DE19708428A1 - Kälteanlage - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Kälteanlage, umfassend einen Kältemittelkreislauf, in welchem ein Verdampfer zum Ver­ dampfen von flüssigem, unter Druck stehendem Kältemittel durch Entspannung und Wärmeaufnahme, ein Verdichter zum Verdichten des vom Verdampfer kommenden entspannten Kälte­ mittels, ein druckseitig des Verdichters angeordneter Ver­ flüssiger zum Verflüssigen des unter Druck stehenden Kälte­ mittels, ein Sammler für das unter Druck stehende flüssige Kältemittel vor Zufuhr desselben zum Verdampfer aufeinander­ folgend von einem Hauptstrom des Kältemittels durchströmt sind, und einen Ölkreislauf für den Verdichter mit einem dem Ölkreislauf zugeordneten Ölkühler.

Derartige Kälteanlagen sind aus dem Stand der Technik be­ kannt. Dabei wird der Ölkühler vorwiegend mit Wasser, Luft, oder auch mit Kältemittel nach dem Schwerkraftumlauf-System beaufschlagt.

Diese bekannten Kälteanlagen haben den Nachteil, daß sie hin­ sichtlich ihrer Anwendung stark eingeschränkt sind. Das Vor­ sehen einer Wasserkühlung für den Ölkühler hängt von der Ver­ fügbarkeit von Wasser als Kühlmedium ab. Eine Luftkühlung des Ölkühlers erfordert einen hohen Aufwand, insbesondere durch das zusätzliche Gebläse einschließlich Luftführung, Tempe­ raturregelung, Baugröße und Anpassung an die Einbauverhält­ nisse. Das Thermosyphon-System zur Kühlung des Ölkühlers mit Kältemittel basierend auf der Wirkung der Schwerkraftzirku­ lation hat den Nachteil, daß spezifische Anforderungen an den Ort der Aufstellung des Ölkühlers relativ zum Sammler für das flüssige Kältemittel gestellt werden und insbesondere der Sammler zur Überwindung der Druckverluste in dem Thermo­ syphon-System in definierter Höhe über dem Ölkühler ange­ ordnet werden muß, so daß sich dies nur bei besonders gün­ stigen Einbauverhältnissen realisieren läßt.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Kälte­ anlage der gattungsgemäßen Art derart zu verbessern, daß ein Betrieb des Ölkühlers möglichst einfach und zuverlässig, ohne bauliche Limitierungen der Anlage erfolgen kann.

Diese Aufgabe wird bei einer Kälteanlage der eingangs be­ schriebenen Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Öl­ kühler durch einen Teilstrom von flüssigem Kältemittel aus dem Kältemittelkreislauf kühlbar ist, daß der Teilstrom in einem druckseitigen Teilkreislauf umläuft, daß der Teilkreis­ lauf von einem nach dem Verflüssiger im Hauptstrom des Kälte­ mittelkreislaufs angeordneten Sammler abzweigt, flüssiges Kältemittel von diesem zum Ölkühler führt und dann das im Öl­ kühler zumindest teilweise verdampfte Kältemittel den druck­ seitigen Hauptstrom des Kältemittels vor dem Verflüssiger zu führt und daß eine von dem vom Verdichter zum Verflüssiger strömenden Hauptstrom des Kältemittels getriebene Pumpein­ richtung den Teilstrom desselben durch den Teilkreislauf pumpt.

Der Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung ist darin zu sehen, daß diese sich einfach und vor allem kostengünstig in be­ stehende und vorfertigbare Lösungen ohne bauliche Ein­ schränkungen integrieren läßt. Die erfindungsgemäße Lösung macht zunächst davon Gebrauch, daß das zumindest teilweise verdampfte Kältemittel im Teilstrom den druckseitigen Haupt­ strom des Kältemittels vor dem Verflüssiger zugeführt wird, so daß der Verflüssiger gleichzeitig dazu eingesetzt wird, nicht nur den vom Verdichter kommenden Hauptstrom des Kälte­ mittels zu verflüssigen, sondern gleichzeitig auch noch die vom Ölkühler in den Teilstrom eingetragene Wärme aufzunehmen.

Ferner wird bei der erfindungsgemäßen Lösung die Strömung des vom Verdichter kommenden Hauptstroms des Kältemittels dazu eingesetzt, eine Pumpeinrichtung anzutreiben, welche ihrer­ seits den Teilstrom des Kältemittels durch den Teilkreislauf pumpt, so daß die Notwendigkeit eines zusätzlichen Antriebs oder der Zufuhr von Hilfsenergie für diese Pumpeinrichtung entfallen kann und damit die erfindungsgemäße Kälteanlage be­ sonders zuverlässig im Dauerbetrieb betreibbar ist.

Rein prinzipiell wäre es möglich, den Teilkreislauf so zu auszubilden, daß nicht der gesamte, den Ölkühler durch­ setzende Teilstrom des Kältemittels nach dem Ölkühler dem druckseitigen Hauptstrom vor dem Verflüssiger zugeführt wird, sondern beispielsweise teilweise - insoweit als der Teilstrom beispielsweise noch flüssiges Kältemittel umfaßt - dieses dem Hauptstrom nach dem Verflüssiger zugeführt wird. Abgesehen davon, daß diese Lösung aufwendiger ist, hat sie den Nachteil, daß damit ein Eintrag von Wärme in den Haupt­ strom nach dem Verflüssiger erfolgt, der gegebenenfalls zu Leistungsminderungen führt. Aus diesem Grund ist vorteil­ hafterweise vorgesehen, daß der Teilkreislauf den gesamten, den Ölkühler durchsetzenden Teilstrom des Kältemittels nach dem Ölkühler dem druckseitigen Hauptstrom zuführt. Dies hat insbesondere auch noch den weiteren Vorteil, daß durch das vom Teilkreislauf dem Hauptstrom zugeführte teilweise flüssige Kältemittel die Überhitzung im Hauptstrom reduziert werden kann und damit für die Verflüssigung der Anteil kon­ vektiver Wärmeübertragung vermindert ist und damit die Wärme­ übertragung verbessert wird.

Um eine definierte Kühlwirkung im Ölkühler zu erhalten und möglichst wenig Wärme in den druckseitigen Hauptstrom einzu­ tragen, ist vorzugsweise vorgesehen, daß der Teilstrom des Kältemittels durch den Teilkreislauf mit einem Ventil steuer­ bar ist.

Vorzugsweise ist das Ventil durch eine Steuerung steuerbar, welche eine Druckgastemperatur und/oder eine Temperatur des Öls im Ölkreislauf erfaßt.

Hinsichtlich der Ausbildung des im Teilkreislauf und im Kältemittelkreislauf angeordneten Sammlers wurden keine näheren Angaben gemacht. Prinzipiell könnte dieser Sammler mit dem ohnehin im Kältemittelkreislauf vorzusehenden Haupt­ sammler identisch sein. Da dieser Hauptsammler jedoch ein relativ großes Fassungsvolumen für verflüssigtes Kältemittel aufweisen soll, hat dies den Nachteil, daß die Wahl des Orts des Sammlers in diesem Fall nicht beliebig frei ist.

Aus diesem Grund sieht ein besonders vorteilhaftes Ausfüh­ rungsbeispiel vor, daß der Sammler dem Hauptsammler vorge­ schaltet öder nachgeschaltet ist. Dies hat den Vorteil, daß der Sammler auf ein relativ kleines Volumen, beispielsweise in der Größenordnung einiger Liter, dimensioniert sein kann und somit die Möglichkeit besteht, diesen Sammler an der für den Aufbau der Anlage und insbesondere den Einbau derselben in gegebene Raumverhältnisse geeignetsten Stelle anzuordnen. Beispielsweise kann in diesem Fall der Sammler noch zusätz­ lich so angeordnet werden, daß eine Flüssigkeitssäule zwischen diesem und dem Ölkühler noch eine zusätzliche, das Durchströmen des Teilkreislaufs fördernde Druckdifferenz schafft, die die durch die Pumpeinrichtung erzeugte Druck­ differenz unterstützt.

Hinsichtlich der Ausbildung der Pumpeinrichtung selbst wurden im Zusammenhang mit der bisherigen Erläuterung der einzelnen Ausführungsbeispiele keine näheren Angaben gemacht. So wäre es beispielsweise möglich, die Pumpeinrichtung ähnlich einem Turbolader in einem Kraftfahrzeug auszubilden, wobei in diesem Fall der Hauptstrom eine Turbine treiben würde, die ihrerseits wiederum eine rotierende Pumpe treibt.

Viel einfacher ist jedoch eine Lösung, bei welcher die Pump­ einrichtung ein Injektor ist, welcher somit nicht mit rotierenden Teilen arbeitet, sondern lediglich mit einer in einer Venturi-Düse angeordneten Injektor-Düse, so daß abge­ sehen von den geringeren Kosten diese Pumpeinrichtung den Vorteil hat, daß sie wartungsfrei über lange Zeit arbeitet.

Hinsichtlich der im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Kälteanlage eingesetzten Verdichter wurden ebenfalls bislang keine näheren Angaben gemacht. So ist prinzipiell jede Art von Verdichter sinnvoll einsetzbar, welche einen Ölkreislauf aufweist. Vorzugsweise handelt es sich bei diesen Verdichtern um Verdrängerverdichter, beispielsweise Schraubenverdichter.

Zweckmäßigerweise ist der Ölkreislauf des Verdichters so aus­ gebildet, daß er einen nach dem Verdichten im Hauptstrom an­ geordneten Ölabscheider umfaßt, von welchem dann das Öl zu dem Ölkühler fließt. Ein derartiger Aufbau ist somit in der Lage, den überwiegenden Anteil des beim Verdichten an den Hauptstrom abgegebenen Öls wieder zurückzugewinnen und dem Verdichter zuzuführen.

Das vom Teilkreislauf dem Hauptstrom zugeführte Kältemittel könnte vor dem Ölabscheider in den Hauptstrom eingespeist werden. Um den Ölabscheider jedoch von einem zusätzlichen Massenstrom zu entlasten und auch die Ölabscheidung durch diesen teilweise flüssiges Kältemittel umfassenden Massen­ strom des Teilkreislaufs nicht zu beeinträchtigen, ist vor­ teilhafterweise vorgesehen, den Teilstrom nach dem Ölab­ scheider in den Hauptstrom einzuspeisen.

Prinzipiell kann die Pumpeinrichtung völlig unabhängig von dem Ölabscheider angeordnet sein.

Aus Gründen eines besonders geringen Bauaufwandes hat es sich jedoch als vorteilhaft erwiesen, wenn die Pumpeinrichtung auf den Ölabscheider folgend im Hauptstrom angeordnet ist und somit von dem bereits weitgehend von Öl befreiten Hauptstrom des Kältemittels durchsetzt ist.

Eine besonders kompakte und gleichzeitig flexible Bauweise der erfindungsgemäßen Lösung ergibt sich dann, wenn die Pump­ einrichtung an dem Ölabscheider gehalten ist, so daß beide Teile als Einheit gefertigt und dann auch eingebaut werden können. Insbesondere läßt sich bei dieser Realisierung auch die zur Pumpeinrichtung führende Leitung mit in diese Bau­ gruppe integrieren.

Hinsichtlich des Ölkühlers selbst wurden im Zusammenhang mit den bislang beschriebenen Ausführungsbeispielen keine näheren Angaben gemacht. So kann der Ölkühler selbst als Wärme­ tauscher ausgebildet sein, welcher eine eigene, im Ölkreis­ lauf angeordnete Baugruppe bildet. Alternativ dazu ist es aber auch denkbar, den Ölkühler in einen Ölsumpf des Ver­ dichters zu integrieren und beispielsweise den Teilstrom durch eine in dem Ölsumpf angeordnete Kühlschlange zu führen.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung sind Gegenstand der nachfolgenden Beschreibung sowie der zeichnerischen Dar­ stellung zweier Ausführungsbeispiele.

In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels und

Fig. 2 eine schematische Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels.

Ein in Fig. 1 dargestelltes Ausführungsbeispiel einer erfin­ dungsgemäßen Kälteanlage umfaßt einen Verdampfer 10, in welchem ein Verdampfen von flüssigem, unter Druck stehendem Kältemittel durch Entspannen desselben erfolgt.

Nach dem Verdampfer 10 durchströmt ein entspannter Hauptstrom 12 des Kältemittels eine Zuleitung 14 zu einem als Ganzes mit 16 bezeichneten Verdichter, welcher ein einzelnes Verdichteraggregat aufweisen kann, oder, wie in Fig. 1 dar­ gestellt, beispielsweise drei parallel geschaltete Schrauben­ verdichter.

Aus dem Verdichter 16 tritt dann ein druckseitiger Hauptstrom 24 durch eine Ausgangsleitung 26 aus und durchströmt im An­ schluß an den Verdichter 16 einen Ölabscheider 28, welcher dazu dient, in den druckseitigen Hauptstrom 24 vom Verdichter 16 mitgeführtes Öl abzuscheiden, um dieses wiederum über einen sich an den Ölabscheider 28 anschließenden und als Ganzes mit 30 bezeichneten Ölkreislauf zum Verdichter 16 zurückführen zu können.

Nach dem Ölabscheider 28 durchströmt der Hauptstrom 24 einen Injektor 32 und tritt danach in einen als Ganzes mit 34 bezeichneten Verflüssiger ein, welcher den gasförmigen druck­ seitigen Hauptstrom 24 des Kältemittels verflüssigt, so daß nach dem Verflüssiger 34 der druckseitige Hauptstrom 24' in Form von verflüssigtem Kältemittel einen Sammler 36 durch­ läuft und anschließend in einen eigentlichen Hauptsammler 38 für das verflüssigte Kältemittel eintritt, von welchem dann ausgehend wiederum das Kältemittel in Form des flüssigen Hauptstroms 24' zum Verdampfer zurückgeführt wird, so daß insgesamt ein Kältemittelkreislauf entsteht.

Der Sammler 36, welcher von dem Hauptstrom 24' des ver­ flüssigten Kältemittels durchströmt wird, dient zum Sammeln einer geringen Menge 42 des verflüssigten Kältemittels und Abzweigen eines Teilstroms 44' von verflüssigtem Kältemittel aus dem Hauptstrom 24', wobei der Teilstrom 44' in einem Teilkreislauf 46 geführt ist, welcher ausgehend vom Sammler 36 zu einem Ölkühler 48 führt, in welchem das verflüssigte Kältemittel des Teilstroms 44' zumindest teilweise oder voll­ ständig verdampft und diesen dann in Form des Teilstroms 44 verläßt, welcher über eine Leitung 50 einer Düse 52 des Injektors 32 zuführbar ist.

Der Injektor 32 weist außerdem für den Hauptstrom 24 eine Venturi-Düse 54 auf, in welcher zentriert die Injektordüse 52 sitzt, so daß der den Injektor 32 durchströmende Hauptstrom 24 aufgrund des in der Venturi-Düse 54 entstehenden Unter­ drucks eine Pumpwirkung auf den aus der Injektordüse 52 aus­ tretenden Teilstrom 44 entfaltet und somit dazu dient, eine Druckdifferenz in den Teilkreislauf 46 aufzubauen, welche die Summe aller in diesem auftretenden Druckverluste kompensiert.

Die von dem Injektor 32 erzeugte Druckdifferenz kann zusätz­ lich noch dadurch vergrößert werden, daß der Sammler in einer Höhe H über dem Ölkühler 48 angeordnet ist und somit eine zwischen dem Sammler 36 und dem Ölkühler 48 gebildete Flüssigkeitssäule eine zusätzlich Druckdifferenz erzeugt, die sich zur vom Injektor 32 erzeugten Druckdifferenz addiert, so daß die Summe dieser Druckdifferenzen größer ist als die Druckverluste im Teilkreislauf 46, beispielsweise durch die Rohrleitungen, den Ölkühler 48, erforderliche Ventile und den Verflüssiger.

Insbesondere ist im Teilkreislauf 46 ein Ventil 60 vorge­ sehen, welches von einer Steuerung 62 ansteuerbar ist, welche eine Temperatur des Öls und/oder Druckgas im Ölkreislauf 30 regelt.

Vorzugsweise ist im Ölkreislauf 30 der Ölkühler 48 unmittel­ bar auf den Ölabscheider 28 folgend angeordnet und eine Aus­ gangsleitung 70 des Ölkühlers 48, über welche gekühltes Öl austritt, mit Ölzuleitungen 72, 74 und 76 für die einzelnen Schraubenverdichter 18, 20 und 22 verbunden, über welche dann eine Ölrückführung, gegebenenfalls jeweils noch gesteuert durch Ventile 76, 78 und 80 erfolgt.

Die Steuerung 62 mißt vorzugsweise eine Temperatur einerseits des aus dem Verdichter 16 austretenden druckseitigen Haupt­ stroms 24 mit einem Temperatursensor 82 und andererseits eine Temperatur des in der Ausgangsleitung 70 aus dem Ölkühler 48 austretenden gekühlten Öls im Ölkreislauf 30.

Bei einem zweiten Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Kälteanlage, dargestellt in Fig. 2, sind diejenigen Teile, die mit denen des ersten Ausführungsbeispiels identisch sind, mit denselben Bezugszeichen versehen, so daß bezüglich der Beschreibung derselben auf die Ausführungen zum ersten Aus­ führungsbeispiel Bezug genommen werden kann.

Im Gegensatz zum ersten Ausführungsbeispiel ist bei dem zweiten Ausführungsbeispiel der Injektor 32 unmittelbar am Ölabscheider 28 angeflanscht, beispielsweise an einem Druck­ gasaustritt desselben, und bildet somit mit diesem zusammen eine einheitliche Baugruppe. Damit kann beispielsweise auch die vom Ölkühler 48 kommende und zur Injektordüse 52 führende Rohrleitung 50 als fester Bestandteil des Ölabscheiders 28 ausgebildet und beispielsweise in diesen integriert sein. Damit ist eine kompaktere und kostengünstigere Bauweise der erfindungsgemäßen Kälteanlage möglich.

Darüber hinaus ist vorzugsweise der Sammler 36' so ausge­ bildet, daß er gleichzeitig den Sammler 38 im Kältemittel­ kreislauf' ersetzt und somit lediglich ein Sammler 36' erfor­ derlich ist. In diesem Fall kann, da die von dem Injektor 32 erzeugte Druckdifferenz ausreichend ist, auf die zusätzliche Unterstützung durch die von der Flüssigkeitsseite zwischen dem Sammler 36 und dem Ölkühler 48 erzeugte Druckdifferenz im wesentlichen verzichtet werden, so daß diese Lösung keinerlei baulichen Beschränkungen hinsichtlich der Anordnung des Sammlers 36' unterliegt und somit wird die für das Aufrecht­ erhalten des Teilstroms 44', 44 im Teilkreislauf 46 erforder­ liche Druckdifferenz ausschließlich durch den Injektor 32 erzeugt.

Claims (9)

1. Kälteanlage umfassend einen Kältemittelkreislauf, in welchem ein Verdampfer zum Verdampfen von flüssigem, unter Druck stehendem Kältemittel durch Entspannung und Wärmeaufnahme, ein Verdichter zum Verdichten des vom Verdampfer kommenden entspannenden Kältemittels, ein druckseitig des Verdichters angeordneter Verflüssiger zum Verflüssigen des unter Druck stehenden Kältemittels und ein Sammler für das unter Druck stehende flüssige Kältemittel vor Zufuhr desselben zum Verdampfer auf­ einander folgend von einem Hauptstrom des Kältemittels durchströmt sind, und einen Ölkreislauf für den Ver­ dichter mit einem in dem Ölkreislauf angeordneten Öl­ kühler, dadurch gekennzeichnet, daß der Öl­ kühler (48) durch einen Teilstrom (44') von flüssigem Kältemittel aus dem Kältemittelkreislauf kühlbar ist, daß der Teilstrom (44, 44') in einem druckseitigen Teil­ kreislauf (46) umläuft, daß der Teilkreislauf (46) von einem nach dem Verflüssiger (34) im Hauptstrom (24) des Kältemittelkreislaufs angeordneten Sammler (36) ab­ zweigt, flüssiges Kältemittel zum Ölkühler (48) führt und dann das im Ölkühler (48) zumindest teilweise ver­ dampfte Kältemittel dem druckseitigen Hauptstrom (24) des Kältemittels vor dem Verflüssiger (34) zuführt und daß eine von dem vom Verdichter (16) zum Verflüssiger (34) strömenden Hauptstrom (24) des Kältemittels ge­ triebene Pumpeinrichtung (32) den Teilstrom (44, 44') desselben durch den Teilkreislauf (46) pumpt.

2. Kälteanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Teilkreislauf (46) den gesamten, den Ölkühler (48) durchsetzenden Teilstrom (44, 44') des Kältemittels dem druckseitigen Hauptstrom (24) zuführt.

3. Kälteanlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich­ net, daß der Teilstrom (44, 44') des Kältemittels durch den Teilkreislauf (46) mit einem Ventil (60) steuerbar ist.

4. Kälteanlage nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Sammler (36) dem Sammler (38) vorgeschaltet ist.

5. Kälteanlage nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Pumpeinrichtung ein Injektor (32) ist.

6. Kälteanlage nach einem der voranstehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß der Ölkreislauf des Verdich­ ters (16) einen nach dem Verdichter (16) im Hauptstrom (24) angeordneten Ölabscheider (28) umfaßt, von welchem das Öl zu dem Ölkühler (48) fließt.

7. Kälteanlage nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Teilkreislauf (46) nach dem Ölabscheider (28) in den Hauptstrom (24) einmündet.

8. Kälteanlage nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeich­ net, daß die Pumpeinrichtung (32) auf den Ölabscheider (28) folgend im Hauptstrom (24) angeordnet ist.

9. Kälteanlage nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Pumpeinrichtung (32) an dem Ölabscheider (28) ge­ halten ist.