DE2652888C2 - Kältemaschine - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft *iine Kältemaschine nach dem Oberbegriff des Anspruches 1. Eine solche Kältemaschine ist bekannt aus der US-PS 38 03 863.

Gewöhnlich ist das Expansionsventil ein thermostatisches. Es mißt einen Druck, der mit der Überhitzungslemperatur des Kältemittels im Zusammenhang steht, und vergleicht diesen Druck mit dem Sättigungsdruck des Kältemittels im Verdampfer. Das thermostatische Expansionsventil ist bestrebt, die Differenz zwischen diesen Drücken konstant zu halten, was zur Folge haben sollte, daß das Ausmaß der Überhitzung des Kältemittels konstant ist Es hat sich jedoch gezeigt daß eine solche Anordnung nicht imstande ist, den Grad der Überhitzung in ausreichender Weise konstant zu halten. Es besteht im Gegenteil die Gefahr, daß flüssiges Kältemittel den Kompressor erreicht Ein solches »Überkochen« kann insbesondere dann auftreten, wenn der Kühlbedarf des zu kühlenden Raumes gering ist

Ein Grund, der zu diesem Verhalten beiträgt, besteht darin, daß eine Kältemaschine, die mit einem Regelkreis versehen ist, zu der ein thermostatisches Expansionsventil gehört, auf einen relativ engen Arbeitsbereich beschränkt ist Das Expanionsventil muß für die kleinste vorkommende Druckdifferenz bemessen sein, d. h. die kleinste Differenz zwischen dem Druck des Kältemittels vor dem Expansionsventil, also im wesentlichen dem Kondensatordruck, und dem Druck hinter dem Expansionsventil, also im wesentlichen dem Verdampferdruck. Diese Druckdifferenz ist gewöhnlich im Winter am kleinsten. Im Sommer ist die Druckdifferenz zwischen den beiden Seiten des Expansionsventils größer. Dies bedeutet, daß das Ventil überdimensioniert sein muß, was die für thermische Expansionsventile typische geringe Regelgenauigkeit zur Folge hat
Das obengenannte Überkochen des Kältemittels kann an sich dadurch verhindert werden, daß zwischen den Verdampfer und den Kompressor ein Wärmeaustauscher oder ein Flüssigkeitsausscheider eingefügt wird. Ein solches Aggregat ist jedoch teuer und trägt für die eigentliche Funktion der Kältemaschine nichts bei.

Bei der aus der US-PS 38 03 863 bekannten Kältemaschine wird der Strom für den den Kompressor antreibenden Elektromotor einerseits in Abhängigkeit der Temperatur des zu kühlenden Raumes und andererseits in Abhängigkeit der Temperaturdifferenz geregelt, die

im Kältemittel zwischen dem Eingang und dem Ausgang des Verdampfers herrscht.

Aus der DE-OS 18 00 681 ist eine Kühlanlage mit einem elektrisch steuerbaren Expansionsventil bekannt, welches in Abhängigkeit der Differenz der Temperatu-

ren des Kältemittels an zwei Stellen auf der Niederdruckseite der Anlage geregelt wird, wobei einer der Temperaturmeßpunkte vorzugsweise in der Leitung zwischen dem Expansionsventil und dem Verdampfer und der andere Temperaturmeßpunkte in der Sauglei-

tung zwischen dem Verdampfer und dem Kompressor Hegt

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Kältemaschine der eingangs genannten Art zu entwickeln, die von den obengenannten Nachteilen

im wesentlichen befreit ist.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird eine Kältemaschine nach dem Oberbegriff des Anspruches 1 vorgeschlagen, die erfindungsgemäß die im kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 genannten Merkmale aufweist. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen genannt

Der erste Temperaturmeßpunkt ist vorzugsweise so zu lokalisieren, daß er die Temperatur des Kältemittels im gesättigten Zustand im Verdampfer mißt. Der zweite Temperaturmeßpunkt ist bei direkten Kühlsystemen vorzugsweise im zu kühlenden Raum, z. B. einem Gefrierraum, zu lokalisieren. Bei indirekten Kühlsystemen ist der zweite Meßpunkt vorzugsweise im Kreis des wärmeübertragenden Mediums zu lokalisieren. Wenn der zweite Temperaturmeßpunkt im zu kühlenden Raum liegt, dann ist eine Voraussetzung für eine sichere Arbeitsweise des zweiten Regelkreises, daß die Luft zirkuliert wird. Geschieht dies nicht, so ist der Temperatur-

meßwert nicht relevant

In einer weiterentwickelten Ausführungsform gemäß der Erfindung gehören zu dem zweiten Regelkreis Temperaturmeßglieder, welche ihre Meßwerte einem Regler zuführen, der seinerseits einen Motor steuert, der das Expansionsventil öffnet bzw. schließt

Der Regler kann elektrischer oder pneumatischer Art sein; die erstgenannte Art ist besonders geeignet Wenn der Regelkreis einen elektrischen Regler enthält so läßt sich der Regelkreis leicht weiterentwicksln, um zusätzliehe Vorteile gegenüber den bekannten Anordnungen zu erzielen. So kann der Regelkreis dafür verwendet werden, den Wirkungsgrad der Kältemaschine bei Teillast zu verbessern, also dann, wenn der Kühlbedarf des zu kühlenden Raumes herabgesetzt ist In einem solchen Falle ist es ferner möglich, einen weiteren Regelkreis einzuführen, welcher das Eindringen von flüssigem Kältemittel in den Kompressor verhindert

Wenn der Kompressor in einer Kä'temaschine mit einem bestimmten Kältemittel bei Vollast arbeitet bei einer bestimmten Temperatur außerhalb des Kondensators und einer vorgegebenen Temperatur in dem Strom des wärmeübertragenden Mediums zum zu kühlenden Raum, dann herrscht ein bestimmtes Verhältnis zwischen dem Druck vor und hinter dem Kompressor. Wenn der Kühlbedarf des zu kühlenden Raumes zurückgeht dann wird die Leistung des Kompressors entsprechend herabgesteuert Man kann an sich bei diesem neuen Betriebsfall dieselbe Temperaturdifferenz zwischen dem Kältemittel im gesättigten Zustand im Verdämpfer und dem wärmeübertragenden Medium oeibehalten, die als Sollwert im Regler vorgegeben ist und die der Regler aufrechtzuerhalten versucht Indem man jedoch diese Temperaturdifferenz herabsetzt (d. h. in der Praxis die Sättigungstemperatur des Kältemittels im Verdampfer erhöht da man bestrebt ist die Temperatur des zum zu kühlenden Raum fließenden wärmeübertragenden Mediums konstant zu halten) kann man eine höhere Verdampfungstemperatur erzielen, was eine Herabsetzung des spezifischen Energieverbrauchs des Kompressors bedeutet. Dadurch wird der Wirkungsgrad der Kältemaschine bei Teillast verbessert.

Um dies in der Praxis zu erreichen, sind im Kompressor Mittel vorgesehen, weiche den vorgegebenen Sollwert im Regler in Abhängigkeit der jeweiligen Leistung des Kompressors verändern. Der günstigste funktionale Zusammenhang /wischen der jeweiligen Kompressorleistung und dim Sollwert im Regler muß im voraus ermittelt werden.

Der vorgeschlagene besondere Regelkreis zur Verhinderung des Eindringens von flüssigem Kältemittel in den Kompressor kann in der Weise aufgebaut sein, daß die Temperaturdifferenz zwischen dem Kältemittel im gestättigten Zustand im Verdampfer und an einer Stelle zwischen dem Verdampfer und dem Kompressor gemessen wird. Wenn diese Temperaturdifferenz unter einen bestimmten Wert sinkt, wird eine zusätzliche Betätigung des Motors, der das Expansionsventil verstellt, im schließenden Sinne veranlaßt. Mit Rücksicht auf die Trägheit der geregelten Kältemaschine ist es zweckmäßig. eine Verzögerung einzuführen, deren Größe von der Zeitkonstante, der Kältemaschine abhängt

Anhand des in der Zeichnung schematisch dargestellten Ausführungsbeispieles einer Kältemaschine gemäß der Erfindung soll die Erfindung näher erläutert werden. Die Kältemaschine enthält einen Regelkreis mit einem geführten Sollwert im Regier und einen Sicherheitsregelkreis mit einer zusätzlichen (übergreifenden) Funk

In der Zeichnung bezeichnet 1 einen Kompressor, 2 einen Kondensator, 3 ein Expansionsventil (Drosselventil), welches von einem Motor gesteuert wird, und 4 einen Verdampfer. Die genannten Aggregate sind über Leitungen 5 bis 8 zu einem Kreis zusammengeschlossen und führen ein Kältemittel.

Der Verdampfer arbeitet als Wärmeaustauscher, dem Wärme von einem zu kühlenden Raum, z. B. einem Gefrierraum, durch ein wärmeübertragendes Medium zugeführt wird, der mit konstantem Fluß (konstante Geschwindigkeit) in einem geschlossenen Kreislauf strömt. Das wärmeübertragende Medium tritt durch den Einlaß 9 in den Verdampfer ein und verläßt diesen durch den Auslaß 10. Die Temperatur des den Verdampfer verlassenden wärmeübertragenden Mediums wird mittels einem Temperaturmeßglied 11 gemessen, welches Signale an den Regelkreis für die Leistung des Kompressors liefert Das Ziel besteht darin, die Temperatur des vom Verdampfer kommenden wärmeübertragenden Mediums konstant zu halten, was bedeutet daß die Leistung des Kompressors in Abhängigkeit des Kühlbedarfes des zu kühlenden Raumes gesteuert werden muß. Wenn der Kühlbedarf zurückgeht, so sinkt die Temperatur des wärmeübertragenden Mediums, was zur Folge hat, daß das Temperaturmeßglied 11 die Einstellung des Leistungsregelkreises im Sinne einer Herabsetzung der Leistung des Kompressors verändert. Dies hat zur Folge, daß die Temperatur des wärmeübertragenden Mediums wieder den gewünschten Wert annimmt

Der vorzugsweise elektrisch arbeitende Regler ist mit 12 bezeichnet Er empfängt Signale sowohl von dem Temperaturmeßglied 11 als auch von einem ähnlichen Meßglied 13, welches die Temperatur des wärmeübertragenden Mediums im gestättigten Zustand im Verdampfer mißt Der Regler vergleicht die Differenz zwischen diesen beiden Temperaturmeßwerten mit einem im Regler eingestellten Wert. Wenn eine Regelabweichung vorliegt dann veranlaßt der Regler eine Verstellung des verstellbaren Expansionsventils 3 im Sinne einer weiteren Öffnung oder Schließung, so daß die gewünschte Temperaturdifferenz konstant gehalten wird. Der Antrieb des Expansionsventils besteht im Ausführungsbeisp'el aus einem elektrischen Motor.

Der Regler kann von mehr oder weniger hochentwikkelter Art sein und kann eine P-, PI-, PD- oder PID-Charakteristik haben. Er kann eine innere Rückführung (simulierte Rückführung) haben oder ihm kann ein Rückführungssignal von dem Expansionsventil zugeführt werden, welches Signal durch einen ohmschen, kapazitiven oder induktiven Geber erzeugt werden kann, welcher an das Expansionsventil angeschlossen ist.

Die gezeigte Ausführungsform ist noch in weiterer Hinsicht fortentwickelt. Die Regelanordnung für die Leistung des Kompressors enthält einen Geber, welcher dem Regler 12 Meßwerte über die Leistung des Kompressors zuführt Diese Meßwerte dienen dazu, den eingestellten Wert für die genannte Temperaturdifferenz zu steuern, und zwar gemäß einem vorgegebenen funktionalen Zusammenhang, nach welchem zu einer kleiner werdenden Leistung eine verkleinerte Temperaturdifferenz gehört Wie oben erwähnt, ist es das Ziel der Anordnung, den Wirkungsgrad des Kompressors bei Teillasi zu verbessern, d. h., wenn der Kühlbedarf des gekühlten Raumes unterhalb seines Maximums liegt

Ein Temperaturmeßglied 15 mißt die Temperatur in der Leitung 5 zwischen dem Verdampfer und dem Kompressor. Der Zweck dieser Messung: besteht darin, das

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Eindringen von flüssigem Kältemittel in den Kompressor zu verhindern. Die Meßwerte des Temperaturmeßgliedes 15 werden dem Regler 12 zugeführt, welcher diese Temperatur mit der Temperatur vergleicht, die von dem Temperaturmeßglied 13 gemessen wird, d. h. mit der Temperatur des Kältemittels im gesättigten Zustand. Wenn die Differenz zwischen diesen Temperaturen kleiner ist als der vorgegebene Wert im Regler 12, dann liefert der Regler ein überschießendes Signal zur Betätigung des Expansionsventils im schließenden Sinne, weil die Gefahr besteht, daß flüssiges Kältemittel durch die Leitung 5 zum Kompressor gelangen und diesen beschädigen könnte.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen 10 15

Claims (6)

Patentansprüche:

1. Kältemaschine, bestehend aus einem geschlossenen Kreis mit einem Kompressor, einem Kondensator, einem Expansionsventil und einem Verdampfer, in welchem Kreis ein Kältemittel fließt und dem die Wärme von einem zu kühlenden Raum über den Verdampfer zugeführt wird, und zwar vorzugsweise durch den konstanten Fluß eines zirkulierenden wärmeübertragenden Mediums, mit einem ersten Regelkreis zur Regelung der Kompressorleistung in Abhängigkeit vom Kühlbedarf des zu kühlenden Raumes, dadurch gekennzeichnet, daß ein zweiter Regelkreis vorhanden ist mit Mitteln (13,11) zur Messung der Differenz zwischen der Temperatur des Kältemittels im gesättigten Zustand im Verdampfer (4) (erster Temperaturmeßpunkt) und der Temperatur im zu kühlenden Raum oder des wärmeübertragenden Mediums (zweiter Temperaturmeßpunkt) und daß Mittel vorhanden sind zur Verstellung des Expansionsventils (3) in dem Sinne, daß die genannte Temperaturdifferenz konstant gehalten wird.

2. Kältemaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Temperaturmeßpunkt (13) nahe dem Auslaß für das Kältemittel aus dem

. Verdampfer (4) liegt

3. Kältemaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Regelkreis ein erstes (13) und ein zweites (11) Temperaturmeßglied enthält, deren Meßwertausgänge an einen Regler (12) angeschlossen sind, und daß der Regler (12) einen Motor steuert, welcher das Expansionsventil (3) öffnet bzw. schließt

4. Kältemaschine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Regler (12) den Motor in Abhängigkeit der Abweichung zwischen der Temperaturdifferenz, die von den Temperaturmeßgliedern (13,11) gemessen wird, und einem vorgegebenen, im Regler (12) eingestellten Wert steuert.

5. Kältemaschine nach Anspruchs dadurch gekennzeichnet, daß der Regler (H2) an den Kompressor (1) angeschlossen ist und den im Anspruch 4 genannten vorgegebenen, im Regler eingestellten Wert in Abhängigkeit der eingestellten Leistung des Kompressors verändert.

6. Kältemaschine nach einem der Ansprüche 3—5, dadurch gekennzeichnet, daß die dem Regler (112) zugeführten Signale von den Temperaturmeßgliedern (13,11) elektrischer Art sind und das Stellglied für das Expansionsventil (3) ein elektrischer Motor ist.