DE2643621A1

DE2643621A1 - Verfahren und anordnung zum kuehlen von oel in einem gasverdichtungssystem, insbesondere einem kaelteerzeugungssystem

Info

Publication number: DE2643621A1
Application number: DE19762643621
Authority: DE
Inventors: Lennart Eriksson; Hjalmar Schibbye
Original assignee: Svenska Rotor Maskiner AB
Current assignee: Svenska Rotor Maskiner AB
Priority date: 1975-09-29
Filing date: 1976-09-28
Publication date: 1977-04-07
Also published as: CA1052588A; AU1820076A; JPS5256406A; FR2325832A1; IT1072580B; SE7610520L; AU510919B2; DK147686C; DK436376A; DE2643621C2; SE428487B; JPS58590B2; DK147686B; US4112701A; FR2325832B1; GB1564897A

Description

Patentanwälte
Dipl.-Ing. W.Beyer Dipl.-Wirtsch.-Ing. B.Jochem

Frankfurt am Main Staufenstrasse

In Sachen:

Svenska Rotor Maskiner AB
S-1o4 65 Stockholm /Schweden

Verfahren und Anordnung zum Kühlen von öl in einem Gasverdichtungssystem, insbesondere einem Kä.lüeerzeugungssystem.

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Kühlen von öl in einem Gasverdiohtungssystem, insbesondere einem Kälteerzeugungssystem mit einem Rotationskolbenverdichter mit öleinspritzung in dessen Arbeitskammer und einem ölabscheider in dessen Auslaßleitung, wobei das Gas in einem gewissen mit der Temperatur zunehmenden Ausmaß in öl löslich ist, sowie ein System zur Durchführung des Verfahrens.

Schraubenverdichter mit öleinspritzung sind seit vielen Jahren in Benutzung und in der Technik wohlbekannt. Derartige Verdichter sind sowohl für die Verdichtung von Luft und anderen Gasen, beispielsweise Kohlenwasserstoffen wie Propan, als auch in Kälteerzeugungsanlagen verwendet worden, die beispielsweise mit Halogenkohlenwasserstoffen, wie F12 (R12) und F22 (R22) als Kältemittel arbeiten. Das in den ■Verdichter eingespritzte öl wirkt hierbei als Kühl-, Dicht- und Schmiermittel innerhalb des Verdichters und wird nach

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dem Durchgang durch den Verdichter von dem verdichteten Gas in einen besonderen ölabscheider wieder abgeschieden, der in der Auslaßleitung des Verdichters angeordnet ist. Das derart abgeschiedene öl wird dann, bevor es in den Verdichter wieder eingeleitet wird, in einem besonderen ölkühler gekühlt, der normalerweise mit Wasser oder Luft als Kühlmittel arbeitet, um seine Viskosität und seine Kühlkapazität heraufzusetzen. Derartige ölkühler sind jedoch sperrig und teuer und erfordern viel Wartung, weshalb es auch bereits vorgeschlagen worden ist, besondere ölkühler zu verwenden, die das verdichtete und kondensierte Kältemittel als Kühlmittel verwenden. Es ist auch bereits vorgeschlagen worden, derartige ölkühler in einigen Anwendungsfällen vollständig zu eliminieren, und zwar durch Einspritzung von verflüssigtem Arbeitsmedium in den Verdichter zwecks Herabsetzung der Auslaßtemperatur des Verdichters auf ein solches Niveau, daß die Temperatur im ölabscheider auf einen solchen Wert vermindert wird, daß das öl ohne weitere Kühlung wieder eingespritzt werden kann.

Es ist auch herausgefunden worden, daß durch Kombination eines Öls spezifischer Art mit bestimmten Gasarten das Kühlen des Öls in bestimmten Verfahren weggelassen werden kann (ÜS-PS 3 945 216). In derartigen Verfahren ist der "Betriebs-Viskositätsindex" so hoch, daß die Viskosität des Öls praktisch unabhängig von der Temperatur innerhalb eines Bereichs von 4o bis 1oo° C ist.

In einem Klimatisierverfahren für Luft, das mit F22 (R22), F5o2 (R5o2) oder F12 (R12) als Kältemittel arbeitet und ein Verdichtungsverhältnis zwischen 2:1 und 5:1 und eine Kondensationstemperatur zwischen 3o und 5o°C aufweist, werden die Betriebsbedingungen derart sein, daß die Auslaßtemperatur des Verdichters weniger als 1oo°C trotz der Tatsache beträgt, daß das öl keinerlei Kühlung ausgesetzt wird, d.h. die öltemperatur bei der Einspritzung praktisch

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(ο

diegleiche ist wie die Auslaßtemperatur des Verdichters.

In manchen Anwendungsfällen wie Wärmepumpenanlagen und Luftklimatisiersystemen für Kraftfahrzeuge ist jedoch die Kondensationstemperatur und/oder das Druckverhältnis so hoch, daß die Auslaßtemperatür des Verdichters und demzufolge die Temperatur des Öls in den Bereich zwischen 1oo und 15o°C fallen.

Der Wirkungsgrad des Verdichters wird dann mit derart hohen Auslaßtemperaturen niedriger liegen, als wenn das öl auf eine Temperatur unterhalb 1oo°C gekühlt wäre, was in der Hauptsache von den Verlusten abhängt, die von der erhöhten Temperatur des Arbeitsmediums herrühren, wenn dieses in Berührung mit dem heißen öl gebracht wird. Das Ausmaß dieses Absinkens des gesamten adiabatischen Wirkungsgrades wird bei ungefähr ο,2% für jedes Grad C liegen, so daß ein Ansteigen der Temperatur um 5°C zu einem Absinken des Wirkungsgrades um 1% führen wird.

Die hohe Temperatur kann außerdem zu einigen mechanischen Problemen wie einer kürzeren Lebensdauer der Lager, einer Vergrößerung der Dichtspalte aufgrund thermischer Deformation und einer Verschlechterung der Wellenabdichtungen führen. Es ist deshalb wesentlich, daß die Temperatur des Öls auf einem verhältnismäßig geringen Niveau von vorzugsweise unter 1oo C gehalten wird.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein einfaches Verfahren zur Herabsetzung der öltemperatür sowie ein System (Anordnung) zur Durchführung dieses Verfahrens zu schaffen.

In Bezug auf das Verfahren wird die vorstehende Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der öIstrom in der ölzuleitung zwischen dem ölabscheider und dem Verdichter

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dergestalt gedrosselt wird, daß die Zeitspanne, die das benötigt, um von der Drosselstelle zum Verdichter zu gelangen, genügend groß für ein Absinken der öltemperatur auf das geforderte Niveau vor dem Eintritt in den Verdichter ist.

Ein zur Durchführung dieses Verfahrens geeignetes Gasverdichtungssystem, insbesondere Kälteerzeugungssystem mit einem Rotationskolbenverdichter mit öleinspritzung in dessen Arbeitskammer und einem ölabscheider in dessen Auslaßleitung, bei dem"das Gas in einem gewissen mit der Temperatur zunehmenden Ausmaß in öl löslich ist, zeichnet sich erfindungsgemäß dadurch aus, daß in der Ölzufuhrleitung zwischen dem ölabscheider und dem Verdichter eine Drosseleinrichtung dergestalt angeordnet ist, daß die Zeitspanne, die das öl benötigt, um von der Drosseleinrichtung zum Verdichter zu gelangen, genügend groß für ein Absinken der öltemperatur auf den gewünschten Wert vor dem Eintritt in den Verdichter ist.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Die Erfindung wird nachstehend an Hand der Zeichnung näher erläutert, die in schematischer Darstellung ein Kälteerzeugungssystem zeigt.

In der Zeichnung ist mit 1o ein Verdichter bezeichnet, der von einer Antriebsmaschine 12 angetrieben wird. Das verdichtete Gas wird vom Verdichter über eine Auslaßleitung einem ölabscheider 16 zugeführt. Das öl vom ölabscheider gelangt durch eine Leitung 18 und ein Drosselventil 2q zu einem erweiterten Rohr 22, das mit dem Verdichter über einen gesonderten Einlaß 24 in Verbindung steht. Das Gas vom ölabscheider strömt durch eine Leitung 26 zu einem Kondensator 28, von welchem das Arbeitsmedium nach Ver-

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f lüssigung durch, eine weitere Rohrleitung 3o zu dem Verdampfer 32 und von diesem zurück zum Verdichter 1o gelangt. Am Einlaß des Verdampfers strömt die Flüssigkeit durch ein Expansionsventil 34, das an einen Thermostaten 36 am Auslaß des Verdampfers angeschlossen sein kann und in Abhängigkeit davon eingestellt wird.

Eine Vorausbedingung zur Erzielung der mit der Erfindung angestrebten Wirkung ist, daß das in dem System verwendete Kältemittel ein bestimmtes Lösungsvermögen in öl besitzt, das mit der nachfolgenden mathematischen Beziehung in bezug auf den Absolutwert in Einklang steht:

in a _r - in ε

Gas (Kältemittel) öl

< 1,5

worin £ die relative Dielektrizitätskonstante des verflüssigten Kältemittels bzw. des Öls bei 5o°C ist (vgl. die bereits erwähnte US-PS 3 945 216).

Um ferner eine annehmbare Schmierung und Dichtung innerhalb des Verdichters zu erhalten, muß die Viskosität des Öls der folgenden mathematischen Bedingung entsprechen:

eil

r «= υ · e ^u

worin & die kinematische Viskosität des reinen Öls, gemessen in Centistokes (c St) bei 5o°C,

Y eine Konstante zwischen 25 und 2oo, e die Basis der natürlichen Logarithmen, P. der Auslaßdruck des Verdichters, u die Kopfkreisgeschwindigkeit des Rippenrotors und

2 c eine Konstante von der Größe 1 cm ' m ist,

kp * see. 2
WeWi¹¹P₁" in kp/cm und "u" in m/sec. gemessen werden (vgl. hierzu wiederum die bereits erwähnte US-PS 3 945 216).

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Wenn die vorstehenden Bedingungen beide erfüllt sind, wird das öl im Ölabscheider 1o, wenn es die gleiche Temperatur wie die Auslaßtemperatur des Verdichters Io besitzt, einen Betrag an gelöstem Kältemittel darin enthalten. Das öl gelangt durch ein Rohr 18 zu einem Drosselventil 2o, wo der Öldruck gegenüber dem im ölabscheider herrschenden Auslaßdruck des Verdichters auf einen Druck in dem anschließenden erweiterten Rohr 22 herabgesetzt wird, das ohne Drosselung in ständiger Verbindung mit dem Arbeitsraum des Verdichters über den Einlaß 24 steht, wodurch der Druck in dem Rohr 22 stets der gleiche wie in dem damit in Verbindung stehenden Abschnitt des Arbeitsraums ist. Beim Hindurchfließen durch das Ventil 2o wird der Druck des Öls somit beträchtlich herabgesetzt, und es ist festgestellt worden, daß ein beträchtlicher Anteil an gelöstem Kältemittel in dem öl aus diesem herauskocht, so daß das Rohr 22 mit einem zweiphasigen Gemisch aus gasförmigem Kältemittel und öl mit nur einem geringen Betrag an darin gelöstem Kältemittel angefüllt wird. Aufgrund des Auskocheffektes wird die öltemperatur herabgesetzt, was zu einer höheren Viskosität und einem größeren Wärmeabsorptionsvermögen führt, und dadurch wird der Wirkungsgrad des Verdichters erhöht. Es ist ferner herausgefunden worden, daß eine Bedingung für diese Verminderung der Temperatur des Öls und der daraus folgenden Anhebung des Wirkungsgrads des Verdichters darin besteht, daß die Zeitspanne für das öl zum Fließen vom Ventil 2o zum Verdichtereinlaß 24 in die Größenordnung von o,1 see. bis 1o see, vorzugsweise etwa 1 see. fällt.

Besonders gute Versuchsergebnisse wurden erhalten, wenn der

2 2

Druckabfall im Ventil 2o zwischen 2 kp/cm und 2o kp/cm

In Abhängigkeit von dem Löslichkeitsgrad des Kältemittels im öl und der Größe des Druckabfalls im Drosselventil wird

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die Temperaturverminderung im öl dann zwischen 5 C und 2o°C liegen.

Dieses System sollte mit dem früher benutzten System verglichen werden, bei welchem das öl vom ölabscheider auf dem gesamten Wege zum Verdichter auf hoher Temperatur gehalten wird und dann eine Einspritzung durch enge Löcher oder Düsen, in denen der Druckabfall erfolgt, vorgenommen wird.

Patentansprüche. /

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Claims

Patentansprüche

1.} Verfahren zum Kühlen von öl in einem Gasverdichtungssystem, insbesondere einem Kälteerzeugungssystem mit einem Rotationskolbenverdichter mit öleinspritzung in dessen Arbeitskammer und einem ölabscheider in dessen Auslaßleitung, wobei das Gas in einem gewissen mit der Temperatur zunehmenden Ausmaß in öl löslich ist, dadurch gekennzeichnet , daß der öIstrom in der ölzuleitung zwischen dem ölabscheider und dem Verdichter dergestalt gedrosselt wird, daß die Zeitspanne, die das öl benötigt, um von der Drosselstelle zum Verdichter zu gelangen, genügend groß für ein Absinken der öltemperatur auf den gewünschten Wert vor dem Eintritt in den Verdichter ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch g e kennz ei chnet, daß die relativen Dielektrizitätskonstanten des Gases und des Öls in der nachstehenden mathematischen Beziehung zueinander stehen:

.- ln<f j _< 1,5 ^r Gas ^r öl)

I I der Absolutwert bedeutet und .

r ___ die relative Dielektrizitätskonstante des verflussigten Gases, gemessen bei 5o C, und

r «, die relative Dielektrizitätskonstante des Öls, gemessen bei 5o°C sind,

daß die kinematische Viskosität des reinen Öls der folgenden Formel entspricht:

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jr - Y ' e u

f die kinematische Viskosität, gemessen in Centistokes (c St) bei 5o°C,

Y eine Konstante zwischen 25 und 2oo°, e die Basis der natürlichen Logarithmen, P," der Auslaßdruck des Verdichters,

u die Kopfkreisgeschwindigkeit des Rippenrotors und

«2 . c eine Konstante von der Größe 1 sind,

wenn "P^" in kp/cm und "u" in m/sec. gemessen werden,

und daß die Zeit, die das öl benötigt, um von der Drosseleinrichtung zum Verdichter zu gelangen, zwischen o,1 see. und 1o see, vorzugsweise etwa 1 see. beträgt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch

gekennzeichnet , daß die Druckverminderung in

2 2

dem Drosselventil zwischen 2 kp/cm und 2o kp/cm beträgt.

4. Gasverdichtungssystem, insbesondere Kälteerzeugungssysteiu zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 3 mit einem Rotationskolbenverdichter mit öleinspritzung in dessen Arbeitsraum und einem ölabscheider in dessen Auslaßleitung, wobei das Gas in einem gewissen mit der Temperatur zunehmenden Ausmaß in öl löslich ist, dadurch gekennzeichnet, daß in der ölzufuhrleitung (18, 22) zwischen dem ölabscheider (16) und dem Verdichter Uo) eine Drosseleinrichtung (2o) dergestalt angeordnet ist, daß die Zeitspanne, die das öl benötigt, um von der Drosseleinrichtung (2o) zum Verdichter (1o) zu gelangen, genügend groß für ein Absinken der öl-

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temperatur auf den gewünschten Wert vor dem Eintritt in den Verdichter (1o) ist.

5. System nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet , daß die Drosseleinrichtung (2o) als unveränderliche Drosselbohrung ausgebildet ist.

6. System nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet t daß die Drosseleinrichtung (2o) als einstellbares Drosselventil ausgebildet ist.

7. System nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet , daß der Rotationskolbenverdichter (1o) ein Schraubenverdichter ist.

8. System nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzel chnet, daß der Verdichter (1o) und der Ölabscheider (16) in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet sind, in welchem zumindest ein Teil der ölzuleitung (18, 22) als Kanal ausgebildet ist, und daß die Drosseleinrichtung (2o) als unveränderliche Drosselbohrung innerhalb dieses Kanals ausgebildet ist.

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