DE1751717B2 - Kühlanlage, deren Verdampfer über ein regulierbares Expansionsventil gespeist wird - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft Kühlanlagen, deren Verdampfer über ein regulierbares Expansionsventil gespeist wird.

Bei derartigen Anlagen soll verhindert werden, daß flüssiges Kältemittel in den Verdichter gelangt Zur Lösung dieser Aufgabe sind bereits zahlreiche Verfahren bekannt Am häufigsten wird die dem Verdampfer zugeführte Kältemittelmenge derart gesteuert, daß sämtliches flüssiges Kältemittel innerhalb des Verdampfers verdampft wird und diesen als trockener bzw. überhitzter Dampf verläßt Für diese Steuerung werden gewöhnlich thermostatische Ventile verwendet welche auf Änderungen des Oberhitzungszustandes ansprechen. Gemäß der DT-AS 1 055 018 bzw. der US-PS 205 675 sind auch bereits Ventile bekannt die auf den Feuchtigkeitsgehalt in dem vom Verdampfer abgegebenen gasförmigen Kältemittel entsprechen. Aus der US-PS 2 534 455 sind andere Ventile bekannt welche durch Motore betätigt werden, die durch innerhalb des Verdampfers angeordnete Thermistoren gesteuert werden.

Aus der US-PS 3 264 840 ist eine Kühlanlage bekannt, bei welcher dem Verdampfer fortwährend absichtlich mehr flüssiges Kältemittel zugeführt wird als dieser in der Lage ist zu verdampfen, so daß das Kältemittel aus dem Verdampfer als ein Gemisch von gasförmigem und flüssigem Kältemittel abgegeben wird, welches einem Sammler zugeleitet wird, in welchem der flüssige Anteil dieses Gemisches mit dem flüssigen Kältemittel in der Hochdruckleitung der Kühlanlage in Wärmeaustausch gebracht wird und somit zur Unterkühlung des flüssigen Kältemittels in der Hochdruckleitung verwendet wird, bevor letzteres in den Verdampfer eingeleitet wird Auf diese Weise erhält man eine größere Wärmeabsorptionsleistung des flüssigen Kältemittels in der Hochdruckleitung und die Kühlanlage kann bei niedrigeren Umgebungstemperaturen arbeiten. Die Ventile, welche bislang für die Steuerung der absichtlichen Oberspeisung des Verdampfers und zur

ίο Gewährleistung einer konstanten Unterkühlung des flüssigen Kältemittels in der Hochdruckleitung verwendet werden, sind sogenannte unterkühlende Steuerventile, welche in Abhängigkeit von der Temperatur und dem Druck des Kältemittels in der Hochdruckleitung

äS bzw. in Abhängigkeit von Änderungen der Höhe des Flüssigkeitsspiegels innerhalb des Sammlers arbeiten und welche sich bei Kühlanlagen, die einen Sammler mit ausreichendem Fassungsvermögen aufweisen, als zuverlässig erwiesen haben. In manchen Anwendungs-

fällen sind jedoch der Größe der zu installierenden Kühlanlage Grenzen gesetzt und es wäre in diesen Fällen am besten, wenn die betreffende Kühlanlage nur einen sehr kleinen bzw. überhaupt keinen Sammler aufweisen würde.

Wenn jedoch kein Sammler vorhanden ist dessen Fassungsvermögen einer vorübergehenden Vergrößerung des flüssigen Anteiles in den: von dem Verdampfer abgegebenen Kältemittel angepaßt ist welche z. B. dus cn kurze Verzögerungen beim Ansprechen der un-

terkühlenden Steuerventile auf geringere Belastungen der Kühlanlage hervorgerufen werden kann, besteht die Schwierigkeit wie zwei einander widersprechende Forderungen miteinander in Einklang zu bringen sind, nämlich die Forderung nach dem Aufrechterhalten

einer ausreichenden Menge von flüssigem Kältemittel auf der Niederdruck- bzw. Saugseite der Kühlanlage zwecks Unterkühlen des flüssigen Kältemittels in der Hochdruckleitung, und die Forderung, daß nur trocke nes Gas in den Verdichter zurückgeleitet werden darf.

Durch die Erfindung soll die Aufgabe gelöst werden, eine Kühlanlage derart auszulegen, daß diese keinen oder nur einen sehr kleinen Sammler benötigt und trotzdem eine für ein Unterkühlen des flüssigen Kältemittels in der Hochdruckleitung ausreichende Menge von flüssigem Kältemittel in der Niederdruckleitung enthält und bei welcher dem Verdichter trotzdem nur trockener Kältemitteldampf ?ugeführt wird

Im Sinne der Lösung dieser Aufgabe beinhaltet die Erfindung eine Kühlanlage mit einem in die Hochdruckleitung zwischen Kondensator und Verdampfer geschalteten Expansionsventil, über welches der Verdampfer derart mit flüssigem Kältemittel überspeist wird daß von dem Verdampfer stets ein Gemisch aus gasförmigem und flüssigem Kältemittel in die Nieder-

druckleitung abgegeben wird, welch letztere einen mit der Hochdruckleitung derart in Wärmeaustausch stehenden Bereich aufweist daß das flüssige Kältemittel in der Hochdruckleitung durch Wärmeabgabe an das Gemisch aus gasförmigem und flüssigem Kältemittel unterkühlt wird. Eine derartige Kühlanlage ist gemäß der Erfindung dadurch gekennzeichnet daß das Expansionsventil ein auf Temperaturänderungen ansprechendes Ventil ist welches ein elektrisches Heizelement aufweist das mit einem an einer Meßstelle stromabwärts von dem Wärmeaustauschbereich innerhalb der Niederdruckleitung angeordneten Thermistor verbunden ist und daß die Niederdruckleitung stromabwärts von der Meßstelle mindestens einen weiteren Bereich

reist welcher derart mit der Hochdruckleitung afalis in Wärmeaustausch steht daß der flüssige An-

I des Gemisches aus gasförmigem und flüssigem Käl-

nittel in der Niederdruckleitung durch die Wärme

i flüssigen Kältemittels in der Hochdruckleitung ver- s

npft wird.

Bei der erfindungsgemäßen Kühlanlage kann der jnpfer derart überspeist werden, daß er ein zur Unterkühlung verwendbares Gemisch aus gasförmi- ^f η und flüssigem Kältemittel abgibt weil in dem wei-

_en Wänneaustauschabschnitt an der Saugseite des " fcters das in dem Kältemittelgemisch vorhandene tie flüssige Kältemittel vollständig verdampft so daß nur trockener Kältemitteldampf in den ichter gelangt Die Kühlanlage nach der Erfindung

; dadurch raumsparender und billiger herstellbar, da 1 Sammler ganz entfallen kann bzw. nur ein geringes

ssungsverr^gen aufzuweisen braucht

Zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den

luingen dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigt

F i g. 1 ein Schaltschema einer Kühlanlage gemäß der Erfindung,

F i g. 2 in vergrößerter Darstellung ein Expansionsventil im Mittel-Längsschnitt

F i g 3 in vergrößerter Darstellung einen Längsschnitt durch einen Abschnitt einer Sauggasleitung mit einem darin angeordneten Thermistor,

F i g. 4 ein Schaltschema der elektrischen Verbindung zwischen dem Thermistor und einem Heizungselement des Expansionsventils und

F i g. 5 das Schaltschema einer abgewandelten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Kühlanlage.

Gemäß der Darstellung in F i g. 1 der Zeichnungen ist der Verdichter C durch eine das verdichtete Gas abnehmende Leitung 10 mit einem Umschaltventil RV verbunden, das seinerseits über Leitungen 11 bzw. 13 mit nach außen bzw. nach innen wirkenden Wärmetauschern bzw. Rohrschlangen 12 bzw. 14 und das ferner über eine eine Meßstelle 17 aufweisende Sauggasleitung 16 mit der Saugseite des Verdichters C verbunden ist Die nach außen wirkende Rohrschlange 12 ist über eine Leitung 19 mit einem Mehrventilgehäuse 20 verbunden, das seinerseits über eine Leitung 22, mit dem Einlaß eines Expansionsventils EV und über eine Leitung 24 mit dem Auslaß dieses Expansionsventils EV, welches einer im US-Patent 3 299 661 beschriebenen Bauart angehören kann, mit der nach innen wirkenden Rohrschlange 14 verbunden ist

Die Leitung 22, die Kältemittel in flüssiger Phase so führt weist einen Abschnitt 26 auf, der im Wärmeaustausch mit einem hinter der Meßstelle 17, d. h. zwischen diesem Anschluß und der Saugseite des Verdichters gelegenen Abschnitt der Sauggasleitung 16 steht, wobei die Leitung 22 einen weiteren Abschnitt 27 aufweist SS der Wärme mit einem vor der Meßstelle 17, d. h. zwischen diesem und den als Verdampfer arbeitenden Wärmetauschern 12 bzw. 14 gelegenen Abschnitt der Sauggasleitung 16 austauscht

Gemäß der Darstellung in F i g. 2 weist das Expansionsventil EV eine Membfankammer 28 auf, durch welche sich ein bimetallisches Ventilbetätigungsglied in Form einer Membran 29 hindurch erstreckt. Ein Heizwiderstand 30, der mit einer geeigneten Isolierung wie z. B. Polytetrafluoräthylen, überzogen ist tauscht Warme mit der Membran 29 aus. Die Enden des Widerstandes 30 sind mit Anschlußleitungen 31 verbunden, die durch einen Isolierring 32 hindurch führen, der in die Wand der Kammer 28 eingefügt ist Die Membran 29 ist in ihrer Mitte mit einem Ende einer Ventilbetätigungsspindel 33 verbunden, an deren anderem Ende ein Ventilelement 34 angeordnet ist Eine Trennwand 35, die das Innere des Ventilkörpers in eine Einlaßkammer und in eine Auslaßkammer teilt bildet in passender Weise einen Ventilsitz 37 dessen Durchgangsöffnung durch das Ventilelement 34 geöffnet bzw. geschlossen wird.

F i g. 3 der Zeichnungen zeigt einen NTC-Thermistor 38, der auf einer isolierenden Halterung 39 befestigt ist die sich ihrerseits innerhalb der Meßstelle 17 abstützt Die Enden des Thermistors 38 sind mit Anschlüssen 40 verbunden, die durch eine Isolierbuchse 41 in der Wand der Meßstelle 17 hindurchführen.

Wie Fig.4 zeigt sind der Thermistor 38 und der Heizwiderstand 30 in Serie an eine elektrische Stromquelle 42 angeschaltet

Die in F ι g. 1 an den einzelnen Leitungen angegebenen, ausgezogenen Pfeile zeigen jeweils die Richtung der Kältemittelströmung während der Kühlphase an, während welcher das Umschaltventil R V vom Verdichter C abgegebenes Gas über die Leitung 11 in die nach außen wirkende Rohrschlange 12 leitet welche infolgedessen als Kondensator arbeitet Aus dieser Rohrschlange strömt Kältemittel durch die Leitung 19, das Vielfachventil 20, die Leitung 22, das Expansionsventil EV, die Leitung 24, dza Viwfachventil 20 und durch die Leitung 23 in die nach innen wirkende Rohrschlange 14, die als Verdampfer arbeitet Aus der nach innen wirkenden Rohrschlange 14 wird das Kältemittel durch die Leitung 13, das Umschaltventil Λ V und die Sauggasleitung 16 zum Verdichter C zurückgeführt

Sobald das flüssige Kältemittel durch die Abschnitte 26 und 27 der Leitung 22 fließt wird es in starkem Maße durch Wärmeaustausch mit dem durch die in Wärmeberührung mit den Abschnitten 26 und 27 der Leitung 22 stehenden Abschnitte der Leitung 16 strömenden Sauggas unterkühlt Als Folge dieser Unterkühlung wird die Wärmeabsorptionsfähigkeit des in die nach innen wirkende Rohrschlange 14 geförderten flüssigen Kältemittels derart erhöht daß in dem Maße, in welchem flüssiges Kältemittel in die Rohrschlange 14 gespeist wird, die gesamte Kältemittelmenge in dieser Rohrschlange nicht verdampft und daß infolgedessen das aus der nach innen wirkenden Rohrschlange herausströmende Kältemittel ein Gemisch von Gas und Flüssigkeit (ζ. B. von 92% Gas und von 8% Flüssigkeit) darstellt Sobald dieses Gemisch aus gasförmigem und flüssigem Kältemittel durch den vor der Meßstelle 17 mit dem Abschnitt 27 der Hochdruck-Flüssigkeitsleitung 22 Wärme austauschenden Abschnitt der Leitung 16 strömt wird ein großer Teil der im genannten Gemisch befindlichen Flüssigkeit durch Wärmeaustausch mit dem im Leistungsabschnitt 22 strömenden Kältemittel verdampft wobei nur ein relativ kleiner Flüssigkeitsanteil im Gemisch zurückbleibt wenn dieses die Meßstelle 17 erreicht und mit dem darin angeordneten Thermistor 38 in Berührung kommt Dennoch genügt dieser kleine Flüssigkeitsanteil, um das Arbeiten des Expansionsventils EV zu steuern und damit auch das Maß, in dem unterkühltes flüssiges Kältemittel in den Verdampfer gespeist wird, zu steuern. Genauer genommen kühlt die Flüssigkeit im Gasflüssigkeitsgemisch des durch die Meßstelle 17 strömenden Kältemittels den Thermistor 38 in einem Maße, daß sich unmittelbar in Abhängigkeit von diesem Flüssigkeitsanteil des von der nach innen wirkenden Rohrschlange 14 abgegebe-

nen Gasflüssigkeitsgemisches ändert Da der Thermistor 38 ein NTC-Typ ist, Verändert sich sein Widerstand im umgekehrten Verhältnis zur Temperatur, d. h., er verändert sich direkt mit dem im genannten Gasflüssigkeitsgemisch befindlichen Flüssigkeitsanteil. Daher S wird in dem Maße; wie der Flüssigkeitsanteil im Gemisch ansteigt, jeweils weniger Strom aus der Stromquelle 42 (F ig.5) durch den Thermistor 38 und den damit in Serie geschalteten Heizwiderstand 30 fließen. Dabei wird die von dem H&uwiderstand 30 zur birnetallischen Membran 29 geleitete Wärmemenge verringert und die Membran so ausgebogen, daß das Ventilelement 34 in seine Schließstellung bewegt wird, so daß es die zur nach innen wirkende Rohrschlange 14 geführte Kühlmittelmenge verringert Umgekehrt wird eine Abnahme des Flüssigkeitsgehaltes des von der nach innen wirkenden Rohrschlange 14 abgegebenen Kältemittels ein Sinken des Widerstandes des Thermistors 38 und folglich einen größeren durch den Thermistor und den Heizwiderstand 30 fließenden Strom bewirken. Auf diese Weise wird die Temperatur der bimetallischen Membran 29 erhöht und letztere wird sich so biegen, daß das Ventilelement 34 in seine Offenstellung bewegt wird mit dem Ziel, mehr Kältemittel in die Rohrschlange 14 zu speisea

Sowie das Kältemittel durch den hinter der Meßstelle 17 mit dem Leistungsabschnitt 26 im Wärmeaustausch stehenden Abschnitt der Sauggasleitung 16 strömt wird die restliche Flüssigkeit durch Wärmeaustausch mit dem durch den Leitungsabschnitt 26 strömenden hochkomprimierten flüssigen Kältemittel verdampft Folglich wird das gesamte Kältemittel, wie angestrebt, in gasförmigem Zustand zum Verdichter zurückgeführt so daß das Arbeiten des Verdichters nicht beeinträchtigt wird.

Arbeitet die Anlage heizend, so strömt Kältemittel wie durch die gestrichelten Pfeile angedeutet ist vom Verdichter C durch das Umschaltventil RV, die nach innen wirkende Rohrschlange 14, das Vielfachventil 20, die Leitung 22, das Expansionsventil EV. zurück zum Vielfachventil 20 und von da durch die Leitung 19, die nach außen wirkende Rohrschlange 12, das Umschaltventil RV und die Sauggasleitung 16 sowie die Meßstelle i 7 zurück zur Saugseite des Verdichters C

Das Expansionsventil EV arbeitet gesteuert vom Thermistor 38, in derselben Art wie sie vorher im Zusammenhang mit der kühlenden Arbeitsweise der Anlage beschrieben wurde.

Gemäß der Darstellung in F ig.5 der Zeichnungen ähnelt eine abgewandelte Anlage m Aufbau und Arbeitsweise der in Fig. 1 erläuterten Anlage und dieselben Bezugsziffem, die in letzterer verwendet wurden, werden auch in F ig. 5 benutzt um entsprechende Teile zu bezeichnen.

Die erfindungsgemäße Abwandlung der in Fig.S gezeigten Anlage liegt hauptsächlich im Hinzufügen eines Sammlers 24, in den das von den als Verdampfer wirkenden Rohrschlangen 12 bzw. 14 abgegebene Gasflüssigkeitsgemisch des Kältemittels durch eine Leitung 16a eingespeist wird, welch letztere die Meßsteue 17 mit dem darin angeordneten NTC-Thermistor 38 (s. Fig.3) enthält Gasförmiges Kältemittel aus dem Sammler 24 wird über die Leitung 165 zum Verdichter C zurückgeführt und flüssiges, im Sammler enthaltenes Kältemittel wird jeweils in dem Maße, in welchem das Expansionsventil EV die als Verdampfer wirkende Schlange überspeist durch Wärmeaustausch mit dem hochkomprimierten flüssigen Kältemittel verdampft, welches durch eine in Serie zur Leitung 22 geschaltete und innerhalb des Sammlers 24 angeordnete Wärmeaustauschschlange 31 strömt Somit erfüllt der Sammler 24 zusammen mit der Wärmeaustauschschlange 31 die Funktion, welche in der Anlage nach F i g. 1 durch den Leistungsabschnitt 26 erfüllt wird und hindert damit das flüssige Kältemittel, in den Verdichter C zurückzuströmen. Der in der veränderten Anlage nach F i g. 2 verwendete Rohrleitungsabschnitt 26 dient hauptsächlich zum weiteren Erhöhen der Unterkühlung des zu dem im Augenblick als Verdampfer arbeitenden Wärmeaustauschers 12 bzw. 14 geführten nüssigen Kältemittels, obwohl die Wärme des durch den Abschnitt 26 strömenden hochkomprimierten flüssigen Kältemittels natürlich ebenfalls dazu beiträgt, jede restliche, noch in dem durch die Leitung 166 strömenden Sauggas enthaltene Flüssigkeit zu verdampfen.

Aus dem Vorangegangenen ist zu ersehen, daß eine Kühlanlage gemäß der Erfindung ein unterkühlenes Steuerventil EV enthält welches jeweils in gleichbleibendem Maße den Verdampfer überspeist um den letzteren völlig naß zu halten und so die Wärmeübertragung zwischen dem Kältemittel und dem umgebenden Medium zu erhöhen und das jeweils unmittelbar in Abhängigkeit von dem im Gasflüssigkeitsgemisch des vom überspeisten Verdampfer abgegebenen Kältemittels enthaltenen Flüssigkeitsanteil gesteuert wird. Die erfindungsgemäße Anlage besitzt das flüssige Kältemittel führende Leitungsabschnitte 26 und 27 (F i g. 1) bzw. 26, 27 und 31 (F i g. 5), welche in Wärmeaustausch mit entsprechenden Abschnitten der Sauggasleitungen (16) (Fig. 1) bzw. 16a, 24 und 16ft (Fig.5) stehen, wobei eine starke Unterkühlung des vom Verdampfer gelieferten flüssigen Kältemittels erzielt wird. Hierbei liegt wenigstens einer dieser Saugabschnitte (26 in Fig. 1: 24 und 26 in F i g. 5) hinter der Meßstelle 17, die einen Thermistor 38 enthält Dadurch ist sichergestellt daß auch der letzte kleine, zum Steuern des unterkühlenden Steuer- bzw. Expansionsventils EV dienende Anteil an flüssigem Kältemittel verdampft bevor das Kältemittel den Verdichter Cerreicht

Es ist zu beachten, daß die Erfindung, die hier in Anwendung auf umschaltbare Kühlanlagen bzw. Wärmepumpen beschrieben und gezagt wurde gleichermaßen auch auf nicht umschaltbare Kühlanlagen anwendbar ist bei denen der nach innen wirkende Wärmetauscher immer der Verdampfer ist Ebenso ist einzusehen, daß an Stelle des in den beschriebenen Ausführungsformen der Erfindung nur beispielsweise angegebene NTC-Thermistor 38 auch ein PTC-Thermistor verwendet werden kann, wobei lediglich die bimetaHische Membran 29 so angeordnet sein muß, daß sie sich in eise ventilschließende Richtung ausbiegt, wenn sich ihre Temperatur erhöht and m eine ventilöffnende Richtung ausbiegt, wenn sich ihre Temperatur vr.

Hierzu 2 Blatt Zeicnugen

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Kühlanlage mit einem in die Hochdruckleitung zwischen Kondensator und Verdampfer geschalteten Expansionsventil, Ober welches der Verdampfer derart mit flüssigem Kältemittel Oberspeist wird, daß von dem Verdampfer stets ein Gemisch aus gasförmigem und flüssigem Kältemittel in die Niederdruckleitung abgegeben wird, welch letztere einen mit der Hochdruckleitung derart in Wärmeaustausch stehenden Bereich aufweist, daß das flüssige Kältemittel in der Hochdruckleitung durch Wärmeabgabe an das Gemisch aus pasförmigem und flüssigem Kältemittel unterkühlt wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Expansionsventil (£V) ein auf Temperaturänderungen ansprechendes Ventil ist, welches ein elektrisches Heizelement (30) aufweist, das mit einem an einer Meßstelle (17) stromabwärts von dem Wärmeaustauschbereich (27) innerhalb der Niederdruckleitung (16) angeordneten Thermistor (38) verbunden ist, und daß die Niederdruckleitung stromabwärts von der Meßstelle mindestens einen weiteren Bereich (26,24) aufweist, welcher derart mit der Hochdruckleitung ebenfalls in Wärmeaustausch steht, daß der flüssige Anteil des Gemisches aus gasförmigem und flüssigem Kältemittel in der Niederdruckleitung durch die Wärme des flüssigen Kältemittels in der Hochdruckleitung verdampft wird

2. Kühlanlage nach Anspruch 1, mit einem in die Niederdruckleitung geschalteten Sammler, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßstelle (17) stromaufwärts von diesem Sammler (24) angeordnet ist