DE2452508C3

DE2452508C3 - Kältekreislaufprozeß

Info

Publication number: DE2452508C3
Application number: DE19742452508
Authority: DE
Inventors: Anmelder Gleich
Original assignee: Burger, Manfred Rolf, 8023 Pullach
Filing date: 1974-11-05
Publication date: 1977-05-18

Description

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Die Erfindung betrifft einen Kältekieislaufprozeß lur Klimatisierung von Räumen, insbesondere Räumen von Kraftfahrzeugen, bei dem ein hochsiedendes Kältemittel mit einem Siedepunkt von zwischen ca. 0° C und 50° C und ein mit dem Kältemittel verträgliches Schmier- und Dichtöl enthaltendes Prozeßmedium vermittels einer Rotationskolbenpumpe komprimiert, unter Wärmeabfuhr kondensiert, entspannt und durch Wärmeaufnahme aus einem zu kühlenden Medium verdampft und hierauf wieder kornprimiert wird.

Ein solcher Kältekreislaufprozeß ist aus dem »Handbuch der Kältetechnik« von Rudolf Plank, Bd.VlA, 1964. Springer-Verlag, Berlin/Heiddberg/Ne'w York, S. 487-490. bekannt, wo als Kältemittel neben anderen auch R 21. das ist CHFCl₂, mit einem Siedepunkt von 8.^2 C genannt ist.

Zum Klimatisieren von Räumen, insbesondere von Räumen in Kraftfahrzeugen und Maschinen, ist es üblich, mit tief siedenden Kältemitteln zu arbeiten; verbreitet zur Anwendung kommen CF₂Cl₂ und CHF₂Cl, deren Siedepunkte bei - 2S>.8° C bzw. 40,8° C liegen. Diese Kältemittel haben den Vorteil, daß wegen des tiefliegenden Siedepunkts mit einem verhältnismäßig «erinsien Volumendurchsatz eine relativ große Kältefeistung zu erhalten ist. Die herkömmlichen Anlagen arbeiten ausschließlich mit Hubkolbenkompressoren.

Andererseits haben die mit tiefsiedenden Kältemitteln arbeitenden \nlagen den schwerwiegenden Nachteil, daß der Kreislauf völlig frei von Luft und Wasser sein muß. Wollte man versuchen, die niedrig siedenden Kältemittel im verflüssigten Zustand in einen Kreislauf einer Kältemittelanlage einzufüllen, ohne die Anlage vorher voll evakuiert und getrocknet zu haben, so würde dies zum einen daran scheitern, daß man ein niedrigsiedendes flüssiges Kältemittel überhaupt nicht in eine mit Luft von Umgebungstemperatur gefüllte Anlage in der notwendigen Menge einfüllen kann, und zum anderen daran scheitern, daß die in der Luft notwendigerweise vorhandene Feuchtigkeit zu einem Einfrieren und damit Verstopfen des Systems führen würde: die Verstopfung würde dabei insbesondere an den Entspannungsdüsen eintreten. Außerdem würde die Feuchtigkeit zu Korrosior.serscheinungen in der Anlage fuhren Is ist also notwendig, vor dem Befüllen einer solchen Anlage diese nacheinander mit Waschgas zu spülen, zu evakuieren und zu trocknen. Außerdem ist ein Trockner in der Anlage notwendig, der etwa auftretende Feuchtigkeit laufend bindet Das Einbringen des Kältemittels in eine solche \nlage erfordert eine Spezialausrüstung und hochqualifizierte Fachkräfte. Was für die Ersteinfüllung des Kältemittels in eine solche Anlage gilt, gilt auch für Reparaturen, wenn beispielsweise in dem Kreislauf ein Leck auftritt.

Es galt deshalb in der Kältemittel-Praxis bisher uneingeschränkt die Regel, daß Kältemittelkreislaufsysteme vor dem Einfüllen des Kältemittels evakuiert werden müssen.

Es wurde nun erkannt, daß man bei dem eingangs bezeichneten Kältekrcislaufprozeß das Kältemittel auch in mit Feuchtigkeit tragender Luft vermischtem Zustand einsetzen kann und daß man das Kältemittel in den nicht-evakuierten. mit normaler Raumluft gefüllten Kreislauf einfüllen kann, wenn nur die Bedingung erfüllt ist. daß der Siedepunkt des Kältemittels über null Grad liegt.

Die aus dieser Erkenntnis erwachsende Aufgabe der Erfindung liegt darin, einen Kältekreislaufprozeß anzugeben, der eingeleitet werden kann, ohne daß vorher von speziell geschultem Personal in einem umständlichen und zeitaufwendigen Verfahren die Anlage evakuiert und getrocknet werden muß.
Zur Lösung dieser Aufgabe wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, daß ein mit Luft vermischtes Kältemittel zum Einsatz gebracht wird, indem das Kältemittel in den nichtevakuierten, mit normaler Raumluft gefüllten Kreislauf eingeführt ist.

Bevorzugt wird bei dem anmeldungsgemäßen Verfahren als Kältemittel CCl₃F mit einem Siedepunkt von 23,7° C verwendet. Die Verwendung eines sol-

eben hochsiedenden Kältemittels bringt an sich für die Klimatisierung keinen Nachteil, da man bei der Klimatisierung von Räumen ohnehin Temperaturen des wärmeabgebenden Mediums anstrebt, die erheblich über dem Nullpunkt liegen. Wird als wämeabgebendes Medium unmittelbar aus dem zu klimatisierenden Raum entnommene und danach in diesen Raum wieder einzuführende Luft verwendet, so ist es gar nicht trwünscht. diese wesentlich unter 20^c C abzukühlen, da eine solche Abkühlung zu gesundheitlichen Schaden für die sich in den zu klimatisierenden Räumen aufhaltenden Personen führen könnte.

Ein gewisses Problem bei der Anwendung von hochsiedenden Kältemitteln mit Siedepunkten in dem angegebenen Bereich, war die Bereitstellung des bei Verwendung dieser Kältemittel zur Erzeugung einer bestimmten Kälteleistung notwendigen großen Volumendurchsatzes. Ein solcher Volumendurchsat7 läßt sich mit den eingangs in Betracht gezogenen Rotationskolbenmpressoren leicht erzielen. Diese Rotationskolbenkompressoren können infolge der Anwesenheit von Schmier- und Dichtöl in dem Prozeßmedium ohne nachteilige Beeinflussung der inneren Dichtvvirkung und damit der Kompression mit stark variierender Drehzahl betrieben werden. Das Schmier- und Dichtöl wird dabei immer wieder abgekühlt; es gelangt mit dem vom Verdichter angesaugten gasförmigen Prozeßmedium in Form eines Nebels in den Verdichter, und zwar mit einer Temperatur, bei der die Viskosität ausreicht, um eine genügende innere Dichtwirkung des Rotationskolbenverdichters zu erzielen und zwar sowohl an dessen Stirnseiten als auch an der Umfangsfläche zwischen den unter Fliehkrafteinwirkung gegen die Umfangsfläche des Verdichtergehäuses anliegenden Verdichterschiebern.

Es hat sich gezeigt, daß beim erfindungsgemäßen Arbeiten mit einem Schmier- und Dichtöl neben dem hochsiedenden Kältemittel und Luft enthaltenden Prozeßmedium ohne Schwierigkeiten Drehzahlschwankungen im Verhältnis 1 : 7 beherrscht werden können, ohne daß einerseits die Gefahr eines Heißlaufens des Kompressors und andererseits Schwierigkeiten mit der inneren Abdichtung entstehen. Auch bei kleinen Drehzahlen, bei denen die Schieber des Verdichterrotors nur mit geringer Zentrifugalkraft an der Innenunfangsfläche des Verdichtergehäuses anliegen, wird dank der durch die Kühlung hohen Viskosität des Schmier- und Dichtöls eine ausreichende Abdichtung erzielt. Da die Abkühlung des Schmier- und Dichtöls mit der Drehzahl und damit mit der Kälteleistung der Anlage steigt, andererseits aber die Erwärmung des Rotationskolbenverdichters mit der Drehzahl ebenfalls ansteigt, kann mit einer Selbstregelung gerechnet werden, die eine annähernd konstante Viskosität des Schmiei- und Dichtols ergibt. Das Schmier- und Dichtöl gibt in dem Verdampfer und .luf dem Weg vom Verdampfer /um Rotationskolbenkompressor Wärme an das Kältemittel ab.

Das öl ist zwar an sich in einem Kältemittelkreislauf nicht erwünscht, weil durch das Vorhandensein von öl der Wärmeübergang, insbesondere im Verdampfer, beeinträchtigt wird; es hat sich jedoch gezeigt, daß die zur Schmierung und Dichtung des Rotationskolbenkompressors notwendige ölumlaufrnenge bei dem erfindungsgemäßen Prozeß so gering gehalten werden kann, daß der Gesamtwirkungsgradverlust gering bleibt (unter 5%)

Auch hat sich bei dem erfindungsgemäßen Vefahren gezeigt, daß Probleme auch daher nicht zu erwarten sind, daß Schmierstoff und Sauerstoff aus der Luft gleichzeitig verhältnismäßig hohen Temperaturen ausgesetzt sind. In einem Anwendungsfall wird bei Veiwendung von CCl₃F als Kältemittel bei einer Kondensationstemperatur von 40° C sich eine Kompressortemperatur von 67° Ceinsttilen. Bei dieser Temperatur und auch noch höheren Temperaturen erleiden die am Markt befindlichen Kältemittel-Schmierstoffe auch in

ίο Anwesenheit von Luftsauerstoff keinerlei Zersetzung, die zu einer Störung des Betriebsablaufs führen könnte.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann in an sich

bekannter Weise mit Gegenstromkühlung ausgeführt werden, derart, daß das der Lntspannungsdüse zufließende flüssige Kältemittel abgekühlt wird durch dampfförmiges Kältemittel, das aus dem Verdampferraum entnommen wird. Diese an sich bekannte Gegenstromkühlung hat in ihrer Anwendung auf das erfindungsgemäße Verfahren insofern einen besonderen.

ao über die Wirkung bei bekannten Verfahren hinausgehenden Effekt, als im Gegenstromkühler das dem Verdichter zufließende dampfförmige Gemisch erwärm ι wird und infolge der Erwärmung die Aufnahmefähigkeit der Luft für gastormiges Kältemittel zunimmt, was zu einer Entlastung auf der Saugseite des Rotationskolbenkompressors führt. Man kann sich dies so vorstellen, daß die Konzentration des Kaltemittelgases in der Luft zunimmt.
Line erfindungsgemäße Anlage zur Durchfuhrung des erfindungsgernaßen Verfahrens umfaßt, in der Reihenfolge der Aufzahlung hintereinander geschaltet, einen Rotationskolbenkompressor, einen Kondensator, gegebenenfalls einen Gegenstromkühler. eine Entspannungsdüse, ein Verdampfergefäß und eine Ruckführungsleitung zum Verdichter, gegebenenfalls mit der anderen Seite des Gegenstromkühlers.

In eine solche Anlage k;inn das erfindungsgemäß zur Anwendung kommende flussige Gemisch aus Kältemittel und öl eingefüllt werden, ohne daß es notwendig ist. vorher Luft und Feuchtigkeit aus dem Kreislauf zu entziehen. Der Einbau einer erfindungsgemäßen Anlage. 7. B. in ein Kraftfahrzeug kann deshalb von nicht besonders ausgebildetem Personal ν orgenommen werden. Es ist denkbar, daß an jeder Tankstelle und in ieder Reparaturwerkstätte Klimaanlagen eingebaut und insbesondere gewartet werden können, während bisher Spezialvverkstätten mit Spc7ialausrustung und besonders geschultem Personal notwendig waren. Eine Korrosion der Anlage durch die in der Luft enthaltene Feuchtigkeit wird durch das Dicht- und Schmieröl vermieden, das auf den Innenwänden der Anlage emc η feinen Film bildet. Ein Verharzen und I rharten dieses Filmes in den Verdampferleitungen kann dabei auf einfache Weise dadurch vermieden werden, daß die Wärmezufuhr zum Verdampfer beispielsweise durch Abstellen des die Raumluft umwälzenden Gebläses unterbunden wild. Dann durchströmt flussiges Kältemittel die Verdampferrohre und nimmt die Ölrückstände an den Leiiüngswänden auf. Auf diese Weise kann eine Selbstreinigung der Anlage bewerkstelligt werden.

Beim Einbau der erfindungemäßen Anlage kann

der Rotationskolbenverdichter entweder direkt vom Fahrzeugmotor oder aber durch einen von der Strom-

Versorgung des Fahr2:eugs gespeisten eigenen Elektromotor angetrieben werden. Letztere Ausführung hat den Vorteil, daß die erfindungsgemäße Einrichtung als geschlossene Baueinheit unabhängig von den

oft sehr beengten Raumverhältnissen im Motorraum des Fahrzeugs eingebaut werden kann. Der Elektromotor kann dabei mit einer Vorrichtung zur Drelizahlregulierung verbunden sein, um den Kältemitteldurchfluß regulieren zu können.

Die F i g. erläutert die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels. Sie zeigt in schematischer Darstellung den Kreislauf des Kältemittels in einer erfindungsgemäßen Klimaanlage.

In der Fi g. ist mit K) ein Rotationskolbenkompressur bezeichnet, an dessen Druckseite sich jeweils durch leitungen miteinander verbunden in der Reihenfolge der Auf/ählung ein Kondensator 12. ein Gegenstromkühler 14. eine Entspannungsdüse 16 und ein Verdampfer 18 anschließen. Durch ein Gebläse 19 wird der Verdampfer 18 von der /u kühlenden Luft beaufschlagt. Von dem Verdampfer 18 fuhrt eine Rückleitung übet den Gegenstromkühler 14 zurück zur Ansaugseite des Rotationskolbenkompressors 10.

Der erfindungsgemäß mit Öl abgedichtete Rotationskolbenkompressor 10 erfüllt die durch die Verwendung eines hochsiedenden Kältemittels wie CFCl₃ gegebenen Betriebsbedingungen, nämlich einen großen Volumendurchsat7 bei einem Druck von etwa einer Atmosphäre an der Druckseite und einem Vakuum von ca. 3(SO Torr auf der Saugseite des Kompressors. Das wesentliche daran ist. daß diese Bedingungen von dem erfindungsgemäßen Rotationskolbenkompressor in einem weiten Drehzahlbereich mit Dreh/ahlschwankungcn von etwa 1 : 7 erfüllt werden. Zum Vergleich sei angeführt, daß bei Verwendung eines tiefsiedenden Kältemittels wie CF₂CI₂ /war nur der '-oie Teil an Volumen durch den Kältemittelkreislauf gepumpt werden muß. um eine gleiche Kälteleistung zu erreichen, daß aber das Kältemittel CF₂CI₂ auf einen Druck von ca. N Atmosphären verdichtet werden muß. um es im Kondensator zu verflüssigen Hin solcher Druck kann nur durch Huhkolbenkomprcssoren erreicht werden.

Der Rotor des Rotationskolbenkompressors 10 ist durch einen Elektromotor 20 angetrieben. Insbesondere bei Verwendung der ertindungsgemäßen Klimaanlage in einem Fahrzeug ergeben sich daraus wesentliche Vorteile. Der Rotationskolbenkompressor 10 ist unabhängig von einer Antnebsverbindung mit dem Fahrzeugmotor und kann daher mit anderen Teilen der Klimaanlage /u einem Aggregat zusammengefaßt an beliebiger Stelle des Fahrzeuges eingebaut werden. Dazu ist noch zu sagen, daß die Verwendung eines Rotationskolbenkompressors an sich schon beim Einbau in ein Fahrzeug Vorteile mit sich brinst. da wegen des stoßfreien Laufes des Rotationskolbenkompressors keine Schwingmetallanschlüsse der Leitungen an den Kompressor notwendig sind. Zum anderen ist aber der Rotationskolbenkompressor durch den Antrieb mittels des Elektromotors 20 unabhängig von der Drehzahl des Fahrzeugmotors. Trotzdem wird man den Elektromotor zweckmäßigerweise mit einem Drehzahlregler verbinden, um den Volumendurchsatz im Kältemittelkreislauf dem Betnebs/ustand des Fahrzeugs anzupassen. Denn die Wärmeabgabe des Prozeßmediums am Kondensator 12 hangt wesentlich von der Geschwindigkeit der ilen Kondensator 12 umströmenden l.utt. d. h. von der I ahrgeschwindigkeit des Fahrzeugs ab.

Zwischen dem Kondensator 12 und dem Gegenstromkühler 14 ist ein Einfüllstutzen 22 ungeordnet.

Das Füllen der Klimaanlage kann so erfolgen, daß in die nicht evakuierte, mit normaler Raumluft gefüllte Anlage bei langsamem Lauf des Rotationskolbcnkompressors. 10 eine Mischung aus Kälteniittel und Dicht- und Schmieröl wie eine normale Kältemittel-Flüssigkeit eingeführt wird. Das Einfüllen kann ohne eineikältetechnische Spezialausrüstung und ohne Berücksichtigung von Druckgasbestimmungen.durchgeführt werden, wie dies beim Befüllen einer Anlage mit tiefsiedendem Kältemittel, wie etwa CF₂Cl₂ notwendig ist. Es ist auch nicht notwendig, in den Kältemittelkreislauf einen Trockner einzubauen, um dem Prozeßmedium Feuchtigkeit zu entziehen, da dieses niemals unter 0^c C abgekühlt wird und damit stets oberhalb des (jefrierpunkts des Wassers bleibt. Das Dicht- und Schmiermittel überzieht außerdem sämtliche von dem Prozeßmedium durchströmten Leitungen dei Anlage mit einem feinen Ölfilm, so daß die Feuchtigkeit auch nicht zu Korrosion der Anlagentcile führen kann. Die Verschlechterung des Wärmeübergangs in den Leitungen des Kondensators 12. des Gegenstromkühlers 14 und des Verdampfers 18 aufgrund dieses dünnen Ölfilms ist vernachläßigbar klein. Durch die Verwendung eines hochsiedenden Kältemittels kann eine Expansionstemperatur an der Entspannungsdüse gewählt werden, die nicht zur Unterkühlung der Raumluft und damit zu Erkältungen bei den Personen in den zu kühlenden Räumen fuhri. Beim Einbau der Vorrichtung wird man im allgemeinen den Kondensator 12 vor dem Fahrzeugkühler anordnen. Der Rotationskolbenkomprcssor 10 kann im Motorraum des Fahrzeuges angebracht und dabei entweder direkt mit dem Fahrzeugmotor oder mit dem Elektromotor in Antriebsverbindung gebracht werden. Im ersteren Fall ergibt sich gegenüber den herkömmlichen Anlagen unter Verwendung eine«. Hubkolbenkompressors noch der Vorteil, daß die Lebensdauer eines Rotationskolbenkompressors etwa der voraussichtlichen Lebensdauer heute üblicher Kraftfahrzeuge entspricht, gegenüber einer Lebensdauer von etwa 400 Stunden bei einem Hubkolbenkompressor. Daher benötigt man auch keine der teuren Kupplungen zwischen dem Motor und dem Kompressor, um diesen von dem Fahrzeugmotor abzukoppeln, sowie er nicht mehr benötigt wird. Dieses Problem erübrigt sich bei der Verwendung eines Elektromotors ohnehin, da dieser sich natürlich jederzeit abschalten läßt. Der Rotationskolbenkompressor kann zusammen mit dem Elektromotor jedoch auch an irgendeiner beliebigen Stelle des Fahrzeugs angeordnet werden, wo Platz für das Aggregat vorhanden ist.

Der Verdampfer 18 kann so eingebaut werden, daß er entweder unmittelbar von der Raumluft des zu klimatisierenden Fahrzeugraumes beaufschlagt wird, oder daß er über einen zusätzlichen Wärmeaustauscher an das übliche Heizungssystem des Kraftfahrzeugs angeschlossen ist.

Insgesamt ermöglicht das erfindungsgemäße Verfahren eine Ausführung der Klimaanlage, die wesentlich billiger und einfacher in der Herstellung ist, die einfacher und unter besserer Ausnutzung der jeweils gegebenen Verhältnisse in ein Fahrzeug eingebaut werden kann, die für ihre Wartung wesentlich weniger Aufwand erfordert und die darüber hinaus im Betrieb besser an hohe Außentemperaturen angeglichen werden kann.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Kältekreislaufprozeß zur Klimatisierung von Räumen, insbesondere Räumen von Kraftfahrzeugen, bei dem ein ein hochsiedendes Kältemittel mit einem Siedepunkt von zwischen ca. il°C und 50° C und ein mit dem Kältemittel verträgliches Schmier- und Dichtöl enthaltendes Prozeßmedium vermittels einer Rotationskolbenpumpe komprimiert, unter Wärmeabfuhr kondensiert, entspannt und durch Wärmeaufnahme aus einem zu kühlenden Medium verdampft und hierauf wieder komprimiert wird, dadurch gekennzeichnet, daß ein mit Luft vermischtos Kaitermttel zum Einsatz gebracht wird, indem das Kältemittel in den nicht evakuierten, mit normaler Raumluft gefüllten Kreislauf eingeführt ist.

2. Kälteprozeß nach Anspruch I. dadurch gekennzeichnet, daß das Prozeßmedium vor der Entspannung nach dem Gegenstromprinzip durch bereits verdampftes Prozeßmedium gekühlt wird.

3. Einrichtung zur Durchführung des Kälteprozesses nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch, in der Reihenfolge der Aufzählung hintereinander geschaltet, einen Rotationskolbenverdichter (10). einen Kondensator (12). eine Intspannungsdrossel(16). ein Verdampfergefäß (18) und eine Rückleitungzum Rotationskolbenverdichter (10).

4. Einrichtung nach Anspruch 3. dadurch gekennzeichnet, daß der Entspannungsdrossel (16) ein Gegenstromkühler (14) vorgeschaltet ist. der einerseits von dem aus dem Kondensator (12) ankommenden flüssigen Prozeßmedium und andererseits von aus dem Verdampfergefäß (18) kornmendem dampfförmigen Prozeßmedium durchströmt wird.

5. Einrichtung nach Anspruch 4. dadurch gekennzeichnet, daß der Rotationskolbenverdichter (10) von einem Antrieb angetrieben ist. dessen Drehzahl in weiten Grenzen, beispielsweise im Verhältnis 1 : 7 variiert.

6. Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotationskolbenverdichter (10) in ständiger Antriebsverbindung mit dem Antrieb steht.

7. Einrichtung nach Anspruch 4 bis (S, dadurch gekennzeichnet, daß der Antrieb von einem Elektromotor (20) gebildet ist. der vorzugsweise mit einer Vorrichtung zur Regelung der Drehzahl verbunden ist.