DE2837696C2

DE2837696C2 - Kälteanlage mit Vorverdampfer

Info

Publication number: DE2837696C2
Application number: DE19782837696
Authority: DE
Inventors: William J. Fayetteville N.Y. Lavigne jun.; Louis H. Cranberry Lake N.Y. Leonard
Original assignee: Carrier Corp
Current assignee: Carrier Corp
Priority date: 1977-08-29
Filing date: 1978-08-29
Publication date: 1984-11-15
Also published as: FR2402168B1; FR2402168A1; AU523481B2; GB2003263B; DE2837696A1; JPS6053264B2; GB2003263A; AU3934278A; JPS5448353A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Kälteanlage mit im Kreislauf geführtem Kältemittel, mit einem Verdichter, einem an den Verdichter angeschlossenen Kondensator, einem an diesen angeschlossenen Vorverdämpfer, in dem das flüssige, aus dem Kondensator

II kommende Kältemittel versprüht und dabei teilweise & verdampft wird, wobei es Wärme von dem flüssig ver- ■:'\ bliebenen Kältemittel aufnimmt, und mit einem dem

Vorverdampfer nachgeschalteten Verdampfer, dessen § Ausgang mit der Saugseite des Verdichters verbunden

ist.

Eine Kälteanlage dieser Art ist aus der US-PS 53 974 bekannt. Bei dieser bekannten Anlage wird der gesamte Anteil des durch Versprühen im Vorverdampfer erzeugten Kältetnitteldampfes über eine Leitung zum Verdichter abgezogen, dort komprimiert und zusammen mit dem übrigen gasförmigen Kältemittel wieder dem Kondensator zugeführt. Mit anderen Worten, hierbei wird nicht die gesamte, im Verdichter komprimierte Kältemittelmenge dem Verdampfer zum Erzielen einer bestimmten Kühlleistung zugeführt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Kälteanlage der angegebenen Art zu schaffen, bei der trotz gleicher Kühlleistung der Einsatz eines Verdichters mit geringerer Leistung als beim Stand der Technik möglich sein solL

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einer Kälteanlage der eingangs wiedergegebenen Art dadurch gelöst, daß in dem Vorverdampfer der verdampfte Kältemittelanteil mittels eines gesonderten zweiten Kondensators wiederverflüssigt wird.

Durch die erfindungsgemäße Lösung wird somit eine Wiederverflüssigung des im Vorverdampfer verdampften Kältemittelanteils bewirkt, so daß dieser Anteil zusammen mit dem flüssigen Kältemittelanteil dem Verdampfer zugeführt werden kann. Dadurch ergibt sich im Vergleich zu dem eingangs genannten Stand der Technik eine verbesserte Kühlleistung bzw. bei gleicher Kühlleistung kann ein Verdichter mit geringerer Leistung eingesetzt werden.

Der zweite Kondensator ist zweckmäßigerweise im Vorverdampfer angeordnet, wobei der verdampfte und wiederverflüssigte Kältemittelanteil mit dem beim Versprühen nicht verdampften flüssigen Kältemittelanteil im Vorverdampfer vermischt wird.

Bei einer Kälteanlage mit einem mehrstufigen Verdichter, bei der der Vorverdampfer über eine Absaugleitung direkt mit dem Verdichter verbunden ist, wird bei einer speziellen Ausführungsform der Erfindung die Menge des vom Vorverdampfer dem Verdichter zuzuführenden verdampften Kältemittelanteils in Abhängigkeit vcn dar Temperaturdifferenz des mit Hilfe des zweiten Kondensators wiederverflüssigten Kältemittelanteiis und der Temperatur des dem zweiten Kondensator zugeführten Kühlmittels gesteuert. Diese Ausführungsform der Erfindung ist im Patentanspruch 3 beschrieben.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit der Zeichnung im einzelnen erläutert. Es zeigt

Fig.! eine schematische Übersicht einer Kälteanlage mit einem einstufigen Verdichter;
F i g. 2 ein Schaubild mit der Darstellung des Druckes und der Enthalpie für die Kälteanlage und

Fig.3 eine schematische Darstellung einer Kälteanlage mit einem mehrstufigen Verdichter.

Fig. 1 zeigt eine schematische Übersicht der Kälteanlage mit einem Verdichter 110 und Schaufeln 111 auf einer Welle eines elektrischen Antriebsmotors 133. Das gasförmige Kältemittel wird am Einlaß 112 angesaugt und verläßt den Verdichter durch den Auslaß 114, nachdem infolge der Verdichtung die Temperatur und der Druck des Kältemittels erhöht worden sind. Das gasförmige Kältemittel gelangt dann durch die Leitung 120 zum Kondensator 122, in dem es verflüssigt wird. Die Flüssigkeit wird am Boden des Kondensators 122 gesammelt und gelangt über die Leitung 124 zum Vorverdampfer 128. In diesem wird flüssiges Kältemittel durch die Düsen 126 gesprüht, so daß ein Teil des Kältemittels in den gasförmigen Zustand gelangt, wenn es Wärme vom umgebenden flüssigen Kältemittel absorbiert. Das flüssige Kältemittel sammelt sich am Boden der Vorverdampfers an, wie in F i g. 1 bei 130 gezeigt. Von dort gelangt die Flüssigkeit durch die Leitung 132 zu einem Expansionsventil 134, mittels dem der Flüssigkeitsdruck herabgesetzt wird. Die Flüssigkeit wird dann in einem Verdampfer 136 eingeführt, in dem das Kältemittel in den gasförmigen Zustand gelangt, indem es von dem zu kühlenden Medium Wärme absorbiert. Die Leitung 140 stellt schließlich die Verbindung vom Verdampfer zum Einlaß 112 des Verdichters 110 her.
In dem Verdampfer 136 ist eine Wärmetauscher-

schlange 138 angeordnet, wobei Wasser oder ein anderes zu kühlendes Medium in den Verdampfer 136 durch die Leitung 164 eintritt, dann durch die Schlange 138 fließt und im gekühlten Zustand durch die Leitung 166 austritt

Im Vorverdampfer 128 ist ein zweiter Kondensator 142 im Wärnietausch mit dem versprühten gasförmigen Kältemittel derart angeordnet, daß von diesem Wärme absorbiert werden kann, um gasförmiges Kältemitiel in den flüssigen Zustand zu bringen. Der Kondensator 142 wird über iüe Leitung 152 mit Wasser versorgt. Dieses Wasser fließt durch den zweiten Kondensator und dann durch die Leitung 154 und eine Rohrschlange 160 im Kondensator 122 Das gleiche Wasser fließt dann durch die Rohrschlange 160 und tritt durch die Leitung 156 aus. Das Wasser nimmt Wärme im zweiten Kondensator des Vorverdampfers auf und nimmt ferner zusätzliche Wärme im Kondensator 122 auf. Dieses Wasser mit niedriger Temperatur, das im zweiten Kondensator des Vorverdampfers benutzt wird, braucht nicht zusätzlich durch den Kondensator umgewälzt zu werden. Wird Wasser aus der Wasserleitung des Gebäudes entnommen, so kann dieses Wasser in das Leitungssystem der Wasserversorgung des Gebäudes wieder zurückgeleitet werden.

Der Verdichter 110 erhöht den Druck des gasförmigen Kältemittels auf P\. Anschließend sinkt der Druck des Kältemittels im Vorverdampfer auf Pi. Fließt das Kältemittel vom Vorverdampfer zum Verdampfer, so fällt der Druck von Pi auf P3 im Expansionsventil 134. Der Rücklauf des Kältemittels vom Verdampfer zur Saugseite des Verdichters erfolgt beim Druck P3, woi auf dann die Verdichtung auf den Druck Pi erfolgt.

F i g. 2 zeigt den Druckverlauf abhängig von der Enthalpie für ein typisches Kältemittel, wie R-Il. Am Punkt A steigen Druck und Enthalpie des Kältemittels von A nach B, wobei dieser Abstand die Druckänderung und Enthalpieändemng im Verdichter 110 wiedergibt. Die Strecke von B nach C zeigt die Enthalpieänderung im Kondensator 122, wenn das gasförmige Kältemittel in den flüssigen Zustand übergeht. Anschließen gibt die Strecke von C nach D die Druckreduzierung beim Versprühen des Kältemittels im Vorverdampfer wieder. Vom Punkt D ausgehend wird flüssiges Kältemittel, das im Vorverdampfer nicht versprüht wurde, auf den Punkt Fabgekühlt, und das versprühte gasförmige Kältemittel absorbiert Wärme vom flüssigen Kältemittel. Dieser Vorgang wird durch die Strecke zum Punkt d angezeigt. Der zweite Kondensator verflüssigt dann das Kältemittel vom Punkt E nach F, so daß sowohl das nicht versprühte flüssige Kältemittel als auch das versprühte Kältemittel, das wieder zu einer Flüssigkeit kondensiert wurde, am Punkt Fangelangt ist. Der Abstand zwischen F und G stellt das Absinken des Druckes aar, wenn flüssiges Kältemittel über das Expansionsventil in den 5S Verdampfer eingespritzt wird. Der Abstand von G nach A stellt die Enthalpieänderung dar, welche im Verdampfer auftritt, wenn Wärme aus der zu kühlenden Flüssigkeit absorbiert wird. Wie aus den F i g. 1 und 2 hervorgeht, sind die Drücke /Ί, P7 und Pi jeweils in ihrem gegenseitigen Verhältnis eingetragen.

Im Mollier-Diagramm stellt der linke Teil der Kurve die Druck-Enthalpielinie dar, bei welcher das flüssige Kältemittel eine Sättigung von 100% erreicht hat, während die rechte Seite der Kurve die Druck-Enthalpielinie darstellt, bei welcher das gasförmige Kältemittel zu 100% gesättigt ist. Der Bereich zwischen den beiden Linien gibt vine zweiphasige Mischung von Flüssigkeit und Dampf wieder. Um den größten Kühleffekt aus einer bestimmten Kältemittelmenge zu erhalten, ist es wünschenswert, das Kältemittel so weit wie möglich auf die linke Seite der Kurve abzukühlen, so daß beim Verdampfen des Kältemittels im Verdampfer möglichst viel Wärme, wie sie durch die Strecke von G nach A dargestellt ist, aus der zu kühlenden Flüssigkeit absorbiert wird. Ohne Vorverdampfer ist es offensichtlich, daß die vom Kältemittel zu absorbierende verfügbare Wärme proportional der Strecke ist, die in der Darstellung der Entfernung D nach £ entspricht Sieht man den Vorverdampfer vor, so wird das Kältemittel bis zum Punkt F abgekühlt wodurch die von der zu kühlenden Flüssigkeit zu absorbierende Wärme proportional bis auf den Abstand von G nach A ansteigt Dieser Anstieg von der Entfernung D—E nach der Entfernung G—A stellt die Vergrößerung des Gesamtwirkungsgrades bezüglich der Wärmemenge dar, die in der Kälteanlage absorbiert werden kann.

Um die Kälteanlage zu optimieren, wird das eintretende Wasser zuerst durch den zweiten Kondensator des Vorverdampfers und dann durch den Hauptkondensator 122 geleitet. Der Kondensator im Vorverdampfer arbeitet bei einer Temperatur, die wesentlich geringer ist als die im Hauptkondensator. Infolgedessen wird das Kühlwasser vorteilhafterweise zuerst durch den zweiten Kondensator im Vorverdampfer umgewälzt und dann durch den Hauptkondensator. Selbstverständlich kann zusätzliches Wasser dem Hauptkondensator zugeführt werden.

Der Vorverdampfer 128 ist in F i g. 1 in der Form eines Zylinders dargestellt. Der darin angeordnete zweite Kondensator 142 besteht aus einer Rohrschlange, die in dem zylindrischen Gehäuse in Verbindung mit dem aus den Düsen 126 austretenden Kältemittel steht. Diese physikalische Zuordnung der Bauteile zeigt, daß der den zweiten Kondensator enthaltende Vorverdampfer in einem Teil einer bekannten Kältemaschine untergebracht werden kann, welche von zylindrischen druckfesten Abteilungen Gebrauch macht. Das erläuterte Ausführungsbeispiel zeigt ein verbessertes Kühlverhalten, bei dem mittels des Vorverdampfers der Wirkungsgrad der Kühlung vergrößert wird. Insbesondere kann die erläuterte Ausführungsform bei bereits installierten einstufigen Kältemittelverdichtern Verwendung finden, um deren Wirkungsgrad zu erhöhen. Ein solcher Vorverdampfer mit zweitem Kondensator kann jedoch auch bei Absorptions-Kälteanlagen und anderen Systemen Verwendung finden.

F i g. 3 zeigt in schematischer Weise eine Ausführungsform einer Kälteanlage mit einem Verdichter 10, der eine erste Stufe 14 und eine zweite Stufe 16 aufweist. Der Leitschaufelverstellmotor 12 steuert die Menge des durch den Einlaß 24 angesaugten Kältemittels. Das zu verdichtende Kältemittel strömt durch den Auslaß 26 in den Kondensator 30. Der Kondensator 30 besitzt einer. Wassereintritt 34. Durch die Abgabe von Wärme an das Wasser wird das gasförmige Kältemittel in den flüssigen Zustand überführt. Das Wasser tritt am Auslaß 36 aus. Der entsprechende Wärmetauscher ist in Form eines Röhrenwärmetauschers mit einem stirnseitigen Verschluß 32 ausgebildet. Vom Kondensator fließt das flüssige Kältemittel zum Nachkühler 82 und steht dort in thermischem Kontakt mit Rohren, die ein Kühlmittel mit einer niedrigen Temperatur enthalten, so daß noch zusätzliche Wärme vom Kältemittel absorbiert wird.

Vom Nachkühler 82 strömt das flüssige Kältemittel über die Leitung 42 in den Vorverdampfer 100. Hat sich

genügend flüssiges Kältemittel am Schwimmerventil 44 angesammelt, so öffnet das Ventil und Flüssigkeit gelangt in das Verteilerrohr 46. Aus diesem Rohr tritt das flüssige Kältemittel durch öffnungen in den Vorverdampfer 100 aus. Der Druck im Vorverdampfer ist geringer als der Sättigungsdruck des eintretenden Kältemittels, und ein Teil des flüssigen Kältemittels geht in den gasförmigen Zustand über, indem es aus der verbleibenden flüssigen Kältemittelmenge Wärme absorbiert. Das flüssige Kältemittel sammelt sich im Speicher 66 des Vorverdampfers 100, und bei ausreichendem Flüssigkeitsstand öffnet das Schwimmerventil 49, so daß das flüssige Kältemittel durch die Leitung 50 zum Verdampfer 52 gelangt. Dort absorbiert das zu kühlende Medium Wärme, und das flüssige Kältemittel geht in den gasförmigen Zustand über. Das zu kühlende Medium tritt bei 54 ein und bei 56 aus und gelangt von dort an den Verbraucherort. Gasförmiges Kältemittel wird vom Verdampfer 52 zur Saugseite 24 des Verdichters abgezogen, womit der Kältemittelkreislauf geschlossen ist.

Innerhalb des Vorverdampfers 100 ist ein zweiter Kondensator 60 angeordnet. Ferner ist am Vorverdampfer 100 eine Leitung 48 vorgesehen, die den Vorverdampfer mit der zweiten Stufe des Zentrifugalverdichters 10 verbindet. In der Leitung 48 ist ein Dosierventil 40 vorgesehen, das die Menge des vom Vorverdampfer zum Verdichter strömenden gasförmigen Kältemittels regelt. Ein Kühlmittel mit niedriger Temperatur, wie Wasser der Gebäudeversorgung, tritt am Einlaß 62 in den zweiten Kondensator 60 ein und verläßt diesen am Auslaß 64, nachdem es dem gasförmigen Kältemittel Wärme entzogen hat. Dasselbe Wasser fließt durch die Leitung 76 zum Einlaß 68 des Nachkühlers 82 und gelangt dann an den Auslaß 80 des Nachkühiers 82. Es ist jedoch nicht unbedingt erforderlich, daß das Kältemittel aus dem zweiten Kondensator des Vorverdampfers durch den Nachkühler geführt wird.

Es ist ferner eine Temperatursteuerung 70 vorgesehen, mit der die von einem Meßfühler 68 und über eine Signalleitung 74 übertragene Temperatur und die von einem Meßfühler 72 über eine Signalleitung 76 übertragene Temperatur miteinander verglichen werden, wobei bei einer vorbestimmten Differenz, beispielsweise 5°, das Dosierventil 40 über die Signalleitung 78 geschlossen wird, so daß hierauf der zweite Kondensator dazu benutzt wird, den beim Sprühen entstandenen Dampf im Vorverdampfer zu kondensieren, so daß somit kein Dampf über die Leitung 48 in den Verdichter geführt wird. Infolgedessen arbeitet der Vorverdampfer dann als thermischer Vorverdampfer. Der Meßfühler 68 mißt die Temperatur des flüssigen Kältemittels im Vorveruampier, und der Meßfühler 72 mißt die Temperatur des in den Kondensator des Vorverdampfers eintretenden Wassers. Ist die Temperaturdifferenz kleiner als 5°, so betätigt die Steuerung 70 das Ventil 40 (elektrisch oder hydraulisch) derart, daß es teilweise geöffnet wird, wobei dies vom Gesamtwert des Temperaturunterschiedes abhängig ist

Bei einer normalen Installation tritt das Wasser aus der Gebäudeversorgung in den zweiten Kondensator 60 mit etwa 7° C bis 10⁰C ein. Der Vorverdampfer wird gewöhnlich bei einer Temperatur von rund 20° betrieben, so daß immer eine ausreichende Temperaturdifferenz besteht und der zweite Kondensator des Vorverdampfers zum Kondensieren des gesamten Kältemittelgases benutzt werden kann und der Verdichter nicht zum erneuten Verdichten des beim Sprühen entstandenen Dampfes benutzt werden muß. Gewöhnlich hat das aus dem zweiten Kondensator austretende Wasser eine so niedrige Temperatur, daß es noch im Nachkühler 82 zum weiteren Kühlen des flüssigen Kältemittels aus dem Kondensator 30 Verwendung finden kann.

Viele Kälteanlagen in Gebäuden etc. verwenden so große Mengen Wasser aus der Gebäudeversorgung oder aus dem Stadtnetz, daß immer ein konstanter Fluß gekühlten Wassers für den zweiten Kondensator zur Verfugung steht. Reicht die Wasserversorgung hier nicht aus, so wird die Temperaturdifferenz minimal und demzufolge öffnet das Dosierventil 40, wobei nun der Verdichter den beim Sprühen entstandenen Kältemitteldampf wieder verdichtet. Dann arbeitet der Vorverdampfer als Kondensator oder in einer Art Kombination aus thermischem Vorverdampfer und Kondensator, je nach Stellung des Ventiis. Bei Krankenhäusern und ähnlichen Anwendungsfällen ist jedoch die Wasserversorgung für gewöhnlich so reichlich, daß kein Mangel besteht.

Ferner fließt das dem Gebäude zugeführte Wasser durch den zweiten Kondensator, und der Nachkühler wird jetzt bis zu einem gewissen Grade erwärmt, wobei das Wasser zur Versorgung des Gebäudes Verwendung finden kann und ferner thermische Energie gespart wird, die notwendig ist, das Wasser zu einem späteren Zeitpunkt zu erwärmen.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Kälteanlage mit im Kreislauf geführtem Kältemittel, mit einem Verdichter, einem an den Verdichter angeschlossenen Kondensator, einem an diesen angeschlossenen Vorverdampfer, in dem das flüssige, aus dem Kondensator kommende Kältemittel versprüht und dabei teilweise verdampft wird, wobei es Wärme von dem flüssig verbliebenen Kältemittel aufnimmt, und mit einem dem Vorverdampfer nachgeschalteten Verdampfer, dessen Ausgang mit der Saugseite des Verdichters verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Vorverdampfer (128, 100) der verdampfte Kältemittelanteil mittels eines gesonderten zweiten Kondensators (142, 60) wiederverflüssigt wird.

2. Kälteanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Kondensator (142, 60) in dem Vorverdampfer (128, 100) angeordnet ist und daß der verdampfte und wiederverflüsigte Kältemittelanteil mit dem beim Versprühen nicht verdampften flüssigen Kältemittelanteil vermischt wird.

3. Kälteanlage nach Anspruch 1 oder 2 mit einem mehrstufigen Verdichter, wobei der Vorverdampfer über eine Absaugleitung direkt mit dem Verdichter verbunden ist, durch die der im Vorverdampfer verdampfte Kältemittelanteil zwischen zwei Druckstufen des Verdichters zuführbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur des mit Hilfe des zweiten Kondensators (60) wiederverflüssigten Kältemittelanteiles und die Temperatur des dem zweiten Kondensator (60) zugeführten Kühlmittels gemessen werden, um mit der sich daraus ergebenden Temperaturdifferenz die Menge des vom Vorverdampfer (100) dem Verdichter (10) zuzuführenden verdampften Kältemittelanteils zu steuern, wobei beim Überschreiten einer vorgegebenen Temperaturdifferenz die Zufuhr dieses verdampften Kältemittelanteils zum Verdichter (10) unterbrochen wird.