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Nichtazeotrope Kältemittelgemische für Kühl- und Gefriergeräte Die
Erfindung betrifft nichtazeotrope Kältemittelgemische für Kühl- und Gefriergeräte,
die nach dem Kompressionskälteprinzip arbeiten.
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Haushalt- und. Gewerbekühlschränke sowie Gewerbekühltruhen fitr Normal-
und. Tiefkühlung werden heute noch überwiegend mit de.m Kältemittel R 12 und teilweise
bereits mit dem azeotropen Kältemittelgemisch R 502 (48,8 Gew. -% R 22, 51,2 Gew,
-% R 115) betrieben.
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In diese Kühl- und Gefriergeräte werden kapillargedrosselte Kältesätze
eingebaut. Zur Erhöhung der spezifischen Kälteleistung wird die Kapillare wärmeleitend
mit der Saugleitung verbunden, so daß V'rme vom sich entspannenden warmen Kältemittel
an die kalten Saugdämpfe übertragen wird. Die Kältemittelfüllmenge dieser Kältesätze
setzt man im Versuch im allgemeinen fest, indem die Kältemittel-füllung schrittweise
so weit erhöht wird, bis die Innentemperatur d.es Gerätes im Beharrungszustand.
bei Dauerlauf ein Minimum annimmt. Bei gegenüber einer kleineren Kältemittel.füllung
nahezu unverändertem Verdampfungsdruck ist in diesem Betriebszustand. die Überhitzung
d.es verdampfenden Kältemittels am Verdampferende gewichen, die Verdampferfläche
wirdvoll für die Verdampfung genutzt.
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Die das Temperaturminimum bestimmende Füllung soll als optimale
Eältemittelfüllmenge
bezeichnet werden.
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Eine weitere Erhöhung d.er Füllmenge führt zum stärkeren Ansteigen
des Verdampfungsdruckes. Die zugeordnete höhere Verdampfungstemperatur hat ein Anheben
der Innentemperatur des Gerates zur Folge.
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Optimal mit R 12 oder R 502 (beides Kältemittel mit konstanter Verdampfungstemperatur)
gefüllte Kühl- oder Gefriergeräte e haben den Nachteil, daß im praktischen Gebrauch,
bei dem das Gerät im intermittierenden Betrieb und der Kältesatz im instationären
Zustand arbeitet, eine Überhitzung des Kältemittels am Verdampferende eintritt,
d.a die Wärmezufuhr an den Verdampfer während der Laufperiode des Gerätes größer
ist als im Dauerlaufbetrieb.
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Das ist besonders dann d.er Fall, wenn das Gerät mit frischem Kühl-
oder Gefriergut beschickt wurde. Die infolge Überhitzung erhöhte Temperatur des
Verdampferendes gegenüber einer Vollbeaufschlagung des Verdampfers mit verdampfendem
Kältemittel führt zu einem höheren Temperaturniveau im Innern des Gerätes im Bereich
des Verdamp-ferendes, für dessen Abbau nach Rückgang d.es Wärmeangebotes eine größere
Verdichterlaufzeit notwendig ist.
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Auf diese Weise erhöht sich der Energieverbrauch des Gerätes.
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Bei Gefriergeräten setzt die Überhitzung des Kältemittels bei einer
großen zu gefrierenden Nahrungsmittelmenge bereits mitten im Verdampfer ein, so
daß die Gefahr einer unzulässigen Erwärmung des bereits gefrorenen Lagergutes besteht.
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Wenn versucht wird, die Überhitzung z.B. beim Einfrieren mittels einer
über die Optimalfüllung hinausgehenden Füllmenge geringer zu halten, führt das zum
genannten Anheben des Verdampfungsdruckes und damit der Verdampfungstemperatur,
so daß nach Rückgang des starken Wärmeangebotes zum Erreichen bzw Einhalten einer
bestimmten Temperatur des Kühl- oder Gefriergutes ebenfalls eine höhere Laufzeit
und damit ein größerer Energieverbrauch
notwendig wird, Der Zweck
der Erfindung besteht darin, den negativen Einfluß der Überhitzung des Kältemittels
im Verdampfer bei Optimal-füllung des Kältesatzes unter den Bedingungen eines erhöhten
Wärmeangebotes zu beseitigen bzw. zu vermindern.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ohne Veränderung des konstruktiven
Aufbaues des Kälte satzes der Kühl- oder Gefriergeräte für alle Betriebsbedingungen
mit optimaler Kältemittelfüllmenge eine Überhitzung des Kältemittels im Verdampfer
zu vermeiden bzw. in engeren Grenzen zu halten.
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Erfindungsgemäß wird die Aufgabe d.adurch gelöst, daß nichtazeotrope
Kältemittelgemische aus R 13 B1 (Bromtrifluormethan) und R 12 (Dichlordifluormethan),
aus R 22 (Chlordifluormethan) und R 12, aus R 115 (Chlorpenta-fluoräthan) und R
12, aus R 502 (Azeotrop aus Chlordifluormethan und Chlorpentafluoräthan) und R 12,
aus R 502 und R 500 (Azeotrop aus Dichlordifluormethan und Di-fluoräthan), aus R
502 und RC 318 (Oktafluorcyclobutan), aus R 502 und R 12 B1 (Bromchlordifluormethan),
aus R 502 und R 114 (Dichlortetrafluoräthan), aus R 500 und RC 318, aus R 500 und
R 12 B1 oder aus R 500 und R 114 gebildet werden.
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Zur Erzielung zulässiger Kondensations- und Verdampfungsdrücke sowie
günstiger Druckverhältnisse und hoher volumetrischer Kälteleistungen sind d.ie nachfolgend
genannten nichtazeotropen Kältemittel gemische mit den Konzentrationen # (Masseanteil
der erstgenannten, tiefersiedenden Komponente im Gemisch) einzusetzen: R 13 B1/
R 12 f zwischen 0,1 und 0,4 kg/kg R 22/ R 12 # zwischen 0,15 und 0,5 kg/kg R 115/
R 12 # zwischen 0,15 und 0,65 kg/kg R 502/ R 12 # zwischen 0,1 und 0,65 kg/kg R
502/ R 500 N zwischen 0,2 und 0,5 kg/kg
R 502/ RC 318 y zwischen
0,5 und 0,8 kg/kg R 502 /R 12 B1 9 zwischen 0,5 und 0,8 kg/kg R 502/ R 114 q zwischen
0,6 und 0,9 kg/kg R 500/ RC 318 N zwischen 0,6 und. 0,9 kg/kg R 500/ R 12 B1 y zwischen
0,6 und 0,9 kg/kg R 500/ R 114 Q zwischen 0,6 und 0,9 kg/kg Nichtazeotrope Kältemittelgemische
verdampfen und kondensieren bei konstantem Druck nicht bei konstanter Temperatur,
sondern in einem Temperaturbereich. Wenn bei Verwendung eines nichtazeotropen Kältemittelgemisches
in einem kapillargedrosselten Kühl- oder Gefriergerät die Kältemittelfüllmenge schrittweise
so erhöht worden ist, daß die Überhitzung am Verdampferende im Dauerlauf gerade
gewichen ist, stimmt die Temperatur am Verdampferende mit d.er Verdampfungsendtemperatur
überein, d.ie höher als die Verdampfungsanfangstemperatur ist (Temperaturband d.er
Phasenumwandlung). Mit d.ieser Kältemittelfüllmenge, die für nichtazeotrope Kältemittelgemische
noch nicht die "Optimalfüllung ist", stellen sich bei erhöhter Wärmezufuhr an den
Verdämpfer analoge Überhitzungsverhältnisse am Verdampferende wie bei einem azeotropen
Kältemittelgemisch oder einem Einstoffkältemittel mit optimaler Kältemittelfüllmenge
ein.
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Der Vorteil der erfindungsgemäßen nichtazeotropen Kältemittelgemische
besteht darin, daß die Kältemittelfüllmenge weiter erhöht werden kann, ohne daß
sich zunächst der Verdampfungsdruck erhöht. Da mit weiterer schrittweiser Erhöhung
der Füllmenge das Ende des Temperaturbandes mehr und mehr in Richtung des von Kapillare
und Saugleitung gebildeten Wärmeübertragers in die Saugleitung verschoben wird,
sinkt bei annähernd. unverändertem Verdampfungsdruck die Innentemperatur d.es Gerätes
weiter ab, weil im Verdampfer nur noch der erste, kältere Teil
des
Temperaturbandes wirksam wird. Erst bei noch weiterer Erhöhung der Kältemittel füllung
erfolgt dann auch mit nichtazeotropen Kältemittelgemischen ein spürbares Ansteigen
des Verdampfungsdruckes, Die optimale Kältemittelfüllmenge bei nichtazeotropen Kältemittelgemischen
liegt also vor, wenn im Beharrungszustand bei Dauerlauf ein großer Teil des Verdampfungstemperaturbandes
in die Saugleitung verlagert ist, Unter den Bedingungen erhöhter Wärmezufuhr an
den Verdampfer verlagert sich das Temperaturband äe nach abzuführender Wärmemenge
wied.er mehr oder weniger in den Verdampfer zurück, und nur bei extremer Wärme zufuhr
tritt eine Überhitzung des nichtazeotropen Kältemittelgemisches am Verdampferende
auf. Auf Grund dessen bleibt die Innentemperatur des Kühl- oder Gefriergerätes im
Bereich des Verdampferendes mit optimaler Kältemittelfüllmenge beim Betrieb mit
nichtazeotropem Kältemittelgemisch vergleichsweise niedriger als beim Betrieb mit
azeotropem Kältemittelgemisch oder Einstoffkältemittel, was für die Bewältigung
der gleichen Kühl- oder Gefrieraufgabe eine Verminderung der relativen Laufzeit
und damit eine Verringerung des Energieverbrauches mit sich bringt.
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Weitere Vorteile der nichtazeotropen Kältemittelgemische sind, daß
durch Wahl der Konzentration gegenüber der Alleinverwendung der Kältemittelkomponenten
Temperaturen und Drücke weitgehend den Bedingungen kapillargedrosselter Kältesätze
mit luftbeaufschlagten Wärmeübertragern angepaßt werden können. So sind bei mittleren
Konzentrationen Kühl- oder Gefrierguttemperaturen erreichbar, die nahe denen bei
Alleinverwendung der tiefersiedenden Komponente liegen, Kondensations- und Verdampfungsdruck
stellen sich jedoch wesentlich niedriger als bei Alleinverwendung der tiefersiedenden
Komponente ein, Eine Verminderung der Differenz zwischen Kondensations- und Verdampfungsdruck
wirkt sich vorteilhaft auf die Dimensionierung
der Bauteile aus
und vermindert Triebwerksbelastung, Verschleiß und Geräusch im Hermetikverdichter.
Sie liefert ebenfalls einen Beitrag zur Herabsetzung der elektrischen Leistungsaufnahme
des Verdichters und danftt zur Vermind.erung d.es Energieverbrauches des Gerätes,
Die Erfindung soll nachstehend. an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden.
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Der Kältesatz eines Gefrierschrankes mit Schnellgefrierfach von 150
1 Bruttovolumen, welcher aus an die thermische Isolierung angeschäumten Verdampfer,
IIermetikverd.ichter, Kondensator, Drosselkapillare und Filtertrockner sowie den
erford.erlichen Verbindungsleitungen aufgebaut ist, wird nacheinander einmal mit
dem azeotropen Kältemittelgemisch R 502 und zum anderen mit dem nichtazeotropen
Kältemittelgemisch R 502/ R 114 N =0,75 mit jeweils optimaler Kältemittel-füllmenge
betrieben.
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Unter Beibehaltung d.esselben Hermetikverdichters wurden bei 320C
Umgebungstemperatur im Dauerlaufbetrieb (Beharrungszustand) folgende Ergebnisse
erzielt: R 502 R 502/ R 114 #=0,75 Verdampfungsdruck 1,6 kp/cm2 1,2 kp/cm2 Kondensationsdruck
24,2 kp/cm2 18,9 kp/cm2 Druckdifferenz 22,6 kp/cm2 17,7 kp/cm2 elektrische Aufnahmeleistung
d,Verdichters 195 W 152 W Motorwicklungstemperatur O O des Verdichters 123 C 118
C Die Vorteile des. nichtazeotropen Kältemittelgemisches in bezug auf die technischen
Betriebsparameter des Gefrierschrankes kommen bereits im Dauerlaufvergleich zum
Ausdruck.
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Die Auswirkungen d.er bei Optimalfüllung um 30 g höheren Kältemittelfüllmenge
des nichtazeotropen Kältemittelgemisches zeigen sich besonders während des Gefrierprozesses.
Bei Einlagerung von 7 kg zu gefrierendem Kühlgut mit einer Temperatur von +25°O
in-das Schnellgefrierfach (Verdampferanfang) erreichte die maximale Überhitzung
des.Kältemittels am Verdampferende nach Versuchsbeginn mit R 502 20 grd, mit R 502/
R 114 ß= 0,75 jedoch nur 2 grd (dazu Temperaturband von etwa 4 grd).
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Die günstigeren Werte des nichtazeotropen Kältemittelgemisches R 502/
R 114 =0,75 führen gegenüber der alleinigen Verwendung des azeotropen Kältemittelgemisches
R 502 zuseiner Senkung des Energieverbrauches des untersuchten Gefrierschrankes
zwischen 12 und 15 %,