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Einspritzvorrichtungen für Kälteanlagen Durch diese Erfindung wird
ein neuartiges Einspritzventil für Kompresions- und Adsorptionskälteanlagen und
ein Verfahren, die durch d-en hohen Druck des flüssigen Kältemit-tels vorhandene
Energie in sinnvoller Weise für die Verbesserung der Wärmeübertragung auszunutzen,
angegeben.
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Anlagen zur Kälteerzeugung arbeiten häufig so, daß ein flüssiges Kältemittel
in einen Raum, häufig ein Rohr oder ein Rohrsystem, hineingeleitet wird, wo es unter
verrinErtem Druck zur Verdampfung gebrncht wird0 Dazu muß das unter hohem Druck
fltissige Kältemittel auf den niedrigen Druck, bei dem es verdampfen soll, durch
ein Einspritzventil entspannt und zugleich die durchtretende Menge reguliert werden0
Der verringerte Druck wird durch mechanische Verdichter oder durch Adsorptionsapparate,
in denen der Kältemitteldampf zçBQ an Wasser gebunden wird, aufrechterhalten. Die
Kühlung erfolgt dadurch, daß das siedende Kältemittel bei der Dampfbildung Wärme
verbraucht.
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Die Wirtschaftlichkeit einer solchen Anlage hängt in hohem Maße davon
ab, wie groß die Fläche der Rohre, des Rohrsystems oder des auf andere Weise gefertigten
Verdampfers ist, die für die Überg tragung einer bestimmten Wärmemenge unter gegebenen
Temperaturbedingungen erforderlich ist. Ein Maß für die Güte der Wärmeübertragungseigenschaften
ist die Wärmedurchgangszahl, die eine Funktion der vlärrneübergangseigenschaften
auf der lnnen- und der Außenseite der ohre oder Kanäle und der Wärmeleitung durch
die Wandung dartell. Gelingt es, einen der maßgeblichen Paktoren zu verbessern,
so steigt die Wärmedurchgangszahl ebenfalls an.
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Durch Verbesserung der Warmedurchgangseigenschaften können entwerder:
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größere Wärmemengen übertragen werden - die treibende Temperaturdifferenz verringert
und damit bei geringerem Energieverbrauch der Kälteanlage tifere Temperaturen erreicht
werden - oder die Wärmeübertragungsflächen bei gleichbleibender Leistung verkleinert
und dadurch die Herstellkosten gesenkt werden0 Es ist bekannt, daß der Wärmeübergang
zwischen einem Gas oder einer Flüssigkeit oder von einem Gemisch aus beidem und
einer Fläche in hohem Maße von der Geschwindigkeit, mit der die Stoffe Strömen,
abhängt0 So steigt unter günstigen Umstanden die Wärmeübergangszeahl fast proportional
zur Strömungsgeschwindigkeit an.
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Wenn hingegen durch die Strömung die Turbulenz in der Flüssigkeit
nur wenig erhöht wird, kann die änderung des Wärmeübergangs mit der Geschwindigkeit
nur geringsein und ist in vielen Fällen nur proportional zur Wurzel der Geschwindigkeit.
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Es ist gerade auch von siedenden Flüssigkeiten bekannt, daß eine hohe
Geschwindigkeit des Dampf- Flüssigkeitsgemischs eine erhebliche Verbesserung der
Wärmeübert5agung herbeiführt. Apparate zur Verdampfung von Flüssigkeiten in der
chemischen und in verwandten Industrien wenden häufig die Verdampfung in Rohren
an. Der Betriebszustand wird meistens so gewählt, daß am Austrittsende der Verdampferrohre
eine Dampfgeschwindigkeit von 30...40 m/sec erreicht wird. Zu diesem Zweck wird
die Flüssigkeit oft bereits in leicht überhitztem Zustand in den Verdampfer geleitet,
sodaß bereits am Eintritt der Rohre ein Flüssigkeits- Dampfgemisch vorhanden ist,
und man verwendet auch oft verhältnismäßig diinne und lange Rohre. Die Verdampferrohre
können sowohl waagerecht oder geneigt als auch seknrecht mit steigender oder fallender
Strömung angeordnet werden0 Eine besonders bekannte Bauart, bei der die Plüssigkeit
zunächst gleichmäßig auf den Rohrumfang verteilt, fallende Strömungsrichtung angewandt
wird und die Flüssigkeit meistens Uberhitzt in den Verdampfer gelangt, ist der Fallstromverdampfer.
In ähnlicher Weise wie solche Fallstromverdampfer wurden auch schon Apparate mit
liegenden Hohren gebaut, bei denen die Benetzung des gesamten Rohrumfangs mit Flüssigkeit
auf der
Zerstäubung des Flüssigkeitsspiegels durch hohe Dampfgeschwindigkeit
beruht.
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Es ist vorgeschlagen worden, bei steigender Strömung in Verdampferrohren
der einzudampfenden Lösung ein Entspannungsmittel hinzuzufügen. Durch das Schäumen
der am unteren Ende eingespeisten Plüssigkeit wird eine sehr gute Zerstäubung bei
nur geringem Druckverlust erreicht und auch in diesem Falle steigt die Wärmeiibergangszahl
sehr stark ang Bei hälteanlagen sind diese Maßnahmen oft undurchführbar oder unzureichend,
weil erst am Ende des Verdampferrohres oder einer auf andere Weise gebildeten Verdampfungastrecke
genügend Dampf gebildet wurde, der eine hohe Ströwungsgeschwindigkeit verursacht.
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Die Bedingungen des Wärmeübergangs können am Anfang der Strecke dagegen
sehr schlecht sein. Es ist daher auch vorgeschlagen worden, einen Teil des erzeugten
Dampfes durch Pumpen in den Rohranfang zuriickzuleiten, um vom Anfang des Wärmeaustauschers
an eine hohe Strowlun,sgeschwindigkeit zu gewährleisten. Durch diese Maßnahme konnte
der Wärmedurchgang solcher Verdampfer erheblich verbessert werden.
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Diese Erfindung betrifft die Vorrichtung, durch welche der Dampf innerhalb
des Wärmeaustauschers zurückgeführt werden kann.
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Dadurch können sowohl bei großen als auch bei kleinen Kälteanlagen
beträchtliche Ersparnisse erzielt werden. Anlagen mit besonderen Pumpen sind teuer,
kompliziert und störanfällig, zumal auch sehr große Dampfvolumina gefördert werden
müssen. In vielen Fällen, besonders bei Kleinanlagen wie Kühlschränken und Kühltruhen
und bei mittleren Anlagen wird die Verwendung einer Umlaufpumpe fiir den Dampf stets
unwirtschaftlich bleiben, da durch eine solche Einrichtung, durch die nur wenige
Blech- oder Rohrteile eingespart werden können, die Kälteanlage als Ganzes verteuert
wird.
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In älteren Erfindungen ist vorgeschlagen worden, die Energie aus dem
Druckgefälle des flüssigen Kältemittels, das im Einspritzventil
durch
Drosselung vernichtet wird, in irgendeiner Weise zurfickzugewinnen. Wegensdes geringen
Plfissigkeitsvolumens ist die rtickgewinnbare Energie jedoch so gering, daß sich
die Aufwendungen für mechanisch arbeitende Vorrichtungen in der Regel nicht lohnten.
In einigen Pällen hat es sich jedoch gezeigt, daß man diese Energiereserve ausnutzen
kann. Mit dem hochgespannten Kältemittel als Treibmittel wird ein kleiner Dmpfstrahlverdichter
betrieben.
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Man kann mit diesem Strahlverdichter ein noch niedrigereres Vakuum
als der eigentliche Kältekompressor erzeugen, wenn auch die dabei angesaugte Menge
vergleichsweise geringer als die Treibmitteolmenge ist0 So entsteht ein zusätzlicher
Kältekreislauf, mit dem eine kleine Kälteleistung bei tieferer Temperatur als die
übrige Kältemaschine erreicht, erzeugt werden kann. Die genannte Betriebsart ist
auch in der kältetechnischen Literatur ausführlich beschrieben worden.
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Erfindungsgemäß soll der Entspannungsvörgang des Kältemittels ebenfalls
mit einem Strahlsauger durchgeführt werden wobei der Dampfstarhlsauger jedoch die
Aufgabe hat, Kältemittel im Kreislauf durch das Verdampfersystem zu führen. Eine
eigentliche Kompression soll dabei nicht stattfinden, vielmehr ist ein Dampf-Flüssigkeitsgemisch
von hoher Geschwindigkeit zu erzeugen.
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Als Beisr)iel wird mit Bild 1 eine Ausfihrung eines Einspritzventils,
das erfindungsgemäß mit einem Dampfstrahlsauger kombiniel s/urde, angegeben. Bei
der Verschraubung 1 triit das flüssige Kältemittel von der Hochdurckseite der Kälteanlage
ein. Es kann bei geöffnetem Kegelventil 2 in der nachfolgenden erweiterten Treibdüse
3 teilweise verdampfen, da der Druck in der Erweiterung der Treibdüse unter dem
Sättigungsdruck der Flüssigkeit liegt.
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Durch den Entspannungsvorgang wird das Kältemittel auf eine hohe Geschwindigkeit,
die über der Schallgeschwindigkeit des Zweiphasengemischs liegen kann, beschleunigt
und tritt so aus der treibdüse aus. Das Rohrstück 4 sowie der anschließende Teil
der folgenden Rohrleitung dienen als Misch- und Impulsaustauschstre cke l-'iRr den
Kältemitteldampf, der durch den Umlaufstutzen 5 eintritt. Durch den Sog des Treibstrahls
entsteht im Stutzen 5 ein Unterdruck, womit ein Kreislauf durch das Verdampfungssystem
aufrechterhslten wird.
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Dss Gefäß 6 ist mit einer Flüssigkeit gefüllt, die nach Ausdehnung
iiber die Leitung 7 die Wellmembran 8 betätigt und durch Verschieben des Kegels
9 den Zutritt des Kältemittels durch Ventil 2 zum Kühlsystem freigibt. Das Ausdehnungsgefäß
6 befindet sich in an sich bekannter Weise an geeigneter Stelle des Kältemittelskreislaufs,
gleicht sich der dortigen Temperatur an und regelt so die Kältemittelmenge, die
in den Verdampfer ein tritt.
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Statt eines in der im Beispiel angegebenen Form als Einheit gebauten
Einspritzventils kann dieselbe Wirkung auch durch getrennte Anordnung des Einpritzventils,
das dann nur noch zu Regelzwekene dient, und des Dampfstrahlsaugers erzielt werden.
Dabei kann der Strahlapparat sowohl in der kombinierten als auch in der getrennten
Ausführung insbesondere für Kälteanlagen hoher Leistung nach strömungstechnischen
Gesichtspunkten ausgebildet werden0 In solchen an sich bekannten Strahlaparaten
ist die Mischkammer besonders erweitert und ie anschließende Mischs-trecke in Form
eine- Venturidüse ausgeführt, wobei für Dampfstrahlsauger sehr komplizierte Gesetzmäßigkeiten
gelten. In kleinen Anlagen wird jedoch die einfache zylindrische Form fast immer
ausreichen.
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Es kann erwünscht sein, wenn dem Kältemittel vor Eintritt in die Treibdüse
des Strahlsaugers zusätzlich durch die Umgebung temperatur oder durch eine Beheizung
Wärme zugeführt wird. Dadurch verdampft vbereits Kältemittel in der Leitung und
die Geschwindigkeit des aus der Treibdüse 3 austretenden Strahls läßt sich beträchtlich
steigern. Die Ursachen hierfür sind einerseits der höhere Volumendurchsatz bei fast
gleichbleibendem Massenstrom durch die Treibdüse, andererseits knnn die Dampfblasenbilding
bereits in der engsten Stelle der Treibdüse ohne Verzögerung einsetzen. Auch eine
l,rwärmung ohne Blasenbildung in der Zuleitung knnn im gleichen Sinne wirken. Durch
die größere Strahlgeschwindigkeit lcißt sich die Geschwindigkeit des umlaufenden
Kältemitteldampfes erhöhen, es lassen sich höhere Druckverluste Der winden und die
Wärmeübertragung kann, wenn auch auf Kosten der Kälteleistung, weiter verbessert
werden.