DE2745988A1

DE2745988A1 - Regelvorrichtung fuer den niederdruckverdampfer einer kaelteanlage

Info

Publication number: DE2745988A1
Application number: DE19772745988
Authority: DE
Inventors: Kurt Asger Larsen
Original assignee: Danfoss AS
Current assignee: Danfoss AS
Priority date: 1977-10-13
Filing date: 1977-10-13
Publication date: 1979-04-19
Also published as: DK147717C; JPS5841430B2; DE2745988C2; US4291544A; JPS5464751A; DK415578A; DK147717B

Description

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KUHHORNSHOFWEG 10 K/K/f

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DA 465

DANFOSS A/S, Nordborg (Dänemark) Regelvorrichtung für den Niederdruckverdampfer einer Kälteanlage

Die Erfindung bezieht sich auf eine Regelvorrichtung für den Niederdruckverdampfer einer Kälteanlage, mit einem Hauptventil, dessen Verschlußstück durch ein differenzdruckbetätigtes Servoelement gesteuert ist, einem Pilotventil, dessen Verschlußstück durch einen vom Verdampferfüllstand abhängigen Schwimmer gesteuert ist, und einer Pilotleitung, die von der Zuflußseite des Hauptventils über eine erste Drossel, die der Erzeugung der das Servoelement beaufschlagten Druckdifferenz dient, zum Sitz des Pilotventils führt.

Bei einer bekannten Regelvorrichtung dieser Art ist das Servoelement des Einspritz-Hauptventils als federbelasteter Kolben ausgebildet, der von einer die erste Drossel bildenden Bohrung durchsetzt wird. Das Pilotventil öffnet in einen den Schwimmer aufnehmenden Behälter, welcher sowohl mit dem Dampf raum als auch mit dem Flüssigkeitsraum des Niederdruckverdampfers nach Art kommunizierender Gefässe in Verbindung steht. Sinkt der Spiegel des flüssigen Kältemittels im Verdampfer, so öffnet das Pilotventil; die durch die erste Drossel strömende Kältemittelmenge ruft eine auf den Servokolben wirkende Druckdifferenz hervor, die das Hauptventil öffnet, so daß Kältemittel in den Verdampfer nachströmt, bis das Pilotventil und damit das Hauptventil wieder schließt.

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Bei normaler Unterkühlung des Kältemittels, also um etwa 0° C bis 6 oder 8° C, führt der Druckabfall an der ersten Drossel zu einer Entspannung und daher zu einer teilweisen Dampfbildung, so daß das Pilotventil ein Flüssigkeits-Dampf-Gemisch kontrolliert, das ein wesentlich größeres Volumen hat als die gleiche Menge des die erste Drossel durchströmenden flüssigen Kältemittels. Dies ist von Vorteil, weil dem Arbeitsbereich der Druckdifferenz am Servoelement des Hauptventils ein verhältnismäßig großer Stellweg des schwimmergesteuerten VerschlußstUcks des Pilotventils zugeordnet werden kann. Auf diese Weise ergibt sich eine Regelung mit einem angemessen breiten Proportionalbereich (P-Band). Für den Fall, daß das Kältemittel nur wenig unterkühlt ist und daher eine zu große Dampfbildung auftritt, hat man bereits eine das Pilotventil überbrückende Bypass-Drossel in der Form einer festen, aber auswechselbaren Düse vorgesehen. Auf diese Weise gelingt es, auch unter diesen Voraussetzungen den Verstellweg des Verschlußstücks des Pilotventils dem für die volle Aussteuerung des Hauptventils erforderlichen Differenzdruckbereich anzupassen. Schwierigkeiten treten aber auf, wenn das Kältemittel stärker unterkühlt ist, zum Beispiel um 40°C. Dann schrumpft der Proportionalbereich zusammen, so daß das Hauptventil praktisch nur noch als Auf-Zu-Ventil arbeitet.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Regelvorrichtung der eingangs beschriebenen Art anzugeben, die auch bei stärker unterkühltem Kältemittel einen Proportionalbereich angemessener Breite aufweist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß in die

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Pilotleitung zwischen die erste Drossel und den Sitz des Pilotventils eine zweite Drossel in Reihe geschaltet ist.

Bei dieser Konstruktion wird der Drosselwiderstand in der Pilotleitung vor dem Pilotventil künstlich erhöht, ohne daß der für die Druckdifferenz verantwortliche Drosselwiderstand der ersten Drossel erhöht wird. Dies hat zur Folge, daß auch stärker unterkühltes Kältemittel vor dem Pilotventil so weit entspannt ist, daß sich an dieser Stelle ein FlUssigkeits-Dampf-Gemisch bildet, wodurch sich die für ein breiteres Proportionalband sinnvolle Volumenvergrößerung ergibt. Die Anordnung der zweiten Drossel in Strömungsrichtung hinter der ersten Drossel stellt sicher, daß unter allen Betriebsumständen die erste Drossel von flüssigem Kältemittel durchströmt wird.

Zweckmäßigerweise ist die zweite Drossel einstellbar. Dies erlaubt die Anpassung der Regelvorrichtung an die jeweiligen Betriebsverhältnisse, insbesondere die Unterkühlungstemperatur des Kältemittels, und macht es möglich, für Jede Unterkühlungstemperatur eine beliebige Breite des Proportionalbereichs einzustellen.

Hierbei ist es günstig, wenn die zweite Drossel ein abgedichtet nach außen geführtes Stellglied aufweist. Die Einstellung kann dann während des Betriebs der Kälteanlage erfolgenj Die zweite Drossel kann in das Gehäuse des Pilotventils eingebaut sein. Die Pilotleitung braucht daher nicht zum Einbau dieser Drossel unterbrochen zu werden.

Wenn die Regelvorrichtung eine das Pilotventil überbrückende, vorzugsweise einstellbare Bypass-Drossel hat, wie sie für einen Betrieb mit geringer Unterkühlung sinnvoll ist, empfiehlt sich eine Umschaltvorrichtung, mit der die Teile der Bypass-Drossel wahlweise als zweite Drossel in die Pilotleitung einschaltbar sind. Eine solche Regelvorrichtung läßt sich universell verwenden. Da die zweite Drossel nur bei starker Unterkühlung und

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die Bypass-Drossel nur bei schwacher Unterkühlung erforderlich ist, kann man dieselben Teile in rationeller Weise für beide Drosselfunktionen verwenden.

Konstruktiv ergibt sich eine einfache Lösung dadurch, daß im Gehäuse des Pilotventils zwei parallel an die Pilotleitung anschließbare und zu einem Behälter für den Schwimmer führende Kanäle vorgesehen sind, die untereinander durch die zweite Bypass-Drossel verbunden sind und bei dem sich am Ausgang des ersten Kanals der Sitz des Pilotventils befindet, und daß die Umschaltvorrichtung ein erstes Absperrelement zum Absperren des Eingangs wahlweise des ersten oder zweiten Kanals und ein zweites Absperrelement zum Absperren des Ausgangs des zweiten Kanals, wenn dessen Eingang frei ist, aufweist. Insbesondere können die Absperrelemente Verschlußschrauben sein.

Die Erfindung wird nachstehend anhand in der Zeichnung dargestellter AusfUhrungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Kälteanlage mit einer schematisch dargestellten Regelvorrichtung gemäß der Erfindung,

Fig. 2 eine AusfUhrungsform eines schwimmergesteuerten Pilotventils mit zweiter beziehungsweise Bypass-Drossel, und

Fig. 3 ein Mollier-Diagramm zur Erläuterung der Funktionsweise der Kälteanlage.

Die Kälteanlage nach Fig. 1 weist einen überfluteten Verdampfer 1 auf, der bis zu einem Spiegel 2 mit flüssigem Kältemittel gefüllt ist, so daß sich ein Flüssigkeitsraum 3, in welchem sich Röhren 4 eines Wärmetauschers befinden, und darüber ein Dampfraum 5 ergibt.

Der Dampfraum 5 steht über ein Absperrventil 6 mit einem Niederdruckverdichter 7 in Verbindung, der Kältemittel verdichtet, das in einem mit einer Rohrschlange 8 versehenen Zwischenkühler

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10 verflüssigt wird, der ebenfalls einen Flüssigkeitsraum 11 und einen Dampfraum 12 besitzt. Aus dem Dampfraum wird Kältemittel von einem Hochdruckverdichter 13 angesaugt und unter erneuter Verdichtung in einen Kondensator 14 gefördert. Das dort verflüssigte Kältemittel gelangt in einen Flüssigkeitssammler 15. Es wird in der Rohrschlange 8 des Zwischenkühler 10 stark unterkühlt und gelangt zu einem servogesteuerten Hauptventil 16, mit dessen Hilfe das unterkühlte Kältemittel unter entsprechender Drosselung über eine Leitung 17 in den Flüssigkeitsraum 3 des überfluteten Verdampfers 1 eingeleitet wird. Nach Verdampfung des so zugeführten Kältemittels beginnt der Kreislauf von neuem.

In Fig. 1 sind beispielhaft Temperaturen eingetragen, die in dieser Anlage auftreten können. Wenn der Kondensator 14 mit Raumluft gekühlt wird, kann das im FlUssigkeitssammler 15 gesammelte Kondensat eine Temperatur von +30⁰C haben. Dieses Kondensat wird in der Rohrschlange 8 des Zwischenkühlers 10 auf -10°C abgekühlt. Diese Temperatur hat das Kältemittel auch im Hauptventil 16. Dies entspricht einer Unterkühlung von 40°C. Im Verdampfer herrscht eine Temperatur von -40°C. -i

Zur Steuerung des Hauptventils 16 ist ein Pilotventil 18 vorge- \ sehen. Dieses besitzt einen Behälter 19 für einen Schwimmer 20, dessen Oberseite über eine mit einem Absperrventil 21 versehene Leitung 22 mit dem Dampfraum 5 und dessen Unterseite über eine

mit einem Absperrventil 23 versehene Leitung 24 mit dem Flüssig- j

keitsraum 3 des Verdampfers 1 verbunden ist. Auf diese Weise !

entstehen kommunizierende Gefäße, so daß auch im Behälter 19 j

der Flüssigkeitsspiegel 2 vorhanden ist. Der Behälter 19 ist j

einseitig durch einen Deckel 25 abgeschlossen, welcher in einem !

Block 26 den als Düse ausgebildeten Sitz 27 des Pilotventils j

enthält. Das zugehörige VerschlußstUck 28 ist an einem auch |

den Schwimmer 20 tragenden Winkelhebel 29 angelenkt, der um |

einen Drehpunkt 30 schwenkbar ist. ι

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Das Hauptventil 16 weist einen Eintrittsraum 31» einen Austrittsraum 32 und einen dazwischen angeordneten Ventilsitz 33 auf. Mit ihm arbeitet ein Verschlußstück 34 zusammen, das von einem Servokolben 35 auf- und abbewegt wird, der in einem Zylindereinsatz 36 geführt ist. Der Servokolben steht unter dem Einfluß einer Feder 37, deren Vorspannung mittels eines Stellgliedes 38 einstellbar ist, und dem Druckabfall an einer ersten Drossel 39, die im Kolben als DUsenöffnung ausgebildet ist. Eine Pilotleitung 40 führt von dem Eintrittsraum 31 über eine Verbindungsbohrung 41, diese erste Drossel und eine zweite, damit in Reihe liegende, einstellbarqibrossel 42 zum Sitz 27 des Pilotventils 18.

Wenn das schwimmergesteuerte Pilotventil 18 geschlossen ist, kann in der Pilotleitung 40 kein Kältemittel strömen. An der ersten Drossel 39 tritt kein Druckabfall auf. Daher ist das Hauptventil 16 durch die Kraft der Feder 37 und den am Verschlußstück 34 wirkenden Differenzdruck geschlossen. Wenn der Flüssigkeitsspiegel 2 absinkt und das Pilotventil 18 öffnet, gelangt flüssiges Kältemittel über die erste Drossel 39, die zweite Drossel 42 und den Sitz 27 des Pilotventils in den Behälter 19. Hierbei tritt an der ersten Drosselstelle 39 ein Druckabfall auf, der bei ausreichender Größe die Kraft der Feder 37 und den Differenzdruck überwindet und das Hauptventil öffnet. Die zweite Drossel 42 ist so eingestellt, daß an ihr ein solcher Druckabfall auftritt, daß sich hinter ihr ein Flüssigkeits-Dampf-Gemisch bildet. Dies ist infolge der Einstellbarkeit der zweiten Drossel 42 auch bei stark unterkühltem Kältemittel möglich. Infolge der Volumenvergrößerung ergibt sich am Pilotventil ein solcher Drosselwiderstand, cbß für kleine Druckdifferenzänderungen am Servokolben 35 des Hauptventils 16 ausreichend große Verstellbewegungen des Schwimmers durchgeführt werden können. Daher ergibt sich ein angemessen breiter Proportionalbereich.

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Bei der Ausführungsform nach Fig. 2 sind für das Pilotventil weitgehend gleiche Teile wie in Fig. 1 verwendet. Dementsprechend werden auch dieselben Bezugszeichen benutzt. Hier ist der Deckel 44 anders ausgebildet. Er trägt eine einstellbare Drosselvorrichtung 45, die hier als zweite Drossel 42· wirkt, so daß in die Pilotleitung 40 kein gesondertes Bauteil eingesetzt zu werden braucht. Die Drosselvorrichtung 45 weist eine Düse auf, in welche eine Nadel 47 greift, die Teil eines schraubbaren Stellgliedes 48 ist, welches durch eine Dichtung 49 nach außen geführt und dort mittels eines Vierkants 50 verstellt werden kann. Im Ruhezustand ist dieses Stellglied durch eine Kappe 51 abgedeckt. Die Düse 46 erstreckt sich zwischen zwei parallelen Kanälen 52 und 53, deren Eingang je mit einem Schraubgewinde 54 beziehungsweise 55 zum Befestigen der Pilotleitung 40 versehen ist. Im vorliegenden Fall ist die Pilotleitung 40 am Eingang des zweiten Kanals 53 angeschlossen, während der Eingang des Kanals 52 durch ein Absperrelement in der Form einer in das Gewinde 54 greifenden Verschlußschraube abgeschlossen ist. Das Ende des ersten Kanals 52 wird durch den Sitz 27 des Pilotventils 43 gebildet. Der Ausgang des zweiten Kanals 53 wird durch eine Gewindebohrung 57 gebildet, in welche ein zweites Absperrelement 58 in Form einer Verschlußschraube geschraubt ist.

Demzufolge strömt das über die Pilotleitung 40 ankommende Kältemittel vom Kanal 53 über die Drosselvorrichtung 45 in den Kanal 52 und von dort über den Sitz 27 des Pilotventils 43 in den Behälter 19. Die Arbeitsweise ist dann dieselbe wie in Fig. 1.

Eine Umschaltvorrichtung weist die beiden Absperrelemente und 58 auf. Wenn man die Pilotleitung 40 am Gewinde 54 des ersten Kanals 52 befestigt und das Absperrelement 56 in das Gewinde 55 des zweiten Kanals 53 schraubt und wenn man das Absperrelement 58 aus der Gewindebohrung 57 entfernt und in eine Blindbohrung 59 setzt, ergibt sich ein schwimmergesteuertes Pilotventil, bei dem die Drosselvorrichtung 45

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nunmehr eine Bypass-Drossel bildet, über die, je nach Einstellung, ein mehr oder weniger großer Teil des Kältemittels an dem Sitz 27 des Pilotventils 43 vorbeigeleitet werden kann. Wenn daher ein nur wenig unterkühltes Kältemittel vorhanden ist, das bereits nach Durchtritt durch die erste Drosselstelle 39 am Hauptventil 16 eine starke Verdampfung zeigt, kann man mit Hilfe dieser Bypass-Drossel einen mehr oder weniger großen Teil des Flüssigkeits-Dampf-Gemisches an dem Sitz 27 des Pilotventils 43 vorbeileiten. Infolgedessen reicht der Stellbereich des Pilotventils aus, um das Hauptventil im gesamten Druckdifferenzbereich steuern zu können.

Das Pilotventil der Fig. 2 kann daher unter Beibehaltung aller wesentlichen Teile für Kältemittel beliebiger Unterkühlung benutzt werden, wobei in Jedem Fall ein ausreichend breiter Proportionalbereich mit Hilfe der Teile der Drossel 45 erzielbar ist, sei es daß diese als zweite Drossel in Reihe mit dem Pilotventil liegt, sei es daß diese als Bypass-Drossel parallel dazu geschaltet ist.

In Fig. 3 ist ein Mollier-Diagramm für ein Kältemittel, hier Chlordifluormethan (R22) in der üblichen Darstellung gezeigt, bei der der Nullpunkt unterdrückt ist, auf der Abszisse die Enthalpie h in kcal/kg linear und auf der Ordinate der Druck P in ata logarithmisch aufgetragen ist. Die stark ausgezogene Kurve 0 trennt den darüber befindlichen Bereich reiner Flüssigkeit von dem darunter befindlichen Bereich eines Flüssigkeits-Dampf -Gemisches, wobei die dünn ausgezogenen Linien den gewichtsprozentualen Dampfanteil angeben. Es werden zwei Fälle untersucht, bei denen das Kältemittel dem Hauptventil 16 mit demselben Kondensatordruck P^ zugeführt wird und bei denen eine Entspannung auf denselben im Verdampfer 1 herrschenden Niederdruck P_ erfolgt, der einer Temperatur von -40⁰C entspricht. Im Fall A ist eine normale Unterkühlung von 6°C angenommen, so daß das Kältemittel dem Hauptventil 16 mit einer Temperatur von 24°C zugeführt wird. Im Falle B

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wird eine starke Unterkühlung um 40⁰C angenommen, so daß das dem Hauptventil 16 zugeführte Kältemittel eine Temperatur von -10⁰C hat.

Öffnet im Fall A das Pilotventil 18 geringfügig, so fließt eine geringe Menge flüssigen Kältemittels über die erste Drossel 39 im Kolben 35 des Hauptventils 16 und erzeugt dort einen Druckabfall, so daß am Ausgang dieser Drossel ein Druck P₁ herrscht. Bei größerer Öffnung des Pilotventils 18 vergrößert sich dieser Druckabfall, so daß am Ausgang der ersten Drossel der Druck P₂ herrscht. Der restliche Druckabfall zwischen P₁ bzw. P₂ und dem Niederdruck P tritt zwischen Sitz 27 und Verschlußstück 28 des Pilotventils 18 auf. Je stärker das Pilotventil öffnet, umso mehr sinkt der Druck hinter der ersten Drossel unter die stark ausgezogene Linie 0 des Mollier-Diagramms, was bedeutet, daß der Dampfanteil zwischen erster Drossel und Pilotventil zunimmt. Demzufolge hat das Pilotventil nicht nur flüssiges Kältemittel, sondern ein Flüssigkeits-Dampf-Gemisch zu verarbeiten, dessen Volumen mit steigendem Kältemittelbedarf anwächst. Dies führt bei der Regelung zu einem breiten P-Band.

Überträgt man diese Verhältnisse auf den Fall B, so zeigt sich, daß die gleichen Flüssigkeitsmengen zwar den gleichen Druckabfall an der ersten Drossel 39 hervorrufen, hinter dieser Drossel aber innerhalb des gesamten Regelbereichs flüssiges Kältemittel vorhanden ist. Dies hat zur Folge, daß schon sehr kleine Änderungen des Pilotventils große Änderungen des eingespeisten Kältemittels zur Folge haben. Das P-Band ist entsprechend schmal.

Wird nun im Fall B die erfindungsgemäße zweite Drossel 42 zwischen erste Drossel 39 und Pilotventil 18 gelegt, so tritt an dieser Drossel ein zusätzlicher Druckabfall auf, der bei geringfügiger öffnung des Pilotventils 18 zu dem Druck P, hinter der zweiten Drossel und bei weiterer öffnung des Pilotventils zum Druck P^ an dieser Stelle führt. Dies

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hat zur Folge, daß hinter der zweiten Drossel über den größten Teil des Regelbereichs ein Flüssigkeits-Dampf-Gemisch vorliegt, mit dessen Hilfe die Breite des P-Bandes entsprechend vergrößert wird.

Auf diese Weise wird erreicht, daß auch bei stark unterkühltem Kältemittel für einen gegebenen Regelbereich verhältnismäßig große Niveauänderungen im Verdampfer 1 und im zugehörigen schwimmergesteuerten Pilotventil 18 ausgenutzt werden können.

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Claims

Patentansprüche

1.j Regelvorrichtung für den Niederdruckverdampfer einer Kälteanlage, mit einem Hauptventil, dessen Verschlußstück durch ein differenzdruckbetätigtes Servoelement gesteuert ist, einem Pilotventil, dessen Verschlußstück durch einen vom Verdampferfüllstand abhängigen Schwimmer gesteuert ist, und einer Pilotleitung, die von der Zuflußseite des Hauptventils über eine erste Drossel, die der Erzeugung der das Servoelement beaufschlagten Druckdifferenz dient, zum Sitz des Pilotventils führt, dadurch gekennzeichnet, daß in die Pilotleitung (40) zwischen die erste Drossel (39) und den Sitz (27) des Pilotventils (18, 43) eine zweite Drossel (42, 42') in Reihe geschaltet ist.

2. Regelvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Drossel (42, 42') einstellbar ist.

3. Regelvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Drossel (42*) ein abgedichtet nach außen geführtes Stellglied (48) aufweist.

4. Regelvorrichtung nach Anspruch 1 bis 3» dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Drossel (42*) in das Gehäuse (44) des Pilotventils (43) eingebaut ist.

5. Regelvorrichtung nach Anspruch 1 bis 4, bei der eine das Pilotventil überbrückende, vorzugsweise einstellbare Bypass-Drossel vorgesehen ist, gekennzeichnet durch eine Umschaltvorrichtung, mit der die Teile (46, 47) der Bypass-Drossel wahlweise als zweite Drossel (42*) in die Pilotleitung (40) einschaltbar sind.

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6. Regelvorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß im Gehäuse (44) des Pilotventils (43) zwei parallel an die Pilotleitung (40) anschließbare und zu einem Behälter (19) für den Schwimmer (20) führende Kanäle (52, 53) vorgesehen sind, die untereinander durch die zweite Bypass-Drossel verbunden sind und bei dem sich am Ausgang des ersten Kanals der Sitz (27) des Pilotventils befindet, un daß die Umschaltvorrichtung ein erstes Absperrelement (56) zum Absperren des Eingangs wahlweise des ersten oder zweiten Kanals und ein zweites Absperrelement (58) zum Absperren des Ausgangs des zweiten Kanals, wenn dessen Eingang frei ist, aufweist.

7. Regelvorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Absperrelemente (56, 58) Verschlußschrauben sind.

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