DE2837695C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Kälteanlage mit den Merk­ malen des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1.

Eine derartige Kälteanlage ist aus der CH-PS 2 27 856 bekannt. Bei dem in Fig. 3 dieser Veröffentlichung dar­ gestellten Ausführungsbeispiel werden die im Absaugver­ dichter verdichteten Kältemitteldämpfe in einen Zwischen­ druckbehälter geleitet und erhalten hier eine Abkühlung. Sie gelangen dann durch eine Leitung zu einer zweiten Stufe des Verdichters.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Kältean­ lage der angegebenen Art zu schaffen, die eine besonders hohe spezifische Kälteleistung aufweist.

Diese Aufgabe wird durch eine Kälteanlage der angege­ benen Art gelöst, die die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 aufweist.

Bei der erfindungsgemäßen Lösung ist an den Absaugver­ dichter ein Zusatzkondensator angeschlossen. Das den Absaugverdichter verlassende gasförmige Kältemittel wird somit kondensiert. Das kondensierte Kältemittel wird dann erneut in den Sprühverdampfer versprüht, wobei es teilweise verdampft. Bei der erfindungsgemäßen Lösung findet somit ein zweimaliges Versprühen des flüssigen Kältemittels statt. Hierdurch läßt sich die spezifische Kälteleistung steigern.

Die erfindungsgemäße Anlage läßt sich mit bestehenden Kälteanlagen verwirklichen, bei denen einstufige Zentri­ fugalverdichter Verwendung finden.

Weiterbildungen des Erfindungsgegenstandes gehen aus den Unteransprüchen hervor.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungs­ beispielen in Verbindung mit der Zeichnung im einzelnen erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Kälteanlage einer ersten Ausführungsform;

Fig. 2 die zur Anlage der Fig. 1 gehörede Druck-Enthalpie- Kurve;

Fig. 3 eine schematische Darstellung einer Kälteanlage einer zweiten Ausführungsform;

Fig. 4 eine zu Fig. 3 gehörende Darstellung der Druck- Enthalpie-Kurve, und

Fig. 5 einen schematisierten Axialschnitt durch einen für die in den Fig. 1 und 3 dargestellte Anlage verwendeten Verdichter.

Das nachstehend beschriebene Ausführungsbeispiel ist zur Verwendung in einer Kälteanlage mit einem einstufi­ gen Verdichter, einem Kondensator und einem Verdampfer gedacht. Es kann aber auch für andere als einstufige Verdichter verwen­ det werden. Ferner können mehrere Kondensatoren innerhalb der Kälteanlage vorgesehen sein.

In Fig. 1 ist eine Verdichtereinheit 10 mit zwei getrennten Zen­ trifugalverdichtern 11 und 17 vorgesehen, die auf einer gemeinsamen Welle von einem Elektromotor 33 angetrieben werden. Der Ver­ dichter 11 drückt das gasförmige Kältemittel bei erhöhter Temperatur und erhöhtem Druck vom Auslaß 14 in die Leitung 20. Von dieser gelangt das Gas in einen Kondensator 22 und wird dort verflüssigt. Die Flüssigkeit sammelt sich am Boden an und fließt dann durch die Leitung 24 zu einem Sprühverdampfer 28. In diesem wird die Flüssigkeit durch die Dü­ sen 26 ausgesprüht, wobei ein Teil des Kältemittels in den gas­ förmigen Zustand übergeht, indem es Wärme von dem verbleibenden flüssigen Kälte­ mittelteil absorbiert. Die am Boden 30 angesammelte Flüssigkeit verläßt den Sprühverdampfer 28 durch die Leitung 32, wobei ihr Druck in einer Steuereinrichtung 34 zur Kältemittelentspannung reduziert wird. Von dort gelangt das flüssige Kältemittel in einen Verdampfer 36, wird gasförmig, absorbiert Wärme von der zu kühlenden Flüssigkeit, strömt dann durch die Leitung 40 zum Einlaß 12 und wird dann im Verdich­ ter 11 wieder komprimiert.

Im Verdampfer 36 ist eine Rohrschlange 38 angeordnet, über die das Kältemittel fließt. Wasser oder ein anderes zu kühlendes Mittel tritt in den Verdampfer 34 durch die Leitung 64 ein, fließt dann durch die Rohrschlange 38 und verläßt im gekühlten Zustand den Verdampfer durch die Leitung 66.

Mit dem Sprühverdampfer 28 ist eine Leitung 50 ver­ bunden, welche das gasförmige Kältemittel zum Einlaß 16 des Absaugver­ dichters 17 leitet. Beim Verdichten steigen die Temperatur und der Druck des aus der Leitung 50 zugeführten Gases. Vom Auslaß 18 des Absaugverdichters 17 gelangt das wieder verdichtete Gas durch eine Leitung 48 zu einem Zusatzkondensator 29, der mit einer Rohrschlange 58 versehen ist und in dem das wieder verdichete Gas in den flüssigen Zustand zurückgeführt wird. Die Flüssigkeit sammelt sich im Speicher 44 und wird dann durch die Öffnung 46 in den Sprühverdampfer 28 gesprüht. Das aus der Öffnung 46 ausgesprühte Kältemittel steigt nach oben und gelangt durch die Leitung 50 zurück zum Absaugverdichter. Das flüssige Kältemittel aus der Öffnung 46 sammelt sich dagegen im Speicher 30 und fließt dann in den Verdampfer 36. Wasser fließt durch die Leitung 52 und die Rohrschlange 58 des Zusatzkondensators 29 so­ wie durch die Leitung 54 zum Kondensator 22, dann durch die Rohr­ schlange 60 und tritt bei 56 aus. Dieses Wasser nimmt Wärme im Zusatzkondensator 29 und auch zusätzliche Wärme im Haupt­ kondensator 22 auf.

Im Verdichter 11 wird der Gasdruck auf P 1 angehoben. Dann sinkt der Druck im Sprühverdampfer auf P 3. Der Absaugverdichter 17 erhöht den Druck des Kältemittels von P 3 auf P 2 , und der Zusatzkon­ densator 29 kondensiert das Kältemittel unter dem Druck P 2. Vom Speicher 44 wird flüssiges Kältemittel mit dem Druck P 2 durch die Öffnung 46 in den Raum niedrigeren Drucks P 3 gesprüht. Die Vorrich­ tung 34 zur Entspannung des Kältemittels verursacht einen Druckab­ fall von P 3 auf P 4 vor dem Verdampfer 36. Das Kältemittel tritt in den Einlaß 12 mit dem Druck P 4 ein und verläßt den Verdichter 11 mit dem Druck P 1.

Fig. 2 zeigt die Druckverhältnisse und die Enthalpie für ein typi­ sches in der Anlage verwendetes Kältemittel, wie R-11. Beginnend mit dem Punkt A steigen der Druck und die Enthalpie des Kältemittels zu­ nächst auf B, wobei der Abstand zwischen A und B von der Druck- und Enthalpieänderung im Verdichter 11 herrührt. Die Strecke BC stellt die Enthalpieänderung im Kondensator 22 dar, wenn das gas­ förmige Kältemittel flüssig wird. Dann gelangt das Kältemittel im Sprühverdampfer vom Punkt C nach D: dies entspricht dem Druckab­ fall beim Aussprühen des Kältemittels. Von D wird das flüssige Käl­ temittel auf den Punkt H abgekühlt, und das gasförmige Kältemittel erreicht den Punkt E, indem es Wärme von dem jetzt abgekühlten flüssigen Kältemittel absorbiert. Der Abstand EF entspricht dem An­ stieg der Enthalpie und des Drucks, wenn das gasförmige Kältemit­ tel im Absaugverdichter komprimiert wird. der Abstand FG stellt das erneute teilweise Kondensieren des wieder verdichteten Kältemittels im Zusatzkondensator dar. Der Abstand GD entspricht dem Druckab­ fall, wenn das teilweise flüssige Kältemittel durch die Öffnung 46 vom Zusatz­ kondensator in den Sprühverdampfer gesprüht wird. Der Abstand HI stellt den Druckabfall an der Entspannungsvorrichtung 34 dar, und der Ab­ stand von I zurück zum Punkt A entspricht der Enthalpieänderung im Ver­ dampfer, wenn der zu kühlenden Flüssigkeit die Wärme entnommen wird. In den Fig. 1 und 2 sind die Drücke jeweils eingetragen.

In einem Druck-Enthalpie-Diagramm stellt der linke Kurventeil den Abschnitt dar, in dem das flüssige Kältemittel zu 100% gesättigt ist, während der rechte Kurvenzweig den Druck-Enthalpieverlauf wie­ dergibt, wenn das gasförmige Kältemittel zu 100% gesättigt ist. Der Bereich zwischen den beiden Zweigen gilt für einen Mischzustand von Flüssigkeit und Dampf.

Um die größte Kühlwirkung aus einer gegebenen Kältemittelmenge zu erzielen, ist es wünschenswert, das Kältemittel möglichst weit zum linken Teil des Kurvenzugs hin abzukühlen, so daß beim Einströmen des Kälte­ mittels in den Verdampfer möglichst viel Wärme proportional dem Abstand von I nach A vom Kältemittel absorbiert wird, wobei X den Punkt darstellt, den das Kältemittel vom Punkt C aus erreicht, wenn der Druck in einer Stufe auf P 4 reduziert würde. Infolge des Sprühverdampfers jedoch wird das Kältemittel nach H abgekühlt, wodurch die von dem zu kühlenden Mittel absorbierte Wärmemenge um den Abstand von I nach A an­ steigt. Diese Verlängerung IX zur Entfernung XA stellt die Wirkungsgradverbesserung in bezug auf die in der vorliegenden Anlage zu ab­ sorbierende Wärmemenge dar.

Das Kühlwasser (in 52) wird zuerst durch den Zusatz­ kondensator 29 geleitet und dann durch den Hauptkondensator 22. Der Zusatzkondensator arbeitet mit einer Temperatur, die wesent­ lich niedriger ist als die des Hauptkondensators, woraus sich die Reihenfolge des Wasserdurchlaufs ergibt. Dem Hauptkondensator kann selbstverständlich zusätzliches Wasser nach Bedarf zuge­ führt werden.

Gemäß Fig. 1 sind der Sprühverdampfer 28 und der Zusatzkondensator 29 in einem zylindrischen Gehäuse zusammengefaßt. Die Mittelwand 62 unterteilt das Gehäuse in den Sprühverdampfer und den Zusatzkondensator, die beide unter verschiedenen Drücken stehen. Kältemittel tritt durch die Öffnung 46, die als ein kleines Loch in der Mittelwand 62 ausgebildet ist. Diese Ausführung ist gezeigt, um darzutun, daß beide Abschnitte des Gehäuses einen Bestandteil einer bekannten Kälteanlage mit zylin­ drischem Druckgehäuse bilden können.

Gemäß Fig. 3 ist eine Verdichtereinheit 10 mit zwei getrennten Zentri­ fugalverdichtern 11 und 17 auf einer gemeinsamen vom Elektromotor 33 angetriebenen Welle vorgesehen. Der Verdichter 11 drückt das Kältemittelgas nach Temperatur- und Druckanstieg aus dem Auslaß 14 in eine Leitung 20. Von dort gelangt das Gas in einen Kondensator 22 und wird verflüssigt. Es sammelt sich am Boden des Kondensators 22 und fließt durch die Leitung 24 zu einem Zusatzkondensator 29. Dort wird die Flüssigkeit durch die Düsen 26 ausgesprüht, so daß sie teilweise unter Wärmeabsorption aus dem umgebenden flüs­ sigen Kältemittel vergast wird. Das flüssige Kältemittel sammelt sich am Boden des Zusatzkondensators 29 im Speicher 30 und wird dann über die Leitung 23 in einen Sprühverdampfer 31 überführt, in dem die Flüssig­ keit nochmals durch Düsen 25 austritt und damit wieder teilweise verdampft, wobei sie Wärme von der umgebenden Flüssigkeit aufnimmt.

Das flüssige Kältemittel sammelt sich im Speicher 44 und gelangt über die Leitung 32 zu einer Expansionsvorrichtung 34, durch die der Druck des flüssigen Kältemittels verringert wird, worauf es in einem Verdampfer 36 gelangt und dort verdampft, indem es von dem zu kühlenden Mittel Wärme absorbiert. Der Verdampfer 36 ist mit dem Einlaß 12 des Verdichters 11 über eine Leitung 40 verbunden. Das im Zusatz­ kondensator 29 bei 26 ausgetretene Kältemittelgas wird kondensiert, und das kondensierte Kältemittel sammelt sich im Speicher 30 und gelangt dann durch die Leitung 23 in den Sprühverdampfer 31. Kältemittel­ gas aus dem Sprühverdampfer 31 wird vom Absaugverdichter 17 zum Einlaß 16 gesaugt. Nach Temperatur- und Druckanstieg verläßt es den Verdichter am Auslaß 18 und wird durch die Leitung 48 in den Zusatzkondensator 29 geleitet, worin das verdichtete Kältemittelgas zusammen mit dem aus den Düsen 26 strömenden Gas kondensiert wird.

Im Verdampfer 36 ist eine Rohrschlange 38 für das zu kühlende Medium angeord­ net. Zu kühlendes Wasser tritt in den Verdampfer 36 über die Leitung 64 ein und steht dann in der Rohrschlange 38 im Wärmetausch mit dem Kältemittel. Das gekühlte Wasser tritt über die Leitung 66 aus. Über eine Leitung 52 tritt Wasser in den Zusatzkondensator 29 ein und über die Leitung 54 wieder aus. Über diese Leitung gelangt dann das austretende Wasser zur Rohrschlan­ ge 60 im Kondensator 22.

In Fig. 4 sind der Druckverlauf und die Enthalpie für ein Kältemit­ tel, wie R-11, dargestellt. Ausgehend von A erfolgt ein Druckanstieg und eine Enthalpievergrößerung des Kältemittels nach B. Dies voll­ zieht sich im Verdichter 11. Von B nach C ändert sich die Enthalpie im Kondensator 22 beim Verflüssigen des Kältemittels. Anschließend wird von C aus der Punkt D erreicht: dies entspricht dem Druckabfall beim Versprühen des Kältemittels. Von D nach E erfolgt eine Abküh­ lung des flüssigen Kältemittels und nach J eine Erwärmung des gas­ förmigen Kältemittels, wenn es Wärme von dem gekühlten flüssigen Kältemittel absorbiert. Der Zusatzkondensator dient also zum thermischen Abkühlen des Kältemittels bei J, so daß das gasförmige Kältemittel von J am Punkt E flüssig wird.

Im Sprühverdampfer 31 fällt der Druck des flüssigen Käl­ temittels von E nach G, und während dieses Druckabfalls verdampft ein Teil des Kältemittels, indem es Wärme von dem verbleibenden flüssigen Kältemittel aufnimmt, wobei das flüssige Kältemittel die Änderung von G nach K erfährt und das gasförmige Kältemittel vom Punkt G nach H. Von H ausgehend erfährt das Kältemittel im Absaugver­ dichter 17 eine Druck- und Enthalpie-Erhöhung nach I. Das wieder verdichtete Kältemittel wird dann im Zusatzkondensator von I nach E kondensiert. Das wieder verdichtete Kältemittel gelangt dann in den Sprühverdampfer, worin es den Druck bei G an­ nimmt. Der Druck des flüssigen Kältemittels bei K wird im Druckre­ duzierventil nach L verringert. Im Verdampfer wird von dem zu kühlenden Kühlmittel Wärme absorbiert und diese Wärmemenge ist der Entfernung von L nach A proportional, womit der Ausgangspunkt des Kreislaufs erreicht ist. Die einzelnen Drücke sind wie in den Fig. 1 und 2 auch in den Fig. 3 und 4 eingetragen. Um den größtmöglichen Kühl­ effekt aus einer gegebenen Kältemittelmenge zu erhalten, ist es wünschenswert, das Kältemittel so weit wie möglich zum linken Teil des Kurventeils hin abzukühlen, so daß beim Versprühen des Kältemittels im Verdampfer möglichst viel Wärme, wie sie durch die Entfernung LA dar­ gestellt ist, vom zu kühlenden Medium (Wasser) absorbiert wird. Ohne die beschriebene Ausführungsform ist die vom Kältemittel zu absorbierende Wärmemenge proportional dem Ab­ stand von X nach A, da X der Punkt ist, zu dem man bei einer einstufigen Druckabsenkung auf den Druck P 4 vom Punkt C aus ge­ langt. Durch die Einschaltung des Zusatzkondensators wird aber das Kältemittel nach L abgekühlt, so daß die vom Medium zu absorbierende Wärme propotional dem Abstand AL ist. Diese Verlän­ gerung des Abstands XA nach LA kennzeichnet die Wirkungsgradverbes­ serung der Kälteanlage.

Der Zusatzkondensator und der Sprühverdampfer sind beide jeweils in einer Hälfte des in Fig. 3 dargestellten zylindri­ schen Gehäuses 42 angeordnet. Das Gehäuse ist durch eine Mittelwand 62 in die beiden Abschnitte unterteilt, die unter verschie­ denen Drücken stehen. Kältemittel gelangt über die Leitung 23 vom Zusatzkondensator zum Sprühverdampfer und andererseits über die Leitung 50, den Absaugverdichter 17 und die Leitung 48 vom Sprühverdampfer zum Zusatzkondensator. Diese Erläuterung erfolgt deshalb, um anzugeben, daß beide Abschnitte in eine be­ kannte, mit zylindrischem Druckgehäuse versehene Kälteanlage ein­ gebaut werden können. Ferner ist es möglich, den Sprühverdampfer im Druckgefäß des Zusatzkondensators anzuordnen.

In Fig. 5 ist ein Schnitt durch einen sog. "Huckepack"-Verdichter dargestellt, wie er vorteilhafterweise in der erläuterten Anlage Verwendung finden kann. Ein Motor 33 treibt einen ersten Rotor 88 und einen zweiten Rotor 89, der auf dem ersten Rotor 88 sitzt, wo­ bei eine Zwischenwand vorgesehen ist, um die Strömungswege für die Kältemittelströme zu trennen.

Kältemittel unter dem Druck P 4 tritt am Einlaß 12 über den Anschluß 40 in den ersten Rotor 88 ein, strömt dann in Pfeilrichtung 92 und verläßt den Rotor mit dem höheren Druck P 1 durch die Leitung 20 am Auslaß 14. Das über die Leitung 50 zum Einlaß 16 mit dem Druck P 2 eintretende Kältemittelgas wird im zweiten Rotor in Pfeilrichtung 93 verdichtet und tritt bei 18 in die Leitung 48 mit dem Druck P 3 aus.

Die Leitung 40 ist, wie in den Fig. 1 und 3 dargestellt, an den Verdampfer 36 angeschlossen, die Austrittsleitung 20 an den Kondensator 22, die Leitung 50 an den Sprühabschnitt des Sprühverdampfers 28 unter dem Druck P 2 in Fig. 1 und die Leitung 48 an den Zusatzkondensator.

Claims (7)

1. Kälteanlage mit einem Verdichter (11) für ein gas­ förmiges Kältemittel, mit einem an den Verdichter (11) angeschlossenen Kondensator (22) zum Verflüssigen des Kältemittels, mit einem Verdampfer (36), mit einem nach dem Kondensator (22) angeordneten Sprühverdampfer (28, 31), in den flüssiges Kältemittel gesprüht und dabei unter Wärmeaufnahme aus dem nichtverdampften Kältemittel teilweise verdampft wird, und mit einem an den Sprüh­ verdampfer (28, 31) angeschlossenen Absaugverdichter (17), wobei der Auslaß des flüssigen Kältemittels des Sprühverdampfers (28, 31) an den Verdampfer (36) ange­ schlossen ist, dadurch gekennzeichnet, daß an den Ab­ saugverdichter (17) ein Zusatzkondensator (29) für das den Absaugverdichter (17) verlassende gasförmige Käl­ temittel angeschlossen ist und daß der Zusatzkondensa­ tor (29) eine Einrichtung (46; 23, 25) zum Versprühen und teilweisen Verdampfen des verflüssigten Kältemittels in den Sprühverdampfer (28, 31) aufweist.

2. Kälteanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Sprühverdampfer (28, 31) und Zusatzkondensator (29) in einem zylindrischen Gehäuse (42) beidseitig einer Mittelwand (62) angeordnet sind.

3. Kälteanlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß Verdichter (11) und Absaugverdichter (17) als Zentrifugalverdichter mit zwei getrennten Strömungs­ wegen (92, 93) ausgebildet sind.

4. Kälteanlage nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Zusatzkondensator (29) und Kondensator (22) mit Kühlwasser gekühlt sind, welches aus dem Zusatzkondensator (29) in den Kondensator (22) fließt.

5. Kälteanlage nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum Versprü­ hen und teilweisen Verdampfen des verflüssigten Kältemittels aus dem Zusatzkondensator in den Sprühverdampfer als vom Zusatzkondensator (29) in den Sprühverdampfer (31) führende Leitung (23) ausgebildet ist, die mit Kältemittelaustrittsdüsen (25) versehen ist.

6. Kälteanlage nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Zusatzkondensator (29) eine Sprüheinrichtung (26) für das vom Kondensator (22) kommende Kältemittel aufweist (Fig. 3).

7. Kälteanlage nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum Versprühen und teilweisen Verdampfen des verflüssigten Kältemittels aus dem Zusatzkondensator in den Sprühverdampfer als Öffnung (46) in der Mittelwand (62) des zylindrischen Gehäuses (42) für den Sprühverdamp­ fer (28) und den Zusatzkondensator (29) ausgebildet ist.