüssigte
Kältemittel fließt durch die Kapillardrossel 3 in den Verdampferkreis 6, wo es bei
einem geringeren Druck durch Absorption von Wärme aus dem Kühlschrank verdampft,
um den Inhalt des Schrankes zu kühlen. Alles nicht im Verdampferkreis 6 verdampfte
Kältemittel sammelt sich im Sammler 7; dabei erfolgt die Verbindung des Verdampferkreises
6 zum Sammler vorzugsweise am tieferen Teil des Sammlers, während die Ansaugleitung
5 mit dessen oberem Teil verbunden ist, so daß während des normalen Kühlbetriebs
des Systems nur gasförmiges Kältemittel aus dem Sammler durch die Ansaugleitung
5 vom Motorkompressor 1 entnommen wird. Da die Leitung 5 sich bei 8 in Wärmeaustausch
mit der Drossel 3 befindet, wird das kondensierte Kältemittel, das zum Verdampfer
fließt, weiter durch das Kältemittel gekühlt, das gasförmig durch die Ansaugleitung
zurückfließt.
-
Um nun das Abtauen der Verdampferanordnung 4
gemäß der Erfindung
durchzuführen, ist ein Hilfskreis 18 vorgesehen, der mit dem normalen Kühlkreis
in Parallelschaltung zu den Verdampferteilen 6, 7 und der Drossel 3 des normalen
Kreises in der Weise verbunden ist, daß der Hilfskreis mit den übrigen Elementen
des normalen Kühlkreises einen Abtaukreis bildet, durch welchen komprimiertes Kältemittelgas
vom Kompressor in Wärmeaustausch mit der Verdampferanordnung 4 in der Weise fließt,
daß es diese Anordnung auf Abtautemperaturen aufwärmt.
-
In der in Fig. 1 gezeichneten Ausführung der Erfindung ist das Einlaßende
19 des Hilfskreises mit der Ausgangsleitung 16 verbunden, die vom Kompressor zu
dem Kondensator 2 führt, und ein normalerweise geschlossenes Ventil 20 ist
zur Regelung des Durchflusses des Kältemittels durch den Hilfskreis 18 vorgesehen.
Der Hilfskreis enthält auch einen Abschnitt zum Abtauen des Verdampfers, der aus
einem ersten Abschnitt 22 in Wärmeaustausch mit dem Sammler 7 und einem zweiten
Abschnitt 23 zusammengesetzt ist, der im wesentlichen parallel zu den verschiedenen
Strecken des schlangenförmigen Verdampferkreises 6 verläuft und mit ihm in Wärmeaustausch
steht. Das Ausgangsende des Hilfskreises ist mit der Ansaugleitung 5, wie durch
die Zahl 24 bezeichnet, über ein Drosselrohr 25 verbunden, das eine geringere Drosselung
des Durchflusses als das Kapillarrohr 3 ergibt, das aber eine hinreichende Drosselung
des Kältemitteldurchflusses durch den Hilfkreis bewirkt, um das komprimierte Kältemittelgas
in den Abtauabschnitten 22 und 23 auf Kondensierungsdruck zu halten.
-
Wie gezeichnet, ist der Abtauabschnitt des Hilfskreises
18, der die Abschnitte 22 und 23 umfaßt, in einem Stück mit
der Verdampferänordnung 4 geformt, wenn diese Anordnung z. B. nach dem Walzschweißverfahren
hergestellt ist. Wahlweise kann er auch ein besonderes Rohrelement enthalten, das
an der Verdampferanordnung 4 durch Hartlötung oder in anderer Weise befestigt ist.
Der Hilfskreis und der Verdampferkreis können schließlich auch die Form einer stranggepreßten
Doppelrohrleitung haben, in der das eine Rohr die Verdampferleitung und das andere
die Abtauleitung sind.
-
Wenn ein Abtauen der Verdampferanordnung gewünscht wird, wird das
Ventil 20 geöffnet, wodurch wegen der im System nach dem Öffnen des Ventils
20
herrschenden Druckdifferenz und Temperaturbedingungen im wesentlichen alles
Kältemittel, das vom Sammler 7 durch den Motorkompressor 1 entnommen wird, vom Kompressor
durch den Hilfskreis anstatt durch den normalen Kühlkreis fließt. In den Abtauabschnitten
22 und 23, die dem Kondensatorteil eines Kühlkreises entsprechen, kondensiert das
warme komprimierte Kältemittel. Die frei gewordene Wärme dient dabei dazu, das Eis
zu schmelzen, das sich auf der Verdampferanordnung 4 angesammelt hat. Das kondensierte
Kältemittel gelangt dann durch die Drossel 25 und kehrt als Flüssigkeit oder als
Mischung von Flüssigkeit und Gas zum Kompressorgehäuse 12
zurück, das als
der Verdampfer beim Abtauen wirkt. Also enthält der Abtaukreis, in Reihe miteinander
verbunden, den Motorkompressor 1, die Abtauabschnitte 22, 23 und die Drossel
25, und das ganze Kältemittel strömt während des Abtaubetriebs im wesentlichen durch
diesen Kreis, wie durch die gestrichelten Pfeile bezeichnet. Während des Abtaubetriebs
wird Kältemittel, das in den Verdampfer- oder Kondensatorabschnitten des normalen
Kreises gespeichert ist, in den Abtaukreis übergeführt, wo es dazu dient, die Belastung
des Kompressors und dadurch die Wärmemenge zu erhöhen, die von dem durch Kältemittel
gekühlten Motor zu entnehmen ist. Unmittelbar bei Öffnung des Ventils 20 bewirken
etwa vorhandene Druckdifferenzen zwischen dem Kondensator 2 und dem Hilfskreis,
daß alles Kältemittel, das im Kondensator 2 gespeichert ist, sich expandiert und
in den Hilfskreis abfließt, wo es in den Abtsuabschnitten 22 und 23 kondensiert
und zu dem Gehäuse dumä das Kapillarrohr 25 zurückkehrt, wodurch ein rascher Druckanstieg
im Gehäuse entsteht. Kältemittel, das dampfförmig von der normalen Verdampferanordnung
durch den Kompressor entzogen wird, erhöht während des Abtaubetriebs kontinuierlich
den Druck im Gehäuse, und dieser Entzug wird durch die erwärmende Wirkung des in
Wärmeaustausch mit dem Sammler stehenden Abtauabschnittes 22 beschleunigt. Wenn
der Druck im Gehäuse steigt, wird der Motor stärker belastet, wodurch die elektrische
Eingangsleistung des Motors wächst. Die vermehrte Wärmeabgabe des Motors infolge
der höheren elektrischen Eingangsleistung wird durch das Kältemittel absorbiert,
das den Motor kühlt, und wird durch das zirkulierende Kältemittel zu den Abtauabsohnitten
22 und 23 zum Abtauen der Verdampferanordnung übergeführt.
-
Damit eine optimale Abtauwirkung erreicht wird, ist die Drossel
25 so ausgeführt, daß sie den Fluß des Kältemittels im Abtaukreis hinreichend
drosselt, um eine Kondensation von Flüssigkeit in den Abschnitten 22 und 23 hervorzurufen,
daß sie aber eine wesentlich höhere Strömungsmenge, d. h. eine geringere Drosselung
des Durchflusses für das flüssige Kältemittel ergibt als die Kapillardrossel 3,
da bei Abtaubedingungen der Druck auf der Niederdruckseite des Kompressors höher
ist und deshalb die Pumpgeschwindigkeit in Gewichtseinheiten des Kältemittels pro
Stunde viel höher ist als während der normalen
Kühlung. Außerdem
ist es nicht wünschenswert, eine wesentliche Menge an flüssigem Kältemittel in dem
Hilfskreis vor der Drossel 25 zurückzuhalten, da flüssiges Kältemittel, das im Hilfskreis
zurückgehalten wird, zur Erhöhung des Druckes auf der Niederdruckseite und damit
der elektrischen Eingangsleistung des Antriebmotors 10 nicht verfügbar ist.
-
Wenn der Abtauprozeß fortschreitet, wird die Verdampferanordnung 4
durch die fortgesetzte Kondensation des Kältemittels in den Abtauabschnitten bei
laufend höheren Drücken wärmer. Das verflüssigte Kältemittel, das von den Abtauabschnitten
kommt, wird einer Druckreduzierung unterworfen, wenn es durch das Drosselrohr 25
fließt, und es gelangt in das Kompressorgehäuse bei einem geringeren Druck, wodurch
Abkühlung im Gehäuse entsteht. Diese Abkühlung übertrifft den Erwärmungseffekt der
erhöhten elektrischen Eingangsleistung für den Motor 10 und bewirkt eine wesentliche
Temperaturabnahme des gesamten Kompressoraggregats 1 mit Einschluß des Ölvolumens
14. Diese ganze Wärmeenergie wird durch das umlaufende Kältemittel rasch vom Motorkompressor
abgeführt und zum Abtauen des Verdampfers 4 verfügbar. Wenn das Abtauen vollendet
ist, wird das Ventil 20 geschlossen, und das System kehrt sofort zu einem normalen
Kühlzyklus zurück.
-
Um den Abtauprozeß des Systems automatisch in Gang zu setzen, kann
man eine geeignete elektrische Steuerschaltung verwenden, die periodisch eine Magnetspule
29 zur Öffnung des Ventils 20 betreibt und einen Fluß des gasförmigen Kältemittels
von der Hochdruckseite des Systems durch den Hilfskreis bewirkt. Eine elektrische
Steuerschaltung, die sowohl für diesen Zweck als auch zur Steuerung des normalen
Arbeitens des Systems geeignet ist, ist in Fig. 1 dargestellt. Zur Steuerung der
normalen Kühlung enthält die Schaltung ein Paar Leitungen 30 und 31 für die Stromversorgung
des Kompressormotors 10 durch einen temperaturgesteuerten Schalter 32 in der Leitung
30. Eine temperaturempfindliche Vorrichtung 33 in Berührung mit der Verdampferanordnung
4 betreibt den Schalter 32, so daß während des normalen Arbeitens des Systems der
Motor des Kompressors immer dann eingeschaltet wird, wenn die Verdampferanordnung
eine vorher festgelegte Maximaltemperatur erreicht, und ausgeschaltet wird, wenn
die Anordnung eine vorher festgelegte niedrige Temperatur erreicht.
-
Der das Abtauen steuernde Teil der elektrischen Schaltung enthält
einen Abtau-Steuerschalter 34, der periodisch die Magnetspule 29 einschaltet. Die
Spule 29 und der Schalter 34 sind zu den Versorgungsleitungen 30 und 31 in der Weise
in Serie geschaltet, daß die Erregung der Spule 29 auch unter der Steuerung des
Schalters 32 steht. Der Abtau-Steuerschalter 34 kann irgendeine bekannte Vorrichtung
sein, die den Stromkreis zur Spule 29 als Funktion der Zeit, der Anzahl von Öffnungen
der Kühlschranktür oder ähnlicher Größen schließt und ihn öffnet, wenn die Temperatur,
die durch ein temperaturempfindliches Element 35 in Berührung mit der Verdampferanordnung
4 festgestellt wird, einige Grade über dem Gefrierpunkt liegt, d. h. wenn die Verdampferanordnung
in frostfreien Zustand gebracht ist.
-
Diese elektrische Steuerschaltung ist so ausgeführt, daß sie eine
Erregung der Spule 29 zur Öffnung des Ventils 20 nur dann gestattet, wenn auch der
Schalter 32 geschlossen ist, um den Kompressormotor 10 mit Strom zu versorgen, so
daß sich das Ventil 20 nur dann öffnet, wenn auch der Kompressor läuft. Sobald der
Abtauzyklus angelaufen ist, wird die temperaturempfindliche Anordnung 33 nur höhere
Verdampfertemperaturen messen. Deshalb wird der Schalter 32 geschlossen bleiben,
und der Kompressor wird während des ganzen Abtauzyklus und eines unmittelbar auf
den Abtauzyklus folgenden normalen Kühlzyklus ununterbrochen laufen. Dabei erfolgen
die Beendigung des Abtauzyklus und der Beginn des Kühlzyklus durch Betätigen des
Schalters 34, wenn die temperaturempfindliche Anordnung 35 anzeigt, daß der Verdampfer
frei von Frost ist. Der Schalter 32 wird sich erst dann öffnen, um den Kompressor
stillzusetzen, wenn die temperaturempfindliche Anordnung 33 wieder die vorher festgelegt
niedrige Verdampfertemperatur mißt.
-
Wenn ein Ventilator zur verstärkten Kühlung des Kondensators 2 verwendet
wird, ist es wünschenswert, daß der Ventilator während des Abtauprozesses ausgeschaltet
ist, um die Kondensation von Kältemittel im Kondensator möglichst gering zu halten.
Der Betrieb des Kondensators -Ventilators 37 kann ebenfalls durch den Schalter 34
in der Weise gesteuert werden, daß der Ventilatormotor nur dann eingeschaltet ist,
wenn der Kompressor eingeschaltet ist und die Spule 29 ausgeschaltet ist.
-
Es sind keine Einrichtungen vorgesehen, die während des Arbeitens
des erfindungsgemäßen Systems im Abtauzyklus zwangläufig eine Strömung von Kältemittel
durch den normalen Kühlkreis, d. h. durch den Kondensator 2, die Kapillare 3, den
Verdampferkanal 6 und den Sammler 7, verhindern. Obwohl eine kleine Gasmenge weiter
durch den Kondensator und durch den normalen Kreis fließt, hat dies keinen wesentlichen
Einfluß auf den Abtaubetrieb, da die Strömungsmenge durch den Hilfskreis 18, der
einen geringeren Strömungswiderstand für das Kältemittel als der normale Kühlkreis
hat, viel größer ist.
-
Obwohl die Durchflußdrosselung bzw. der Strömungswiderstand im Hilfskreis
18 in erster Linie durch die Drossel 25 erfolgt, ist zu bemerken, daß die benötigte
Drosselung in diesem Kreis wie auch die gesamte Kältemittelfüllung für das Kühlsystem
weitgehend durch die Ausführung aller seiner Teile bestimmt werden.
-
Als beste Ausführungsform von Systemen, in denen kein wesentlicher
Druckabfall außer in den Drosseln 3 und 25 erfolgt, wurde allgemein gefunden, daß
die Drosselwirkung der Drossel 25 im Hilfskreis etwa ein Fünftel bis ein Zehntel
derjenigen des Kapillarrohres 3 betragen soll. Ein Verhältnis von etwa 1: 8 ergab
ausgezeichnete Ergebnisse in dem oben beschriebenen System bei Verwendung eines
Kompressors mit 1l$ PS. Eine Verringerung der Strömungsgeschwindigkeit durch den
Hilfskreis führt dazu, daß flüssiges Kältemittel in den Abschnitten 22 und 23 des
Abtaukreises gehalten wird, so daß weniger Kältemittel für das Kompressorgehäuse
verfügbar ist, um den Druck im Gehäuse und die von der elektrischen Eingangsleistung
des Kompressormotors 10 her stammende Wärmemenge zu vergrößern. Höhere Durchflußgeschwindigkeiten
des Kältemittels durch den Hilfskreis 18 können im wesentlichen ohne schädliche
Auswirkungen geduldet werden, da das System weiterarbeitet, wenn es auch etwas mehr
Zeit kostet, um den Kondensationsdruck in den Abtauabschnitten zu erreichen, wodurch
eine längere Zeit zum Abtauen der Verdampferanordnung nötig ist. Die Grenze in
dieser
Richtung ist der Punkt, an dem nur Gas zirkuliert wird, ohne daß es in den Abtauabschnitten
kondensiert.
-
Systeme, die entsprechend den vorstehenden Angaben konstruiert wurden,
haben mit Erfolg eine Verdampferanordnung der in Fig.l gezeigten Art in einigen
Minuten abgetaut, im allgemeinen in weniger als 10 Minuten, selbst bei einer tiefen
Umgebungstemperatur von etwa 16° C, während vergleichbare Systeme, die sich nur
dadurch unterschieden, daß das Abtauen des Verdampfers einfach durch Umgehung der
normalen Kühlkapillare und durch Einführen von komprimiertem Kältemittel direkt
aus dem Kondensator in den Verdampfer erfolgte, mindestens 45 Minuten zum Abtauen
der gleichen Verdampferanordnung bei 16° C Umgebungstemperatur benötigten.
-
Tatsächlich taut das erfindungsgemäße System den Verdampfer fast ebenso
schnell bei 16° C Umgebungstemperatur wie bei 38° C Umgebungstemperatur ab. Der
Hauptgrund dafür ist der, daß der Abtauprozeß in erster Linie durch die Wärmeenergie
bewirkt wird, die von der vermehrten elektrischen Eingangsleistung des Kompressormotors
während des Abtauprozesses herrührt, und nur in einem geringeren Umfang von der
Wärme, die im Kompressorgehäuse von einem vorhergegangenen normalen Kühlzyklus her
gespeichert ist. In diesem Zusammenhang soll erwähnt werden, daß zwar die elektrische
Eingangsleistung zum Kompressor und damit die Wärmemenge, die von dieser Quelle
her verfügbar ist, sowohl durch die Hochwie durch die Niederdruckseite bestimmt
werden, daß aber der Druck auf der Niederdruckseite den größeren Einfluß hat, da
er in erster Linie die Kältemittelmenge bestimmt, die vom Kompressor bei jedem Takt
zu komprimieren ist.
-
Um nun mit der Beschreibung der Betriebseigenschaften des erfindungsgemäßen
Systems fortzufahren: Es wurde gefunden, daß bei fortschreitendem Abtauen infolge
der Kondensation von Kältemittel in dem Abtaukreis durch den laufend steigenden
Druck in diesem Kreis die Temperatur des Verdampfers steigt. Zur gleichen Zeit bewirkt
kondensiertes Kältemittel, das in das Kompressorgehäuse gelangt, eine Abkühlung
bei dem geringeren Druck, der dort herrscht. Diese Abkühlung in dem Gehäuse bewirkt
eine Erniedrigung der Temperatur des Aggregats 1 mit Einschluß des Öls
14 trotz der Tatsache, daß infolge der wachsenden elektrischen Eingangsleistung
zu den Wicklungen des Motors 10 mehr Wärme in dem Gehäuse erzeugt wird. Wegen
der erhöhten Abkühlung in diesem Gehäuse wird diese Wärmeenergie rasch vom Kompressorgehäuse
abgeführt und zum Abtauen zur Verdampferanordnung 4 übergeführt.
-
Obwohl der normale Kältemittelkreis beim Abtauen nach dem Kompressor
hin offen ist, ist der Fluß von Kältemittel durch die Kapillare 3 und durch den
normalen Kältemittelverdampferkreis 6 während des Abtauens extrem gering. Ein Grund
dafür ist der Unterschied in der Bemessung der Strömungsmengen durch die beiden
Drosseln 3 und 25. Der andere Grund ist die Tatsache, daß während
des Abtauens das Kältemittel am Eingang zur Kapillare 3 normalerweise im gasförmigen
Zustand ist, während das Kältemittel, das durch die Drossel 25 fließt, zum mindesten
teilweise sich in der kondensierten oder flüssigen Phase befindet. Der Umlauf von
Kältemittel durch den Hauptkühlkreis während des Abtauzyklus kann weiter herabgesetzt
werden, wenn das Ausgangsende der Drossel 25 mit der Ansaugleitung verbunden
ist, wie bei 24 zwischen dem Punkt 8, wo die normale Kältemittelansaugleitung
und die normale Kapillare 3 in Wärmeaustausch stehen, und dem Kompressor gezeigt
ist. Diese Anordnung verhindert, daß das flüssige Kältemittel, welches das Abtausystem
verläßt, die Kühlkapillare 3 unterkühlt und die Strömungsmenge durch diese Kapillare
vermehrt. Es ist offensichtlich, daß der Ausgangspunkt 24 an der Niederdruckseite
des Kompressorgehäuses liegen könnte, um das aus dem Hilfskreis 18 zurückgekehrte
Kältemittel direkt in das Gehäuse hineinzuleiten.
-
Wie es bei allen Systemen mit fester Drosselung der Fall ist, wird
der optimale Betrieb des vorliegenden Systems auch von der Kältemittelfüllung abhängen.
Zur Bestimmung der optimalen Kältemittelfüllung müssen die Betriebsbedingungen des
Systems während des Abtauens berücksichtigt werden. In diesem Zusammenhang ist festzustellen,
daß die beiden Drosselkapillaren 3 und 25 während des Abtauens annähernd den gleichen
Hoch- und Niederdruck haben. Der Kondensator 2 und der Hilfskreis 18 bis
zu dem Beschränker 25 enthalten eine gemeinsame Hochdruckseite, während zur
gemeinsamen Niederdruckseite das Kompressorgehäuse, der Schlangenverdampfer 6, der
Sammler 7 und die Ansaugleitung 5 gehören. Bei Betrachtung dieser Druckverhältnisse
wird es klar, daß unter Umständen während des Abtaubetriebes alles Kältemittel im
System mit Ausnahme des im Kompressorgehäuse 12 befindlichen, sich bis auf
die kleine Menge Kältemittel, die in den Abschnitten 22 und 23 des
Hilfskreises kondensiert, im gasförmigen Zustand befinden kann. Daher würde die
günstigste Gesamtfüllung zum Abtauen die Menge sein, die nötig ist, um Gas zu allen
Bestandteilen des Systems außer zu dem Kompressorgehäuse zu liefern, und zusätzlich
die Menge, die in dem Gehäuse benötigt wird, um den gewünschten Anstieg des Gehäusedrucks
zu erzeugen und die durch das Öl 14 absorbierte Kältemittelmenge zu ersetzen,
welche für einige Kältemittel, wie »Freon 12«, konstant wächst, wenn die Gehäusetemperatur
sinkt. Ein Teil des normalen Kühlkreises, wie etwa der Sammler 7, kann dann so ausgelegt
werden, daß er jeden Unterschied zwischen der Gesamtfüllung, die für das Abtauen
benötigt wird, und der Füllung, die für die beste Kühlleistung des Systems benötigt
wird, speichert, wenn das Ventil 20 geschlossen ist.
-
Es wird also erfindungsgemäß ein Abtaukreis von geringerem effektivem
Volumen verwendet, d. h. mit einer geringeren Kapazität zur Speicherung von Flüssigkeit,
als der normale Kreis besitzt, und es wird zweckmäßig während des Abtauens eine
Kältemittelreserve ausgenutzt, die normalerweise in der Niederdruckseite des normalen
Kreises gespeichert ist, um den Druck im Gehäuse zu steigern und um den Verlust
an Kältemittel zu kompensieren, das sich im Öl löst, wenn die Temperatur des Öls
während des Abtauzyklus sinkt.
-
Obwohl ein besonderer Vorteil der Erfindung ein rascher Abtaubetrieb
ist, kann es bei manchen Anwendungen wünschenswert sein, für das Abtauen eine geringere
Geschwindigkeit vorzusehen und zugleich einige der anderen größeren Vorteile der
Erfindung beizubehalten, wie etwa die erhöhte Belastung des Kompressors während
des Abtauzyklus. Ein solches System ist in Fig. 2 der Zeichnung dargestellt, in
der die gleichen Bezugszahlen zur Bezeichnung von Elementen
mit
gleicher oder ähnlicher Funktion verwendet sind. In dem System der Fig. 2 verläuft
der Kältemittelfluß durch den Hilfskreis 18 in der gleichen Richtung wie der Fluß
des Kältemittels durch die Parallelleitungen des Verdampfers 6, im Gegensatz zu
dem Gegenstrom bei der Ausführung nach Fig. 1, und das Eingangsende des Hilfskreises
18 ist an das Ausgangsende des Kondensators 2 angeschlossen. Jede einzelne oder
beide dieser Änderungen verlangsamen die Geschwindigkeit des Abtauens der Verdampferanordnung
4, welche in dieser Ausführung den Röhrenverdampferkreis 6, einen Sammler 7 und
einen Abtauabschnitt 41 enthält, die durch Hartlöten oder anders an der Platte 9
befestigt sind.
-
Da beim Abtaubetrieb des Systems von Fig. 2 das nach Betätigen des
Ventils 20 durch den Hilfskreis 18 fließende warme Gas zuerst den Schlangenverdampfer
6 und dann den Sammler 7 berührt, wird in diesem Falle der Sammler als letzter durch
das Abtaugas erwärmt. Daher wird das flüssige Kältemittel, das während der normalen
Kühlung im Sammler aufgespeichert ist, langsamer verdampfen als bei der in Fig.
1 gezeigten Ausführung, so daß seine Rückkehr zu dem Kompressor, wo es den Druck
auf der Niederdruckseite und die entsprechende elektrische Eingangsleistung des
Motors erhöht, langsamer erfolgt. Die Geschwindigkeit des Abtauens ist deshalb etwas
kleiner. Durch Verbinden des Hilfskreises mit dem Ausgang des Kondensators, wie
bei 43 gezeichnet, läuft das warme Gas vom Kompressor durch den Kondensator 2, bevor
es in den Hilfskreis 18 gelangt. Da das Abtaugas seine Überhitzung im Kondensator
verliert, entsteht also ein Verlust von Wärmeenergie an die Umgebung, und deshalb
wird weniger gesamte Wärmeenergie für das Abtauen der Verdampferanordnung 4 verfügbar
sein.
-
Es ist klar, daß entweder eines oder beide dieser Mittel angewendet
werden können, um eine langsamere Abtaugeschwindigkeit zu erreichen, als sie mit
dem System der Fig. 1 erreichbar ist, und die Auswahl wird von der Anwendung des
Systems abhängen. Wenn nur eines angewendet wird, ist zu erwähnen, daß der Einschluß
des Kondensators in den Abtaukreis einen fortgesetzten Verlust von Wärmeenergie
zu der Umgebung ermöglicht, wodurch die maximalen Abtautemperaturen vermindert werden,
die an der Verdampferanordnung erreichbar sind. Der Fluß des Kältemittels durch
den Hilfskreis, wie er in dem System der Fig. 2 vorgesehen ist, bewirkt eine langsamere
Verdampfung des Kältemittels, das im Sammler 7 gespeichert ist, und verlängert dadurch
die Abtauperiode in erster Linie deshalb, weil der Druck auf der Niederdruckseite
des Kompressors langsamer zunimmt. Das hat jedoch keinen merklichen Effekt auf die
maximalen Verdampfertemperaturen, die für das Abtauen verfügbar sind, sobald alles
gespeicherte Kältemittel zu dem Kompressorgehäuse übergeführt worden ist.
-
In dieser oder in der Ausführung der Erfindung nach Fig. 1 kann ein
Sumpf oder Behälter 42 zwischen dem Abtauabschnitt 41 und der Drossel 25 vorgesehen
werden, um die Kapazität des Hilfskreises zu erhöhen, wenn z. B. der normale Kühlkreis
eine größere Kältemittelfüllung benötigt, als von dem Kompressorgehäuse während
des Abtauens verarbeitet werden kann. Die Anbringung eines Behälters 42 bringt ebenfalls
eine geringere Abtaugeschwindigkeit mit sich. Ein weiterer Vorteil der Erfindung,
der für beide Ausführungen nach Fig. 1 und 2 charakteristisch ist, resultiert aus
der Tatsache, daß der normale Kühlkreis während des Abtaubetriebes offen und direkt
mit dem Hilfskreis verbunden ist. Durch diese Anordnung ist es unnötig, irgendwelche
Kontrollmittel als Übertemperatur- oder Überdruckschutz für den Fall vorzusehen,
daß z. B. das Ventil 20 offenbleibt und der Kompressor weiterarbeitet, nachdem
die Verdampferanordnung vollständig abgetaut ist. Zu der Selbstschutztätigkeit des
Systems ist zu bemerken, daß während der ersten Stadien des Abtauens Kältemittel
in den in Wärmeaustausch mit dem Verdampfer stehenden Abschnitten des Hilfskreises
kontinuierlich kondensiert, so daß es keinen nennenswerten plötzlichen Druckanstieg
in diesem Teil des Hilfskreises gibt. Obwohl der Druck im System bei fortschreitendem
Abtauen und steigender Verdampfertemperatur etwas ansteigt, wird der Druck in der
Hochdruckseite des vollständigen Systems (vor den Drosseln im normalen Kreis und
im Hilfskreis) und besonders im Kondensator 2 schließlich hinreichend groß, um eine
Kondensation von Kältemittel im Kondensator zu bewirken. Unter normalen Umständen
wird das vollständige Abtauen der Verdampferanordnung in dieser Zeit erreicht, so
daß die Steuereinrichtungen das System zum normalen Betrieb zurückführen. Ein fortgesetzter
Betrieb im Abtauzyklus über diesen Punkt hinaus ist jedoch nicht gefährlich, weil
bei Kondensation von Kältemittel im Kondensator die Drossel 3 die Verdampferanordnung
mit flüssigem Kältemittel versorgt. Mit dieser gleichzeitig erfolgenden Kühlung
im normalen Kreis wird der Druck im System mit einer kontinuierlich abnehmenden
Geschwindigkeit ansteigen, da die beiden parallelen Kreise dann hinsichtlich der
Temperatur gegeneinander arbeiten, so daß weder die Verdampferanordnung noch der
Motorkompressor geschädigt werden, selbst wenn das System weiter im Abtauzyklus
arbeitet, nachdem der Verdampfer die Abtautemperaturen erreicht hat.
-
Das Warmgas-Abtausystem nach der Erfindung kennzeichnet sich also
durch wirtschaftliches und rasches Abtauen, rasche Erholung nach einem Abtauzyklus,
Einfachheit, geringe Herstellungskosten und Anpassungsfähigkeit an bekannte Verdampferkreise
und Motorkompressoren. Da die elektrische Eingangsleistung des Kompressormotors
als primäre Wärmequelle verwendet wird, benötigt das System keine Verwendung von
Heizern und ist dazu sehr unempfindlich gegen Umgebungstemperaturen oder aufgespeicherte
Wärme in dem Kompressor oder im hermetisch abgeschlossenen Kompressorgehäuse, so
daß das Abtauen sowohl bei hoher wie bei tiefer Umgebungstemperatur rasch verläuft.