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Kraftanlage mit abwärmeerzeugender flüssigkeitsgekiihlter
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Brennkraftmaschine und Absorpt ionskälteanlage (Zusatz zu Patent .
... ... P 27 56 348.o) Die Erfindung betrifft eine Kraftanlage mit ab;ärmeerzeugender
flüssigkeitsgekühlter Brennkraftmaschine und mit Absorptionskälteanlage nach dem
Oberbegriff von Anspruch 1 bzw. nach Ilauptpatent . ... ... (P 27 56 348.o).
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Absorptionskälteanlagen haben zumindest in der Anwendung in Fahrzeugen
gegenüber Kompressorkälteanlagen den Vorteil, daß die in genügendem Ausmaß anfallende
Abwärme des Antriebsmotors für das Fahrzeug nutzbringend als Energiequelle für die
Kälteanlage ausgenutzt werden kann. Nachteilig an den Absorptionskälteanlagen ist,
daß sie - auf eine bestimmte zu installierende Kälteleistung bezogen -ein größeres
Bauvolumen und ein größeres Gewicht erforderlich machen als bei Kompressorkälteanlagen.
Das Mehrgewicht
bei Absorptionskälteanlagen ist vor allen Dingen
auf die geringeren Zustandsänderungen innerhalb des Arbeitsmediums beim Kälteprozeß
und auf die zu deren Ausnützung erforderlichen größeren Wärmetauscher zurückzuführen.
Dem höheren Gewicht einer Absorptionskälteanlage steht jedoch auf Seiten einer Kompressorkälteanlage
der höhere maschinentechnische Aufwand für den Kältemittelverdichter sowie der höhere
Energieaufwand zu dessen Antrieb gegenüber.
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Aufgabe der Erfindung ist es, Maßnahmen anzugeben, wie Anlagen der
zugrunde liegenden Art, die eine Absorptionskälteanlage enthalten, so ausgestattet
werden können, daß zwar die Vorteile einer nutzbringenden Abwärmeverwertung für
die Absorptionskälteerzeugung erhalten bleiben, daß aber keine Gewichtsnachteile
gegenüber der Verwendung einer Kompressorkälteanlage entstehen.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale
von Anspruch 1 gelöst. Die in Absorptionskälteanlagen üblicherweise verwendeten
Zweistoffgemische sind ohne weiteres auch als Kühlflüssigkeit für Brennkraftmaschinen
verwendbar. Durch die Einbeziehung der Brennkraftmaschine unmittelbar in den Kreislauf
einer Absorptionskälteanlage können zwei sonst notwendige Wärmetauscher aufgrund
einer Funktionszusammenlegung eingespart werden. Die Brennkraftmaschine dient dann
unmittelbar auch als Austreiber innerhalb des Kreislaufes der Absorptionskälteanlage;
und der Absorber dieses Kreislaufes dient außerdem als Flüssigkeitskühler für die
Brennkraftmaschine. Es braucht bei einer erfindungsgemäßen Ausgestaltung einds Fahrzeuges
gegenüber Fahrzeugen
mit Kompressorkälteanlage unter dem Gesichtspunkt
von gewichtsbringenden Bauteilen lediglich ein als Wärmetauscher ausgebildeter Kondensator
für Kältemittel installiert zu werden; dafür ist jedoch - wie gesagt - ein Kältemittelverdichter
nicht erforderlich. Die Gewichtsbilanz einer Absorptionskälteanlage nach der Erfindung
würde daher gegenüber einer Kompressorkälteanlage zugunsten der Erfindung ausfallen.
Eine noch größere Gewichtseinsparung läßt sich bei der erfindungsgemäßen Absorptionskälteanlage
dadurch erzielen, daß der Verdampfer gleichzeitig auch als HeizwYrmetauscher verwendet
werden und dadurch ein weiterer Wärmetauscher eingespart werden kann, der bei einer
Kompressorkälteanlage unvermeidbar wäre.
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Die Erfindung ist anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles
nachfolgend noch kurz erläutert; dabei zeigt die Figur schematisch eine Anlage zum
Temperieren eines Fahrzeugnutzraumes unter Verwendung einer Absorptionskälteanläge
nach der Erfindung.
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Die in der Zeichnung dargestellte Brennkraftmaschine 1 dient zum Antrieb
eines mit einer strichpunktierten Umrißkontur angedeuteten Kraftfahrzeuges, welches
einen Fahrgst- oder Nutzraum 7 aufweist, der durch die ebenfalls in der Zeichnung
dargestellte Anlage temperiert und zwar bei hohen Außentemneraturen gekühlt und
bei niedrieen Außensoll : temperaturen beheizt werden4 derart, daß im Innern des
Nutzraumes eine bestimmte, beispielsweise bei Fahrgasträumen eine behagliche Innentemperatur
herrscht. Die Brennkraftmaschine weist einen Motorblock 3 und einen Zylinderkopf
4 mit Kühlwasserräumen 2 darin auf, die mit einer Kühlflüssigkeit gefüllt sind.
An der Brennkraftmaschine
ist noch eine zwangsläufig mitangetriebene
Kühlwasserpumpe 5 vorgesehen, die die Kühlflüssigkeit ständig durch die Kühlwasserräume
2 hindurchpumpt. Auf gleicher Welle mit der Kühiwasserpumpe ist noch ein Ventilator
6 angeordnet, der Umgebungsluft durch Wärmetauscher hindurchsaugt, die von der Kühlflüssigkeit
beaufschlagt werden und in denen die Kühlflüssigkeit durch Umgebungsluft rückgekühlt
wird.
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In dem von Außenluft oder von rezirkulierter Umluft beaufschlagbaren
Einlaufkanal für den Nutzraum 7 ist ebenfalls ein Wärmetauscher 11 angeordnet, auf
dessen Bedeutung weiter unten noch näher eingegangen wird. Ebenfalls im Einlaufkanal
ist ein durch einen vorzugsweise stufenweise steuerbaren Elektromotor angetriebenes
Gebläse 8 zum zwangsweisen Zuführen bzw. Umwälzen der Nutzraumluft vorgesehen.
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Die in dem Fahrzeug installierte Absorptionskälteanlage ist nun folgendermaßen
aufgebaut. Die Kühlwasserräume 2 der Brennkraftmaschine sind mit einem für die Zwecke
einer Absorptionskälteanlage geeigneten und mit der Brennkraftmaschine und der Kühlfunktion
verträglichen Zweistoffgemisch aus Lösungsmittel und Kältemittel gefüllt, welches
Zweistoffgemisch sowohl die Funktion der Kühlflüssigkeit für die Brennkraftmaschine
als auch die Funktion des Arbeitsmediums in der Absorptionskälteanlage übernimmt.
Die Kühlwasserräume der Brennkraftmaschine dienen als Austreiber innerhalb der Absorptionskälteanlage,
wobei die Abwärme der Brennkraftmaschine nutzbringend zu Zwecken des Austreibens
des Kältemittels aus dem Lösungsmittel ausgenutzt
wird und wobei
eine Druckerhöhung im Arbeitsmittel stattfindet. In der Austrittsleitung 20 aus
der Brennkraftmaschine ist beim dargestellten Ausführungsbeispiel eine Druckhaltedrossel
12 und im unmittelbaren Anschluß daran ein Trenngefäß 13 vorgesehen. Aufgrund der
Wirkung der Drossel 12 wird ein gewisser Druck innerhalb des Arbeitsmittels zurückgestaut,
der eine vorzeitige Trennung von Kälte- und Lösungsmittel innerhalb der Brennkraftmaschine
verhindert. Nach der Entspannung trennen sich Kälte- und Lösungsmittel unmittelbar
voneinander innerhalb des Trenngefäßes 13. Die getrennten Medien, von denen das
Kältemittel in Gasform und das Lösungsmittel nach wie vor in flUssiger Form anfällt,
werden in gesonderten Teilkreisläufen rückgekühlt. Hierzu ist in der Lösungsmittelleitung
22 ein von der Umgebungsluft beaufschlagbarer Wärmetauscher vorgesehen, der als
Absorber für das Lösungsmittel und gleichzeitig als Kühler für die Brennkraftmaschine
dient.
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Der Absorber 9 ist in dem vom Ventilator 6 geförderten, mit dem Fahrtwind
parallellaufenden Kühlluftstrom an erster Stelle angeordnet, weil das Lösungsmittel
in dem Absorber am weitesten heruntergekühlt werden soll. In der Kältemittelleitung
23 ist ebenfalls ein Wärmetauscher, und zwar ein Kondensator 1o zur Rückkühlung
und Kondensierung des Kältemittels darin angeordnet. Der Kondensator liegt im gleichen
Kühlluftstrom wie der Absorber 9; er ist jedoch im dargestellten Ausführungsbeispiel
in Richtung des Kühlluftstromes unmittelbar dahinter angeordnet. Funktionell im
Anschluß an den Kondensator lo ist der bereits oben angesprochene im Einlaufkanal
für den Nutzraum angeordnete Wärmetauscher vorgesehen, der innerhalb der Absorptionskälteanlage
die Funktion eines Verdampfers 11 übernimmt.
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Unmittelbar im Zulauf zu dem Verdampfer ist innerhalb der
Kältemittelleitung
23 eine Entspannungsdrossel 14 vorgesehen. Dank der durch die Entspannungsdrossel
14 bewirkten Druckänderung kommt es zu einer Verdampfung des Kältemittels und zu
einem Entzug von Wärme aus der unmittelbaren Umgebung des Verdampfers. Hierdurch
kommt eine Kühlwirkung zustande. Nach dem Austritt des Kältemittels aus dem Verdampfer
und des Lösungsmittels aus dem Absorber werden beide Medien wieder in den Windkessel
18 zusammengeführt, wobei das gasförmig anfallende Kältemittel oberhalb des sich
darin einspielenden Flüssigkeitsspiegels und das rückgekühlte Lösungsmittel, welches
begierig aufnahmefähig für Kältemittel ist, unterhalb des Flüssigkeitsspiegels in
den Windkessel eingeleitet wird. Das Gaskissen in dem Windkessel kann zweckmäßigerweise
aus einem Inertgas, beispielsweise aus Stickstoff bestehen, damit die beiden Medien
erst tatsächlich in dem Windkessel in Lösung gehen und damit nicht etwa das für
Kältemittel begierig aufnahmefähige Lösungsmittel von rückwärts in den Verdampfer
hinein aufsteigt. Das Inertgaspolster soll also die beiden Medien voneinander trennen
und eine hohe Druckifferenz innerhalb des Verdampfers aufrechterhalten. Durch die
Zusammenführung von Kältemittel und rückgekühltem Lösungsmittel geht das Kältemittel
sehr schnell darin in Lösung über, wobei das Zweistoffgemisch sich geringfügig um
den Betrag der Lösungsenthalpie erwärmt. Die Rücklaufleitung 24 zweigt von dem Windkessel
18 unterhalb des Flüssigkeitsspiegels ab und leitet das Zweistoffgemisch zu der
Kühlwasserpumpe 5 zurück, von wo es in die Kühlwasserräume 2 der Brennkraftmaschine
zur erneuten Wärmeaufnahme und zur Rückkühlung der Brennkraftmaschine zurückgefördert
wird.
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Die Wirkungsweise der Absorptionskälteanlage dürfte aus der obigen
Beschreibung bereits hervorgegangen sein. Zur Regelung sei nur noch bemerkt, daß
der Umlauf an Lösungsmittel bzw. Zweistoffgemisch sich nach den Bedürfnissen des
ab zum führenden Anfalls an Abwärme innerhalb der Brennkraftmaschine richtet und
daß ein solcher Umlauf durch ein in der Austrittsleitung 20 oder in der Rücklaufleitung
24 gelegenes Thermostatventil eingesteuert wird. Losgelöst von diesem in Abhängigkeit
von dem Abwärmeanfall der Brennkraftmaschine einzusteuernden Lösungsmittelumlauf
muß der Kältemittelumlauf innerhalb dieses Kreislaufes steuerbar sein; und zwar
bestimmt der Kältemittelumlauf die Kühlleistung der Absorptionskälteanlage. Der-Kältemittelumlauf
kann durch ein steuerbares Drosselventil innerhalb der Kältemittel leitung beeinflußt
werden. Wird der Kältemittelumlauf ganz gestoppt, so wird die durch den Verdampfer
11 hindurchgeführten Nutzraumluft nicht gekühlt. Das im Kondensator verflüssigte
Kältemittel sammelt sich dann in flüssiger Form an dessen tiefster Stelle, weshalb
Frt ein größerer Flüssigkeitssammler 19 angeordnet ist. Zweckmäßigerweise wird das
Regulierventil zur Unterbrechung bzw. Regulierung des Kältemittelumlaufes zwischen
dem Kondensator und dem Verdampfer angeordnet werden. Je mehr Kältemittel innerhalb
der Leitung 23 zirkulieren gelassen wird, eine um so größere Kälteleistung wird
am Verdampfer an die Nutzraumluft abgegeben.
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Bei sehr niedrigen Außentemperaturen ist eine künstliche Kühlung der
Nutzraumluft nicht nur entbehrlich; es soll dann vielm-ehr die Nutzraumluft aufgeheizt
werden. Hierzu kann gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung auch der Verdampfer
11
herangezogen werden, der dann als Heizwärmetauscher verwendet wird. Zu diesem Zweck
ist zwischen der Austrittsleitung 20 und dem Verdampfereintritt eine Kurzschlußleitung
16 angeordnet, die normalerweise geschlossen ist und die mittels eines Wechselventiles
15 einschaltbar ist, welches Wechselventil gleichzeitig die Kältemittelleitung 23
unterbricht. Der Kältemittelumlauf wird dadurch völlig unterbrochen und es wird
erhitztes Lösungsmittel iiber die Kurzschlußleitung dem Verdampfer zugeführt. Die
dem Nutzraum zugeführte Luft kann sich dann daran erwärmen.
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Wegen der wahlweisen Zuführung von Kältemittel über die Entspannungsdrossel
14 bzw. erhitzten Lösungsmittel über die Kurzschlußleitung 16 weist der Verdampfer
einen besonders ausgestalteten Sammelkopf auf der Zulaufseite auf.
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Das durch den Verdampfer hindurchgetretene und durch die beaufschlagte
Nutzraumluft teilweise rückgekühlte Lösungsmittel gelangt über den Windkessel und
die Rücklaufleitung 24 zur Umwälzpumpe 5 zurück. Die an die Nutzraumluft abgegebene
Heizenergie bestimmt sich nach der durch die Kurzschlußleitung 16 hindurchgelassene
Lösungsmittelmenge, die mittels der Regulierdrossel 17 eingestellt werden kann.
Dank der solcherart zu bewerkstelligenden Funktionszusammenlegung - der Verdampfer
11 dient sowohl als Wärmetauscher beim Kühlen als auch beim Heizen - kann ein weiterer
Wärmetauscher eingespart werden, was der Gewichtsbilanz der erfindungsgemäßen Temperieranlage
zugute kommt.
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Die weiter oben erwähnte Druckhaltedrossel 12 vor dem Trenngefäß ist
auch entbehrlich. Es findet dann eine Abscheidung von Kältemittel aus dem Lösungsmittel
bereits in den K0hlwasserräumen statt, die dann teilweise mit gasförmigem Kältemittel
gefüllt sind. Diese stets mit dem Lösungsmittelumlauf abtransportierten Gasblasen
sind für eine ausreichende Kühlung der Brennkraftmaschine nicht nur unschädlich,
durch den Abscheidevorgang wird der unmittelbaren Umgebung auch die Lösungsenthalpie
entzogen, wodurch ein gewisser Kühleffekt erzielt wird. Zu einer vollständigen Trennung
von Kältemittel und Lösungsmittel sollte jedoch nach wie vor ein Beruhigungs- und
Abscheideraum nach Art des Trenngefäßes 13 vorgesehen werden.
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L e e r s e i t e