DE3413495A1

DE3413495A1 - Druckverhaeltnis-schwellwertfuehler und mit diesem ausgeruestete maschine zur verarbeitung eines verfluessigbaren gases

Info

Publication number: DE3413495A1
Application number: DE19843413495
Authority: DE
Inventors: Luc Bridgeport Conn. Langouet
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1983-04-14
Filing date: 1984-04-10
Publication date: 1984-10-18
Also published as: FR2544522A1; US4570451A; JPS59200171A; FR2544522B1; GB2138971B; GB2138971A; GB8408895D0

Description

PRINZ, LEISER,; EHiIMKF A PAiRTNER^

Patentanwälte "" "fc wVopoari" Palönt Attorneys

München j. Stuttgart

10. April 1984

Bernard ZIMMERN

6 New Street

East Norwalk, Connecticut 06855 /V.St.Ä.

Unser Zeichen: Z 484

Druckverhältnis-Schwellwertfühler und

mit diesem ausgerüstete Maschine zur

Verarbeitung eines verflüssigbaren Gases

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung bzw. einen Fühler zum Vergleichen des Verhältnisses zwischen zwei Drücken mit einem bestimmten Schwellwert, wobei wenigstens einer dieser beiden Drücke auf ein Gas einwirkt, das im Druckgleichgewicht mit seinem Dampf steht.

Die Erfindung betrifft ferner eine mit einem solchen Fühler ausgerüstete Maschine.

Einer der wichtigsten Parameter bei der Kühlung oder Klimatisierung unter Anwendung eines Kompressors ist das Druckverhältnis, d.h. das Verhältnis der Drücke zwischen Anströmseite und Abströmseite des Kompressors, also zwischen Einlaß und Auslaß desselben.

Dieses Verhältnis, das in der folgenden Beschreibung durch den Buchstaben "r" bezeichnet wird, definiert nämlich einen der wesentlichen thermodynamischen Kennwerte des Zyklus, der insbesondere den thermodynamischen Wirkungsgrad bestimmt.

Besonders bei rotierenden volumetrischen Kompressoren, z.B. Flügelradverdichter oder Schraubenkompressor, die normalerweise ein konstruktionsbedingt vorgegebenes Druckverhältnis aufweisen, nimmt der Wirkungsgrad schnell ab, wenn das Systemkompressionsverhältnis wesentlich von diesem konstruktionsbedingten Verhältnis abweicht.

Unter dem "konstruktionsbedingten Kompressionsverhältnis" ist das Druckverhältnis gemeint, welches durch die Geometrie des Kompressors selbst bestimmt wird. Unter dem "Systemkompressionsverhältnis" wird das Verhältnis zwischen Auslaßdruck und Einlaßdruck verstanden. Diese Verhältnisse sind im allgemeinen voneinander verschieden, da das Systemkompressionsverhältnis davon abhängt, woran Einlaß und Auslaß des Kompressors angeschlossen sind. Zur Verdeutlichung sei als Beispiel der Fall betrachtet, daß Einlaß und Auslaß beide in die freie Atmosphäre führen, so daß dann das Systemverhältnis ungefähr gleich 1 ist.

Es wurden bereits verschiedene Vorrichtungen vorgeschlagen, z.B. gemäß der US-PS 3 088 65 9, durch die es ermöglicht wird, das konstruktionsbedingte Kompressionsverhältnis beliebig zu variieren, um es dem im Betrieb angetroffenen Verhältnis anzugleichen. Ein einfaches Ausführungsbeispiel besteht in einer Maschine, die zwar nicht unendlich viele Kompressionsverhältnisse ermöglicht, was umfangreiche und aufwendige Vorrichtungen voraussetzt, wie sie z.B. in der DE-OS 31 4 3 193 oder in der US-PS 4 362 472 beschrieben sind, sondern nur zwei Verhältnisse besitzt. Die Ausführung ist relativ leicht möglich, wenn z.B. ein einfacher Kolben, der zwei verschiedene Stellungen einnehmen kann,

einen Steuerschieber zur Steuerung des Kompressionsverhältnisses betätigt, wie in Fig. 1 der US-PS 3 088 659 gezeigt ist. Jede Stellung entspricht einem der wählbaren und konstruktionsbedingten Konstruktionsverhältnisse. Diese Ausbildung ist zwar nicht so perfekt wie eine Vorrichtung, die eine unendliche Vielzahl von Kompressionsverhältnissen ermöglicht, ergibt jedoch Wirkungsgrade, die bis auf 2% an den Idealfall eines Druckverhältnisbereiches zwischen 2,5 und 6 heranreichen, während die Verluste 8 bis 10% erreichen können, wenn der Kompressor nur ein einziges konstruktionsbedingtes Kompressionsverhältnis besitzt.

Es stellt sich dann die Aufgabe, eine Meßvorrichtung zur Verfügung zu stellen, mittels der das Systemkompressionsverhältnis "abgelesen" werden kann, um aus diesem Ablesewert die erforderlichen Befehle abzuleiten, nämlich z.B. den Druck für die Verstellung des Kolbens, der die Einstelleinrichtung zur Einstellung des konstruktionsbedinten Kompressionsverhältnisses steuert, auf- oder abzubauen.

Es wurden bereits verschiedene Vorrichtungen zur Durchführung dieser Messung vorgeschlagen, z.B. die Verwendung von zwei Druckfühlern, deren Ausgangssignale nach Umsetzung in elektrische Werte miteinander verglichen und in ein elektrisches Signal umgesetzt werden, durch das ein spulenbetätigtes Ventil gesteuert wird. Derartige Vorrichtungen sind jedoch umfangreich und kompliziert, da Drücke in elektrische Signale umgesetzt und die elektrischen Steuersignale wieder in ein Drucksignal umgewandelt werden müssen. Andererseits können mit herkömmlichen Kolben- oder Membranvorrichtungen zwar leicht Druckdifferenzen gemessen werden, nicht jedoch ein Druckverhältnis.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Vergleichen des Verhältnisses zwischen einem ersten und einem zweiten Druck mit einem bestimmten Schwellwert, die an zwei Punkten einer Maschine vorhanden sind, die ein verflüssigbares

Gas verarbeitet, enthält ein bewegliches Element, eine mit diesem verbundene Steuereinrichtung und eine Einrichtung zur Beaufschlagung des beweglichen Elementes in zueinander entgegengesetzten Richtungen, einerseits mit einer zu dem ersten Druck proportionalen Kraft und andererseits mit einer Kraft, die proportional zum Druck eines zweiten verflüssigbaren Gases ist, das im wesentlichen im Gleichgewicht mit seinem Kondensat ist, wobei wenigstens ein Teil des Kondensats sich in einem Gehäuse befindet, das in thermischen Kontakt mit einem Bereich der Maschine gebracht werden kann, wo das erste verflüssigbare Gas dem zweiten Druck ausgesetzt und im wesentlichen im Gleichgewicht mit seinem Kondensat ist, und wobei das zweite verflüssigbare Gas bei einer gegebenen Temperatur einen Dampfdruck aufweist, der im wesentlichen gleich dem ersten Druck ist, wenn das Druckverhältnis gleich dem Schwellwert ist. Flüssigkeiten, die im Druckgleichgewicht mit ihren Dampfphasen stehen, haben nämlich die Eigenschaft, daß das Verhältnis zwischen zwei verschiedenartigen Flüssigkeiten, welche dieselbe Temperatur aufweisen, innerhalb eines weiten Temperaturbereiches nur wenig variiert.

Die Erfindung besteht darin, daß das bewegliche Element auf seiner einen Seite mit dem ersten Druck des mit dem Schwellwert zu vergleichenden Verhältnisses beaufschlagt wird, während die andere Seite mit dem Druck eines fluiden Mediums beaufschlagt wird, dessen Wert entsprechend der obengenannten Regel in einem bestimmten bekannten und im wesentlichen konstanten Verhältnis ro zu dem zweiten Druck des zu vergleichenden Verhältnisses steht. Das Gleichgewicht des beweglichen Elementes ist daher theoretisch dann erhalten, wenn der erste Druck gleich dem Druck des fluiden Mediums ist, d.h. wenn das mit dem Schwellwert zu vergleichende Verhältnis r gleich £o ist, d.h. gleich dem genannten Schwellwert.

Durch die Erfindung wird ferner eine Maschine geschaffen, die einen mit einer Einrichtung zum Einstellen des Korn-

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pressionsverhältnisses versehenen Kompressor zum Befördern eines ersten verflüssigbaren Gases aus einem Einlaßbereich in einen Auslaßbereich sowie eine Vorrichtung der oben beschriebenen Art umfaßt, um ein Druckverhältnis mit einem Schwellwert zu vergleichen, wobei diese Vorrichtung mit dem Kompressor derart verbunden ist, daß sie das Verhältnis zwischen dem Druck im Auslaßbereich und dem Druck im Einlaßbereich mit einem bestimmten Schwellwert vergleicht, wobei die Steuereinrichtung der Vergleichervorrichtung an die Einstelleinrichtung zur Einstellung des Kompressionsverhältnisses angeschlossen ist, um ein relativ hohes Kompressionsverhältnis einzustellen, wenn der Auslaßdruck oberhalb eines bestimmten Schwellwertes in bezug auf einen Einlaßdruck liegt, und um im entgegengesetzten Falle ein relativ niedriges Kompressionsverhältnis einzustellen.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels und aus der Zeichnung, auf die Bezug genommen wird. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 ein Blockschema eines Kühlsystems unter Verwendung eines erfindungsgemäßen Fühlers;

Fig. 2 eine Schnittansicht des in Fig. 1 gezeigten Fühlers;

Fig. 3 ein Diagramm zur Erläuterung der Erfindung.

Bei der in Fig. 1 gezeigten Anordnung ist die Hochdruckseite eines volumetrischen Kompressors 1, bei dem es sich um einen Doppelschraubenkompressor handelt, mit einer Auslaßleitung 2 verbunden, auf die ein Kondensator 3, ein Sammelbehälter 4, ein Expansionsventil 5, ein Verdampfer 6 und eine Einlaßleitung 7 folgen, die ihrerseits mit dem Einlaßbereich des Kompressors verbunden ist.

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In an sich bekannter Weise ist ein Schieber 8 zwischen zwei stabilen Endstcllungon bewegbar, von denen die eine mit ausgezogenen Linien und die andere gestrichelt dargestellt ist. Wenn sich der Schieber 8 aus seiner einen Stellung in die andere Stellung bewegt, wird derjenige Punkt verändert, wo der Auslaßbereich in den Kompressor einmündet, so daß das konstruktionsbedingte Konstruktionsverhältnis des Kompressors verändert wird.

Die Stellung des Schiebers 8 wird durch einen Kolben 9 gesteuert, der durch eine Feder 10 in eine Endstellung beaufschlagt ist, welche mit ausgezogenen Linien dargestellt ist und der ebenfalls mit ausgezogenen Linien dargestellten Stellung des Schiebers 8 entspricht. Der KoI- ben 9 kann in seine gestrichelt gezeigte Stellung bewegt werden, die der ebenfalls gestrichelt gezeichneten Stellung des Schiebers 8 entspricht, wenn ein unter Druck stehendes fluides Medium diesen Kolben 9 entgegengesetzt der Feder 10 über eine Leitung 11 beaufschlagt. Der KoI-ben 9 ist nicht vollkommen leckdicht, so daß bei Abschaltung des unter Druck stehenden fluiden Mediums, bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel das Gas vom Auslaßrohr 2 des Kompressors, der Kolben durch die Feder 10 und den Druck am Ende des Schiebers wieder in seine in vollen Linien gezeigte Stellung zurückgeführt wird.

Die Verbindung zwischen dem Auslaßrohr 9 und der Leitung wird durch einen Fühler 12 gesteuert.

Der Fühler 12 umfaßt ein Gehäuse 16, das innenseitig in zwei Kammern durch eine Membran 17 geteilt ist, die verformbar ist, um eine Steuereinrichtung zu betätigen, die aus einem Stößel 18 und einer Ventilklappe 19 besteht, die eine mit der Leitung 11 in Verbindung stehende Öffnung 20 selektiv verschließen kann.

Auf derselben Seite der Membran 17 wie die Öffnung 20 steht die Kammer in dem Gehäuse 16 mit einer Leitung 13

in Verbindung, die ihrerseits in Medienverbindung mit dem Auslaßrohr 2 steht.

Die auf der anderen Seite der Membran 17 liegende Kammer des Gehäuses 16 ist über ein Rohr 14 mit einem Kolben 15 in Verbindung, der in thermischem Kontakt mit dem Verdampfer 6 steht und eine Flüssigkeit 21 enthält, die im Druckgleichgewicht mit ihrem Dampf 22 ist.

Die Flüssigkeit 21 ist so gewählt, daß sie bei einer gegebenen Temperatur einen Dampfdruck aufweist, der größer ist als der Dampfdruck des in dem Verdampfer 6 siedenden Kühlmittelgases und in einem Verhältnis ro zu diesem Dampfdruck steht.

In Fig. 3 ist auf der Abszisse die Temperatur t des Verdampfers und auf der Ordinate der Logarithmus des Dampfdruckes aufgetragen. Die Kurve 23, die der Flüssigkeit im Verdampfer 6 entspricht, zeigt für eine mit 24 bezeichnete Temperatur einen mit 25 bezeichneten Druck p1; Kurve 26 entspricht der Flüssigkeit 21 im Kolben 15, die unter einem Druck p2 steht, der für dieselbe Temperatur 24 in Fig. 3 mit 27 bezeichnet ist.

Es ist darauf hinzuweisen, daß für verschiedene Temperaturen, d.h. für verschiedene Lagen des mit 24 bezeichneten Punktes, der Abstand zwischen den mit 25 und 27 bezeichneten Punkten im wesentlichen konstant bleibt, d.h. die Differenz zwischen den Logarithmen des Druckes ist ungefähr konstant, was bedeutet, daß das Druckverhältnis konstant ist.

Wenn z.B. in dem Kühlmittelkreislauf das Kühlmittel R114 vorhanden ist und wenn der Kolben mit R22 gefüllt ist, so beträgt das Verhältnis der Drücke p2/p1 = 5,00/0,808=6,18 bei 0⁰C, und p2/p1 =2,46/0,369= 6,66 bei -20⁰C.

Bei dem oben angegebenen Temperaturbereich ergibt sich somit, daß der Druck in der Leitung 13 von Fig. 2, wenn der Auslaßdruck den 6,2 bis 6,7-fachen Wert des Einlaßdrucks überschreitet, denjenigen Druck überschreitet, der aus dem Kolben 15 geliefert wird, so daß die Membran 17 die Ventilklappe 19 anhebt, um den Kolben 9 mit hohem Druck zu beaufschlagen und den Schieber 8 in seine gestrichelt gezeichnete Stellung vorzuschieben, damit das konstruktionsbedingte Kompressionsverhältnis vergrößert wird. Wenn der Druck dann absinkt, schließt die Ventilklappe 19 erneut, und der Schieber 8 wird zurückbewegt, wodurch das konstruktionsbedingte Kompressionsverhältnis vermindert und an das niedrigere Systemkompressionsverhältnis angepaßt wird.

Es ist natürlich möglich, den Kolben 15 nicht mit nur einer Flüssigkeit, sondern mit einem Flüssigkeitsgemisch zu füllen, um jedes gewünschte Druckverhältnis zu erhalten.

Es ist nämlich bekannt, daß der Druck eines Flüssigkeitsgemisches gleich der Summe von Dampfteildrücken ist, die ihrerseits proportional zum Dampfdruck eines jeden Mediums und zu seiner molaren Konzentration sind.

Wenn bei dem oben angegebenen Zahlenbeispiel das Kühlmittel R22 im Kolben durch ein Gemisch von 50 Gew.-% R22 und 50 % von R114 ersetzt wird, deren Molekulargewichte 86,5 bzw. 170,9 betragen, so betragen die entsprechenden molaren konzentrationen 50/86,5 = 0,578 bzw. 50/170,9 = 0,292> was zu den folgenden Molverhältnissen im Gemisch führt:

0,578/(0,578 + 0,292) = 0,665 für R22 und 0,292/(0,578 + 0,292) = 0,335 für R1 14.

Bei 0⁰C beträgt dann der Dampfdruck des Gemisches:

0,665 χ 5 + 0,335 χ 0,808 = 3,60 und bei -20°C:

0,665 χ 2,46 + 0,335 χ 0,369 = 1,76, 5

was zu folgenden Druckverhältnissen gegenüber R114 führt: 3,60/0,808 = 4,45 und 1,76/0,369 = 4,77.

Bei der obigen Beschreibung wurde angenommen, daß der Kolben 15 in Berührung mit dem Verdampfer steht. Dieser Kolben 15 kann aber an irgendeiner Stelle angeordnet werden, wo das Kühlmittel siedet, z.B. am Einlaß des Kompressors 1, wenn dieser nicht mit Öleinspeisung, sondern mit Kühlmitteleinspeisung arbeitet; dann ist ein flüssiges Kühlmittel am Einlaß vorhanden.

Bei einer anderen Ausführungsform ist anstelle einer Membran 17 ein abgedichteter Kolben oder ein Balgen vorgesehen, wobei darauf zu achten ist, daß jeglicher Verlust an Flüssigkeit 21 bzw. ihres Dampfes vermieden wird.

Claims

East Norwalk, Connecticut 06855 /V.St.A.

Unser Zeichen: Z 484

Patentansprüche

( 1 ./ Vorrichtung zum Vergleichen des Verhältnisses zwischen einem ersten und einem zweiten Druck mit einem bestimmten Schwellwert, die an zwei Punkten einer Maschine verfügbar sind, die ein verflüssigbares Gas verarbeitet, gekennzeichnet durch ein bewegliches Element (17), eine mit diesem verbundene Steuereinrichtung (19) und Mittel zur Beaufschlagung des beweglichen Elementes (17) in zueinander entgegengesetzten Richtungen, einerseits durch eine Kraft, die proportional zu dem ersten Druck ist, und andererseits durch eine Kraft, die proportional zu dem Druck eines zweiten verflüssigbaren Gases ist, welches im wesentlichen im Gleichgewicht mit seinem Kondensat steht, wovon wenigstens ein Teil in einem Gehäuse (15) enthalten ist, das in thermischen Kontakt mit einem Bereich (6) der Maschine gebracht werden kann, wo das erste verflüssigbare Gas dem zweiten Druck ausgesetzt wird und mit seinem Kondensat im wesentlichen im Gleichgewicht steht, wobei das zweite verflüssigbare Gas bei einer gegebenen Temperatur einen Dampfdruck aufweist, der im wesentlichen gleich dem ersten Druck ist, wenn das Druckverhältnis gleich dem Schwellwert ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das bewegliche Element (17) eine Fläche aufweist, die auf ihrer einen Seite mit dem ersten Druck und auf ihrer anderen Seite durch das zweite verflüssigbare Gas beaufschlagt ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite verflüssigbare Gas zwei Komponenten mit verschiedenen Dampfdrücken enthält.
4. Maschine mit einem Kompressor, der eine Einrichtung zum Einstellen des Kompressionsverhältnisses enthält und ein erstes verflüssigbares Gas von einem Einlaßbereich zu einem Auslaßbereich verdrängt, gekennzeichnet durch eine Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, die derart an den Kompressor (1) angeschlossen ist, daß sie das Verhältnis des Druckes im Auslaßbereich zum Druck im Einlaßbereich mit einem bestimmten Schwellwert vergleicht, wobei die Steuereinrichtung der Vergleichervorrichtung an die Einrichtung zur Einstellung des Druckverhältnisses angeschlossen ist, um ein relativ hohes Kompressionsverhältnis einzustellen, wenn der auslaßseitige Druck oberhalb eines bestimmten Schwellwertes in bezug auf den einlaßseitigen Druck liegt, und im entgegengesetzten Falle ein relativ niedriges Kompressionsverhältnis einzustellen.
5. Maschine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Druck der Auslaßdx'uck ist, daß das bewegliche Element (17) eine Fläche ist, die im Inneren einer Kammer dem auslaßseitigen Druck ausgesetzt ist, und daß die Steuereinrichtung ein Ventilelement (19) ist, welches die über die Kammer erfolgende Verbindung zwischen einer mit dem Auslaßbereich verbundenen Leitung (13) und einer Leitung (11) steuert, die an einen Arbeitszylinder (12) angeschlossen ist, der die Einstelleinrichtung zur Einstellung des Kompressionsverhältnisses betätigt.
6. Maschine nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Behälter (15) in thermischem Kontakt mit einem Verdampfer (6) eines Kühlmittelkreislaufs steht, der zwischen dem Auslaßbereich und dem Einlaßbereich angeordnet ist.