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Verfahren und Vorrichtung zum Abtauen von Absorptionskühlschränken
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Abtauen von Absorptionskühlschränken,
bei denen aus dem mit Hilfsgas arbeitenden Kühlsystem außerhalb des Lösungsmittelkreislaufes
ein Medium entnommen und gespeichert wird und bei dem der Speicher periodisch, durch
die gespeicherte Flüssigkeit selbst gesteuert, schlagartig entleert wird.
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Ein Defrosten des Verdampfersystems ist aus verschiedenen Gründen
erwünscht: eine Schnee- oder Eisschicht am Verdampfer erniedrigt wegen ihrer Isolationswirkung
die erreichbare Temperaturdifferenz gegenüber der Umgebungstemperatur und erhöht
den Stromverbrauch; die Entnahme der Eisschublade oder des Kühlgutes ist bei vereistem
Verdampferfach mit Schwierigkeiten verbunden und schließt die Gefahr mechanischer
Beschädigungen des Gehäuses in sich. Außerdem beansprucht eine starke Reifschicht
wertvollen Nutzraum.
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Es ist bereits bekannt, mit Hilfe elektrischer Schalter und Regelgeräte
abzutauen, beispielsweise durch Reversieren des Kältemittelkreislaufes bei Kompressoraggregaten.
Diese Verfahren sind aber für Kühlschränke, die mit gasförmigen oder flüssigen Brennstoffen
betrieben werden, technisch nicht durchführbar.
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Weiter ist es bekannt, eine am Lösungsmittelkreislauf angeschlossene
Hilfspumpe zu Abtauzwecken zu verwenden, die heiße Kocherlösung in den Verdampfer
fördert. Diesem Verfahren haftet insbesondere folgender Nachteil an: In Absorptionskälteapparaten
werden als Rostschutzmittel im Lösungsmittelkreislauf meistens Chromate verwendet.
Fördert nun eine Hilfspumpe der oben geschilderten Art chromathaltiges Lösungsmittel
in den Verdampfer, so scheiden sich in diesem Chromatsalze aus, die dann für die
umlaufende Lösung verloren sind, was die Lebensdauer des Aggregates heruntersetzt.
Ferner kann dieses Auskristallisieren des Rostschutzmittels zu Verstopfungen im
Aggregat führen.
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Bei einer weiteren bereits bekannten Vorrichtung zum Abtauen enthält
eine Leitung, die vom Kondensator ausgeht und in das System der Gaszirkulation einmündet,
einen Flüssigkeitsverschluß, in dem sich vom Kondensator kommendes flüssiges Kältemittel
ansammelt. Dieser Flüssigkeitsverschluß ist als Siphon ausgebildet, der, nachdem
sich eine bestimmte Kondensatmenge angesammelt hat, automatisch durch Absaugen der
Flüssigkeit den vom Kondensator kommenden Dämpfen den Weg in den Gaskreislauf freigibt.
Diese Dämpfe stören den Gaskreislauf und damit den ganzen Kälteprozeß.
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Neben andern Nachteilen hat es sich gezeigt, daß mit einer solchen
Anordnung ein rasches und vollständiges Abtauen des gewünschten Verdampferteiles
infolge der geringen Leistung nicht möglich ist.
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Nach einem anderen Vorschlag ist eine mit einem Flüssigkeitsverschluß
versehene Leitung vorhanden, die von der Dampfleitung zwischen Kocher und Kondensator
ausgeht und in das Verdampfersystem einmündet. Der eine Schenkel des Flüssigkeitsverschlusses
wird mittels eines elektrischen Heizelements beheizt, so daß die darin gespeicherte
Flüssigkeit zum Sieden gebracht wird und zum Verdampfer strömt. Eine solche Anordnung
erfordert ein zusätzliches Heizorgan mit speziellen Steuerorganen für die Auslösung
des Abtauvorganges.
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Bei einer weiteren bereits bekannten Defrosteranordnung werden Kocherd'änpfe
kondensiert und in einem Flüssigkeitsverschluß gesammelt. Daran angeschlossen ist
ein zweiter Flüssigkeitsverschluß, der sich in einer Dampfleitung zwischen Rektifikator
und Verdampfer befindet. Durch eine spezielle Heizung wird die Flüssigkeit aus dem
zweiten Verschluß entfernt, wodurch heiße Kocherdämpfe zum Zweck des Abtauens in
den Verdampfer strömen. Auch hier werden zusätzliche Elemente für das Auslösen des
Abtauvorganges und das Verdampfen und Aufheizen benötigt. Es hat sich zudem als
äußerst schwierig erwiesen, eine solche Anordnung auf befriedigende Art zu steuern.
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Weiterhin ist eine vollautomatische Abtauvorrichtung bekanntgeworden,
bei der wiederum zwischen
Kocher und Kondensator ein Flüssigkeitsverschluß
eingebaut ist, an dem eine in das Verdampfersystem einmündende Dampfleitung angeschlossen
ist. Nachdem sich im Verschluß eine bestimmte Kondensatmenge gespeichert hat, wird
diese durch einen Siphon automatisch abgesaugt, und es können heiße Kocherdämpfe
in den Verdampfer gelangen und den Abtauvorgang bewirken, bis sich genügend Kondensat
im Verschluß gesammelt hat, um die Dampfleitung-Ausflußöffnung zu verschließen.
Die durch den Siphon abfließende Verschlußflüssigkeit ist am Abtauvorgang nicht
aktiv beteiligt. Dieses Verfahren ist wohl vollautomatisch. Es weist jedoch den
Nachteil auf, daß die Abtauleistung, deren Größe von der Kocherleistung abhängig
ist, sehr gering ist. Der Abtauvorgang verlangt aber eine gewisse Energie, die möglichst
kurzfristig angeliefert werden soll, damit durch einen plötzlich sehr intensiven
Taueffekt möglichst zugleich ein »mechanischer« Effekt erwirkt werden kann, durch
den das Eis zum Bersten kommt und in Form von Eisstücken in die Tropfschale gleitet,
ohne daß das restlose Auftauen dieser Eisstücke am Verdampfer erforderlich ist.
Dadurch kann die Abtauzeit auf ein Minimum herabgesetzt werden. Dieser minimale
Zeitaufwand ist anzustreben, damit das Abtauen vorgenommen werden kann, ohne daß
die Temperatur im Kühlschrank sich praktisch ändert.
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Es ist ferner schon versucht worden, zum Zweck des Abtauens von Kühlschlangen
den Kühlschrank mit einem gesonderten Abtaukreislauf zu versehen und diesem die
Wärme aus dem Kühlsystem zuzuführen. Auch diese Ausführungen haben wegen ihres komplizierten
Aufbaues keinen Eingang in die Praxis gefunden.
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Die Erfindung bezweckt, eine minimale Abtauzeit zu erreichen, ohne
die geschilderten Nachteile in Kauf nehmen zu müssen.
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Das der Erfindung zugrunde liegende Verfahren, bei dem aus dem mit
Hilfsgas arbeitenden Kühlsystem außerhalb des Lösungsmittelkreislaufes ein Medium
entnommen und gespeichert wird und bei dem der Speicher periodisch, durch die gespeicherte
Flüssigkeit selbst gesteuert, schlagartig entleert wird, ist gemäß der Erfindung
dadurch gekennzeichnet, daß der Speicherinhalt mit dem Kocher derart in wärmeaustauschende
Verbindung gebracht wird, daß dem Kocher ein Teil seines Wärmeinhaltes schlagartig
entzogen wird, und zwar zum Zweck, eine hohe spezifische Abtauleistung zu erreichen,
und da.ß das derart erhitzte Medium anschließend in bekannter Weise dem Verdampfersystem
zugeführt wird.
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Die Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens gemäß der Erfindung
ist gekennzeichnet durch einen Flüssigkeitsspeicher und einen an diesen angeschlossenen
Siphon, durch ein mit dem Kocher einen Wärmeaustauscher bildendes Durchflußelement
und durch eine das Durchflußelement mit dem Verdampfer verbindende Leitung.
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Die Erfindung ist anschließend an Hand von Figuren eines Ausführungsbeispieles
erläutert; dabei ist aber die Wirkungsweise eines Absorptionskälteschrankes als
bekannt vorausgesetzt worden.
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Fig. 1 bis 7 zeigen verschiedene Ausführungen der Vorrichtung in schematischer
Darstellung.
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In einem teilweise dargestellten Kreislaufschema eines Absorptionskühlschrankes
schließt sich an einen Kocher 1 ein Kondensator 2 an mit nachgeschaltetem Verdampfer
3 und Schlangen 4 des Gaskreislaufes. Bei der in Fig. 1 dargestellten Ausführung
zweigt unmittelbar vor dem Kondensator 2 ein Sammler- und Speicherelement 5 ab,
das als Bogen mit verschlossenem Ende ausgebildet ist.
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Das Speicherelement 5 kann auch innerhalb des Kondensators 2, d. h.
zwischen Kondensatoranfang und -ende, angeschlossen werden.
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Eine an ihrem einen Ende als Siphonbogen 6 ausgebildete Leitung 7
erstreckt sich bis in den unteren Schenkel des Speicherelementes 5 einerseits und
in eine mit dem Kocher 1 wärmeleitend verbundene und als Durchfiußelement ausgebildete
Verdampferkammer 8 andererseits. Aus dieser Kammer 8 führt eine Leitung 9 in den
Verdampfer 3.
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Der Abtauvorgang spielt sich folgendermaßen ab: Während der normalen
Kälteerzeugung strömt ein Teil der Kältemitteldämpfe vor seinem Eintritt in den
Kondensator 2 in das Speicherelement 5, wo er kondensiert und sich ansammelt. Die
Kondensatmenge steigt im Element 5 und im Siphonbogen 6 so lange an, bis der Flüssigkeitsspiegel
den höchsten Punkt des Bogens 6 überschreitet. In diesem Moment wirkt das Gebilde
als Saugheber, alle im Element 5 gespeicherte Flüssigkeit wird abgesaugt und ergießt
sich durch die Leitung 7 in die Verdampferkammer B. Durch Wärmeaustausch erhitzt
sich das Kältemittel und verdampft, indem es dem Kochersystem Wärme entzieht. Der
gebildete Kältemitteldampf strömt durch die Leitung 9 in den Verdampfer 3, den er
augenblicklich erwärmt, so daß der am Verdampfer 3 haftende Eismantel von innen
heraus taut und abfällt.
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Die Größe des Speicherelementes 5 zusammen mit der Anordnung des Siphonbogens
6 ist durch die während eines Abtauzyklus durchlaufende Wärmeträgermenge bestimmt.
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Anordnung und Isolationsverhältnisse des Speicherelementes 5 und des
Siphonbogens 6 bestimmen die Periode des Abtauvorganges. Die Konstruktion der Verdampferkammer
8 ist derart, daß der Wärmedurchgang und die ausgetauschte Wärmemenge die gewünschte
hohe Abtauleistung ergeben, wodurch das Abtauen schlagartig einsetzt. Nach einigen
Minuten, z. B. nach 2 bis 4 Minuten, nachdem sich das Speicherelement 5 über den
Siphon 6 entleert hat, wird der Abtauvorgang ebenso schlagartig wieder beendet.
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Dieses Vorgehen weist gegenüber den bekannten, vorstehend geschilderten
Verfahren folgende Vorteile auf: Das Wärmeübertragungsmittel, das ein Teil des Aggregatinhaltes
und zugleich Steuerorgan für die periodische Auslösung und Unterbrechung des Abtauvorganges
ist, verdampft in der Verdampferkammer 8 und wird durch sein Kondensieren im Verdampfer
3 wieder dem Kreislauf zugeführt. Dank der Phasenänderung dieses Wärmeübertragungsmittels
bestehen in der Kammer 8 und im Verdampfer 3 sehr günstige Verhältnisse bezüglich
Wärmeübergang und Wärmeinhalt, so daß mit kleinen Mengen des Mittels in kurzen Zeiten
große Wärmemengen übertragen werden können. Die Siedetemperatur des Wärmeübertragungsmittels
liegt bei rund 55° C, die Temperatur des Kochers 1 und der Verdampferkammer 8 beträgt
rund 180° C. Es ist damit theoretisch möglich, dem Kochersystem so viel Wärme zu
entziehen, bis sich dieses auf die Siedetemperatur des Wärmeübertragungsmittels
abgekühlt hat. Bei den bekannten Verfahren, die Kocherlösung in den Verdampfer pumpen,
ist ein derartig großer Wärmeentzug aus dem Kochersystem
unmöglich,
weil die Siedetemperatur der gepumpten Lösung bei ungefähr 150° C liegt und unterhalb
dieser Siedetemperatur eine Gasblasenpumpe nicht mehr fördern kann. Ein weitergehender
Wärmetransport muß durch die normale Kocherheizung oder durch zusätzliche Heizelemente
gedeckt werden, wie dies bei den bekannten Verfahren erfolgt, die heiße Kocherdämpfe
zum Zweck des Defrostens in den Verdampfer leiten und daher mit Abtauzeiten von
30 bis 60 Minuten operieren, wodurch die Gefahr des Ruftauens des Kühlgutes besteht.
Eine Verkürzung der Abtauzeit wurde bis heute nur mit zusätzlichen Hochleistungs-Heizelementen
erreicht, deren Leistung bedeutend größer ist als diejenige der normalen Kocherheizung.
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Bei der Erfindung kann hingegen dank der großen zur Verfügung stehenden
Temperaturdifferenz zwischen der Kochertemperatur und der Siedetemperatur des Wärmeübertragungsmittels
und dank guter Wärmeübergangsverhältnisse der Abtauvorgang mit großer Leistung durchgeführt
werden und die Abtauzeit auf etwa 2 bis 4 Minuten beschränkt werden, so daß das
Gefriergut den Abtauprozeß praktisch nicht registrieren kann.
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Im übrigen bleiben folgende, teils bekannte Vorteile gewahrt: Es wird
dem Kreislauf kein Rostschutzmittel entzogen, was die Lebensdauer des Apparates
verlängert und, durch Verhütung von Verstopfungen, dessen Betriebssicherheit erhöht.
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Der Abtauvorgang erfordert keinen Eingriff an der normalen Heizquelle,
was insbesondere für mit Gas oder flüssigem Brennstoff betriebene Apparate vorteilhaft
ist.
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Die Periode des Abtauvorganges ist von der Außentemperatur abhängig;
denn bei tiefer Umgebungstemperatur, wo ein häufigeres Abtauen erforderlich ist,
ist die zur Startauslösung notwendige Flüssigkeitsmenge im Speicherelement 5 eher
kondensiert als bei hohen Umgebungstemperaturen.
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Der Abtauvorgang wird ohne zusätzliche, störanfällige Steuerelemente
selbsttätig periodisch eingeleitet und abgestellt.
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Bei der Ausführung nach der Fig. 2 ist das Sammler- und Speicherelement
5 unmittelbar nach dem Kondensator 2 angeordnet. Das dem Speicherelement 5 zuzuführende
Kondensat wird mittels eines kapillaren Saugorgans 10, das z. B. als Docht ausgebildet
sein kann, vom Normalkreislauf in das Speicherelement 5 gesaugt. Die Verdampferkammer
11 ist. bei dieser Ausführung als ein den Kocher umschließendes Gefäß ausgebildet.
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Im Gaskreislauf kondensiert bei der Abkühlung des warmen Gases bekanntlich
Flüssigkeit aus. Die Verwendung dieser Flüssigkeit zu Abtauzwecken, wie dies z.
B. in der Fig. 3 dargestellt ist, bietet den Vorteil, daß dem Kreislauf keine ins
Gewicht fallende Kältemittelmenge entzogen wird. Die Zusammensetzung dieser abgezweigten
Flüssigkeit entspricht ungefähr derjenigen der Aggregatfüllung, wodurch eine Verarmung
an Kältemittel der zirkulierenden Lösung ausgeschlossen ist. In der Fig. 3 ist zudem
an Stelle eines Verdampferraumes eine Hilfsgasblasenpumpe 12 vorhanden, die ein
Dampf-Flüssigkeits-Gemisch zum Abtauen in den Verdampfer 3 pumpt.
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Eine weitere Ausführung ist in der Fig. 4 dargestellt, in der das
zum Abtauen erforderliche Medium in Form von nicht verdampften Kältemittels dem
Verdampfer 3 an seinem Ende entnommen wird. Das flüssige Kältemittel fließt, angehoben
durch den Siphon mit dem Bogen 6, durch die Leitung 7 in die ringförmige Verdampferkammer
11, wo es verdampft. Es verläßt dampfförmig die Kammer 11 und strömt durch die Leitung
9 in den äußeren Mantel 13 eines Wärmeaustauschers, in welchem die Wärme hauptsächlich
an die Eis- und Reifschicht auf dem äußeren Mantel 13 abgegeben wird. Bei dieser
Anordnung wird die Abtauperiode automatisch durch den Grad der Vereisung des Verdampfers
3 gesteuert. Je mehr Eis sich ansetzt, um so besser ist der Verdampfer 3 isoliert,
was zur Folge hat, daß das Kältemittel nicht mehr vollständig verdampft und in flüssigem
Zustand in das Speicherelement 5 tropft. Die im Wärmeaustauscher kondensierte Flüssigkeit
wird durch eine Leitung 14 dem Kreislauf wieder zugeführt.
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Wie die in der Fig. 4 dargestellte Schaltung zeigt, ist es nicht unbedingt
erforderlich, das Abtaumedium in den Verdampfer hineinzuleiten. Damit wird es möglich,
nur gewisse, speziell erwünschte Teile des Verdampfers abzutauen. Bei Verdampfersystemen
mit zwei oder mehr verschiedenen Temperaturniveaus ist es zweckmäßig, die Tiefgefrierfächer
durch den Abtauvorgang nicht zu beeinflussen. In der Fig. 1 ist, unter Berücksichtigung
dieses Punktes, die Abtauflüssigkeit dem zweiten, wärmeren Teil des Verdampfers
3 zugeführt worden, während der erste Verdampferteil normal weiterläuft. Damit wird
eine Verlängerung der Gefrierzeit verhindert, wenn der Abtauvorgang einmal zufällig
in eine Zeit der Eiszubereitung fallen sollte. Zudem erhöht sich beim Abtauen die
Temperatur im Tiefgefrierfach bei einer solchen Anordnung nur unwesentlich, so daß
nicht mit einem Auftauen oder gar Verderben der darin gelagerten tiefgefrorenen
Güter gerechnet werden muß.
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In der Fig. 5 sind drei weitere Möglichkeiten der Steuerung der Periode
des Abtauvorganges dargestellt. Das Speicherelement 5 ist mit einer von außen verschiebbaren
Isolation 20 versehen, mittels der die Kondensationsgeschwindigkeit und damit die
Erreichung des Absaugniveaus zeitlich geregelt werden kann. Es ist indes auch möglich,
Kühlluft in veränderlicher Menge über das Speicherelement 5 streichen zu lassen,
um damit die Kondensationsgeschwindigkeit und mithin die Periode des Abtauvorganges
zu ändern.
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Diese Periode kann aber auch mit Hilfe eines in seiner Höhenlage verstellbaren
Siphonbogens 6 verändert werden.
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Ein Verfahren, das mit der Speicherung von Kältemittel arbeitet, hat
zur Folge, daß die Kältemittelkonzentration der durch die Pumpe geförderte Lösung
mit zunehmender gespeicherter Menge sinkt, was ein Ansteigen der Kochertemperatur
zur Folge hat und unter Umständen von Nachteil sein kann. Es ist jedoch möglich,
zwischen zwei Abtauvorgängen das Aggregat mit ungefähr konstanter Kochertemperatur
zu betreiben, wenn man eine Schaltung gemäß der Fig. 6 anwendet.
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Der nicht isolierte Teil des Speicherelementes 5 füllt sich in relativ
kurzer Zeit mit Kältemittelkondensat an. In dieser Zeit vollzieht sich auch der
diesem abgezweigten Volumen entsprechende Temperaturanstieg des Kochersystems. Die
Kondensation des isolierten Volumens, das relativ zum nicht isolierten Volumen klein
ist, beansprucht bis zum Ansprechen des Siphons den Großteil der Zeit zwischen zwei
Abtauperioden, so daß sich nur ein sehr flacher Anstieg der
Kochertemperatur
während dieser langen Zeit ergibt und bei entsprechender Füllung des Aggregates
die gewünschten Betriebsgrößen über diese ganze Zeit praktisch konstant gehalten
werden können.
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An Stelle einer Isolation gemäß der Fig. 6 kann beispielsweise auch
eine direkte oder indirekte Beheizung des Kondensationsteiles angewendet werden,
wie das in der Fig. 7 dargestellt ist.
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Erwähnenwert ist ferner, daß bei entsprechender Wahl der Massen- und
Wärmeübertragungsverhältnisse des Kochers 1 und der Verdampferkammer 8 oder 11 oder
der Hilfsgasblasenpumpe 12 die Gasblasenpumpe des Kochers 1 infolge Wärmeentzuges
für eine bestimmte Zeit aussetzen kann, wodurch der Abtaueffekt weiterhin erhöht
wird.