DE2250101A1 - Kuehlanlage - Google Patents

Description

Patentanwälte ttÖU IU J

Dr. Gerhard KPNKEL

757 Badsn-Ba-l^r.-Bdls

Di;: 1.-IPgR-M. KEEN

Dr. Lothar 1''EILER
8 Manchen 90, Eduard-Selimid-ßtr. 2

Nederlandse Organisatie voor Toegepast-Natuurwetenschappelijk Onderzoek ten behoeve van Nijverheid, Handel en Verkeer Den Haag ^/ Niederlande

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Kühlanlage

Gegenstand, der Erfindung ist eine Kühlanlage, die einen Kondensator, einen Verdampfer und einen Zentrifugalkomjjressor mit oiner Vorrichtung zur Regelung der Druck- und Volumjkapazität umfaßt. ·

Für dergleichen bekannte Anlagen wird der Kompressor in solcher weise entworfen, daß dieser den Höchstanforderunjen der Kühlanlage in bezug auf die Druckkapazität und die

en
Volum|capazitat genügt.

Bei Teillast kann die erforderliche Herabsetzung der Druckkapazität beispielsweise mittels eines Drosselventils im Kompressoreintritt oder durch Anwendung regelbarer Vorrotationssciiaufein im Kompressoreintritt, die reagieren auf einen Temperaturfühler in 'dem zu kühlenden Raum, erzielt v/erden. Letzteres ist zwar komplizierter als das Drosselventil, hat demgegenüber jedoch den Vorteil, daß geringere

en EnergieVerluste entstehen. Die zulassige Volumjkapazität des Kompressors ist jedoch durch das Auftreten von "surge" an einen I.Iindestwert gebunden. Diese unbeständigen Betriebsverhältnisse sind im allgemeinen nicht zulässig und v/erden durch Anbringung eines sogenannten Umlaufventils

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an der Regelvorrichtung, wodurch, ein Teil des Kühlgases vom Korapressorauslauf zum Kompressoreintritt zurückgeführt wird, vermieden.

Für. viele Kühlanlage-ΛηWendungen, bei denen die erforderliche Druckkapazität bei Teillast ivesentlich niedriger ist als bei Vollast, besteht ein groper Nachteil dieser Hegelmethoden darin, daß die dabei auftretenden Druckverluste, besonders im Falle eines Drosselventils, das benötigte Kompressorvermögen bei Teillast nachteilig beeinflussen, wenn die KÜhlhöchstkapazität, also bei Vollast, nur gelegentlich vorkommt, so erreicht der durchschnittliche Energieverbrauch wahrend der ganzen Betriebsdauer einen unerwünscht hohen V/ert.

Die Hauptursache für die Verschlechterung des UnergieverbrauchG bei Teillast ist, dap die durch, den Zentrifugalkompressor je Gewichtseinheit Gas übertragene Energie bei konstanter Tourenzahl wenig variabel ist. Hierdurch bleibt diese übertragene Energie auf einem Niveau, der für niedrigere Druckkapazität höher ist als notwendig.

Zweck der Erfindung ist' nun, eine wesentliche Herabsetzung des durchschnittlichen Energieverbrauchs einer Kühlanlage, mit einora bei konstanter Tourenzahl angetriebenen Zentrifugalkompressor zu erzielen, dadurch daß man den Kompressor derart dimensioniert, dap bei durchschnittlichen Betriebsverhältnissen der ./ert der Druckkapazität bedeutend niedriger ist als der benötigte Höchstwert.

Die Erfindung wird dadurch gekennzeichnet, dap in einer Kühlanlage vom oben angegebenen Typ der Kompressor eine Kombination eines Zentrifugalkompressors von einer an sich für die betreffende Kühlanlage ungenügendαϊ Kapazität und eines an sich bekannten Flüssigkeitsbänder-Kompressors ist, dadurch, dap dio Schaufeln des Zentrifugalkompressors mit Strahlkanälen verseilen sind, die einerseits in spaltförmigo Öffnungen ausmünden, die in den üchaufelspitzen angebracht sind und andererseits mit einer zentralen Flüssigkeitszufuhr in Verbindung stehen, die inib einer Durclifluf regelvorrichtung versehen ist, und das; Genäuse des Kompressors

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übrigens gebildet? ist wie bei einem S Koiapressor und mit einem Flüssigkej^gbejaältej? ist,

iiin Flüssigkeitsbänder-IvQmpressQr ist ein schon lange bekannter Koiiipressortyp, der in den letzten Jahren wieder die Aufmerksamkeit auf sich gezogen hat* Jär begteht im allgemeinen aus einem angetriebenen Rotor, versehen mit einer zentralen Flüssigkeitszufuhr und einer Anzahl *spaltfb*rmiger Flüssigkeitsaustrittsoffmingen, welcher .Rotor umgeben ist durch ein in bezug auf den Rotor in radialer Richtung lang gedehntes Gehäuse mit 2 nahezu parallelen Wänden und mit einer zentralen Luftzufuhr und einem an der Peripherie der Wände gelegenen Flüssigkeitsauffangteil, der mit einem Flüssigkeitsbehälter und einem G-asaustritt verbunden ist»

Bei einem Flüssigkeitsbänder-ILonipressor kann die dem Gas übertragene Bnergie variiert werden durch !Regelung des Flüssigkeitsstroms zum Rotor, welche Ilegelung im Falle einer Kühlanlage durch einen Temperaturfühler in dem zu kühlenden Kaum gesteuert werden kann.

Beim Betrieb der Anlage gemäp der ai)rfindun_t ^r· wird bis eine bestimmte 'feillast der kühlanlage die Flüssigkeitüzufuhr zu den ütrahlkanälen geschlossen gehalten und es arbeitet der Kompressor als konventioneller adiabatischer Zentrifugalkompressor, wobei in an sich bekannter Weise

en ..
die j'Jruck- und Volumlkapazitat durch die vorhandene Eoi:olvorrichtung auf die durch das Kühlsystem bei der Teillast verlangten .\erte eingestellt werden; über eine bestimmte Teillast wird die Flüssigkeitszufuhr zu den ütralilkanälon teilweise bis völlig geöffnet und/arbeitet der kompressor zugleich als Flüssigkeitsbäiiderkompressor, wobei die j)ruckkapazität und die VoluJkapazität des Kompressors mit Hilfe der Durchfluftregelung geregelt werden.

Mo Anmeldr-rin* . hat zwar eher ein Pat ent ge such öiiigöreicht (No. P 22.3 ..023.8 BRD) für einen >j<mtrifugulkoiriproGsor versehen iiiit einem angetriebenen liotor j.rjt feston ;jcnmfein, die zum Uwrip des liotors hin in

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bezug auf dessen Drehrichtung nach vorn gebeugt sind, wobei zur Bildung der Flüssigkeitsbänder in den festen Schaufeln Strahlkanäle angebracht sind, aber diese Konstruktion dient dazu, um das ungünstige Regelverhalten eines Zentrifugalkompre^sors mit nach vorne gebeugten festen Schaufeln zu verbessern. Der Zentrifugalkompressor mit in der Drelirichtung nach vorne gebeugten Schaufeln ist an sich nicht für Anwendung als Kompressor in einer Kühlanlage geeignet.

Als Flüssigkeit für die Speisung der Flüssigkeitsbänder kommt grundsätzlich jede Flüssigkeit in Frage. Bei Verwendung/nicht mit der Kühlflüssigkeit der Kühlanlage homogen mischbaren Flüssigkeiten (wie beispielsweise Wasser) soll man für eine sehr gute Abtrennung zwischen komprimiertem gasförmigem Kühlmedium und Flüssigkeit Borge tragen.

Vorteilhaft gebraucht man als Bänderflüssigkeit ein ül vom Typ, der zum Abschrnieren von Kompressorteilen in den Handel gebracht wird. , .

In diesem öl löst sich ein bestimmter Prozentsatz des Kühlmittels auf. Je nach der konkreten Ausführung -der Anlage kann dies zu Schwierigkeiten führen. In solchen Fällen kann es nützlich sein, das ülkühlmittelgemisch vor Eintritt in die Strahlkanäle ein Kühlexpansionsfaß passieren zu lassen, so dap das in dem O'l aufgelöste Kühlmittel verdampfen kann.

Auch kann man sehr gut von der Kühlflüssigkeit selber als Speisung der Flüssigkeitsbänder Gebrauch machen. In diesem Falle ist der Flüssigkeitsbehälter direkt mit dem Kondenaatoreintritt verbunden. Auch hier kann je nach den übrigen Umständen, Anwendung eines Kühlexpansionsfaoces in der Zufuhr der Flüssigkeit zu den Strahlkanälon von Bedeutung sein. Die Flüssigkeit kann nämlich beim Austritt aus den Strahlkanälen zu sieden anfangen, was die .Wirkung der Flüssigkeitsbänder vermindern würde.

Der iiachteil, dap die Flüssigkeit zu sieden neigen könnte, wäre durch dia Verwendung von Kühlflüssigkeit aus dem Verdampfer zu vermeiden, weil der Danvpf druck* am Umrif des liotors höher ist als der Sättigungsdruck bei der

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Verdampfertemperatür. Der Nachteil davon ist aber eine Zunahme des benötigten Kompressiönsvermogens, dadurch» daß für die Kühlung der Kühlflüssigkeit von der Kondensatorzur Verdampfertemperatur, durch Verdampfung eines Teiles der Kühlflüssigkeit, eine extra Menge' Kühlgas entsteht, die vom Kompressor verarbeitet werden muß*

Es sei bemerkt, daß in der amerikanischen Patentschrift .Hummer 2*935·2^5 ein Ventilator beschrieben ist ^ der mit einem Schaufelrad mit nach hinten gebeugten Schaufeln versehen ist, worin nahe bei deren Hinterrand Spalte angebracht sind, durch die ein vorkomprimiertes Gas getrieben wird*

Durch Hegelung dieser sekundären Zufuhr wird der 7/irkungsgrad des Ventilators bestimmt.

Ein Nachteil dieser Regelung ist aber die Notwendigkeit, die Anlage mit einem Hilfskompressor für das Vorkomprimieren der sekundären Gaszufuhr zu versehen. Auper dem offensichtlichen Nachteil der erhöhten Instailätiohskosten ergeben sich noch Probleme in bezug auf. die iiegelung dieses Kompressors, wodurch das Regelproblem, in der Hauptsache, von dem primären zum sekundären Kompressor verschoben wird.

Der Kompressor gemäß der Erfindung vermeidet diese Probleme vollkommen; der Druckunterschied zwischen Kompressoreintritt und Kompressorauslauf reicht aus, um diö Zufuhr von Flüssigkeit zum Eotor zu bewerkstelligen, wodurch sogar der Gebrauch einer extra Pumpe sich erübrigt*

Der verbesserte Energieverbrauch bei niederen Teillasten ist bei der Anlage gemäß der Erfindung die Folge einer niedrigeren Druckhochstkapazitat bei Betrieb als konventioneller Kompressor. Hierdurch ist die Herabsetzung der Druckkapazität bei einer bestimmten Teillast geringer, was die Druckverluste beschränkt und den Energieverbrauch günstiger gestaltet. Bei hohen Teillasten nimmt der Nutzeffekt der Kompression ab, je nachdem/die über die Flüssigkeitsbänder übertragene Energie zunimmt. Falls aber, wie dies in der Praxis oft der Fall ist, die Betriebsdauer unter der Bedingung hoher Teillasten kurz ist,

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übt die dabei auftretend«* iMiShüni dJäft bSniMölöÄ &81-pressionsveriiiögens wenig Sinfliiß aiii aiii äüielieöiiäiii-tf= liehen Energieverbrauch äüs'i

Die Erfindung wird anhand elMör Zeiölilülf iitiiir' erläutert* Darin zeigt

Figur 1 schematisch eine Abbllduiig öinör" lliniifiiäe©" der Erfindung, wobei die Flüsigkeit sBikiSif 1Ü ISr" kühlflüssigkeit selber gespeist werden UM Figur 2 eiiie "Vorderansicht des Itei-tjärsi

In der Figur ist Λ ein KÜhlkompresabr, dessen Gehäuse einen Rotor 3 umgibt± der auf einer Achse 4 angebracht ist und über eine iüippiung 5 durch einen Elektromotor 6 angetrieben vd.rd« Der Rotor 3 ist mit Schaufeln 7 versehen, wodurch Kühlgas über den Koniprcssoreintritt 8 angesaugt werden kann* Die üchaufeln sind äußerlich alc die eines konventionellen adiabatischen Kompressors und von innen hohl ausgeführt uli in dieser .'/eise Strahlkanäle zu bilden, die in spaltformige öffnungen % die in den üchaufelspitzen angebracht silid In den Kompressoreintritt 8 sind regelbar^ schaufeln 10 angebracht, die Über ein zu d®*i&r" ^.chaufel gehörendes Zalmrad 11 und ein gemeinschaftlibhös Hilierad 12 mit einer nicht in der l'igur dargesteiitöii Hegel= vorrichtung verbunden sind* Der Piaum, ihhörhaib dessen die Flüssigkeitsschaufeln gebildet werden üM diö h&i geschlossener Flüssigkeitszufuhr als sehaufiiiöööi' Diffüsörraum des dann konventionell arbeiteiideii KbtfipressOiii fungiert, wird durch die ',/ände 13 und ^4 begreiläti

Das verdichtete Kühlgas wird über Kompressörauslöuf 15 und Leitung 16, welche zur Abfuhr von Flüssigkeit und Gas dient, zum Kondensator 1? geführt und da kondensiert. Die Kühlflüssigkeit wird dann über Leitung 18, Expansionsventil 19 und Leitung 20 zum Verdampfer geführt, v/o unter V/ärmeaufnahae Verdampfung der Kühlflüssigkeit stattfindet, tfber eine Leitung 22 wird das in dem VordaEipfer entstandene Kühlgas zum Kompressoreintritt geführt. ' ■ ■ '

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Über den Auslauf des Kondensators 17 wird die Kühlflüssigkeit durch Leitunn 23, worin ein Regelventil 24- und ein ICxpanslonskühlfaj^auf genommen sind, zum Flüssigkeitszufuhrrohr 26 geführt, v/elche/mit den Strahlkanälen in dem Eotor 3 verbunden ist. Das Expansionskühlfaß 25 ist über eine Leitung 27 / Leitung 22 angeschlossen für die Abfuhr des im Expansionskühlfaß entstandenen Kühlgases· Der Flüssigkeitsbehälter 28 ist über Leitung 29 und Leitung 16 direkt mit dem Kondensator 17 verbunden.

Die in diesem Patentgesuch umschriebene Kühlanlage kann vorteilhaft Verwendung finden in Klima-anlagen, Wärmepumpen und dergleichen·

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Claims (3)

1. PATiflTTAHSPRÜCIIHl ' 2250101

   kühlanlage, die einen Kondensator, einen Verdampfer und "einen Zentrifugalkompressor umfaßt, mit geraden oder in der Drehrichtung nach hinten gebeugten festen Schaufeln und einer Vorrichtung zur Kegelung der Druck- und Volumkapazität, dadurch gekennzeichnet, dap der Kompressor eine Kombination eines Zentrifugalkompressors von einer an sich für die betreffende Kühlanlage ungenügenden Kapazität und eines an sich bekannten Flüssigkeitsbänder-Kompressors ist, dadurch, daß die Schaufeln des Zentrifugalkompressors mit ßtrahlkanälen versehen sind, die einerseits in spaltförmige öffnungen ausmünden, die in den Schaufelspitzen angebracht sind und andererseits mit einer zentralen Flüssigkeitszufuhr in Verbindung stehen, die mit einer DurchfluRregelvorrichtung versehen ist, und das Gehäuse des Kompressors _s übrigens gebildet ist wie bei einem Flüssigkeitsbänder-Kompressor und mit einem Flüssigkeitsbehälter verbunden ist.
2. 2. Kühlanlage nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in die Flüssigkeitszufuhr der Strahlkanäle ein Külilexpansionafaf: aufgenommen ist.
3. 3. Arbeitsverfahren für den Betrieb einer Kühlanlage nach Patentanspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dap bis eine bestimmte Teillast der AnInge bei einer durch die Durchflußrejelvorrichtung abgeschlossenen Flüssigkeitszufuhr zu den otrahlkanälen, mittels der an sich bekannten Ilegel vorrichtung für die Druckkapazität und dazu gehörenden Voluinkapaaiüät des Kompressors diese Eigenschaften auf ./erte eingestellt v/erden, dio den von dem Kühlsystem bei Teillast verlangten ..'orten entsprechen; und dap über eine bestimmte Teillast der Anlage bei teilweise bis völlig geöffneter Flüssigkeitszufuhr zu den Cibrahlkanälen, die

   en .Druckkapazitut und dazu gehorenue Volura^apazitat des

   mit Hilfe der Durchfluß- re; ,'ölvorrichtung auf einen './ert eingesbcllt werden, der sclr./anlien lcann av/i:;clien dun ua:-:imal mittela des Scntrifu{>''l koui..)rcuüors z\x o:r:-;it)londen und den bei Vollast durch das

   Ü vorlan,:un .,orten.

   BAD ORIGINAL 309816/0894»

   L e ö r s e ί t e