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Kaskaden-Kältemaschine mit Kapillarrohr-Regelung |
Die Erfindung betrifft eine Kältemaschine in Naskadenschaltung |
mit Regelung des Kältemittelumlaufs durch Kapillarrohree Bei |
bekannten Kaskaden-Kältemaschinen sind mehrere einstufige Kälte- |
kreisläufe, die meist mit verschiedenen Käs temit':.el n betrIeben |
werden, derart hintereinandergeschaltet, daß jeweils der Ver- |
dampfer des bei. höherer Temperatur betriebenen Kreislaufs |
(wärmere Stufe) in Wärmeaustausch mit dem Kondensator des bei |
tieferer Temperatur arbeitenden Kreislaufs (kältere Stufe) |
steht. Der Verdampfer der wärmeren Stufe und der Kondensator |
der kälteren Stufe bilden dabei gemeinsam den Kaskaden-Wä,rmeaus- |
tauschero |
Da in einem einstufigen Kältekreislauf höchutena eine Temperatur- |
differenz von etwa 809 C erzeugt werden kann, ist die
Kaskaden-- |
eehaltung ein bekanntes Mittel.. um tiefe 'fbmperaturen, z.B. |
unter minus 60® C bis zu minr.#s h.30° C, zu erzeugen In den |
verschiedenen Stuten der gw,skadenschaltung wird üblicherrelse |
ewn "jewel. @.s der Temperatur dieser Stufe besonders angepaßtes
Kältemittel, zoB,. aus der Familie der fluorierten Chiorkohlenwasserstoffe, verwendet,
beispielsweise R 12 oder R 22 für die wärmste Stufe, R 13 für die mittlere Stufe
zwischen minus
300 C und minus
909 C und R 14 für die kälteste Stufe
bis zu minus 1409 C. Da diese Kältemittel in den jeweils erforderlichen Temperaturlagen
sowohl thermodynamisch wie chemisch ähnliche Eigenschaften haben, ist es.mögläch,
für den Aufbau einer Kaskaden schaltung gleichartige Kältekompressoren zu verwenden,
wie sie zoBo für den "normalen" Bereich der Kälte bis zu etwa minus
309 C
in großen Stuckzahlen hergestellt werden insbesondere ist es dabei möglich, für
relativ kleine Kälteleistungen von zoB. einigen zehn bis hundert Kilckalori$n die
für Haushaltskühlschränke, Klimageräte oder dergleichen serienmäßig hergestellten,
gekapselten Motorverdichter zu verwenden. Die Regelung des Kältemittelumlaufs und
die Entspannung des vom Kondensator kommenden flüssigen, warmen Kältemittels vor
dem Eintritt in den Verdampfer kann in einem einstufigen Kältekreislauf prinzipiell
durch ein druck- und temperaturabhängiges Entspannungsventil (thermostatisches Expansionsventil,
durch Schwimmerregler oder durch eine fest eingestellte Düse, vorzugsweise durch
ein Kapillarrohr bestimmten Durchmessers und bestimmter Länge, erfolgen. Während
in den einfachen einstufigen Kältekreisläufen mit gekapselten Motorverdichtern,
also z.Bo in Haushaltsküyilechränken und Klimageräten, vorzugsweise und überwiegend
das
Kapiliarrohr verwendet wird, ist diese Art der Regelung bisher bei Kaskadenschaltungen
noch nicht verwendete worden, weil bisher das Vorurteil bestand, daß diese Regelmethode
hierfür Laicht geeignet sei.
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Tatsächlich funktioniert auch eine nach den allgemein bekannten Regeln
der Technik aufgebaute Kapillarrohr=Regelung bei Kaskaden= schaltengen nur in der
wärmsten Stufe, während sie bei allen Stufen tieferer Temperatur regelmäßig versagt,
da, wie unten im einzelnen erläutert wird, sich in den Kapillarrohren der kälteren
Stufen Kältemitteldamßf bildet,, der den regulären purchfluß von flüssigem Kältemittel
durch das Kapillarrohr behindert. oder gat@.z unterbindet.
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Es ist daher bisher allgemein üblich, KaskadenmKältekreislätite mit
thermostatischen Expansionsventilen auszurüsten, was neben den relativ hchen Kosten
für diese auf die besonderen Betriebsverhältnisse eingestellten Ventile auch technische
Schwierigkeiten . mit sich bringt, die verursacht werden durch den Verschleiß dieser
Ventile und die bei tiefen Temperaturen nur erforderlichen kleinen Verstellbewegungen,
die nur geringe Stellkräte benötigen, .Damit ergeben sich große Regelschwankungeno-
Schließlich ergeben sich technische Schwierigkeiten durch die Möglichkeit von Undichtheiten
und von Deformationen der empfindlichen Regelglieder bei hohen Drücken, die besonders
bei 'Jetwendung der Hoehdruckkältemittel R 13 und R 1 4 Aeif: auftreten können,.
Der
Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die Verwendung von Kapillarrohren als
Drossel= und Regelorgane auch in den kälteren Stufen einer Kaskadenschaltung zu
ermöglichen und damit eine sehr betriebssichere und billige sowie störungsfreie
Regelmöglichkeit auch für die Kältemittel-Kreisläufe der kälteren Stu-
fen
zu schaffen Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß zum Vorkühlen des flüssigen
Kältemittels in den Kapillarrohren der jeweils kälteren Stufen eine Einrichtung
zum Wärmeaustausch zwischen diesem Kältemittel und dem verdampfenden Kältemittel
der jeweils wärmeren Stufen vorgesehen ist. Da das verdampfende Kältemittel der
wärmeren Stufe kälter ist als das flüssige Kältemittel der kälteren Stufe, wird
durch diesen Wärmeaustausch das flüssige Kältemittel im Kapillarrohr der kälteren
Stufe vor der Entspannung auf eine Temperatur unter der Kondensationstemperatur
dertälteren Stufe vorgekühlt, wodurch sich in diesem flüssigen Kältemittel kein
Dampf bilden kann und ein einwandfreier Betrieb der kälterer.
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Stufe ermöglicht wirdo Die Erfindung kann für
zwei- und mehrstufige
Kaskadenschaltungen verwendet werden.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachstehend
anhand der
Zeichnungen beshriebeno Figo 1 zeigt zunächst eine
zweistufige Kaskadenschaltung mit
KapillarrohrrRegelungD'die gemäß
den bekannten Regeln
der Technik ausgeMIdet ist"
Fig
2 zeigt eine erfind;ingsgemä9 ausgebildete zweistufige Kaskade mit Kapillarrohr=Regelung:
Fig-: 3 und 4 veranschaulichen die Anwendung der Erfindung bei einem Tauchkühlgerät
mit zweistufigem Kältemittelkreis=, lauf, wobei das eigentliche Kühlelement in der
Mitte auseinandergebrochen und teilweise Im Längsschnitt, teilweise in Ansieht dargestellt
ist.
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Die in Fig.. 1 dargestellte bekannte zweistufige KaskadenkälteG maschine
weist in der wärmeren Stufe einen Kompressor 1, einen Kondensator 3 und ein Kapillarrohr
5 auf, das von dem Kondensator 3 zu dem im Kaskadenwärmeaustauscher 7 enthaltenen
Verdampferteil 7G der wärmeren Stufe führt., Von diesem Verdampferteil 79 führt
eine Saugleitung 9 zum Kompressor 1 zurück Die kältere Stufe weist einen Kompressor
11 auf, dessen Druckur seite mit dem Kondensatorteil V' des Kaskadenwärmeaustauschers
7 verbunden ist. Von dort führt eine Ablaufstrecke 13 zu einem Kapillarrohr 15,
das seinerseits zu dem Verdampfer 17 der kälteren Stufe führte Über eine Saugleitung
19 ist der Verdampfer 17 mit dem Kompressor il verbunden Im Betrieb saugt nun in
der wärmeren Stufe der Kompressor 1 aus dem Verdampferteil 7' des Kaskadenwärmeaustausehers
7 Kälte-» mitteldämpfe über die SaugleAtung 9 an und drückt diese in den
Kondensator 3, wo aie verfl;iseigt werden. Die Flüssigkeit strömt
durch
das Kapillarrohr 5 unter Entspannung in den Verdampferteil 7@
zurück,, wobei sie im Wärmeaustausch mit den kalten, aus dem
Verdampferteil
7° vom Kompressor 1 ange.sugten Dämpfen steht,
da das Kapillrrohr
5 die Saugleitung 9 schraubenlinienförmig umgibt. In der kälteren Stufe
liegen entsprechende Verhältnisse vor.
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Der Kompressor 11 saugt aus dem Verdampfer
5 über die Saugleitung 19 Kältemitteldämpfe an und drückt
diese in den Kondensatorteil 7" des Kaskadenwärmesustauschers
7, wo sie verflüssigt werden.
Die Flüssigkeit strömt dann durch die Ablaufstrecke
13 und das
Kapillarrohr 15 in den Verdampfer 17 zurück, wobei auch
in dien
sein Kreislauf das flüssige Kältemittel im Wärmeaustausch
mit
den kalten, aus dem Verdampfer 17 angesaugten Dämpfen
steht,
da auch hier das Kapillarrohr 15 die Saugleitung
19 schraubenlinienförmig umgibt.
Beim Einschalten der Kältemaschine
seien zunächst alle ihre Teile
auf Umgebungstemperatur. In der
wärmeren Stufe erhöhen sich durch
die Kompression alsbald der Druck und
die Temperatur im Kondensator 3, und die Kgltemittelflüssigkeit
strömt unter Wärmeabgabe nach aussen vom Kondensator 3 zum Kapillarrohr
5. Wegen des
hohen Kondensationsdrucks ist die Flüssigkeit unterkühlt
und daher dampfblasenfrei.
In der kälteren Stufe liegen die-Verhältnisse
anders. Hier wird der Kondensatorteil*7" durch den Wärmeaustausch mit dem Verdampferteil
7t' der Wärmeren Stufe schnell auf Temperaturen weit unter der Umgebungstemperatur
alpgekühlt. Erst dann können sich im Kondensatorteil 7" die ersten Kondensattropfen
bilden.. Die Tem=. peratur in diesem Kondensatorteil liegt dabei niedriger als,
die Temperatur der Ablaufstrecke 13 und des Kapillarrohrs 15, da diese Teile, weil
sie ungekühlt sind, sich-noch immer auf Raumtemperatur befinden. Das in die Ablaufstrecke
13 Land das Kapiliarx ohr 15 einlaufende Kondensat nimmt also W#irrne auf und verdampft,
Der Dampf wird vom Kompressor 11 durch den Verdampfer 17 und das Kapillarrohr 15
hindurch abgesaugt Wegen des hohe.. Strömungswiderstandes des Kapillarrohrs erfolgt
dies nur In kleinsten Mengen. Selbst bei guter Isolierung dieser für die Funktion
des Kreislaufs kritischen Stelle sind aber die Wärmekapazität der Leitungen und
der Wärmeeinfall so groß, daß sich noch vor oder in dem Kapillarrohr ein Gleichgewichtszustand
von einströmender Wärme und alpgesaugtem Dampf einstellt"* der den regulären. gewünschten
Duruhfluß von flüssigem Kältemittel durch das Kapillarrohr 15 auf die Dauer unterbindet.
Dieser hemmende Vorgang wird nun erfindungsgemäß durch die in Fig. 2 veranschaulichte
Anordnung verhindert. Hierbei wird das sich entspannende und in den Verdampferteil
7' des Kaskadenwärmeaustausebprs 7 eintretende Kältemittel der wärmeren Stufe
durch einen zusätzlichen Wärmeaustauscher.21 geleitet, der gemäß-dem in Fig. 2 gezeigten
AusfUhrungsbeispiel un-
mittelbar vor dem Kaskadenwärmeaustauscher
7, doh. am Ende des Kondensatorteils 7" und am Anfang des Verdampferteils
7° hinter der
Entspannungsstelle der wärmeren Stufe, angeordnet
ist. In
diesem Wärmeaustauscher 21 befindet sich andererseits
das Kapil= larrohr 13 der kälteren Stufe, durch das das
aus dem Kondensator-
teil 7" austretende flüssige Kältemittel
dieser Stufe fließt:
Da das verdampfende Kältemittel der wärmeren
Stufe kälter ist
als das flüssige Kältemittel der kälteren Stufe, wird hierbei
das
flüssige Kältemittel im Kapillarrohr 15 durch das verdampfende
Kältemittel der wärmeren Stufe auf eine Temperatur unter
der
Kondensationstemperatur der kälteren Stufe vorgekühlt, bevor
es
zum Verdampfen kommt.
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Da, die wärmere Stufe, wie oben im Zusammenhang mit
Fig. 1 be-
schrieben, ohne Schwierigkeiten anläuft, erfolgt hierbei
diese VorkUhlung des flüssigen Kältemittels der kälteren Stufe sofort
und gleichzeitig mit oder sogar vor der Abktihlung des Kondensatorteils
7",also gleich- oder vorlaufend zu der Kondensationstemperatur
der
kälteren Stufe. Dadurch wird die KältemIttelflUssigkeit
der . kälteren Stufe in dem durch die Erfindung zusätzlich vorgesehenen
Wä.rmeaustauscher
21 unterkühlt, so deß eich hier kein Kältemittel-
dampf in
der kälteren Stufe bilden kann und auch die kältere
Stufe
.sofort anläuft und einwandfrei arbeitet.
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Der Wärmeaustausch zwischen dem flüssigen Kältemittel im Kapillarrohr
15 der kälteren Stufe und dem Kältemitteldampf in der Saugleitung 19 dieser Stufe,
wie er bei der bekannten Anordnung in Fig. 1 vorgesehen ist, kann auch bei der Erfindung
zusätzlich vorgenommen werden, obwohl dies in Figo 2 nicht dargestellt ist. Auch
hierdurch wird also das flüssige Kältemittel der kälteren Stufe vorgekUhlt, so daß
damit unter Umständen die Aufrechterhaltung des Betriebs einer eirural laufenden
Kiskadenschaltung möglich ist. Es kann aber hiermit nicht ein einwandfreies Starten
der kälteren Stufe erreicht werden, wie es bei der Erfindung der Fall ist, da hier
das flüssige Kältemittel bereits vorgekühlt werdan kann, bevor die kältere
Stufe an sich abgekühlt wird.
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Es ist auch denkbar und in manchen Fällen sogar erwünscht" den Kältemittelkreislauf
der kälteren Stufe erst dann in Betrieb zu nehmen, wenn der Kreislauf der wärmeren
Stufe schon vollständig abgekühlt ist. Es gibt sogar Schaltungen, %eispielreize
überuhren, Druckwächter oder Sequenzschalter, die dafür sorgen, daß der käl-tere
Kreislauf erst dann eingeschaltet wird, wenn der wärmere Kreislauf,
insbesondere an seinem Verdampfer, auf die erforder-
liche Kondensationstemperatur
der kälteren Stufe abgekühlt ist.
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tim
ein solches
verzögertes Starten
der kälteren
Stufe selbsttätig
Zu erreichen, kann
in Weiterbildung
der Erfindung
der Wärmeaustauscher
21 auch derart angeordnet
sein, dafl
er im Kältemittel-
kreialauf der kälteren stufe hinter deren Kondensator 7", im
Kä1'rz', |
mittelkreislauf der wärmeren Stufe aber nicht am Anfang oder
vor |
sondern am Ende oder hinter deren Verdampfer 7° liegt. Der
Ver- |
dampfer ?° der wermeren Stufe wird nämlich. an seinem Ende
erst |
dann die endgültige Temperatur erreichen, wenn er in seinen
Ubri- |
gen Bereichen vollständig abgekühlt ist, Bis dahin kann das |
Kapillarrohr 15 der kälteren Stufe noch nicht vorgekühlt.
werden-. |
und demzufolge startet der kältere Kreislauf noch nicht., ztwehl |
der Kompressor 11 schon laufen kann. Erst wenn die wärmere
S'rufe |
auf die gewünschte Temperatur abgekühlt ist, wird durch
das Kühlen |
des Kapillarrohrs 15 in diesem eine Dwnpfbildung verhindert
oder |
beseitigt und der Startvorgang für die kältere Stufe eingare
@;e ;@ |
Die Fig, 3 und 4 veranschaulichen ein Beispiel zur praktischen |
Ausführung der Erfindung in einem TauchkUhigerat für Flüssigkeiten. |
Es sind jedoch auch andere Anwendungen., zoBo bei TiefstkUhi-@ruher, |
möglich, Derartige Kühlgerte besitzen ein bewegliches XWÄ.el$- |
ment, das aus dem in, Päg, 3 gezeigten Grifftell und dem in
zig. |
gezeigten, an diesen driffteil angeschlossenen Hohrsehlar4genver- |
dampfer 31 besteht, der die eigentliche Kühlung der zu kühlende:
` |
Flüs.sigkelton bewirkt" Der Rohrschlangenverdampfer 31 ist
über |
zwei Anschlußrohre 339 35 mit dem |
verbunden. |
Der in fig, 3 dargestellte Griffteil besteht aus dem eigentlichen
Handgriff 39 und den sieh an diesen anschließenden Anschlußhülsen 37a und 37b. Der
Handgriff 39 ist durch Deckel 41 und 43 abge-
-%losseno in seinem Inneren- ist ein Gehäuse 45 fur den Kaskaden.- |
.-- :,=-@@zsta@ascher |
das seinerseits Böden 47 und 49 auf- |
Aien dera Handgriff 39 und dem Gehäuse 45
ist eine das |
wsf |
Gehäuse 45 allseitig umgebende Schicht 51 aus |
Material angeordnet* |
Die zwei rohrförmigen Ansahlußhülsen 37a und :57b, sind in
dem |
eckel 4.4 des Handgriffs 39 befestigte In die Anschlußhülse
37a -- |
D r #I |
mUndet ein zu einem Kompressor in der |
nicht dargestc#I1 ten Aasohineneirheit des 1°auchk'@algeräte
fUhren- |
der blegearer Schlauch 53p, der mit einer Verlängerung 53a
durch |
die Anschlußhülse 37a hindurch bis in das Innere des Ce#,uses
45 |
reicht. lm inneren des biegsamen Schlauchs 53 ist eia von dem
Kon= |
densator der Maschineneinheit kommendes Kapillarrohar 55 angeord- |
net, das sich durch die Verlängerung 53a hindurch erstreckt
und |
$m gegenüberliegenden Ende des Gehäuses 45 in dieses mUndetfl |
Die Ansehlußhülse 37b Ist Über einen biegsamen |
Sehlatsch 57 mit einem zweiten Kompressor in der nicht
dargestell- |
ten Maschineneinhei t verbunden., Eine Verlängerung 57a des
bieg- |
samen. Schlauchs 57 ragt durch die Anschlußhulee 37b und das
Ge- |
häuse 45 hindurch bis zum jenseitigen Ende des Handgriffs |
und ist dort mit dem Ansehlußrohr 35 des rohrschlangenförrctigE:i |
_'C@@.ti. te_ verbunden, 2.ii@ne1't'nalb des hießwe.n
Schlauchs 5#f |
. ist ein Rohr 59 mit engem Querschnitts das nicht ein Kapillarrohr
sein mußg angeordnet, das von dem zweiten Kpmpressor der Maschi= neneinheit kommt
und im Inneren des Gehäuses 45 aus der Verlängerung 57a des Schlauches 57 austritt.
Dort ist es an eine Rohrschlange 61 angeschlossen, die innerhalb des Gehäuses 45
angeordnet ist und das Kapillarrohr 55 und die Verlängerung 57a ,sahraubenlinienartig
umgibt. Die Rohrschlange 61 mündet in ein zweites Kapillarrohr 63s das von dem der
Verdampferrohrschlange 31 benachbarten Ende des Gehäuses 45 her die Verlängerung
57a
in Richtung
auf das
den Hülsen 37a, 37b
benachbarte
Ende
des Gehäuses 45 schraubenlinienartig umgibt, dort umgebogen ist und
in entgegengesetzter Richtung wiederum sehraubenlinienartig.zu
dem
.dem
Verdampfer
31 benachbarten Ende
des Gehäuses 45 zurück. führt.
Dort ist das Kapillarrohr
63 durch ein Anschlußstüok
65
"@hindurcha
das durch den Boden 49 des Gehäuses #5 und den Deckel 43 des Handgriffs 39 hindurchragt,
in das Ansehlußrohr 33 des Rohrschlangenverdampfers 31. eingeführt.
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Innerhalb des Rohrschlangenverdampfers 31 ist zwischen dessen
von
dem Griffteil am weitesten entferntem Ende und dem AnschluB-rohr 35 ein Sammlerkesse.
67 angeordnet.
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Die Wirkungsweise dieses Geräte ist Wie folgte
Von dem nicht dargestellten Kondensator der Maschineneinheit gelangt durch
das Kapillarrohr 55 warmes flüssiges Kältemittel in das Innere
des Gehäuses 45. Dort verdampft das Kältemittel infolge Entspanncng.
Die Oberflächen sämtlicher, in dem Gehäuse 45 Angeordneter
Teile
bilden also Verdampferfläehen t"Ur dieses Xaltemittel. Das dampfförmige
Kältemittel gelangt durch den bieg-
samen Schlauch 53 wieder zu dem ersten
Kompressor in der Maschi-.-neneinheit zurUek. Damit ist-der Kältemittelkreislauf
der wärme-
ren Stufe der Kaskadenschaltung geschlossen.
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Das Kältemittel der kälteren Stufe der Kaskadenschaltung
kommt
von dem dieser Stufe zugeordneten zweiten Kompressor
der Maschi-
neneinheit durch das enge Rohr 59 in die Rohrschlange 63.,
die
als Kondensator wirkt, da hier-dem verhältnismässig warmen
gasförmigen Kältemittel der kälteren Stufe wegen des Wärmeaustauschs
mit dem im Gehäuse 45 verdampfenden Kältemittel der wärmeren
Stufe Wärme entzogen wird" Dadurch kondensiert das Kältemittel
der
zweiten Stufe in der Rohrschlange 61. Diese bildet also mit
Ihren innenliegenden
Flächen den Kondensatorteil des Kaskaden= Wärmeauntauschera,
während die aussenliegenden Flächen der Rohrur sehlange 61 dessen
Verdampferteil bilden.
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Aus der Rohrschlange 61 gelangt das flUseige Kältemittel
der
kälteren Stufe nun in das Kapillarrohr 63. Da dieses
von aussen
ebenfalls durch das im Gehäuse 45 verdampfende Kältemittel
der
wärmeren Stufe gektlhlt wird, findet in dem Kapillarrohr
63 eine
YorkUhlung den flttssigen Kältemittels der kälteren Stufe
statt, . so dad sich in diesem keine Damptblanen bilden
können. Dieses
KUltemittel wird daher einwandtrei von dem Kompressor
der kälte-
ren Stute durch da$ Ansahlußrohr 33 hindurch in den
Hohrschlan-
genverdampfer 31e und von dort durch den Sammlerkessel
67 und das Anschlußrohr 35 hindurch zum Kompressor zurückgesaugt.
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Dabei verdampft das Kältemittel der kälteren Stufe in gewünschter
Weise erst im Rohrschlangenverdampfer 31 und nicht bereits im Kapillarrohr 63, so:daß
ein einwandfreier Betrieb auch der kälteren Stufe sichergestellt ist.
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Durch den Sammlerkessel 67 wird verhindert, daß flüssiges Kältemittel
vom Verdwupfer 31 in den Verdichter gelangt.
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Die Verlängerung 57'a des biegsamen Schlauchs 5? bildet mit dem sie
sehraubenlinienartig umgebenden Kapillarrohr 63 einen FlUssigkeits-Dampf-Wärmesustauscher
für den Kältemittelkreislauf der kälteren Stufe, durch den das flUseige Kältemittel
zusätzlich vorgekühlt wird und wobei gleichzeitig letzte eventuell in dem verdampften.
Kältemittel der kälteren Stufe enthaltene FlUssigkeitstrUptchen. verdampft werden,
so d.aß nur dampfförmiges Kältemittel zudem Kompressor der kälteren Stufe gelangen
kann.
Dieses dampfförmige Kältemittel wird
beim Durchgang durch die
Verlängerung 57a ing®wärmt, z.8. von minus 10Q9 C auf minus
40o C, und gelangt dann in den Schlauch 57.'8ohon in der Verlängo-. |
rung 57a, aber auch im Schlauch 57 steht das Kältemittel
im WA, |
austausch mit dem z;udtrömenden, verhältniemäaeig
warmen, unter |
Druck vom -Kompreev,or komenden Kältemittel, so daß such
hier |
ein Wärmesustaueoh stattfindet, durch den verhindert
wird; daß |
der Schlauch 57 aussen beschlägt oder vereist. - . |