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Abtauvorrichtung
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Zusammenfassung Es wird eine Abtauvorrichtung für Verdampfer in Kältemittelkreisläufen,
insbesondere für Wärmepumpen vorgeschlagen, bei welcher der Abtauvorgang eingeleitet
wird, wenn die Differenz zwischen der Temperatur des Kältemittels im Verdampfer
und der Umgehungstemperatur des Verdampfers einen bestimmten Wert überschreitet.
Die Vorrichtung nach dem Hauptpatent hat zu diesem Zweck zwei Meßwertgeber, deren
wärmeempfindliche Fühler am oder im Verdampfer und in dessen Umgebung angebracht
sind. Die beiden Meßwerte werden in ein Schaltwerk eingegeben, welches die das Abtauen
des Verdampfers bewirkenden Mittel einschaltet, sobald die Differenz der beiden
Meßwerte einen bestimmten Wert überschreitet. Ferner sind Mittel vorgesehen, welche
den Ansprechzeitpunkt des Schaltwerks derart der Umgebungstemperatur des Verdampfers
anpassen, daß mit sinkender Umgebungstemperatur der Abtauvorgang bei geringeren
Temperaturspreizungen zwischen den Meßpunkten der Meßwertgeber einsetzt und umgekehrt.
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Die Vorrichtung nach dem Hauptpatent wird gemäß der vorliegenden Erfindung
weiter ausgestaltet durch feuchtigkeitsempfindliche Mittel zur Korrektur des Differenzsignals,
welche in Abhängigkeit von der Luftfeuchtigkeit in der Umgehung des Verdampfers
das Differenzsignal so beeinflussen, daß mit steigendem Luft feuchtigkeitsgehalt
der Abtauvorgang bei niedrigeren Temperaturspreizungen zwischen den Meßpunkten der
beiden Meßwertgeber einsetzt und umgekehrt.
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Stand der Technik Die Erfindung geht aus von einer Vorrichtung zum
Abtauen von Verdampfern nach der Gattung des fjauptanspruchs des Patents ...
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(Patentanmeldung P 26 37 129.9). Es ist schon eine derartige Vorrichtung
bekannt, bei welcher unabhängig von der Temperatur und dem Feuchtigkeitsgehalt der
den Verdampfer umgebenden Luft das Schaltwerk bei einer fest eingestellten Temperaturspreizung
zwischen den Meßpunkten der beiden Meßwertgeber die Abtaumittel einschaltet. Das
hat den Nachteil, daß das Schaltwerk nur innerhalb eines verhältnismäßig eng begrenzten
Bereiches der Temperatur und des Feuchtigkeitsgehalts der den Verdampfer umgebenden
Luft die Abtauvorgänge zur richtigen Zeit, d.h. wenn die Eisschicht eine Dicke erreicht
hat, bei der ein ordnungsgemäßes Arbeiten der Wärmepumpe oder anderer Kälteanlagen
mit Luft verdampfern nicht mehr gewährleistet ist, einleitet. Bei der bekannten
Anordnung wird nämlich nicht berücksichtigt, daß die Temperaturspreizung zwischen
der Umgebungstemperatur des Verdampfers und des Kältemittels im Verdampfer eine
Funktion der Umgebungstemperatur selbst und des Feuchtigkeitsgehaltes der Umgebungsluft
ist. Eingehende Versuche haben jedoch gezeigt, daß sich die Temperaturspreizung
mit abnehmender Umgebungstemperatur und steigendem Feuchtigkeitsgehalt verringert
und umgekehrt, wobei noch zu beachten ist, daß diese beiden Parameter außer bei
einer relativen Luftfeuchtigkeit von 100 % unabhängig voneinander sind.
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Vorteile der Erfindung Die erfindungsgemäße Anorndung mit den kennzeichnenden
Merkmalen des Hauptanspruchs hat demgegenüber den Vorteil, daß sich der Beginn des
Abtauvorganges über einen weiten Bereich der Temperatur und des Feuchtigkeitsgehalts
der Umgebungsluft des Verdampfers so an die von diesen physikalischen Größen abhängige
Temperaturspreizung zwischen der Kältemitteltemperatur
im Verdampfer
und dessen Umgebungstemperatur anpassen läßt, daß über den ganzen Anwendungsbereich
der Wärmepumpe oder anderer Kühlanlagen mit Luftverdampfern durch Eisansatz keine
größeren als die für den geordneten und vorteilhaften Betrieb erforderlichen Schaltdifferenzen
auftreten, weil vorher ein Abtauvorgang eingeleitet wird.
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Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen ist eine vorteilhafte
Weiterbildung und Verbesserung der im Hauptanspruch angegebenen Vorrichtung möglich.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Kennlinie des korrigierten Differenzsignals
der beiden Meßwertgeber über der Umgebungstemperatur des Verdampfers bei einer relativen
Luftfeuchtigkeit von 30 a, die praktisch nicht unterschritten wird, mindestens annähernd
der Kennlinie der tatsächlichen Temperaturspreizung bei vollkommen trockener Luft
entspricht.
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Zeichnung Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung
dargestellt und in der nachstehenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen die
Figuren 1 und 2 Kennlinienbilder zur Verdeutlichung der Erkenntnisse, die der Erfindung
nach dem Hauptatent zugrunde liegen. Figur 3 zeigt das Ausführungsbeispiel in schematischer
Darstellung. Figur 4 ist ein Schnittbild nach Linie IV-IV in Figur 3 in größerem
Maßstab.
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In Figur 1 ist die Abhängigkeit der Kältemitteltemperatur to im Verdampfer
von der Umgebungstemperatur tA des Verdampfers einer Wärmepumpe dargestellt. Auf
der Abszisse ist die Umgebungstemperatur tA und auf der Ordinate die Kältemitteltempetur
to aufgetragen. Diese ist auch abhängig von dem relativen Feuchtigkeitsgehalt 't
der Umgebungsluft. Man erhält für die verschiedenen Feuchtigkeitsgehalte ein Bündel
von Kennlinien to, von denen in der Zeichnung nur die Grenzkennlinien für f = 1,0
und ç = 0 dargestellt sind. Man erkennt, daß die
Temperaturdifferenz
d t zwischen der Außentemperatur tA und der Kältemitteltemperatur t von der Umgebungstemperatur
und dem Feuchtigkeitsgehalt der Umgebungsluft abhängig ist.
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In Figur 2 ist diese Abhängigkeit über der Umgebungstemperatur tA
und für verschiedene relative Feuchtigkeitsgehalte der Luft dargestellt. Die vorwiegend
auftretenden Spreizungen ß t im Betrieb der Wärmepumpe liegen in dem in Figur 2
schraffierten Bereich, der durch die Punkte a bis d begrenzt ist. Die .Punkte a
und d liegen auf der Kennlinie A t mit dem relativen Feuchtigkeitsgehalt t = 0,3.
In der Praxis wir dieser relative Feuchtigkeitsgehalt der Umgebungsluft kaum unterschritten.
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Aus Figur 2 ist anschaulich zu erkennen, daß eine Abtauvorrichtung,
die bei einer fest eingestellten Differenz der Meßwerte de*11 beiden Meßwertgeber
entspricht, nur innerhalb eines eng begrenzten Bereichs der Temperatur tA und des
Feuchtigkeitsgehaltes der Umgebungsluft des Verdampfers ordnungsgemäß arbeiten kann.
Es sei angenommen, daß die Abtauvorrichtung bei einer fest eingestellten Meßwertdifferenz
von 5° C anspricht. Diese Einstellung ist in Figur 2 durch die Linie e gekennzeichnet.
Eine solche Abtauvorrichtung würde zwar am unteren Grenzbereich c-d des schraffierten
Spreizungsbereichs die Abtauvorgänge zur richtigen Zeit einleiten, jedoch fast im
ganzen übrigen Anwendungsbereich zu oft und vorzeitig auf Abtaubetrieb schalten
und je nach Feuchtigkeitsgehalt zwischen Abtaubetrieb und Heizbetrieb pendeln, wodurch
die Wärmeleistung der Wärmepumpe und die Lebensdauer der Schaltorgane beeinträchtigt
würde. Wenn andererseits die Abtauvorrichtung so ausgelegt ist, daß'sie auf eine
Meßwertdifferenz von 90 C entspricht, was durch die Linie f in Figur 2 veranschaulicht
ist, dann wird im Betriebspunkt c der Abtauvorgang erst dann eingeleitet, wenn die
Temperatur des Kältemittels im Verdampfer um über 60 C gegenüber der Temperatur
abgesunken ist, die das Kältemittel bei nicht vereistem Verdampfer hätte.
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Um diese Unzulänglichkeiten zu vermeiden, ist die erfindungsgemäße
Abtauvorrichtung so ausgebildet,.daß sich die im Schaltwerk eingestellte Schaltdifferenz
der Temperatur tA und dem Feuchtigkeitsgehalt der Umgebungsluft des Verdampfers
automatisch derart anpaßt, daß über den ganzen Anwendungsbereich keine größeren
als die für geordneten Betrieb erforderlichen Temperaturdifferenzen zwischen der
Unigebungsluft und dem Kältemittel im Verdampfer auftreten. Die Anordnung ist so
getroffen, daß bei einer relativen Luftfeuchtigkeit von 30 % die Schaltdifferenz,
d.h. die Meßwertdifferenz, bei welcher die Abtauvorrichtung anspricht, über der
Umgebungstemperatur tA nach der in Figur 2 strichpunktiert eingezeichneten Kennlinie
g verläuft, die etwa der t t-Kennlinie h für trockene Luft ( 8 = O) entspricht.
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In Figur 3 ist die erfindungsgemäße Abtauvorrichtung schematisch dargestellt.
Die Vorrichtung hat zwei Meßwertgeber, von denen ein jeder einen Fühler 11 bzw.
12 hat, der über eine Kapillare 13 bzw. 14 mit einer Membrandose 15 bzw. 16 verbunden
ist. Beide Meßwertgeber sind mit einem Ausdehnungsmittel gefüllt. Der Fühler 11
des ersten Meßwertgebers ist außen am Gehäuse eines Verdampfers 18 mit gutem Wärmekontakt
befestigt.
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Dieser Fühler mißt die Verdampfertemperatur bzw. die mit dieser praktisch
übereinstimmende Verdampfungstemperatur des Kältemittels im Verdampfer. Der Fühler
12 des zweiten Meßwertgebers erfaßt die Temperatur der Luft, die ein Ventilator
19 im Bereich der Wärmepumpe oder sonstigen Kälteanlage durch den Verdampfer 18
bläst oder saugt.
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Beide Membrandosen 15 und 16 wirken im Gegensinn auf einen Schalthebel
22 ein, der bei 23 schwenkbar in einem Gehäuse 24 gelagert ist. Der Schalthebel
22 steht unter dem Einfluß einer Zugfeder 25, die ihn entgegen dem Uhrzeigersinn
zu verschwenken sucht. Die Feder 25 ist an einer Mutter 26 (Figur 4) befestigt,
welche auf einem Gewindeabschnitt 27 eines Zugankers 28 sitzt. Auf diesem sind je
nach Bedarf lose nacheinander mehrere
Bimetall-Tellerfedern 30
und ein Plattenstapel 31 aufgesteckt.
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Die Bimetallfedern 30 sind so ausgebildet, daß sie sich bei Erwärmung
strecken und bei Abkühlung wölben. Der Plattenstapel 31 weist mehrere einzeliie
Platten 32 aus Leder oder anderen Feuchtigkeit aufnehmenden und sich dadurch ausdehnenden
Materialien auf, zwischen denen Metallplatten 33 angeordnet sind. Die Randabschnitte
34 der Metallplatten 33 stehen über den Umfang der Lederplatten 32 vor. An beiden
Stirnseiten ist der Plattenstapel 31 mit Druckplatten 35 und 36 versehen. An der
Druckplatte 35 greift die benachbarte Bimetallfeder 30 an; an der Druckplatte 36
stützt sich der Kopf 37 des Zugankers 28 ab. Die vom Plattenstapel 31 am weitesten
abliegende Bimetallfeder 30 stützt sich auf dem Gehäuse 24 der Vorrichtung ab.
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Am gegenüberliegenden Ende des Schalthebels 22 ist ein Stößel 40 befestigt,
der über eine Schnappfedereinrichtung auf einen Umschalter 41 im Gehäuse 24 einwirkt.
Der bewegliche Kontakt des Umschalters 41 ist über eine Steckerzunge 42 an die Phase
R des Netzes anschließbar, während die beiden festen Gegenkontakte des Umschalters
41 über Steckerzungen 43 und 44 mit dem Ventilator 19 und einem Schütz 45 zur Steuerung
der Abtaumittel des Verdampfers 18 verbindbar sind. Das Schütz 45 betätigt beim
Ausführungsbeispiel ein nicht dargestelltes Mehrwegeventil, welches den Kältemitteldurchfluß
durch den Verdampfer und den Verflüssiger der Wärmepumpe oder eines beliebigen Kälteaggregates
umkehrt, wenn sich beim Verschwenken des Schalthebels 22 entgegen dem Uhrzeigersinn
der bewegliche Kontakt des Umschalters 41 auf den mit der Stecker zunge 4: verbundenen
Gegenkontakt auflegt. Dabei wird gleichzeitig der Ventilator 19 stillgesetzt, so
daß der Verdampfer 18 während der Abtauphase keine unerwünschte Kühlung durch den
Ventilator erfährt solange tA> Oo C ist, kann ein Weiterlaufen des Ventilators
jedoch auch erwünscht sein. In der dargestellten Lage liegt der Schalthebel 22 an
einem gehäusefesten Anschlag 46 an.
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Die Abtaueinrichtung arbeitet wie folgt:
Die beiden
Membrandosen 15 und 16 üben auf den Schalthebel 22 ein Differenzmoment aus, das
den Schalthebel 22 im Uhrzeigersinn zu verschweriken sucht. Das kommt daher, weil
das temperaturempfindliche Mittel im Meßwertgeber 11, 15 stärker vorgespannt ist
als im Meßwertgeber 12, 16, so daß trotz kälterem Fühler 11 die Stellkraft der Membrandose
15 jene der Membrandose 16 überwiegt. Das Differenzmoment wirkt dem von der Zugfeder
25 auf den Schalthebel 22 ausgeübte Drehmoment entgegen.
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Im normalen Betrieb, d.h., wenn der Verdampfer 18 nicht verzist ist,
überwiegt das Differenzmoment der Membrandosen 15, 16 das Drehmoment der Zugfeder
25 und verschwenkt den Schalthebel 22 im Uhrzeigersinn, bis er zur Anlage am gehäusefesten
Anschlag 46 kommt, der eine weitere Bewegung des Schalthebels 22 verhindert.
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Mit zunehmender Temperaturdifferenz zwischen den beiden Temperaturfühlern
11 und 12 der Meßwertgeber nimmt das von diesen auf den Schalthebel 22 ausgeübte
Differenzmoment ab, bis das Drehmoment der Zugfeder 25 das Differenzmoment überwindet
und danach den Schalthebel 22 entgegen dem Uhrzeigersinn verschwenkt. Dabei wird
der Umschalter 41 betätigt und die obengeschilderten Maßnahmen zum Abtauen des Verdampfers
eingeleitet.
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Die Bimetall-Tellerfedern 30 sind so ausgebildet und angeordnet, daß
sie mit abnehmender Umgebungstemperatur das von der Zugfeder 25 auf die Wippe 22
ausgeübte Moment vergrößern und umgekehrt. Die Lederplatten 32 im Plattenstapel
31 sind hygroskopisch und vergrößern ihr Volumen, wenn der Feuchtigkeitsgehalt in
der Umgebungsluft des Verdampfers 18 zunimmt und umgekehrt. Eine Vergrößerung des
Volumens der Lederplatten 32 hat zur Folge, daß das von der Zugfeder 25 auf die
Wippe 22 ausgeübte Dremoment größer wird. Abnehmende Temperatur und steigender Feuchtigkeitsgehalt
der Umgebungsluft wirken sich also im gleichen Sinne auf das Schaltwerk aus.
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Eine Vergrößerung des von der Zugfeder 25 auf die Wippe 22 ausgeübten
Drehmoment hat zur Folge, daß der Abtauvorgang schon bei einer kleineren Temperaturdifferenz
zwischen den Fühlern 11 und 12 der beiden Meßwertgeber eingeleitet wird. Wie schon
beschrieben, ist erfindungsgemäß die Anordnung so getroffen, daß die Kennlinie g
des korrigierten Differenzsignals, bei welchem bei einer relativen Feuchtikeit von
30 % der Abtauvorgang eingeleitet wird, mindestens annähernd der Kennlinie h für
vollkommen trockene Luft entspricht. Durch die Anordnung der hygroskopischen Platten
32 wird erreicht, daß mit steigender relativer Luftfeuchtigkeit die Kennlinie g
in Figur 2 entsprechend nach unten verlagert wird, und zwar derart, daß diese Kennlinie
bei jedem relativen Feuchtigkeitsgehalt der Luft etwas oberhalb der diesem Feuchtigkeitsgehalt
entsprechenden Kennlinie liegt.
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Die zwischen den hygroskopischen Platten 32 vorgesehenen metallischen
Platten 33 haben den Zweck, die Temperatur und damit die Feuchtigkeit der Umgebungsluft
möglichst rasch auf die Platten 32 zu ubertragen. Diese Wirkung wird durch die überstehenden
RandbereichEder Platten 33 noch gesteigert. Eine weitere Steigerung der Temperatur-
und Feuchtigkeitsanpassung kann erzielt werden durch Aussparungen oder Bohrungen
in den Platten, so daß die Eindringtiefe der Luftfeuchtigkeit und Temperatur möglichst
gering ist.
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Durch entsprechende Wahl und Anzahl der Bimetallfedern 30 und hygroskopischen
Platten 31 kann die Vorrichtung verschiedenen Kältemittelkreisläufen angepaßt werden.
Durch Verdrehen des Zugankers 28 wird eine Parallelverschiebung der Kennlinie g
hervorgeruren, wodurch eine zusätzliche Möglichkeit zur Anpassung der Vorrichtung
an die jeweils gestellten Anforderungen gegeben ist. Anstelle von Leder kann auch
ein anderes hygroskopisches Material z.B. Holz, das mit hygroskopischen Chemikalien
behandelt ist, oder entsprechend ausgebildeter Kunststoff verwendet werden.
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Die beschriebene Vorrichtung eignet sich auch für unterbrochenen
Betrieb
der Wärmepumpe, weil in den Betriebspausen die Temperatur im Verdampfer sich der
Umgebungstemperatur nähert.
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Das bedeutet eine kleinere Temperaturdifferenz zwischen der Temperatur
im Verdampfer und der Umgebungstemperatur. Deshalb findet bei Anlaufvorgängen kein
unerwünschter Abtauvorgang statt.
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Die Mittel zur Korrektur des auf den Schalthebel 22 ausgeübten resultierenden
Drehmoments könnten in Abwandlung gegenüber dem Ausführungsbeispiel auch unmittelbar
z.B. auf eine der beiden Membrandosen 15 bzw. 16 einwirken. Diese Mittel könnten
im weiteren Sinne auch in einer unterschiedlichen Ausbildung der beiden Meßwertgeber
bestehen. Ein Unterschied könnte beispielsweise in der Verwendung von Ausdehnungsmedien
mit unterschiedlichen Wärme-Ausdehnungskoeffizienten oder in der Verwendung von
unterschiedlich großen Membrandruckdosen für die beiden Meßwertgeber bestehen. Auch
ist es denkbar, daß der Meßwertgeber 12, 16 für die Umgebungstemperatur gleichzeitig
auch das als mechanisches Stellglied ausgebildete Mittel zur Temperatur-Korrektur
des Differenzmomentes ist. Dieser Meßwertgeber könnte auch beispielsweise auf ein
Schaltgestänge zwischen dem anderen Meßwertgeber 11, 15 und den Abtaumitteln einwirken.
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