DE1948127A1

DE1948127A1 - Regelbare Kompressor-Kaelteanlage

Info

Publication number: DE1948127A1
Application number: DE19691948127
Authority: DE
Inventors: Ludwig Melion
Original assignee: Luwa Ltd
Current assignee: Luwa Ltd
Priority date: 1968-09-26
Filing date: 1969-09-23
Publication date: 1970-04-02
Also published as: US3599440A; FR2018930A1; CH496931A; AT297068B; GB1271119A

Description

BB 12 599

LJWAJG, . Zürich / Schweiz

Regelbare Kompressor-Kaitesnlage

Die Erfindung betrifft eine regölböre Kompressor-Kälteanlage, mit einem vom. Kompressor über Kondensator, Absperrventil, Expansionsventil, Verdampfer und zürütilr züitt Kompressor verlaufenden Kältemittelkreislauf und einer vom Koinpreesor-Ausgang zum Verdampfer-Eingang führenden Kälteraittel-lebenleitung.

Bei manchen Kälteanlagen ist es notwendig, die Kälteleistung im Betrieb au regeln. Ein typisches Anwendüngsbeispiel sind Klimaanlagen,, deren Kältebedarf je nach {Cages- und «Fahresaeit stark schwankt, wobei nur während einem geringen Teil

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der itetriebsdauer die volle' Kapazität der Kälteanlage böan sprucht wird. Deshalb ist Mer wie in .vielen anderen aus wirtschaftlichen oder betriebliehen Gründen ein lastbetrieb aagezeigt.

Es sind bereits eine Seihe von Möglichkeiten bekannt, die Kälteleistung einer Korapressor-Käiteahlage zu regeln, bzw. vorübergehend zu reduzieren·, doch äirid diese entweder unwirtschaftlich οaer in anderer Hinsieht unbefriedigend.

im einfachsteil ist es, äen Kompressor-Motor nach Bedarf eis- uiiö auszuschalten. Dabei können sich allerdings beträchtliche Qlemperatürsehwankungen einstellen, und vor allem verursacht jeder Iniauf aes Elektromotors eine unerwünschte Stossbeiastung des SpeiseHetzes. Zudem besteht bei grcaeerer Sohalthäüfigkeit (zur Erzielung einer quäsi-stetigen Hsgelung)=, insbesondere bei Sinphasenmotoren, die Gefahr einer Ueberhitzung des Eotors infolge der wiederholten, hohen Inlaufströnie. Grössere Anlagen können mit mehreren parallel arbeitenden und separat angetriebenen Kompressoren ausgerüstet sein, die zwecks Abstufung der Kälteleistung einzeln geschaltet werden. Auch in diesem 3?all verursacht jeder Schältvorgang eine Belastungsspitze im Hetz. Ausserdem sinjder Einsatzbereich und die Abstufung der Regelung durch die geringe Zahl der Kompressoren festgelegt. Gelegentlich wird auch eine Drehaahlregelung des Kompressörinotors angewendet, wobei jedoch der Regelbereich nach unten praktisch stark eingeschränkt ist, bedingt durch die Drehzahlcharakteristik des Motors und die Eigenschaften des Reglers.

Weitere HÖgiichkeiten beruhen auf konstruktiven Massnahmen am Kolbehverdichter zur Reduktion des Kältomittel-Oiolaüfö, näittlich Abheben eines Steuerventils, Oeffnen eines Ü8berströmventils (Bypass) an einzelnen !Zylindern oder Veränderung des Totraumes. Hierbei vermindert sich zwar die üeistungsaufnabiae des Motors entsprechend, aber gegenüber dem Vollastbetrieb steigen die relativen Motorverlusie an und die ReibungoVerluste sowiö die kompresBiöneverluste des

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entlasteten Teils des Verdichters bleiben praktisch gleich. Zur Abfuar^der ans Kompressor anfallenden, relativ erhöhten - Verlustwärme nach dem Kondensator steht nur der reduzierte Kältemittelstrom zur Verfügung, so dass die Gefahr einer Ueberhitzung an der Druckseite des Kompressors besteht« Das Kältemittel, vermischt mit Schmieröl, darf aber an keiner Stelle des Kreislaufs eine bestimmte Höchsttemperatur übersteigen, da sonst die chemische Stabilität dieses Gemisches gefährdet ist. Aus diesem Grund muss dauernd eine ausreichende Kaitemittelmenge im Umlauf gehalten werden, d.h. .die Kälteleistung darf einen mehr oder weniger grossen Bruchteil der Volleistung nicht unterschreiten.

Sodann ist es bekannt, in der Saugleitung des Kompressors ein Regelventil anzuordnen, um zwecks Teillastbetrieb die aus dem Verdampfer angesaugte Kühlmittelmenge au drosseln. Aue ähnliehen Gründen wie in den vorgenannten Fällen besteht auch hier grosse Gefahr einer ueberhitzung des komprimierten Kaitemittel-Oel-Gemisches.

Bei weiteren, yorbekannten Anordnungen zur Reduktion der Kälteleistung wird ein von einem Regelgerät betätigtes Regelventil (sog- Leistungsregler) in einer Gas-Bypassleitung verwendet, welche die Hochdruckseite mit der Niederdruckseite des Kältemittelkreislaufs verbindet, Je nach Oeffnungsgrad des Ventils wird ein Teil des Kältemittelstromes über die Bypassleitung geführt, während der verbleibende Teil im normalen Kreislauf zirkuliert. Da bei diesen Anordnungen auch bei Teilleistung immer die gesamte Kaitemittelmenge durch den Kompressor gefördert bzw. verdichtet werden muss, arbeiten s£e bei reduzierter Leistung sehr unwirtschaftlich. Wird die Hochdruekseite des Kompressors direkt mit seiner Mederdruckssite verbunden, so besteht eine grosse Ueberhitnungsgefahr, weil ein Teil des komprimierten Heissgases sich nicht im Kondensator abkühlen kann, sondern direkt wieder auf die Saugseite des Kompressors gelangt.

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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ."'■"■ eine regelbare Kälteanlage zu -schaffen,-welche--nicht mit den Mangeln bekannter Anordnungen behaftet ist, die also insbesondere auch bei !Deillast wirtschaftlich arbeitet, eine Lastregelung im weiten Umfang bis su -Hülleistung'ohne Gefahr einer TJeberhitzung des Kältemittels zulässt und keine unzulässigen elektrischen Belastungsspitzen im Speiseneta des Kompressor-Motors hervorruft. '

Me Kompressor-Kälteanlage gemäss der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass itn genannten Kreislauf zwischen dem Kondensator und der Abzweigung der Kebenleitung ein Rück-■'.'■-.' P schlagventil angeordnet ist, dass die Heberleitung ein zweites Absperrventil enthält, und dass die beiden Absperrventile in einem Zweipunkt-Regelvorgang zueinander zeitlich verzögert steuerbar sind, derart, dass jeweils zuerst das Kreislauf-Absperrventil schliesst und erst ansohliessend das Absperrventil in der Itfebenleitung öffnet.

Die' seitlich.-verzögerte Steuerung der Absperrventile kann vorteilhaft dadurch erfolgen,, dass beide Absperrventile über Steuerleitungen mit einem Regelgerät verbunden sind., in welchem eine Zeitverzögerung für die Ventil-Steuerbefehle vorgegeben ist. .

lisch einem WQiteren Erfindungsgedanken kann jedoch ein mit Zeitverzögerung arbeitendes Regelgerät dadurch vermieden 'werden.,.- dass das Kreislauf-Absperrventil von einem Regelgerät steuerbar ist rad das zweite Absperrventil über eine

-Steuerleitung mit. .einem DruekfUhler in Verbindung steht, welcher auf einen herabgesetzten Kältemitteläruck im Verdampfer anspricht, um einen Oeffnungsbefehl für das genannte, zweite Ventil abzugeben. .,-.'

..-■"■' Auf diese, Weise kann die verzögerte Schaltung der Absperr-, ventile in ,direkter Abhängigkeit,, von dem für den Schaltze'itpunkt bestimmenden Druck im Kältemittelkreislauf^erfolgen,

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ohne dass eine nur näherungsweise konstante Zeitverzögerung zu ermitteln und vorzugeben ist. ,

Für die Absperrventile werden sweolnaässig Magnetventile verwendet.

Ein Ausführungsbeispiel des Erfindungsgegenstandes wird nachstehend im. Zusammenhang mit der Zeichnung beschrieben, welche eine regelbare Kompressor-Kälteanlage in sehematischer Darstellung veranschaulicht.

In der dargestellten Anlage verläuft der Hauptkreislauf des Kältemittels wie folgt: Der vom Elektromotor 2 angetriebene Kompressor 1 saugt das Kältemittel fiber die Leitung 18 aus dem Verdampfer 8 an. Das gasförmige, komprimierte Kältemittel verlässt den Kompressor 1 über die Heissgasleitting 10. Von dieser durchläuft es ein Rückschlagventil 24 und die anschliessende Leitung 12 und gelangt zum Kondensator 4, wo es durch den Kühlwasserkreislauf 5 abgekühlt und verflüssigt wird. Dem Kondensator 4 kann, wie dargestellt, ein SaEimler 6 für das flüssige Kältemittel naebgeschaltet sein, oder es kann allenfalls der Kondensator sel~ ber als Sammler ausgebildet sein. In bekannter Weise kann das verflüssigte Kältemittel ansohliessend an den Kondensator 4 bsw. den Sammler 6 einen Nachkühler (nicht dargestellt) durchlaufen, In der nachfolgenden Leitung 14 sind hintereinander ein steuerbares Absperrventil 20, z.B* ein Magnetventil j und das Expansionsventil 7 angeordnet. Vom Expansionsventil 7 strömt das Kältemittel durch die Leitung 16 in den Verdampfer 8, wo es unter Verdampfung'aus der "Umgebung Wärme aufnimmt, bzw. diese Umgebung kühlt. Von der Heissgasleltung 10 verläuft eine Nebenleitung 19» welche ein weiteres Absperrventil 22, z.B. ebenfalls ein Magnetventil, enthält, nach der zum Verdampfer 8 führenden Eingangsleitung 16. Auf die x/eiterhin sohematisch dargestellte Regelanordnung zur Betätigung der Ventile 20 und 22 wird weiter unten näher eingegangen.

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Für den Betrieb der Anlage mit voller Kälteleistung ist das Ventil 20 geöffnet und das Absperrventil 22 geschlossen. Die gesamte Kälteniittelmenge zirkuliert dann in bekannter Weise in dem oben beschriebenen Kreislauf. Der Kompressor 1 verdichtet dabei den gesamten Kältemittelstrom auf den zur Aufrechterhaltung des Kreislaufes erforderlichen Druck, wobei der hauptsächliche Druckabfall am Expansionsventil 7 auftritt.

Die Regelung der Kälteleistung bei der dargestellten Anlage erfolgt in einem Zweipunkt-RegelVorgang durch wiederholtes Umschalten zwischen zwei verschiedenen Betriebszuständen, die mit "Arbeitsintervall" bzw. "Runeintervall" bezeichnet werden. Die Leistungsänderung erfolgt durch Variierung des Zeitverhältnisses zwischen Arbeits- und Ruheintervall, wobei durch eine mit Rücksicht auf die thermische Zeitkonstante der Anlage ausreichende Schalthäufigkeit eine quasi- stetige Regelung erzielt werden kann. Der HegeXbereich ist durch die bei-άβη Grenzfälle "dauernder Arbeitszustand" (Volleistung) und "dauernder Ruhezustand" (BitlleistuBg) gegeben.

Der Regeleingriff erfolgt aussctaliasslich durch Auf-Zu-Steuerung der beiden Schaltveutiie20 und 22, während der Kompressor 1 dauernd läuft. Der Arbeitszustand entspx'icht dem oben erläuterten Hormalbetrieib, d.a. Ventil 20 ist offen und Ventil 22 geschlossen, Der Uebergang vom Arbeits- zum Ruheintervall erfolgt jeweils in zwei Schritten und wird eingeleitet durch Schliessung des Ventile 20. A_nschliessend, während das Ventil 22 noch geschlossen ist, saugt der Kompressor 1 Kältemitteldanipf aus dem Verdampfer 8 an und fördert diesen über die Leitung 10 und das Rückschlagventil 24 zum Kondensator 4, wo es verflüssigt und .anschliessend im Sammler 6 gespeichert wird. Da bei geschlossenem Ventil 20 kein Kältemittel zum Verdampfer 8 aachflieasen kann, sinkt während dieser Zwiscbenphase der Eälteroltteidruck im.Verdampfer-8 rasch ab. Hierauf wird als asweiter Schritt das Ventil 22 in der Hebenlöitung 19 geöffHet, womit der Ruhezustand erreicht ist. Während des Biibeintervalls besteht

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Romit zwischen der Saugleitung 18 und der Druckleitung 10 des-Kompressors ein Zirkulationsweg von geringem Strömungswiderstand über-Nebenleitung 19» Ventil 22 und Verdampfer 8. Während der Hauptanteil des Kältemittels auf der Kondensatorseite zwischen Rückschlagventil 24 und Absperrventil 20 eingeschlossen ist, zirkuliert im vorerwähnten Mederdruckkreis-1Ruf eine relativ geringe Restmenge des Kältemittels. Indem durch geeignete Dimensionierung der Uebenleitung 19 und des Ventils 22 die StrÖmungswiderstäride im genannten Niederdruck« Kreislauf gering gehalten werden, ist bei der ausserdem stark herabgesetzten Zirkulaticnsroenge im Ruheintervall der Kompressor 1 nur schwach belastet und die Leistungsaufnahme des Motors 2 entsprechend gering.

Das Ruheintervall wird beendet durch Oeffnen des Ventils 20 und Schliessen des Ventils 22. Im nachfolgenden Arbeitsintervpil 1 ist dann wieder die gesamte Kältemittelmenge über den Kondensator 4 und den Verdampfer 8 im Umlauf, wobei der Komp?:essor 1 voll belastet ist und die Anlage mit voller Kälteleistung läuft.

Die während cer Ruheintervalle über die Nebenleitung 19 mit geöffnetem Ventil" 22. und den Verdampfer 8 zirkulierende Rest-l.tenge des Kültemittels'hat die Aufgabe, die bei weiterlaufenden) Motor 2 "^;a stark entlasteten Kompressor 1 anfallende gelinge Verlustwärme abzuleiten. Diese Verlustwärme wird beim Durchlaufen des Verdampfers 8 an die Umgebung abgegeben. Bei dieser Sirkulation verbleibt die Ivältemittel-Re'stmenge ii?} Gegensats sum Normalkreislauf über den Kondensator 4 bei Vollbetrieb - dauernd im gasförmigen Zustand. Es tritt also auch bereits gasförmig in den Verdampfer 8 ein und muss dort nicht verdampft werden, weshalb während des Ruheintervalls ohne weiteres die Kälteleistung Null erreicht wird; genau genommen ist wegen der erwähnten Abgabe der verbleibenden Verlustwärme die Kälteleistung sogar etwas negativ.

Die vom Kömpi'essor 1 während des Ruheintervalls aufzubringende Druckdifferenz ist nur durch die Strömungswiderstände im

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ORtälNAl.

Zirkulationsweg über Ventil 22 und Verdampfer 8 gegeben j um · .diese Widerstär-de und damit die Kompressionsarbelt. im Ruheintervall gerirg zu halten, werden die Nebenleituiig 19 und das Ventil 22 £weckmässig mit möglichst grossem Durchtrittsquerschnitt ausgeführt. Die in Zirkulation verbleibende Kältemittel-Restmenge richtet sich nach der erwähnten Bedingung, die geringe Verlustwärme vom Kompressor 1 abzuleiten. Bei gegebener Anlage ist der Dampfdruck in der Ansaugleitung 18 bzw. im Ver- . dämpfer 8 ein Lass für diese Teilmenge. Für eine bestimmte Anlage kann als Beispiel angegeben werden-, dass der Druck im Ver-, dämpfer beim Ruhebetrieb «zweclnsässig auf etwa 1 ata herabgesetzt wird, gegenüber etwa 5 ata bei Vollbetrieb. Die3 entspricht einem auf etwa 20 fo gegenüber Vollbetrieb herabgesetzten Kältemittelstron] durch der Kompressor. Die Leistungsaufnahme des Motors 2 ist dann währerd des Ruheinte'rvalls ebenfalls um etwa 80 $ verminderte

Aus £ en vorstelr enden Ueberlegungen geht hervor, dass die Anlage sich über lange Zeit auch mit einem geringen Prozentsatz der vollen Kälteleistung wirtschaftlich betreiben lässt, weil der zeitliche Mittelwert der aufgenommenen Antriebsleistung sich annähernd proportional zum zeitlichen Mittelwert der Kälteleistung ■>■ ·* ^ert. Werden der erwähnte Niederdruck im Verdampfen "o. üzw. der Kältemittel-Teilstrom richtig bemessen, so besteht auch keinerlei TJeberhitzungsgefahr für das Kältemittel, selbst »ei vollständig auf Null herabgesetzter Kälteleistung, im Gegent°xl sinken die Gas- und Motorteraperaturen sogar unter die Werte "bei VollVetrieb. ■

In konstruktiver Hinsicht ist es von Vorteil, da3 Volumen der HeissgaslQituTi£· 10 zwischen dem Kompressorausgeng und dera Rückschlagventil 24 .sowie der Nebenleitung 19 bis zum Ventil 22 möglichst gering zu halten. Dies deshalb, weil beim Uebergang vom Arbei-tsintervsil zum Ruheintervall, wenn nach dem Absaugen des ' Veräfimpfers 8 (Zwischenschritt) das Ventil 22 geöffnet wird, das im erwähntes Leitungsvolumen komprimierte Kältemittelgas sich über das Tentil 22 entspannt und den im Verdampfer 8 er- .

seug-^:;eB liedercruck wieder etwas erhöht.

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Wie in der Zeichnung schematisch angedeutet, erfolgt die Leistungsregelung der Kälteanlage bzw. die Betätigung der Schalt-' ventile 20 und 22, die vorzugsweise Magnetventile sind, durch • einen Zweipunktregler 30 über die Steuerleitungen 35 und 36." Ära

• Regler 30 wird der Sollwert für die Leistung bzw. für eine einzuhaltende Temperatur über die Leitung 32 eingegeben, und der Istwert wird bei 34 zugeleitet, beispielsweise von einem thermischen Fühler 33» welcher die in der Umgebung des Verdampfers 8 ersielta Kühl temperatur feststellt« Wie aus den vorangehenden Ausführungen hervorgeht, ist es wesentlich, dass jeweils beim TTebsygang vob irbeitsintervall .zum. Ruheintervall das Schaltventil 2G zuerst geschlossen und erst nach einer bestimmten seitlichen Verzögerung, wenn der erforderliche Niederdruck im Verdampfer erreicht ist, cas Schaltventil 22 geöffnet wird. Diese Zeitverzögerung ka-üö tei einer bestimmten Anlage wenigstens näherungsweise als koaslant angenommen werden und deshalb im Regelgerät 30 vorgegeben ;:-ein. Es kann aber auch das Oeffnen des Schaltventil.·=· 22 iß äer Hebenleitung 19 anstatt vom Regler 30 wiegestrichelt angedeutet übei eine Leitung 38 von einem Druckfühler 37 &m Verdampfer gesteuert werden„ Dieser Druckfühler spxiobt an, //er.η nach Schliessung des Ventils 20 der Verdampfer 8 fortschreitend leergesaugt wird und dadurch der gewünschte, am Fühler 37 eingestellte Wert des Hiederdruckes erreicht wird.

Die mit dom Sweipunlrt-RegelVorgang einhergehenden Belastungsänflaruiigeii das Kompressors 1 machen sich entsprechend in der Leistungaaufaahae des Antrisbsmotors 2 bemerkbar* Da indessen diese Lastweohs-al bei dauernd laufender Maschinengruppe erfolgen, bleiben die ilüclcv/irkungen auf das elektrische Speisenetz, insbeoor.dGre ü±?. ^iemehrte Stroniaufnahme bei wiederkehrender Belaötwng, clui'3hsag erträglich und jedenfalls weit geringer als .jew-3'i.ln bei.'Vülauf der Maschinengruppe aus dem Stillstand, wie

• Mos bei O.&c gewöhnlichen, bekannten Ein-Aus-Regelung der Fall

Dio t'SBchrio'jeüi? Kompressor-Kälteanlage gestattet mit relativ gpritigtiii ZUiIr₁ZHohem Aufwand und einem einfachen Regelgerät ■ eir.o ClogGlun^ (irr Kälteleistung Über den-gesamten Bereich z;wi-

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sehen dem vollen Nennwert und- HuIJ, otae dass die-.Maschine bzw*, das Kältemittel einer üeberbitzuag ausgesetzt sind. Dabei können auch Teilleistungen Über beliebig lange Zeit mit gutem Wirkungsgrad erreicht werden. Der Regelvorgang verursacht keine unzulässigen BelastungBstö8se auf das elektrische Speisenetz. Die Anordnung ist gleichermasseu in Anlagen mit Kolbenverdichter oder Turboverdichter anwendbar.

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Claims

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Patentansprüche

Regelbare Kompressor-Kälteanlage, mit einem vom Kompressor über Kondensator, Absperrventil, Expansionsventil, Verdampfer und zurück zum Kompressor verlaufenden"Kältemittelkreislauf und einer vom Kompressor-Ausgang zum Verdampfer-Eingang führenden Kältemittel-Hebenleitung, dadurch gekennzeichnet, dass im genannten Kreislauf zwischen dem Kondensator (4) und der Abzweigung der Nebenleitung (19) ein Rückschlagventil (24) angeordnet ist, dass die Hebenleitung (19) ein zweites Absperrventil (22) enthält, und dass die beiden Absperrventile (20, 22) in einem Zweipunkt-RegelVorgang zueinander zeitlich verzögert steuerbar, sind, derart, dass jeweils zuerst das Kreislauf-Absperrventil (20) sehliesst und erst anscbliessend das Absperrventil (22) in der Hebenleitung (19) öffnet.
2. Kälteanlage nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, dass beide Absperrventile (20, 22) über Steuerleitungen (35» 36) mit einem Regelgerät (30) verbunden sind, in welchem eine Zeitverzögerung für.die Ventil-Steuerbefehle vorgegeben ist.
3. Kälteanlage nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Kreislauf-Ahsperr entil (20) von einem Regelgerät (30) steuerbar ist, und das zweite Absperrventil (22) über eine Steuerleitung (38) mit einem Brückfühler (37) in Verbindung steht, welcher auf einen herabgesetzten Kältemitteldruck im Verdampfer (8) anspricht, um einenOeffnungsbefehl für das genannte zweite Ventil (22) abzugeben.

4» Kälteanlage nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Absperrventile (20, 22) durch Magnetschaltventile gebildet sind.

2.9.1969
Qu/ae

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Le erseι te