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Die Erfindung betrifft einen Kältemittellcreislauf für Kälteanlagen
mit einem aus einem Niederdruckraum ansaugenden Kompressor, .einem Verflüssiger,
einem Expansionsventil und einem Verdampfer, wobei Mittel und wenigstens ein Teilkreislauf
zur Erh'ö'hung des Wärmeübergangs auf der Kältemittelseite zwischen Verdampferende
und Verdampferanfang vorgesehen sind.
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Kälteanlagen die unter Verwendung eines Kältemittelkreislaufes arbeiten,
sind bisher in verschiedenen Bauarten bekanntgeworden. Bei einer Bauart findet nur
ein einziger Kreislauf Anwendung, bei dem ein Kompressor, ein Verflüssiger, gegebenenfalls
ein Sammelraum, ein Expansionsventil, ein aus einer einzigen oder in mehrere Strecken
geteilter Verdampfer und ein Niederdruckraum am Ende des Verdampfers in einen Kreislauf
geschaltet sind. Solche Anlagen arbeiten mit vollständiger Verdampfung. Der Kompressor
saugt aus dem Niederdruckraum Dampf an und verdichtet diesen im Verflüssiger. Der
hochgespannte, erwärmte Dampf wird gekühlt. Diese Kühlung kann durch Luft oder durch
Wasser erfolgen. Am Ende des Verflüssigers liegt das Kältemittel in flüssiger Form
vor.
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Über den Sammelraum gelangt diese zum Expansionsventil. Hier expandiert
die hochgespannte Flüssigkeit. Am Anfang des Verdampfers liegt ein Dampfgehalt von
etwa x1 = 0,15 bis 0,2 vor. Im Verdampfer wird die zu übertragende Wärmemenge an
das Kältemittel abgegeben, wobei sich der Dampfgehalt erhöht. Am Ende des Verdampfers
ist bei vollständiger Verdampfung sämtliches Kältemittäl verdampft. In ,einem Niederdruckraum
sind gegebenenfalls mehr= -Teil-' strecken des Verdampfers zusammengeführt.
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Bei einer zweiten Bauart sind zwei durch einen Sammelraum miteinander
verbundene Kreisläufe vorgesehen. Der Kompressor saugt Dampf aus dem Sammelraum
an, verdichtet diesen und führt den Dampf nach der Kühlung im Verflüssiger einem
in den Sammelraum arbeitenden Expansionsventil zu. Auf der Flüssigkeitsseite des
Sammelraumes beginnt der zweite Teilkreislauf, der nur Flüssigkeit mit Hilfe einer
Pumpe durch den Verdampfer drückt. Vom Verdampfer gelangt das Flüssigkeitsdampfgemisch
wieder in den Sammelraum. Bei diesem Verfahren; welches mit unvollkommener Verdampfung
arbeitet, liegt am Anfang des Verdampfers immer ein Dampfgehalt von x1 = 0 vor.
Am Ende des Verdampfers beträgt der Dampfgehalt etwa x2 = 0,1 ... 0,2.
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Gemäß der Patentschrift 2131 des Amtes für Erfindungs- und Patentwesen
in Ost-Berlin ist bereits eine selbsttätige Entspannungs- und Regelvorrichtung für
Kühlanlagen bekannt. Dort ist neben dem Hauptkreislauf des Kältemittels bereits
ein Teilkreislauf vorgesehen, der vom Niederdruckraum am Ende des Verdampfers zu
einem Injektor am Anfang des Verdampfers führt. Dort fließt das flüssige Kältemittel
vom Kondensator durch die Düse des Injektors zu dem Verdampfer, wobei in der Düse
des Injektors zusätzlich ein Kältemittel-Flüssigkeits-Dampfgemisch aus dem Niederdruckraum
beigemischt wird. Das Mischungsverhältnis ist jedoch lediglich von den Eigenschaften
der Düse bestimmt. Zur überwindung des Druckverlustes im Verdampfer steht damit
nur die Energie des in der Düse expandierten Kältemittels zur Verfügung. Da die
vom Kondensator kommende Kältemittelmenge entsprechend der Kälteleistung des Kältemittelkreislaufs
vorgegeben ist und auch der Druck vor der Düse des Injektors (Kondensator-Druck)
nicht beliebig erhöht werden kann, ist die hier zur Verfügung stehende Energie begrenzt.
In der dort gezeigten Anlage liegt der Dampfgehalt am Anfang des Verdampfers etwa
bei x = 0,4 ... 0,6. Am Ende des Verdampfers wird ein Dampfgehalt von etwa
x = 0,9... 0,95 erreicht. Entsprechend ist die Kältemittelmengenstromdidhte
im Verdampfer von der Kälteleistung des Kältemittelkreislaufes abhängig.
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Es ist bekannt (Supplement au Bulletin de 1'Institut International
du Froid, 1966-2, S. 283 bis 289), daß die Wärmeübergangszahl einer Zweiphasenströmung
des Flüssigkeits-Dampf-Gemisches mit Phasenänderung (bei gleichzeitiger Verdampfung)
unter anderem von der Heizflächenbelastung, dem Kältemittelmengenstrom und vom Dampfgehalt
(Dampfgehalt bedeutet das Verhältnis vom Dampfstrom zum gesamten Kältemittelmengenstrom)
des Flüssigkeits-Dampf-Gemisches abhängt. Betrachtet man ein gegebenes Verdampferrohr,
bei dem das Kältemittel mit kleineren Dampfgehalten in das Rohr eintritt und am
Ende des Rohres vollständig verdampft wird, dann ergeben sich je nach Heizflächenbelastung
und Kältemittelmengenstrom, entlang des Verdampferrohres zwei Bereiche, in denen
der Wärmeübergang verschiedenen Gesetzmäßigkeiten folgt. Am Anfang des Verdampfers
(kleinere Dampfgehalte und 'damit kleinere Strömungsgeschwindigkeiten) ist die-Wärmeübergangszahl
in erster Linie von der Heizflächenbelastung anhängig (Blasensieden). Der Kältemittelmengenstrom
spielt in diesem Bereich keine große Rolle. Mff _zunehmendem Dämpfgehalt nimmt auch
die Strömungsgeschwindigkeit zu.
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Von einer bestimmten Stelle an ist der Wärmeübergang rein konvektiver
Natur. In diesem Bereich ist die Wärmeübergangszahl unabhängig von der Heizflächenbelastung
und wird sehr stark vom Kältemittelmengenstrom und vom Dampfgehalt beeinflußt. Es
tritt ein Maximum der Wärmeübergangszahl bei einem Dampfgehalt von etwa x = 0,8
auf. Bei weiterer Verdampfung geht die Strömung allmählich in reine Dampfströmung
über, wobei eine starke Minderung der Wärmeübergangszahl eintritt. Aus der obigen
Beschreibung geht hervor, daß die Wärmeübergangszahl bei bestimmten Dampfgehalten
sehr günstig liegt.
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Bei Kälteanlagen mit vollständiger Verdampfung bleibt man wegen den
relativ kleinen Kältemittelströmen weitgehend im Bereich des Blasensiedens. Hierbei
ist die mittlere Wärmeübergangszahl sehr niedrig. Sämtliche bisher bekannte Kälteanlagen
der zweiten Bauart arbeiten bei relativ niedrigen Dampfgehalten (x= o
... 0,25). Die Wärmeübergangszahl ist in diesem Bereich (weitgehend Blasensieden)
relativ niedrig. Man versuchte den Wärmeübergang dadurch zu steigern, daß man eine
vollständige Benetzung der Innenwandung der Verdampferrohre gesichert hatte. Zu
diesem Zwecke wurde vorgeschlagen, die Verdampferrohre in -bestimmten Abständen
anzubohren und den inzwischen gebildeten Dampf abzusaugen. Somit wurde der Dampfgehalt
künstlich niedrig gehalten.
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Auch Anlagen, wie sie die Patentschrift 2131 des Amtes für Erfindungs-
und Patentwesen in Ost-Berlin zeigt, weisen verschiedene Nachteile auf. Obwohl die
Wärmeübergangszahl bei diesen Anlagen unter bestimmten Bedingungen besser sein kann
als bei Anlagen mit vollständiger Verdampfung, ist dennoch der
Kältemittelmengenstrom
und der Dampfgehalt am Anfang des Verdampfers gleichzeitig nicht einstellbar. Je
nach Temperaturunterschied zwischen Verdampfungstemperatur und Temperatur des zu
kühlenden Mediums findet die Verdampfung teilweise im Bereich des Blasensiedens
statt. Schon bei einem Temperaturunterschied von 10°C herrscht im größten Teil des
Verdampfers Blasensieden, so daß die Erhöhung der Wärmeübergangszahl im Vergleich
mit Anlagen mit vollständiger Verdampfung kaum spürbar ist.
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Aufgabe der Erfindung ist es, den Wärmeübergang auf der Kältemittelseite
des Verdampfers wesentlich zu steigern und einen Kältemittelkreislauf zu schaffen,
der die optimale Einstellung des Wärmeüberganges erlaubt.
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Erfindungsgemäß wird dies durch einen Kältemittelkreislauf der eingangs
beschriebenen Art erreicht, bei dem der Dampfgehalt am Verdampferanfang einerseits
und der Dampfgehalt am Verdampferende bzw. die Kältemittelmengenstromdichte andererseits
unabhängig von der Kälteleistung des Kältemittelkreislaufes durch die Mittel- und
Teilkreisläufe derart wählbar sind, daß die Verdampfung im Verdampfer ausschließlich
im konvektiven Bereich stattfindet. Bei Kenntnis dieses Erfindungsgedankens ergeben
sich eine Reihe von Möglichkeiten. Nach einer bevorzugten Ausführungsform sind zwei
Teilkreisläufe zwischen dem Niederdruckraum am Ende des Verdampfers und dem Anfang
des Verdampfers vorgesehen, wobei der eine Teilkreislauf für Dampf und der andere
für Flüssigkeit bestimmt ist. Die Mittel zur Einstellung des Dampfgehaltes am Anfang
und am Ende des Verdampfers bestehen aus einer im Flüssigkeitsteilkreislauf vorgesehenen
Flüssigkeitspumpe und im Dampfteilkreislauf vorgesehenen Dampfpumpe sowie einer
Mischkammer am Anfang des Verdampfers. Durch diese Mittel ist es möglich, den Dampfgehalt
am Anfang des Verdampfers und am Ende des Verdampfers frei zu wählen. Unter dieser
freien Wählbarkeit kann sowohl die Wählbarkeit bei der Auslegung einer Kälteanlage
oder auch die Einstellung einer Kälteanlage bei wechselnden Arbeitsbedingungen verstanden
werden.
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Eine weitere, wirtschaftlich interessante Ausführungsmöglichkeit sieht
zwischen dem Niederdruckraum am Ende des Verdampfers und dem Anfang des Verdampfers
einen Flüssigkeitsteilkreislauf und zwischen dem Kompressor (Druckseite) und dem
Anfang des Verdampfers einen Dampfteilkreislauf vor. Die Mittel zur Einstellung
des Dampfgehaltes am Anfang und am Ende des Verdampfers bestehen aus einem vom Dampf
getriebenen, die Flüssigkeit über den Flüssigkeitsteilkreislauf absaugenden Injektor
am Anfang des Verdampfers, wobei im Dampfteilkreislauf ein Regelventil zur Mengen-
bzw. Dampfgehaltseinstellung und der Injektor in seiner Flüssigkeitsabsaugung regelbar
vorgesehen sind.
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Für den Fachmann sind bei Kenntnis des Erfindungsgedankens weitere
Anwendungsmöglichkeiten gegeben, wobei die Mittel und die Teilkreisläufe entsprechend
ausgebildet und miteinander kombiniert werden.
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Der Erfindungsgedanke, der ganz allgemein die Optimierung des Wärmeüberganges
durch die Angabe eines Kältemittelkreislaufes für Kälteanlagen beinhaltet, ist an
Hand zweier bevorzugter Ausführungsbeispiele erläutert, und zwar zeigt F i g. 1
einen Kältemittelkreislauf mit einem Teilkreislauf für Dampf und einen Teilkreislauf
für Flüssigkeit und einem Injektor und F i g. 2 einen weiteren Kältemittelkreislauf
mit einem Teilkreislauf für Dampf und einem für Flüssigkeit sowie einer Mischkammer
am Anfang des Verdampfers.
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Bei dem in F i g. 1 dargestellten Beispiel wird das dampfförmige Kältemittel
von einem Kompressor 1 aus dem Niederdruckraum 5 angesaugt und auf höheren Druck
verdichtet. Ein Teil des verdichteten Kältemittels wird im Verflüssiger 2 verflüssigt
und gelangt nach der Drosselung im Expansionsventil 3 in den Niederdruckraum 5.
Ein Teil des überhitzten, hochgespannten, dampfförmigen Kältemittels gelangt durch
den Kompressor 1 über den Dampfteilkreislauf 8 und ein Regelventil 9 zum
Injektor 7. Ein weiterer Teilkreislauf 10 für Flüssigkeit verbindet den Niederdruckraum
5 mit dem Injektör 7. Der Injektor 7 kann regelbar ausgebildet sein, wie es dem
Stand der Technik entspricht. Im Injektor 7 wirkt der Dampf als treibende Kraft,
wobei die Flüssigkeit aus dem Niederdruckraum 5 angesaugt wird. Das Gemisch gelangt
nun an den Anfang des Verdampfers 4. Zur Regelung der Dampfmenge bzw. zur Einstellung
des Dampfgehaltes am Anfang und am Ende des Verdampfers 4 wird das Regelventil 9
und/oder ein verstellbarer Injektor 7 benutzt..Zusätzlich kann selbstverständlich
in den Flüssigkeitsteilkreislauf 10 ein weiteres Regelventil eingeschaltet sein.
Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel wird der Kompressor 1 etwas größer ausgelegt,
als es der Kälteleistung der Anlage entspricht.
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Die in F i g. 2 dargestellte Anlage weist ebenfalls einen Kompressor
1 auf, der aus dem Niederdruckraum 5 Kältemittel ansaugt und verdichtet. Bei dieser
Ausführungsform wird das vom Kompressor 1 angesaugte Kältemittel vollständig durch
den Verflüssiger 2 geführt und im Expansionsventil 3 expandiert. Von dort gelangt
das Kältemittel in die Mischkammer 12. Die Mischkammer 12 befindet sich am Anfang
des Verdampfers 4, der in dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel aus mehreren parallelgeschalteten
Verdampfungsflächen besteht. Es ist ein erster Teilkreislauf 13 für Dampf vorgesehen,
der eine Dampfpumpe 11 aufweist. Der Teilkreislauf 13 führt vom Niederdruckraum
5 am Ende des Verdampfers 4 zu der Mischkammer 12 am Anfang des Verdampfers 4. Ein
zweiter Teilkreislauf 10 für Flüssigkeit, der eine Flüssigkeitspumpe 6 aufweist,
verbindet den Niederdruckraum 5 am Ende des Verdampfers 4 mit der Mischkammer am
Anfang des Verdampfers 4. Durch die gezeigten Mittel und Teilkreisläufe ist es möglich,
beispielsweise bei der Auslegung einer Kälteanlage dafür Sorge zu tragen, den Dampfgehalt
am Verdampferanfang einerseits und den Dampfgehalt am Verdampferende bzw. die Kältemittelmengenstromdichte
andererseits unabhängig von der Kälteleistung des Kältemittelkreislaufes einzustellen.
Hierzu dienen die Pumpen 6 und 11. Selbstverständlich können die Pumpen auch so
ausgelegt werden, daß eine betriebsmäßige Anpassung an wechselnde Arbeitsbedingungen
möglich ist.