DE2261336A1 - Kuehlanlage mit einem aussenachsigen drehkolbenverdichter mit schraubenfoermig ineinander eingreifenden maennlichen und weiblichen rotoren - Google Patents

Kuehlanlage mit einem aussenachsigen drehkolbenverdichter mit schraubenfoermig ineinander eingreifenden maennlichen und weiblichen rotoren

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Description

Patentanwälte Dipl.-Ing. W. Beyer Dipl.-Wirtsch.-Ing.B.Jochem
Frankfurt am Main Freiherr-vom-Stein-Str.
In Sachen:
Svenska Hotor Maskiner
Aktiebolag
Kühlanlage mit einem außenachsigen Drehkolbenverdichter mit schraubenförmig ineinander eingreifenden männlichen und weiblichen Rotoren.
Die Erfindung betrifft eine Kühlanlage mit einem Kältemittelumlaufsystem, das einen außenachsigen Drehkolbenverdichter mit schraubenförmig ineinandergreifenden männlichen und-weiblichen Rotoren, einen Kondensator, einen Verdampfer sowie Mittel zur Umwälzung von Öl und zur Einspritzung dieses Öls in die Kompressionsräume des Verdichters unter Anordnung eines Ölabscheiders zwischen dem Verdichterauslaß und dem Kondensatoreinlaß enthält.
Bei Kühlanlagen der vorgenannten Art erfolgt die Einspritzung des Öls in die Kompressionsräume des Verdichters zum Kühlen des gasförmigen Kältemittels während der Verdichtung und zum Abdichten der Spalte am Eingriff zwischen den Rotoren und am Umfang und den Endflächen der Rotoren. Ferner dient bei Verdichtern, deren Rotoren nicht synchronisiert sind, das öl zu deren Schmierung.
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Nach Verlassen des Verdichters hat das öl eine ziemlich hohe Temperatur und muß deshalb gekühlt werden, bevor es erneut in den Verdichter eingespritzt wird. Bisher wurde diese Kühlung für gewöhnlich in einem beispielsweise mit Wasser als Kühlmittel arbeitenden ölkühler vorgenommen. Aufgrund der Tatsache, daß dabei nroßc Würmcmonßon aus dom öl abzuführen nind, fallen diese ölkühler verhältnismäßig groß aus. Ferner muß der Kühler, wenn als Kältemittel Ammoniak verwendet wird, aus Stahl bestehen, was seine Herstellung teuer macht.
Es ist bereits vorgeschlagen worden, flüssiges Kältemittel als Kühlmedium durch Einleitung in den Kompressor der Kühlanlage zu verwenden. Einige dieser bekannten Vorschläge stellen Versuche dar, die gewünschte Kühlung des verdichteten Gases ohne Verwendung von öl zu erreichen, während andere Vorschläge darauf abzielen, spezielle Probleme im Betrieb bestimmter Arten von Kältemittelverdichtern zu lösen. Flüssiges Kältemittel besitzt jedoch sehr geringe Dicht- und Schmiereigenschaften, so daß sich der Ersatz von öl durch Kältemittel bei Drehkolbenverdichtern mit schraubenförmig ineinandergreifenden männlichen und weiblichen Rotoren als wenig erfolgreich erwiesen hat.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Kühlanlage der eingangs genannten Art so weiterzubilden, daß ohne Beeinträchtigung der Dicht- und Schmierwirkung im Drehkolbenverdichter auf einen großräumigen ölkühler verzichtet werden kann. Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch eine Einrichtung zur steuerbaren Einleitung von flüssigem Kältemittel in einen Abschnitt des Umlaufsystems zwischen den
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Einlassen des Verdichters und des Ölabscheiders derart, daß die Temperatur im Ölabscheider auf einem nur geringfügig oberhalb der Verflüssigungstemperatur des Kältemittels herrschenden Druck gehalten, jedoch am Abfallen auf diese Verflüssigungstemperatur gehindert wird·
Vorzugsweise ist dabei die erfindungsgemäße Einrichtung derart ausgebildet, daß die Temperatur im Ölabscheider auf einem um 5°G bis 15° C höheren Niveau als die Verflüssigungstemperatur des Kältemittels gehalten wird.-
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung zeichnet sich aus durch erste Mittel, die auf mindestens einen die Differenz zwischen den Temperaturen im Ölabscheider und im Kondensator anzeigenden Parameter ansprechen, einstellbare ,weitere Mittel zur Veränderung der in dem-zwischen den Einlassen des Verdichters und des ölseparators gelegenen Abschnitt des Umlaufsystems eingeleiteten Menge an flüssigem Kältemittel sowie die auf den Temperaturunterschied ansprechenden Mittel mit den einstellbaren weiteren Mitteln verbindende dritte Mittel zur Steuerung der einstellbaren weiteren Mittel derart, daß^ die erwähnte Temperaturdifferenz kleingehalten, jedoch am Abfallen auf Null gehindert wird.
Das Öl muß aus dem Gas entfernt werden, bevor das Gas in den Kondensator eintritt, weil vom gasförmigen Kältemittel mitgenommenes Öl sich dort eventuell ansammeln würde. Wenn andererseits flüssiges · Kältemittel von dem gasförmigen Kältemittel im ölabscheider zusammen mit dem öl abgeschieden würde, dann würde dies zu schweren Störungen und sogar
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dem Ausfallen der gesamten Anlage wegen der Verdampfung des flüssigen Kältemittels innerhalb der ölpumpe und den Lagern des Drehkolbenverdichters führen, die durch einen Teil des die Pumpe passierenden Öls unter Druck geschmiert werden· Aufgrund der hohen Betriebsdrücke der Kältemittelverdichter und des verhältnismäßig kleinen Abstandes zwischen den Rotorwellen müssen die Radiallager als Gleitlager ausgeführt sein und erfordern deshalb eine vollendete Schmierung.
Aus den vorstehenden Gründen muß das Gas daran gehindert werden, im ölabscheider zu kondensieren. Andererseits ist es erwünscht, die Temperatur des Öls so weit wie möglich zu senken, um die Kühlwirkung des Öls, wenn es in den Verdichter eingespritzt wird, zu steigern. Die Erfindung macht es möglich, die gewünschte niedrige öltemperatur ohne die Verwendung eines besonderen ölkühlers zu erhalten, während sie gleichzeitig der Gefahr einer Kondensation des gasförmigen Kältemittels innerhalb des ölabscheiders begegnet.
Die Erfindung wird nachstehend in Verbindung mit zwei in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 in schematischer Darstellung eine erste Ausführungsform einer Kühlanlage gemäß der Erfindung,
Fig. 2 eine in Fig. Λ nur schematisch dargestellte Einzelheit in deren genauerem Aufbau, und
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Fig. 3 eine abgeänderte Ausführungsform einer Kühlanlage gemäß der Erfindung·
Die in der Zeichnung dargestellte Kühlanlage hält ein Kältemittelumlaufsystem mit einem Verdichter 10, der ein außenachsiger Drehkolbenverdichter mit schraubenförmig ineinandergreifenden männlichen und weiblichen Rotoren ist, einem Kondensator 12 und einem Verdampfer 14. Bei den dargestellten Ausführungsbeispielen ist ein Kondensator 12 der Bauart verwendet, bei welchem das Kältemittel gerade Rohre durchströmt, die sich zwischen Sammelräumen an den Enden eines vorzugsweise zylindrischen Gehäuses erstrecken, welches die Rohre ummantelt und durch welches Kühlwasser in bekannter Weise geleitet wird. Der Verdampfer 14 ist in einer Kühlkammer 16 angeordnet, und dem Verdampfer wird flüssiges Kältemittel durch eine Leitung 18 über ein Entspannungsventil 20 zugeleitet, das in bekannter Weise in Abhängigkeit von der Temperatur in der Kühlkammer 16 gesteuert · wird.
Der Verdichter 10 ist in bekannter Weise mit Düsen zum Einspritzen von Dicht- und Kühlflüssigkeit versehen· Mit Hilfe dieser Düsen wird durch eine Leitung 22 zugeführtes Öl in die Kompressionsräume des Verdichters zum Dichten und Kühlen eingespritzt und verläßt den Verdichter zusammen mit dem dampfförmigen Kältemittel durch eine Leitung 24, die zu einem ölabscheider 26 geeigneter Art führt. Der unter hohem Druck stehende ölfreie Kältemitteldampf strömt durch eine Leitung 28 zu dem Kondensator 12, wo er kondensiert, während das öl aus dem ölabscheider 26 durch eine Pumpe 30 abgesaugt und in die Leitung 22 gedrückt wird, die an den Auslaß der Pumpe angeschlossen ist.
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Gemäß der Erfindung ist zwischen dem Auslaß des Kondensators 12 und dem Verdichter 10 eine Leitung 32 angeordnet. Der Verdichter 10 besitzt ferner mindestens eine Düse, die an die Leitung 32 angeschlossen und derart im Verdichter angeordnet ist, daß das hierdurch eingespritzte flüssige Kältemittel in die Kompressionsräume des Verdichters gelangt, bevor der Druck in diesen Räumen, den Auslaßdruck des Verdichters erreicht hat. Auf diese Weise wird der Druck des flüssigen Kältemittels zu dessen Einspritzung in die Kompressionskammern gegen den darin während dieser Verdichtungsstufe herrschenden Druck ausreichen.
In der Leitung 32 ist ein Bemessungsventil 33 angeordnet, das durch eine Stelleinrichtung 34- verstellbar ist. Die Stelleinrichtung 34- wird durch ein Thermoelementenpaar gesteuert, dessen eine Verbindungsstelle 35 am Einlaß des ölabscheiders 26 angeordnet und der Temperatur des in den Ölabscheider eintretenden kompressierten Kältemittels ausgesetzt ist, während die zweite Verbindungsstelle 36 des Thermoelementenpaares im Kondensator 12 angeordnet ist. Die Stelleinrichtung 34 enthält Mittel zur Umwandlung des von dem Thermoelementenpaar hervorgerufenen Stromes in Stellkräfte zur Betätigung des Bemessungsventils 33 dergestalt, daß bei zunehmender Temperaturdifferenz zwischen den Verbindungsstellen 35 und 36 das Ventil 33 in Öffnungerichtung und bei abnehmender Temperaturdifferenz in Schließrichtung verstellt wird. Auf diese Weise ist es möglich, die Temperaturdifferenz im wesentlichen konstant und auf einen Wert von etwa beispielsweise 5-15 zu halten. Somit liegt die Temperatur im ölabscheider 26 ungeachtet der Kondensationstemperatur des gasförmigen Kältemittels etwas höher, so daß
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keine Verflüssigung im Ölabscheider auftreten kann. Weiterhin ist die Temperatur des den Ölabscheider durch die Leitung 22 verlassenden Öls ebenfalls nur geringfügig höher als die Kondensationstemperatur, was zu einer größtmöglichen Kühlwirkung führt, "wenn das Öl in den Verdichter eingespritzt wird.
Die Kapazität des. Drehkolbenverdichters ist weiterhin in bekannter Weise durch einen in der Mantelwandung seiner Arbeitskammer angeordneten Schieber regelbar, so daß die Temperatur in der Kühlkammer in bekannter Weise selbsttätig auf einer im wesentlichen konstanten Hqhe gehalten werden kann. Bei der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsform ist dieser Schieber durch einen hydraulischen Servomotor J8 verstellbar.
Wenn die Temperatur in der Kühlkammer 16 auf einen Wert -unterhalb des gewünschten Wertes abzusinken neigt, wird der Schieber so verstellt, daß die Kapazität des Kompressors abnimmt. Diese Kapazitätsverminderung führt zu einer Herabsetzung der Kompressionsarbeit und folglich auch des Kühlbedarfs im Verdichter. Die Drehzahl der Ölpumpe wird jedoch nicht gleichzeitig vermindert, und demgemäß bleibt die eingespritzte Ölmenge ungeändert. Ferner ist bei Teillast der'Gegendruck im Kompressor an der Stelle der Kondensateinspritzung geringer als der· Druck bei Vollast, und deshalb nimmt die Menge an eingespritztem Kondensat zunächst zu. Aus diesen Gründen wird die Äuslaßtemper'atur des Verdichters zunächst abfallen, bevor der Druck im Hochdruckteil des Umlaufsystems den etwas geringeren Wert angenommen hat, der sich als Folge der vorminderten Kapazität des Verdichters ergibt. Es leuchtet ein,
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daß auf diesem Wege die Gefahr besteht, daß die Temperatur im ölabscheider 26 vorübergehend auf die Kondensationstemperatur des Kältemittels sinkt.
Um diese Gefahr auszuschalten, erstreckt sich die Kolbenstange 40 des Servomotors $8 auch durch das dem Verdichter abgewendete Ende des Servomotors nach außen und trägt dort eine Steuerkurve 42, die mit einem Kurvenabgriffsglied 44 im Zwanglauf zusammenwirkt, welches wiederum mit der Stelleinrichtung 34 verbunden ist. Wenn sich die Steuerkurve 42 aus der in Pig. 1 gezeigten und der vollen Kapazität des Schiebers entsprechenden Stellung nach rechts verschoben wird, so daß der Schieber auf Teillast verstellt wird, betätigt das Kurvenabgriffsglied 44 die Stelleinrichtung 34 und voranlaßt diese, das Bemessungsventil 33 in Schließrichtung zu verstellen, so daß die eingespritzte Kondensatmenge vermindert wird.
Die Steuerkurve 24 kann so gestaltet sein, daß sie für jede Stellung des Schiebers im Drehkolbenverdichter eine vorläufige spezifische Einstellung des Bemessungsventils 33 bewirkt, in welcher die Zufuhr an Kondensat zum Verdichter ausreicht, um die Temperatur des verdichteten Gases auf einem Niveau höher als die Verflüssigungs- und Kondensationstemperatur des gasförmigen Kältemittels als dem im Hochdruckabschnitt des Umlaufsystems herrschenden Druck zu halten, wenn die Anlage in der gegenwärtigen Stellung des Schiebers unter Dauerzustandsbedingungen arbeitet. Es verdient Beachtung, daß die mit einer unnötig hohen Temperatur im ölabscheider verknüpften Nachteile kleiner sind als jene, die vom Kondensieren herrühren, und es ist deshalb das Bemessungsventil 33 derart gesteuert,
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daß bei allen Änderungen der Kapazität des Verdichters die Temperatur im Ölabscheider ausreichend über der Kondensationstemperatur während der Übergangsperioden zwischen den verschiedenen 'Verdichterkapazitäten gehalten wird. Sowie dann der Dauerzustand erreicht ist, stellen das Thermoelementenpaar 35» 36 und die Stelleinrichtung 34- sicher, daß die Temperatur im ölabscheider 26 nur 5 bis. 15° höher als die Kondensationstemperatur liegt.
Die Stelleinrichtung 34· ist in ihren Einzelheiten, jedoch wiederum schematisch in Pig. 2 gezeigt. Gemäß der dortigen Darstellung sind die beiden von dem Thermoelementenpaar 35, 36 ausgehenden Leitungen an ein Steuergerät 52 angeschlossen, das dazu dient, einen Elektromotor 54- mit Strom zu versorgen, um diesen in der einen oder anderen Richtung in Abhängigkeit von dem von dem Thermoelementenpaar erhaltenen Signalen anzutreiben. Die Welle 56 des Motors trägt eine Schnecke 58, die in ein Schneckenrad 60 eingreift, das auf einer senkrecht zur Motorwelle 56 gerichteten Welle 62 angeordnet ist. Auf der Welle 62 befindet sich ferner ein Stirnzahnrad 64, das mit dem Schneckenrad 60 über eine Schlupfkupplung (nicht dargestellt) antriebsmäßig verbunden ist und in eine Zahnstange 66 eingreift. Diese Zahnstange 66 dient
zur Betätigung des Bemessungsventils 33·
An seinem oberen Ende trägt das Kurvenabgriffsglied 44- einen Kopf 68 mit einem Langloch 70, in welches ein am unteren Ende der Zahnstange 66 angeordneter Querstift 72 verschieblich eingreift. In den Figuren ist die Steuerkurve 42 in einer Stellung gezeigt, die der vollen Kapazität des Verdichters 10 entspricht. In dieser Stellung befindet sich der Querstift 72
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in geringem Abstand vom unteren Ende des Langlochs 70, so daß sich die Zahnstange 66 frei im Langloch 70 in beiden Richtungen in Abhängigkeit von den Signalen des Thermoelementenpaares 35» 36 zur Feineinstellung des Bemessungsventils 33 während des Dauerzustandes bewegen kann.
Wenn der Schieber des Verdichters nach rechts in Richtung einer Teilkapazitätstellung verschoben wird, wird das Kurvenabgriffsglied 4-4- angehoben und drückt die Zahnstange 66 nach oben. Eine solche Bewegung der Zahnstange 66 wird durch die Wirkung der Schlupfkupplung zwischen dem Stirnrad 64 und dem Schneckenrad 60 ermöglicht.
Wenn sich die Zahnstange 66 aufwärts bewegt, wird das Bemessungsventil 33 zunehmend geschlossen, so daß die Menge an eingespritztem flüssigen Kältemittel im wesentlichen proportional zur Abnahme der Kompressionsarbeit des Verdichters vermindert wird. Auf diese Weise wird die Temperatur des verdichteten Kältemittels davor bewahrt, während der Verstellbewegung des Schiebers im Verdichter 10 auf die Kondensationstemperatur abzufallen. Wenn die Temperatur in der Kühlkammer 16 sich dem gewünschten Wert nähert, wird die Schieberbewegung verlangsamt und schließlich beendet, und das Thermoelementenpaar 35» 36 übernimmt die Steuerung des Bemessungsventils 33 zur Peineinstellung der Temperatur im ölabscheider im Verhältnis zur Temperatur im Kondensator. Während des dadurch erhaltenen Dauerbetriebszustandes bei Teillast befindet sich der Querstift 22 nahe dem unteren Ende des Langloches 70.
Wenn später die Temperatur in der Kühlkammer 16 zum Ansteigen neigt, wird der Schieber im Verdichter
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veranlaßt, sich in Richtung auf volle Kapazität zu verstellen, und dan Kurvenabgriffrsglied 44 wird nach mi bon ßozogon. D.i. α fs ο Abwarbnbowogung orfolgb ο lino Mitnahme der Zahnstange 66,-weil eich das Langloch 70 gegenüber dem Querstift 72 frei nach unten bewegen kann. Das Boinossungsvcnbil 7yj verbleibt deshalb in seiner teilweise geschlossenen Stellung, bis das Thermoelementenpaar 35» 36 auf die ansteigende Temperatur- anspricht, und den Motor 54 veranlaßt, das Bemessungsventil 33 in. Öffnungsrichtung zu verstellen.
In I"ig. 3 ist eine nachstehend beschriebene Abände*- rung der Steuereinrichtung gezeigt. Gemäß dieser Abänderung wird das flüssige Kältemittel in die Auslaßleitung 54 des Verdichters 10 eingespritzt, wo der Druck etwas höher ist als der Druck im Kondensator. Zu diesem Zwecke ist eine Pumpe 74 vorgesehen, welche das vom Kondensator 12 kommende Kältemittel über eine Leitung 32A zugeführt wird. Die Pumpe 74 ist von der Bauart mit einem Rückstromsperrventil an ihrem Ausgang sowie Mitteln zur Ableitung einer veränderbaren Flüssigkeitsmenge, die zu dem Kondensator 12 durch eine Leitung 36 zurückgeführt wird. In dieser Leitung 36 ist ein Bemessungsventil 33A angeordnet, das durch eine Stelleinrichtung ähnlich der oben beschriebenen Stelleinrichtung 34 betätigbar ist. Um die Menge an eingespritztem Kältemittel herabzusetzen,wird jedoch das Bemessungsventil 33A in Öffnungsrichtung verstellt, wobei die Maximalmenge an eingespritztem Kältemittel dann erreicht wird, wenn das Bemessungsventil 33A vollständig geschlossen ist.
Da die Verflüssigungs- oder Kondensationstemperatur 309827/0361
eines Gases sich mit dessen Druck ändert, kann das Thermoelementenpaar 55» 36 durch einen Temperaturfühler und einen Druckfühler ersetzt werden, die beide im ölabscheider 26 angeordnet sind. Diese Einrichtungen können an einen Rechner angeschlossen werden, der darauf eingerichtet ist, ein Signal zu erzeugen, das die Differenz zwischen der Temperatur im ölabscheider und der Verflüssigungstemperatur des Kältemittels bei dem im ölabscheider herrschenden Druck darstellt und dazu verwendet wird, die Zufuhr von kühlendem flüssigen Kältemittel zu steuern.
Patentansprüche /
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Claims (6)

  1. Patentansprüche
    !1.) Kühlanlage mit einem Kältemittelumlaufsystem, das ^ einen außenachsigen Drehkolbenverdichter mit schraubenförmig ineinandergreifenden männlichen und.weiblichen Rotoren, einen Kondensator, einen Verdampfer sowie Mittel zur Umwälzung von öl und zur Einspritzung dieses Öls in die Kompressionsräume des Verdichters unter Anordnung eines ölabscheiders zwischen dem Verdichterauslaß und dem Kondensatoreinlaß enthält, gekennzeichnet durch ^ eine Einrichtung, (32, 33, 34 bzw. 32A, 33A, 34-, 76) zur steuerbaren Einleitung von flüssigem Kältemittel in einen Abschnitt des UmIaufsystems zwischen den Einlassen des Verdichters (10) und des Ölabscheiders (26) derart, daß die Temperatur im ölabscheider (26) auf einem nur geringfügig oberhalb der Verflüssigungstemperatur des Kältemittels herrschenden Druck gehalten, jedoch am Abfallen auf diese Verflüssigungstemperatur gehindert wird,
  2. 2. Kühlanlage nach Anspruch 1, dadurch g e kennzei chnet , daß die Einrichtung derart ausgebildet ist, daß die Temperatur im ölabscheider (26) auf einem um 5° C bis 150C höherem Niveau als die Verflüssigungstemperatur des Kälte- · mittels gehalten wird·
  3. 3. Kühlanlage nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch erste Mittel, die auf mindestens einen die Differenz zwischen den Temperaturen im ölabscheider (26) und im Kondensator (12) anzeigen
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    Parameter ansprechen, einsteilbare weitere Mittel (33 bzw. 33A) zur Veränderung der in den zwischen den Einlassen des Verdichters (10) des ölsepatfators (26) gelegenen Abschnitt des Umlaufsystems eingeleiteten Menge an flüssigem Kältemittel sowie die auf den Temperaturunterschied ansprechenden Mittel (54) mit den einstellbaren weiteren Mitteln (33 bzw. 33A) verbindende dritte Mittel (56 - 66) zur Steuerung der einstellbaren weiteren Mittel (33 bzw. 33A) derart, daß die erwähnte Temperaturdifferenz kleingehalten, jedoch am Abfallen auf Null gehindert wird.
  4. 4·. Kühlanlage nach Anspruch 3j gekennzeichnet durch Mittel (38) zur Steuerung der Kapazität des Verdichters (10), welche derart mit den einstellbaren weiteren Mitteln (33 bzw. 33A) in Wirkverbindung stehen, daß sie die bei Teilkapazitätsbetrieb eingeleitete Menge an Kältemittel vermindern.
  5. 5· Kühlanlage nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet , daß im Kondensator (12) und im Ölabscheider (26) je ein Temperaturfühler (36 bzw. 35) derart miteinander kombiniert sind, daß sie ein die Temperaturdifferenz wiedergebendes Signal erzeugen, und daß von diesem Signal steuerbare Mittel (52) zur Betätigung der einstellbaren weiteren Mittel (5*0 vorgesehen sind, durch welche diese Temperaturdifferenz im wesentlichen konstanthaltbar ist.
  6. 6. Kühlanlage nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet , daß im Ölabscheider (26) ein Temperaturfühler und ein Druckfühler angeordnet sind, die an einem Rechner zur Erzeugung eines Sig nals angeschlossen sind, welches die Differenz zwischen der Temperatur im ölabscheider und der
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    Verflüssigungstemperatur bei dem im ölabscheider herrschenden Druck darstellt.
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    OFHOtNAt INSPiCTEb
DE2261336A 1971-12-28 1972-12-15 Verfahren zum Kühlen des in die Kompressionsräume eines regelbaren außenachsigen Drehkolbenverdichters eingespritzten Öls bei einer Kühlanlage mit einer Kompressionskältemaschine sowie Kühlanlage zur Durchführung des Verfahrens Expired DE2261336C2 (de)

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