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Verfahren und Vorrichtung zum Kühlen eines in
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einem Kältekreislauf angeordneten Verdichters der Drehkolbenbauart
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Kühlen eines in einem
Kältekreislauf angeordneten Verdichters der Drehkolbenbauart.
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Es sind Verdichter für Luft, andere Gase und für Kältemittel bekannt,
bei denen die entstehende Verdichtungswärme durch eingespritztes Ö1 abgeführt wird.
Dieses Verfahren wird vor allem bei Verdichtern der Drehkolbenbauart angewendet,
bei denen das Ö1 zur Schmierung, zur Abdichtung der Leckspalte des Verdichtungsraumes
und zur Kühlung des Gases oder Dampfes, um die Endtemperatur auf einen bestimmten
Höchstwert begrenzen
zu können, herangezogen wird. Der Nachteil
dieses Verfahrens ist, daß erhebliche Mengen öl eingespritzt und anschließend zurückgekühlt
werden müssen. Aufgrund der mäßigen Wärmeübergangszahlen für öl werden dabei für
die Rückkühlung große O1-kühler benötigt, die einen erheblichen Kühlwasserverbrauch
aufweisen und teuer sind. Dies wird besonders deutlich bei Verdichtern, die in einem
Kältekreislauf eingesetzt werden und demzufolge mit großen Verdiohtungsverhältnissen
und Enddrücken arbeiten und eine'hohle Antriebsleistung haben, von der ein großer
Teil als Wärme im ölkühler abgeführt wird.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine
Vorrichtung zur Kühlung eines in einem Kältekreislauf angeordneten Verdichters der
Drehkolbenbauart mit dem Ziel anzugeben, daß der Einsatz großer und relativ teurer
Ölkühler vermieden und auf diese Weise der Kühlwasserverbrauch zumindest gesenkt
werden kann und daß allgemein der Wirkungsgrad und die Wirtschaftlichkeit des Verdichterbetriebs
erhöht wird.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß in einen zur
Saugseite hin abgeschlossenen, noch unter geringem Druck stehenden Verdichtungsraum
des Verdichters eine bl-Kältemittel-Mischung eingespritzt wird.
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Durch das Einspritzen einer Öl-Kältemittel-Mischung in den Verdichtungsraum
des Verdichters kommt dem Ö1 nur noch die Aufgabe der Abdichtung der gleitenden
oder abrollenden Teile
des oder der Arbeitskolben und die Aufgabe
der Schmierung der Laufspiele im Verdichtungsraum zu, während das Kältemittel die
Aufgabe der Kühlung übernimmt. Das Ö1 dient dann beispielsweise bei einem Schraubenverdichter
nur der Schmierung und Abdichtung der aufeinander abrollenden schraubenförmigen
Arbeitskolben oder bei einem Vielzellenverdichter der Schmierung und Abdichtung
der Arbeitsschieber zum Rotor und zum Gehäuse.
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Da das mit dem Ö1 eingespritzte Kältemittel für die Abfuhr der Verdichtungswärme
sorgt, kann die Anordnung eines Ölkühlers völlig entfallen, wodurch die Herstellungskosten
des Verdichters verringert und eine Einsparung von Kühlwasserkosten erreicht wird.
Außerdem kann die dem Verdichtungsraum zugeführte ölmenge viel geringer als bei
bisher bekannten Verdichtern gehalten und trotzdem eine gute Abdichtung der Laufspiele
erzielt werden, da die zur Kühlung erforderliche Kältemittelmenge die Zähigkeit
des öls so erhöht, daß auch bei kleiner ölmenge eine gute Abdichtung sichergestellt
ist. Während es bisher üblich ist, eine große ölmenge mit ca. 5000 einzuspritzen,
ist es nach dem erfindungsgemäßen Verfahren möglich, das Ö1 vor dem Einspritzen
durch die Vermischung mit dem verwendeten Kältemittel auf z.B.
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0 0 C zu kühlen und dadurch die Zähigkeit des öls wesentlich zu erhöhen.
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Darüber hinaus hat die Einspritzung einer Öl-Kältemittel-Mischung
auch eine Verringerung der dynamischen Verluste innerhalb
des Verdichters
zur Folge. Denn da die auf die Umfangsgeschwindigkeit der Rotoren zu beschleunigende
Masse bei kleiner ölmenge erheblich geringer ist als bisher, ist eine entsprechende
Verringerung der dynamischen Stoßverluste zu erreichen, was den Wirkungsgrad des
Verdichters verbessert.
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Hier liegt auch der Unterschied zu bereits bekannten Verdichtern,
bei denen das KUhlöl in einem ölkühler statt mit Wasser oder Luft durch entspanntes
Kältemittel gekühlt und dann als Kühlmedium wie bisher verwendet wird. Die einzuspritzende
Masse des Kühlöls ist dann genau so groß, wie bei den Verdichtern, die Kühlwasser
ztpilkühlung benutzen.
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Da sich die eingespritzte öl -Kältemittel-Mischung im Verdichtungsraum
des Verdichters mit der für die Kälteleistung nutzbaren, im Kältekreislauf geführten
Kältemittelmenge vermischt, ist es vorteilhaft, als Öl-Kältemittel-Mischung eine
Mischung aus Kältemittel, das aus dem Kältekreislauf nach der Verflüssigung abgezweigt
und entspannt wird, und Ö1, das von den Lagerstellen des Verdichters kommend in
einem Ölsammelbehälter gesammelt wird, zu verwenden. Das den Lagerstellen zugeführte
öl kann dabei zweckmäßigerweise auf der Druckseite des Verdichters aus dem Kältekreislauf
abgeschieden und Je nach Endtemperatur des Verdichters gegebenenfalls gekühlt den
einzelnen Lagerstellen zugeführt werden. Auf diese Weise durchläuft das öl den Verdichter
zweimal. Das erstemal wird es mit hohem Druck, der dem Enddruck des Verdichters
entspricht oder
der bei Verwendung einer Schmierölpumpe höher als
der Enddruck sein kann, in die Lagerstellen geleitet, wo es zur Schmierung verwendet
wird. Das aus den Lagerstellen ablaufende öl wird in dem ölsammelbehälter, der unter
geringem Druck steht, gesammelt und von dort ein zweites Mal in den Verdichter,
dieses Mal in den Verdichtungsraum gedrückt. Falls die Endtemperatur des Verdichters
über der für die Lagerschmierung günstigsten Temperatur liegt, kann nach dem ölabscheider
ein ölkühler angeordnet werden, der in diesem Fall jedoch verhältnismäßig klein
ausgeführt werden kann, da die in dem ölkreislauf geführte ölmenge, wie oben beschrieben,
aufgrund der fehlenden Kühlaufgabe im Verdichter relativ gering ist. Außerdem erlaubt
die Anoinung eines solchen ölkühlers eine noch weitere Verringerung der ölmenge.
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Vorteilhaft ist es auch, das öl und das Kältemittel in dem ölsammelbehälter
zu vermischen und die Ol-Kältemittel-Mischung unter dem Expansionsdruck des Kältemittels
dem Verdichtungsraum des Verdichters zuzuführen, wobei der Expansionsdruck abhängig
von dem Druck des Verdichtungsraumes während des Einspritzvorganges der Ol-Kältemittel-Mischung
gewählt wird.
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Dadurch kann das in dem ölsammelbehälter von den Lagerstellen anfallende
öl in den Verdichtungsraum gedrückt werden, ohne daß dazu eine besondere ölpumpe
erforderlich ist.
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Um die Begrenzung der Endtemperatur des Verdichters auf einen bestimmten
Wert durchführen zu können, ist es nach einem weiteren Erfindungsgedanken vorteilhaft,
die zur Vermischung mit dem öl vorgesehene Kältemittelmenge abhängig von der gewünschten
Endtemperatur des Verdichters zu regeln.
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Eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens weist einen in einem
Kältekreislauf angeordneten Verdichter der Drehkolbenbauart mit einem ölsammelbehälter
für das von den Lagerstellen kommende öl auf, bei dem der ölsammelbehälter vorteilhafterweise
über eine Verbindungsleitung mit dem Kältekreislauf nach dem Verflüssiger in Verbindung
steht, wobei in der Verbindungsleitung zwischen Kältekreislauf und ölsammelbehälter
ein Expansionsventil angeordnet ist, und bei dem der blsammelbehälter über eine
Anschlußleitung an den Verdichtungsraum des Verdichters angeschlossen ist.
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Zur Regelung der zur Vermischung mit dem öl vorgesehenen Kältemittelmenge
abhängig von der gewünschten Endtemperatur des Verdichters ist das Expansionsventil
zweckmäßigerweise als Magnetventil ausgebildet und an einensuf die gewünschte Temperatur
des Verdichters eingestellten Impulsgeber angeschlossen, der abhängig von einem
Temperaturfühler in der Druckleitung des Verdichters schaltbar ist.
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Um die Konstruktion des Verdichters zu vereinfachen, kann der blsammelbehälter,
in den das zur Schmierung der Lagerstellen verwendete öl abläuft und von dem aus
das öl mit Hilfe
des zur Kühlung genutzten Kältemittels ir.: den
Verdichtungsraum des Verdichters gedrückt wird, der Innenraum eines dem Verdichter
vorgeschalteten Übersetzungsgetriebes oder der Zwischenraum einer Wellendichtung
sein.
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Zur Schließung des ölkreislaufes ist der ölabscheider des Kältekreislaufs
über ölzufuhrleitungen gegebenenfalls unter Zwischenschaltung eines Kühlers mit
den Lagerstellen verbunden.
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Der Kühlkreislauf des Kühlers kann dabei an die Verbindungsleitung
zwischen Kältekreislauf und ölsammelbehälter nach dem Expansionsventil angeschlossen
sein, so daß das Ö1, bevor es den Lagerstellen zugeführt wird, mit Hilfe des dem
ölsammelbehälter zugeführten, expandierten Kältemittels gekühlt wird.
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Weitere Einzelheiten der Erfindung werden anhand eines in Figur 1
in einem logarithmischen p-h Diagramm dargestellten Kältekreislaufs sowie anhand
eines in der Figur 2 schematisch dargestellten Ausführungsbeispiels einer Vorrichtung
zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens beschrieben.
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Es zeigt: Figur 1 einen Kältekreislauf gemäß dem erfindungsgemäßen
Verfahren in einem logarithmischen p-h Diagramm eines Kältemittels, in diesem Fall
von Chlordifluormethan (R 22), wobei bei OOC h'o = 100 kcal/kg und S' = 1 keal/kg
grad gesetzt wurde; Figur 2 ein Kreislaufschema einer Kälteanlage, die nach dem
in Figur 1 eingetragenen Kältekreislauf arbeitet.
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In den Figuren 1 und 2 sind drei durch den Verdichter 1 verlaufende
unterschiedliche Kreisläufe I, II und III eingezeichnet. Die Zustände der einzelnen
Kreisläufe sind mit Großbuchstaben bezeichnet.
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Die für die Kälteleistung nutzbare Kältemittelmenge durchläuft den
Kältekreislauf I. Der Kältemitteldampf im trockenen, gesättigten Zustand A wird
von einem Verdampfer 9 durch eine Saugleitung 10 in den von einem Motor 5 angetriebenen
Verdichter 1 gesaugt und dort über den Zustand B auf den höheren Druck des Zustandes
D verdichtet. Durch eine an den Verdichter 1 angesonlossene Druckleitung 11, einen
01-abscheider 4 und eine Leitung 12 gelangt das verdichtete Kältemittel in einen
Verflüssiger 5, in dem durch Wasser- oder Luftkühlung der Kältemitteldampf vom Zustand
D auf den Zustand E verflüssigt wird. Von einem dem Verflüssiger 5 nachgeschalteten
Sammeltank 6 gelangt das flüssige Kältemittel durch eine Leitung 13 zu einem Expansionsventil
8, das Je nach der verlangten Kälteleistung das Kältemittel vom Zustand E bei konstanter
Enthalpie auf den Zustand G entspannt. Durch eine Leitung 14 wird flüssiges und
teilverdampftes Kältemittel vom Expansionsventil 8 in den Verdampfer 9 geleitet,
in dem die gesamte noch vorhandene Flüssigkeit verdampft und der Zustand A wieder
erreicht wird. Der Verdampfer 9 liefert die verlangte Kälteleistung z.B. durch Luft-,
Wasser- oder SolekUhlung.
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Ein zweiter Kältekreislauf II entsteht dadurch, daß über eine Verbindungsleitung
15, 16 zwischen dem Kältekreislauf I und einem ölsammelbehälter 2 des Verdichters
1 ein Teilstrom flüssigen Kältemittels vom Zustand E nach dem Sammeltank 6 des Kältekreislaufs
I einem in der Verbindungsleitung 15, 16 angeordneten Expansionsventil 7 zugeführt,
auf den Zustand F entspannt und danach dem ölsammelbehälter 2 des Verdichters 1
zugeleitet wird. Das in dem ölsammelbehälter 2 von den Lagerstellen des Verdichters
1 anfallende öl wird dann von dem in dem Expansionsventil 7 in der Verbindungsleitung
15, 16 teilverdampften Kältemittel des Kältekreislaufs II unter Vermischung mit
dem Kältemittel durch eine den blsammelbehälter 2 mit dem Verdichter 1 verbindende
Anschlußleitung 19 in einen bereits von der Saugleitung 10 abgeschlossenen Verdichtungsraum
des Verdichters 1 gedrückt. Auf dem Wege durch die Anschlußleitung 19 bis zur Einspritzstelle
kommt die Kältemittelmenge des Kältekreislaufs II durch Vermischung mit dem öl und
weiterer Teilverdampfung auf den Zustand H. Die Verdichtung auf den Enddruck erfolgt
gemeinsam mit der Kältemittelmenge des Kältekreislaufs I. Während der Verdichtung
der Kältemittelmenge des Kältekreislaufs II wird zunächst die restliche FlUssigkeit
verdampft, so daß der Zustand J erreicht wird. Danach erfolgt die weitere Verdichtung
und Überhitzung auf den Zustand D gemeinsam mit der Kältemittelmenge des Kältekreislaufs
I. Vom Verdichter 1 gelangen beide Kältemittelmengen des
Kältekreislaufs
I und II gemeinsam über die Druckleitung 11 zum Verflüssiger 5 und zu dem dem Verflüssiger
5 nachgeschalteten Sammeltank 6. Nach dem Sammeltank 6 wird dann wieder die Kältemittelmenge
des Kältekreislaufs II aus dem Kältekreislauf I abgezweigt.
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Auf diese Weise dient die Kältemittelmenge des Kältekreislaufs II
ausschließlich zur Kühlung des Verdichters 1.
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Der Druck, auf den das Expansionsventil 7 in der Verbindungsleitung
15, 16 entspannt, ist durch die Wahl der Einspritzstelle H am Verdichter 1 festgelegt.
Die Kältemittelmenge des Kältekreislaufs II, die zur Kühlung der Kältemittelmenge
des Kältekreislaufs I im Verdichter 1 auf den Zustand D benötigt wird, kann durch
die Wahl einer Endtemperatur des Verdichters 1 geregelt werden. Dazu wird das Expansionsventil
7 in der Verbindungsleitung 15, 16 zwischen Kältekreislauf I und blsammelbehälter
2 als Magnetventil ausgebildet und an einen auf die gewünschte Endtemperatur des
Verdichters 1 eingestellten Impulsgeber angeschlossen, der abhängig von einem Temperaturfühler
21 in der Druckleitung 11 schaltbar ist.
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Im Kreislauf III der den ölkreislauf darstellt, geht eine ölmenge,
die für die Lagerschmierung des Verdichters 1 und eines dem Verdichter 1 vorgeschalteten
Übersetzungsgetriebes 22 sowie für die Abdichtung der Leckspalten im Verdichtungsraum
des Verdichters 1 benötigt wird, zweimal durch den Verdichter
1.
Aus dem dem Verdichter 1 in der Druckleitung 11 nachgeschalteten ölabscheider 4
wird aus den Kältekreisläufen I und II abgeschiedenes öl über eine ölzufuhrleitung
17 mit Verzweigungsleitungen 17a, 17b, 17c den einzelnen Lagerstellen des Verdichters
1 und des Übersetzungsgetriebes 22 zugeführt.
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Uber Schmierölabläufe 18a, 18b und 18c gelangt das von den Lagerstellen
ablaufende öl in den Sammelbehälter 2, von dem es mit Hilfe der Kältemittelmenge
des Kältekreislaufs II in den Verdichtungsraum des Verdichters 1 zur Abdichtung
der Laufspiele gedrückt wird. Nach dem Verdichter 1 wird das öl zusammen mit den
Kältemittelmengen der Kältekreisläufe I und II über die Druckleitung 11 wieder dem
ölabscheider 4 zugeführt.
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Zur Schmierung der Lager des Verdichters 1 und des Ubersetzungsgetriebes
22 dient somit warmes öl mit nahezu Endtemperatur des Verdichters 1, was bei entsprechender
Auslegung der Lager gut möglich ist. Das von den Lagerstellen ablaufende öl wird
durch die Vermischung mit der Kältemittelmenge des Kältekreislaufs II vor der Einspritzung
in den Verdichtungsraum des Verdichters 1 viel tiefer abgekühlt, als es bisher durch
die Verwendung eines ölkühlers möglich ist. Dadurch besitzt das öl bei der Einspritzung
eine sehr hohe Zähigkeit und dichtet deshalb auch in kleiner Menge gut ab. Ist bei
zu hoher Endtempelatur des Verdichters 1 eine Kühlung des Schmieröls vor den Lagerstellen
erforderlich, so kann dies mit einem relativ kleinen ölkühler in der ölzufuhrleitung
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durchgefUhrt werden. Ein entsprechender Ölkühler 20 ist in der
Figur 2 in der ölzufuhrleitung 17 gestrichelt eingezeichnet.
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Als Kühlmedium des ölkühlers 20 kann vorteilhafterweise die Kältemittelmenge
des Kältekreislaufs II nach dem Entspannen der Kältemittelmenge verwendet werden.
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Auf diese Weise ist die im Kreislauf III geführte 01-menge an einer
Abfuhr der Verdichtungswärme nicht mehr beteiligt, auch wenn sie durch Vermischung
mit der Kältemittelmenge des Kältekreislaufs II sehr kalt im Zustand H der Kältemittelmenge
des Kältekreislaufs II in den Verdichter 1 eingespritzt wird. Vom Einspritzzustand
H auf den Verdichtungszustand D gibt das Ö1 lediglich die Wärmemenge wieder ab,
die es vorher der Kältemittelmenge des Kältekreislaufs II bei der Vermischung vom
Zustand F auf den Zustand H entzogen hat.
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Aus dem in Figur 1 eingezeichneten Beispiel kann abgelesen werden,
daß eine im Vergleich zu einer ölkühlung viel kleinere Kältemittelmenge zur Kühlung
ausreicht. Dabei soll eine Chlordifluormethan-Kältemittelmenge von 1000 kg des Kältekreislaufs
I von einem trockenen gesättigten Zustand A (t = 50°C, p = 1,7 kg/cm2) auf einen
Enddruck von 15,6 kg/cm2 (Zustand D) verdichtet werden, wobei die Endtemperatur
für den Zustand D auf 9o°C festgelegt wird. Bei verlustfreier Verdichtung und ohne
Wärme zufuhr oder Wärme abfuhr würde die Verdichtung der Kältemittelmenge des Kältekreislaufs
I adiabatisch
auf einen Zustand verlaufen, der links vom Zustand
D liegt.
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Die durch den T;/irkungsgrad des Verdichters 1 bedingten inneren Verluste
verursachen aber einen Verlauf der Verdichtung vom Zustand A auf den Zustand C,
wo bei gleichem Enddruck die Endtemperatur z.B. mit 1500C sehr viel höher liegt.
Bei einer Begrenzung der Endtemperatur auf 90 C beträgt dann, wie aus dem in Figur
1 dargestellten logarithmischen p=.h Diagramm für Chlordifluormethan abzulesen ist,
die der Kältemittelmene des Kältekreislaufs I pro kg zu entziehende Wärmemenge X
= 11,4 keal/kg, was bedeutet, daß bei einer Kältemittelmenge von 1000 kg des Kältekreislaufs
I eine Wärmemenge von 11400 kcal abgeführt werden muß. Geschieht dies durch eine
2 vom Verflüssigungszustand E (p = 15,6 kg/cm , t = 40°C) auf 2 einen Zustand F
(p = 5,1 kg/cm , t = 0°C) teilentspannte Kältemittelmenge des Kältekreislaufs II,
die dann gemäß dem Diagramm eine Wärmemenge von Y = 48,5 kcal/kg aufnehmen kann,
so muß demzufolge eine Kältemittelmenge von 235 kg vom Zustand F eingespritzt werden.
TJird dagegen mit Hilfe eines ölkühlers auf 500C abgekühltes öl eingespritzt, welches
sich auf die Endtemperatur von 90°C erwärmt und in diesem Temperaturbereich eine
spezifische Wärme c = 0,45 kcal/kg oC aufweist und daher nur eine Wärmemenge von
18 kcal/kg abführen kann, so müßten für den gleichen Kühlerfolg633 kg Ö1 eingespritzt
werden.
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Daraus ergibt sich, daß bei der Einspritzung einer öl-
Chlordifluormethan-Mischung
im Vergleich zur öleinspritzung eine um den Faktor 0,57 kleinere Masse vom Einspritzpunkt
auf die Umfangsgeschwindigkeit des Drehkolbens des Verdichters beschleunigt werden
muß. Dieses Verhältnis gilt nur für das Kältemittel Chlordifluormethan. Bei der
Verwendung von Ammoniak als Kältemittel würde sich der Unterschied noch beträchtlich
erhöhen. Es müßte dann die 16-fachgrößere Masse öl eingespritzt werden, um den gleichen
Kühleffekt wie bei einer Ammoniak-Einspritzung zu erreichen.