DE3600075A1

DE3600075A1 - Kaeltemaschine mit kaeltemittelvorkuehlung

Info

Publication number: DE3600075A1
Application number: DE19863600075
Authority: DE
Inventors: John Olin Pasadena Tex. Nunn jun.; John Olin Deer Park Tex. Nunn sen.
Original assignee: NUNN JUN; NUNN SEN
Current assignee: Turbo Coils Inc Houston Tex Us
Priority date: 1985-01-04
Filing date: 1986-01-03
Publication date: 1986-07-10
Also published as: US4577468A

Description

Kältemaschine mit Kältemittelvorkühlung

Die Erfindung betrifft eine Kältemaschine mit einem Vorkühl-Wärmetauscher zum Unterkühlen von flüssigem Kältemittel vor dem Entspannen in einen Verdampfer.

Auf dem Gebiet der Kältetechnik besteht eine bekannte Maßnahme zur Verbesserung des Wirkungsgrades darin, das von einem Verflüssiger zu einem Zwischenbehälter oder direkt zu einem Verdampfer strömende flüssige Kältemittel vorzukühlen. In Kältemaschinen werden Wärmetauscher für den Wärmeaustausch zwischen Fluiden, gewöhnlich zwischen den kalten Kältemittelgasen vom Verdampfer und dem warmen flüssigen Kältemittel vom Verflüssiger verwendet. Das aus dem Verdampfer der Kältemaschine ausgestoßene Kältemittelgas ist kalt. Das aus dem Verflüssiger der Kältemaschine austretende flüssige Kältemittel ist warm. Zur Verbesserung des Wirkungsgrades der Kältemaschine ist ein Wärmeaustausch zwischen der warmen Flüssigkeit und dem kalten Gas wünschenswert.

Der Stand der Technik auf dem Gebiet der Vorkühlung spiegelt sich in den nachstehend angeführten Patenten wider:

Aus der US-PS 2,797,554 ist eine Kältemaschine bekannt, bei der ein Wärmeausgleicher in Schalenbauweise eine zentrale

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Kammer, zwei Sammler und eine die Sammler von der zentralen Kammer trennende Trennwand aufweist. Mit der Trennwand sind Rohr-Baugruppen starr verbunden, die mit ihren Enden in die Sammler münden und zwischen den Sammlern eine Verbindung herstellen. Jede Rohr-Baugruppe liegt mit ihrem Mittelabschnitt an den entsprechenden Abschnitten mehrerer der anderen Rohr-Baugruppen an, um die Wände von Fluidkanälen zu bilden, welche sich an den Außenflächen der Rohr-Baugruppen entlang in Längsrichtung erstrecken. Jede Rohr-Baugruppe hat Enden von verkleinertem Querschnitt, die im Abstand von den Enden der benachbarten Rohr-ßaugruppen angeordnet sind, um an jedem Ende der Rohr-Baugruppen einen Sammlerbereich in der Schale zu schaffen. Jede Rohr-Baugrupe weist Innenrippen auf für den Wärmeaustausch zwischen Fluiden, die die Rohr-Baugruppen und, außerhalb der Rohr-Baugruppen, die Schale der zentralen Kammer durchströmen. Es sind Mittel vorgesehen, die ein Gas an einen Sammler abgeben und das Gas dem anderen Sammler entnehmen und eine Flüssigkeit an einen Sammlerbereich an einem Ende der zentralen Kammer in der Schale abgeben und eine Flüssigkeit dem anderen Sammlerbereich entnehmen.

In der US-PS 2,956,419 ist eine Anordnung beschrieben, die bei Kältemaschinen mit luftgekühlten Verflüssigern stabile Betriebsbedingungen auch bei großen Temperaturschwankungen der Kühlluft sichert. Die Erfindung sichert stabile Betriebsbedingungen auch bei Kältemaschinen mit anderen Verflüssigertypen, die zusammen mit Kühltürmen eingesetzt werden.

Gemäß der US-PS 3,082,610 arbeiten Kältemittelstrom-Regelgeräte, z.B. Expansionsventile, Kapillarrohre u.dgl., in höchstem Maße zuverlässig, wenn sich die Drücke an ihren Ein- und Auslaßöffnungen nicht übermäßig verändern. Es sei folglich wünschenswert, die Drücke an den Einlaßöffnungen von Kältemittelstrom-Regelgeräten so zu beeinflussen, daß

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sie nicht zu stark absinken. Bei Verwendung der Kältemittelstrom-Regelgeräte in mit Kompression und Expansion arbeitenden Kältemaschinen ist es wünschenswert, ein Absinken der Flüssigkeitsdrücke in ihren Zwischenbehältern auf zu niedrige Werte zu verhindern. Bei wassergekühlten Verflüssigern ist es ohne weiteres möglich, ein zu starkes Absinken der Flüssigkeitsdrücke in den Zwischenbehältern dieser Maschinen zu verhindern, was bei luftgekühlten Verflüssigern nicht immer leicht ist. Es ist folglich wünschenswert, bei einer Kältemaschine mit Luftkühlung das Absinken des Flüssigkeitsdruckes in ihrem Zwischenbehälter auf einen zu niedrigen Wert zu verhindern. Es wird ein Verfahren und eine Vorrichtung beschrieben, die den Flüssigkeitsdruck im Zwischenbehälter einer Kältemaschine mit Luftkühlung über einem im voraus festgelegten Mindestwert halten.

Gemäß der US-PS 3,446,032 hat ein Flüssig-Flüssig-Wärmetauscher einen Außenmantel und einen wärmeleitfähigen Innenmantel mit je einem Fluidein- und -auslaß. Zur Vergrößerung der Wärmeübertragungsfläche und zur besseren Aufrechterhaltung einer turbulenten Kältemittelströmung kann der Innenmantel in der Richtung der Fluidströmung genutet sein. Auf dem Innenmantel kann eine wendeiförmige Rohrschlange vorgesehen sein. Im Innern des Innenmantels kann ein wendeiförmiges Band angeordnet sein.

Aus der US-PS 3,851,494 ist bekannt, daß ein übermäßiges Erwärmen des Zulaufs zum Kompressor durch den Wärmetauscher, welcher den Ablauf aus dem Verflüssiger unterkühlt, durch Zu- und Abschalten einer Umgehungsleitung mittels eines Thermostatreglers am Auslaß des Kompressors verhindert werden kann, um zu vermeiden, daß die Endtemperatur in der Kompressionsphase auf einen Wert ansteigt, bei dem Schmiermittel und Schläuche Schaden erleiden würden. Je nachdem, ob mit der Umgehungsleitung nur der Wärmetauscher oder sowohl der Wärmetauscher als auch der Verdampfer umgangen wird,

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kann ein Umschaltventil oder ein zweites Expansionsventil benutzt werden.

Aus der US-PS 3,952,533 ist eine energiesparende Kältemaschine bekannt, welche die für den Winterbetrieb üblichen Vordruck-Regelgeräte am Verflüssigerteil nicht aufweist und im Kältemittelzustrom mit zweiphasigen, Flüssig-Gas-Gemischen in zufriedenstellender Weise arbeitet. Dem Verdampfer unmittelbar vorgeschaltet sind zwei Ventile, von denen das eine ein Expansionsventil ist und das andere ein ihm vorgeschaltetes Druckregelventil. Letzteres ist so eingestellt ist, daß es an das Expansionsventil einen festen Druck abgibt. Dieser Abstromdruck des Regelventils ist ausreichend höher als der Verdampfersiededruck und ausreichend niedriger als der kleinste Zustromdruck zum Druckregelventil eingestellt.

Mit der Kältemaschine gemäß der US-PS 4,359,879 wird warme, feuchte Druckluft dadurch gekühlt und getrocknet, daß das flüssige Kältemittel vom Verflüssiger unterkühlt wird, um alles Entspannungsgas zu beseitigen und den Verdampfer vollständig für Kühlzwecke zur Verfügung zu stellen. Die Wärmetauscher für den Verdampfer und zum Unterkühlen des flüssigen Kältemittels sind aufgebaut aus einem einteiligen, gerippten Innenzylinder aus Kupfer, bei dem die gewundene Rippe in einer kreisringförmigen Schale aus Kupfer eingeschlossen ist, von der die Rippen einen Abstand von etwa 0,5 mm haben, damit ein Luftstrom hindurchgehen kann, der eine Bewegung der laminaren Strömung um die gewundene Rippenkonstruktion durch turbulente Diffusion hervorruft. Durch die Verwendung des neuartigen Wärmetauschers in der Kältemaschine und die Unterkühlung des flüssigen Kältemittels soll eine beträchtlich verstärkte Kühlung ohne Leistungsmehraufwand oder zusätzlichen Energieverbrauch erzielt werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Kältemaschine

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mit in hohem Maße verbessertem betriebsmäßigen Wirkungsgrad zu schaffen, die eine beträchtlich größere Kühlwirkung ohne Leistungsmehraufwand oder zusätzlichen Energieverbrauch zustande bringt. Ferner soll die Erfindung einen Kälteprozeß schaffen, mit dem sich die höhere Kühlleistung in besonders einfacher, wirtschaftlicher und zuverlässiger Weise erzielen läßt.

Eine Kältemaschine und ein Kälteprozeß, die diese Aufgabe lösen, sind mit ihren Ausgestaltungen in den Patentansprüchen gekennzeichnet.

Die Erfindung sieht vor, das flüssige Kältemittel vom Verflüssiger vor der Entspannung und dem Kühlen des Arbeitsfluides im Verdampfer zu unterkühlen oder vorzukühlen. Das Unterkühlen des flüssigen Kältemittels ist hilfreich beim Flüssighalten des Kältemittels im gesamten Verdampfer, wodurch letzterer vollständig zum Kühlen zur Verfügung steht. Die Kältemaschine hat einen Vorkühl-Wärmetauscher mit einem Strömungsweg für das warme flüssige Kältemittel und einem mit ihm in Wärmetauschbeziehung stehenden zweiten Strömungsweg, der so angeschlossen ist, daß er einen kleinen Strom flüssigen Kältemittels empfängt, der dem Hauptstrom des flüssigen Kältemittels entnommen wurde und ein Expansionsventil oder ein Kapillarrohr durchströmt, in dem er verdampft, so daß das flüssige Kältemittel mittels der latenten Verdampfungswarme des verdampfenden Kältemittels unterkühlt wird. Dieser Wärmetauscher ist zwischen dem Verflüssiger und einem Zwischenbehälter oder bei Maschinen ohne Zwischenbehälter zwischen dem Verflüssiger und dem Verdampfer angeordnet. Das zum Kühlen im Wärmetauscher benutzte verdampfte Kältemittel kann durch ein Kühlrohr im Zwischenbehälter strömen und wird in den Rückstrom verdampften Kältemittels vom Verdampfer zum Kompressor eingespeist.

Dadurch daß das warme flüssige Kältemittel vom Verflüssiger

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vorgekühlt wird, steht der Verdampfer vollständig zum Kühlen zur Verfügung. Der Vorkühler nutzt die Verdampfungswärme eines Teils des flüssigen Kältemittels zum Kühlen des übrigen Kältemittels aus.

Der Vorkühl-Wärmetauscher kann mehrere zueinander in Wärmetauschbeziehung stehende Strömungswege aufweisen, die so angeschlossen sind, daß ein kleiner Teil des flüssigen Kältemittels entspannt und verdampft in einen Strömungsweg eingeleitet wird, um die den anderen Strömungsweg durchströmende Hauptmenge flüssigen Kältemiteis zu kühlen. Dabei kann die Anordnung so sein, daß das verdampfte Kältemittel mit dem vom Verdampfer zum Kompressor zurückströmenden verdampften Kältemittel zusammengeführt wird. Bei einer anderen Ausführungsform wird das zum Kühlen der Flüssigkeit benutzte Kältemittel auch durch ein Kühlrohr im Zwischenbehälter geleitet, um die darin enthaltene Flüssigkeit weiter zu kühlen. Bei einer noch anderen Ausführungsform wird das zum Kühlen der Flüssigkeit benutzte Kältemittel auch durch ein Kühlrohr im Zwischenbehälter geleitet, um die darin enthaltene Flüssigkeit weiter zu kühlen, wobei die Anordnung so ist, daß das verdampfte Kältemittel mit dem vom Verdampfer zum Kompressor zurückströmenden verdampften Kältemittel zusammengeführt wird.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden anhand schematischer Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt: Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Kältemaschine

mit einem Vorkühl-Wärmetauscher, der so angeschlossen ist, daß flüssiges Kältemittel durch Entspannen eines Teils des Kältemittels parallel zum Verdampfer unterkühlt wird,
Fig. 2 eine schematische Darstellung einer Kältemaschine nach Fig. 1, bei der jedoch das zum Kühlen des flüssigen Kältemittels benutzte Kältemittel durch einen Zwischenbehälter zum weiteren Kühlen der darin ent-

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haltenen Flüssigkeit geleitet wird, und Fig. 3 eine schematische Darstellung einer Kältemaschine mit einem mit direkter Entspannung arbeitenden Vorkühl-Wärmetauscher, der in einem Flüssigkeits-Zwischenbehälter angeordnet ist und das flüssige Kältemittel darin durch Entspannen eines Teils des Kältemittels parallel zum Verdampfer vorkühlt.

Die in Fig. 1 dargestellte Kältemaschine 10 ist für gewerbliche oder industrielle Kühlaufgaben einsetzbar oder kann als Kühlaggregat für eine Klimaanlage verwendet werden. Die Kältemaschine 10 hat einen Kompressor 11, einen Verflüssiger 12, einen Vorkühl-Wärmetauscher 13, einen Verdampfer 14 und einen Saugleitungs-Speicher 15.

Die Kältemaschine 10 hat verschiedene in Serie geschaltete Komponenten, wobei verschiedene Regelorgane in der nachstehend näher beschriebenen Weise angeordnet sind. Der Kompressor 11 ist an seinem Auslaß 16 mit einer Rohrleitung 17 verbunden, die zu einem Einlaß 18 einer Wärme(tausch)-Rohrleitung 19 im Verflüssiger 12 führt. Letzterer ist mit einem Ventilator 20 ausgestattet, der Luft an der Wärme-Rohrleitung 19 vorbei umwälzt, um Wärme von ihr wegzuführen. Die Warme-Rohrleitung 19 ist an ihrem Auslaß 21 mit einer Seite 22 eines elektromagnetisch betätigbaren Regelventils 23 verbunden, das mit seinem Auslaß 24 an eine Rohrleitung 25 angeschlossen ist, welche zum Vorkühler oder Wärmetauscher 13 zum Unterkühlen von flüssigem Kältemittel führt.

Der Wärmetauscher 13 ist ein mit direkter Entspannung arbeitender Wärmetauscher für flüssiges Kältemitel, der speziell ausgelegt ist für das Vorkühlen des vom Verflüssiger 12 kommenden warmen flüssigen Kältemittels. Der Wärmetauscher 13 hat einen Außenmantel oder eine äußere Rohrleitung 26 mit verschlossenen Enden 27 und 28 und einem Einlaß 29 an dem einen und einem Auslaß 30 am anderen Ende. Durch die End-

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verschlüsse 27 und 28 ist ein Innenmantel oder eine innere Rohrleitung 31 hindurchgeführt und erstreckt sich über die gesamte Länge der Rohrleitung 26. Sie hat eine Einlaßöffnung 32 an dem einen und eine Auslaßöffnnung 33 am anderen Ende. Der Wärmetauscher 13 kann auf verschiedenste Weise gestaltet sein und z.B. wendelförmig, quadratisch usw. sein. Ein zu Versuchszwecken gebauter Wärmetauscher hatte als äußere Rohrleitung Kupferrohre von etwa 29 mm Durchmesser, als innere Rohrleitung Kupferrohre von etwa 19 mm Durchmesser.

Die an den Auslaß 24 des Regelventils 23 angeschlossene Rohrleitung 25 ist mit dem Einlaß 29 der äußeren Rohrleitung 26 des Wärmetauschers 13 verbunden. In die Rohrleitung 25 ist eine Armatur 34 eingebaut, die eine Expansionsvorrichtung enthält zum Entnehmen einer kleinen Menge des flüssigen Kältemittels und zum Entspannen- und Verdampfenlassen derselben mit einer gewählten und kontrollierten Geschwindigkeit. Die Expansionsvorrichtung ist beim gezeigten Beispiel ein einfaches Kapillarrohr 35 des bei Kältemaschinen kleiner Leistung benutzten Typs. Bei Bedarf, insbesondere in Kältemaschinen höherer Leistung, kann selbstverständlich an dieser Stelle das herkömmliche Kälte-Expansionsventil verwendet werden.

Das Kapillarrohr 35 mündet in die Einlaßöffnung 32 der inneren Rohrleitung 31 und ermöglicht es, daß sich eine kleine Menge flüssigen Kältemittels in die Rohrleitung 31 hinein entspannt und darin verdampft und das die äußere Rohrleitung 26 durchströmende flüssige Kältemittel beträchtlich kühlt. Im Gegensatz zu herkömmlichen Vorkühlern wird zum Entspannen und Verdampfen des flüssigen Kältemittels in die Rohrleitung 31 hinein nicht die freie Wärme verdampften Kältemittelgases ausgenutzt, sondern die gebundene Verdampfungswärme des Kältemittels.

Der Auslaß 30 der äußeren Rohrleitung 26 ist an eine Rohr-

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leitung 36 angeschlossen, die zur Einströmseite 37 eines Kälte-Expansionsventils 38 führt, dessen Ausströmseite 39 mit einem einströmseitigen Ende bzw. Einlaß 40 einer Wärmettausch)- oder Verdampfer-Rohrschlange 41 des Verdampfers verbunden ist. Die Rohrschlange 41 erzeugt die Kühlung für eine gewerbliche oder industrielle Kälteanlage oder die Kühlluft für eine Klimaanlage. Die Rohrschlange 41 ist an ihrem Auslaß 42 mit einer Rohrleitung 43 verbunden, die an einen Einlaß 44 einer T-Muffe 45 angeschlossen ist. Die T-Muffe 45 hat einen weiteren Einlaß 46, mit der eine Rohrleitung 47 verbunden ist, welche vom Auslaß 33 der inneren Rohrleitung 31 des Vorkühl-Wärmetauschers 13 wegführt. An den Auslaß 47a der T-Muffe 45 ist eine Rohrleitung 48 angeschlossen, die zum Einlaß 49 des Saugleitungs-Speichers 15 führt, der mit seinem Auslaß 50 an eine Rohrleitung 51 angeschlossen ist, welche mit dem Einlaß 52 auf der Saugseite des Kompressors 11 verbunden ist.

Die in Fig. 2 dargestellte Kältemaschine hat einen Zwischenbehälter für flüssiges Kältemittel und eine zusätzliche Wärme(tausch)-Rohrschlange zum weiteren Kühlen des vom Vorkühl-Wärmetauscher kommenden flüssigen Kältemittels. Mit den Bauteilen der Kältemaschine gemäß Fig. 1 gleiche Bauteile sind mit denselben, jedoch um 100 erhöhten Bezugszeichen bezeichnet.

Die Kältemaschine 110 hat einen Kompressor 111, einen Verflüsiger 112, einen Vorkühl-Wärmetauscher 113, einen Verdampfer 114, einen Saugleitungs-Speicher 115 und einen Flüssigkeits-Zwischenbehälter 160.

Der Kompressor 111 hat einen Auslaß 116, an den eine Rohrleitung 117 angeschlosen ist, welche zu einem Einlaß 118 einer Wärme(tausch)-Rohrschlange 119 im Verflüssiger 112 führt. Dessen Ventilator 120 wälzt Kühlluft an der Wärme-Rohrschlange 119 vorbei um, um Wärme von dem darin konden-

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sierenden Kältemittel wegzuführen. Der Verflüssiger 112 ist an seinem Auslaß 121 an eine Rohrleitung 125 angeschlossen, die zum Vorkühler oder Wärmetauscher 113 führt.

Der Wärmetauscher 113 setzt sich zusammen aus einem Außenmantel bzw. einer äußeren Rohrleitung 126 mit, auf entgegengesetzten Seiten, verschlossenen Enden 127 und 128. Die Rohrleitung 125 ist an einen Einlaß 129 der Rohrleitung 126 angeschlossen, welche an ihrem Auslaß 130 mit dem Zwischenbehälter 160 verbunden ist. Der Wärmetauscher 113 hat einen Innenmantel oder eine innere Rohrleitung 131, welche durch die Endwände bzw. Endverschlüsse 127 und 128 hindurchgeführt ist und eine Einlaßöffnung 132 und eine Auslaßöffnung 133 aufweist.

In die Rohrleitung 125 ist eine Armatur 134 eingesetzt, die eine Expansionsvorrichtung aufweist, welche von einem Kältemittel-Kapillarrohr 135 gebildet ist, das in den Einlaß 132 der inneren Rohrleitung 131 mündet. Die Aufgabe des Kapillarrohres 135 besteht darin, eine kontrollierte Entspannung und Verdampfung einer kleinen Menge flüssigen Kältemittels mit einer gewählten Geschwindigkeit zu ermöglichen, um die gebundene Verdampfungswärme des Kältemittels in der inneren Rohrleitung 131 zum Kühlen des durch die äußere Rohrleitung 126 strömenden warmen flüssigen Kältemittels auszunutzen.

Der Auslaß 130 der äußeren Rohrleitung 126 ist über eine Rohrleitung 136 mit einem Einlaß 161 des Flüssigkeits-Zwischenbehälters 160 verbunden, an dessen Auslaß 162 eine Rohrleitung 163 angeschlossen ist, welche zur Einströmseite 122 eines elektromagnetisch betätigbaren Stromventils 123 führt. Die Ausströmseite 124 des Ventils 123 ist mit der Einströmseite 137 eines Kälte-Expansionsventils 138 verbunden, dessen Auslaßseite 139 an einen Einlaß 140 einer Verdampfer-Wärme (tausch) -Rohrschlange 141 angeschlossen ist.

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Die Rohrschlange 141 ist mit ihrem Auslaß 142 an eine Rohrleitung 143 angeschlossen, die an einen Einlaß 144 einer T-Muffe 145 geführt ist. Letztere ist an einem weitere Einlaß 146 über eine Rohrleitung 147 mit einem Auslaß 164 im Mantel des Zwischenbehälters 160 verbunden. Der Auslaß 147a der T-Muffe 145 ist über eine Rohrleitung 148 an einen Einlaß 149 des Saugleitungs-Speichers 115 angeschlossen, dessen Auslaß 150 mittels einer Rohrleitung 151 mit dem saugseitigen Einlaß 152 des Kompressors 111 verbunden ist.

Der Zwischenbehälter 160 hat einen Einlaß 165, der über eine Leitung 166 mit der Auslaßöffnung 133 der inneren Rohrleitung 131 des Vorkühl-Wärmetauschers 113 verbunden ist. An den Einlaß 165 und einen Auslaß 164 im Mantel des Zwischenbehälters 160 ist eine Wärme(tausch)-Rohrschlange 167 angeschlossen, die verdampftes Kältemittel in dem Wärmetausch dienlicher Weise durch den Zwischenbehälter 160 leitet, um das in ihm aufgefangene flüssige Kältemittel weiter zu kühlen.

Bei der in Fig. 3 dargestellten weiteren Ausführungsform der Kältemaschine gemäß Fig. 1 ist anstelle des im Strömungsweg liegenden Wärmetauschers 13 bzw. 113 gemäß Fig. 1 und 2 ein Zwischenbehälter für flüssiges Kältemittel und zu dessen Kühlung im Zwischenbehälter eine mit direkter Entspannung arbeitende Wärme(tausch)-Rohrschlange vorgesehen. Bauteile, die mit denen der Ausführungsform gemäß Fig. 1 gleich sind, sind mit denselben, jedoch um 200 erhöhten Bezugszeichen bezeichnet.

Die Kältemaschine 210 hat einen Kompressor 211, einen Verflüssiger 212, einen Verdampfer 214, einen Saugleitungs-Speicher 215 und einen Flüssigkeits-Zwischenbehälter 260, in dem eine mit direkter Expansion arbeitende Wärme(tausch)-Rohrschlange 267 angeordnet ist. Der Kompressor 211 ist an seinem Auslaß 216 an eine Rohrleitung 217 angeschlossen, die

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zu einem Einlaß 218 einer Wärme(tausch)-Rohrschlange 219 im Verflüssiger 212 führt. Dessen Ventilator 220 wälzt Kühlluft an der Rohrschlange 219 vorbei um, um Wärme von dem darin kondensierenden Kältemittel wegzuführen. Der Verflüssiger 212 ist an seinem Auslaß 221 an eine Rohrleitung 225 angeschlossen, die zum Zwischenbehälter 260 führt.

Der Zwichenbehälter 260 hat einen Einlaß 265, an den ein Ende der Wärme-Rohrschlange 267 angeschlossen ist, deren anderes Ende mit einem Auslaß 264 verbunden ist. In die Rohrleitung 225 ist eine Armatur 234 eingebaut, die eine Entspannungsvorrichtung aufweist, welche von einem Kältemittel-Kapillarrohr 235 gebildet ist, das in eine Einlaßöffnung 265 der Wärme-Rohrschlange 267 mündet. Die Aufgabe des Kapillarrohres 235 besteht darin, eine kontrollierte Entspannung und Verdampfung einer kleinen Menge flüssigen Kältemittels mit einer gewählten Geschwindigkeit zu ermöglichen, um die gebundene Verdampfungswärme des Kältemittels in der Rohrschlange 267 zum Kühlen des warmen flüssigen Kältemittels im Zwischenbehälter 260 auszunutzen. Bei größeren Kältemaschinen kann anstelle des Kapillarrohres 235 ein Expansionsventil verwendet werden. Beim gezeigten Beispiel wird durch das Entspannen einer kleinen Menge flüssigen Kältemittels in die Rohrschlange 267 hinein die Kühlung erreicht, die bei den Ausführungsformen gemäß Fig. 1 und 2 vom Vorkühl-Wärmetauscher 13 bzw. 113 erzeugt wird.

Der Zwischenbehälter 260 ist an seinem Auslaß 262 über eine Rohrleitung 263 mit der Einströmseite 222 eines elektromagnetisch betätigbaren Stromventils 223 verbunden, dessen Ausströmseite 224 an die Einströmseite 237 eines Kälte-Expansionsventils 238 angeschlossen ist. Letzteres ist an seiner Ausströmseite 239 mit einem Einlaß 240 einer Verdampfer-Wärme (tausch) -Rohrschlange 241 verbunden.

Die Rohrschlange 241 hat einen Auslaß 242, der über eine

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Rohrleitung 243 mit einem Einlaß 244 einer T-Muffe 245 verbunden ist. Diese hat einen weiteren Einlaß 246, der über eine Rohrleitung 247 an einen Auslaß 264 der Rohrschlange 267 im Zwischenbehälter 260 angeschlossen ist. Die T-Muffe 245 ist an ihrem Auslaß 247a mit einer Rohrleitung 248 verbunden, die an einen Einlaß 249 des Saugleitungs-Speichers 215 geführt ist, der an seinem Auslaß 250 über eine Leitung 251 mit dem saugseitigen Einlaß 252 des Kompressors 211 verbunden ist.

Die allgemeine Arbeitsweise ist folgende: Der Verflüssiger 13 oder 113 führt seine normale Aufgabe durch, die darin besteht, die im Verdampfer 14 oder 114 aufgenommene Wärme, welche vom Saugleitungsgas zum Kompressor 11 oder 111 mitgeführt wird, abzuführen. Der Kompressor 11 oder Hl komprimiert das Kältemittelgas, das dadurch eine starke Druck- und Temperaturerhöhung erfährt, bevor es in die Verflüssiger-Rohrschlange 19 oder 119 einströmt.

Wenn dieses Gas unter hohem Druck und bei hoher Temperatur durch die Verflüssiger-Rohrschlange 19 oder 119 strömt, wird die im Verdampfer 14 oder 114 aufgenommene Wärme an die über die Rohrschlange 19 oder 119 streichende Luft abgegeben, und das Kältemittel kondensiert. Bei einer Zunahme der Umgebungstemperatur des Verflüssigers 12 oder 112 wird von dem Kältemittel in ihm immer weniger Wärme abgeleitet und das aus dem Verflüssiger 12 oder 112 austretende kondensierte flüssige Kältemittel erfährt eine beträchtliche Erhöhung sowohl seines Druckes als auch seiner Temperatur. Mit steigender Temperatur des flüssigen Kältemittels verbraucht der Kompressor 11 oder 111 immer mehr elektrischen Strom.

Das kalte Sauggas vom Verdampfer 14 oder 114 erzeugt eine gewisse Kühlung des Kompressors 11 oder 111. Wenn jedoch der Druck und die Temperatur im Verflüssiger 12 oder 112 mit zunehmender Umgebungswärme ansteigen, wird der Kompressor 11

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oder 111 durch das Sauggas nicht genügend gekühlt, um diesen Anstieg der Umgebungstemperatur ausgleichen zu können, und verbraucht somit mehr elektrischen Strom. Versuche der Industrie, hier durch den Bau größerer Verflüssigereinheiten und auch durch die Verwendung von in die Flüssigkeitsleitung eingebauten Wärmetauschern, bei denen zum Kühlen des flüssigen Kältemittels Sauggas benutzt wurde (wie in der vorstehenden Beschreibung des Standes der Technik angegeben), Abhilfe zu schaffen, haben zwar die Schwierigkeiten gemildert, aber nicht beseitigt.

Bei den vorstehend beschriebenen Ausführungsformen ist die Kältemaschine durch Hinzufügen eines mit direkter Entspannung des flüssigen Kältemittels arbeitenden Wärmetauschers oder Vorkühlers 13 bzw. 113 oder einer Kühlrohrschlange 267 in einem Zwischenbehälter 260 abgewandelt worden. Diese Vorrichtung liefert kaltes flüssiges Kältemittel vom Verflüssiger 12 oder 112 zum Dosiergerät bzw. Expansionsventil 38 oder 138 am Verdampfer 14 bzw. 114 und sichert ferner den Zustrom eines kalten Sauggases zum Kompressor 11 oder 111, um dessen Kühlung zu vereinfachen. Dadurch wird der elektrische Stromverbrauch des Kompressors 11 oder 111 stark herabgesetzt.

Die aus der Verflüssiger-Rohrschlange 19 oder 119 austretende warme Flüssigkeit durchströmt die äußere Rohrleitung 26 oder 126, die mit gleichen Gesamtabmessungen wie die vom Verflüssiger 12 oder 112 wegführende Rohrleitung 25 oder 125 aus Kupfer ausgelegt ist. Die Flüssigkeitsleitung 25 oder 125 ist mit einem Dosiergerät, d.h. einem Kapillarrohr 35 oder 135 versehen, das in die innere Rohrleitung 31 oder 131 eingeschraubt ist, um dieser eine im voraus festgelegte Menge flüssigen Kältemittels für Kühlzwecke zuzuführen.

Durch das Entspannen des in die innere Rohrleitung 31 oder 131 einströmenden flüssigen Kältemittels wird das flüssige

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Kältemittel in der äußeren Rohrleitung 26 oder 126 auf eine Temperatur zwischen 40 ° und 65 ° gekühlt, je nachdem, wie stark das flüssige Kältemittel gekühlt werden soll. Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 3 ist der Wärmetauscher 13 oder 113 weggelassen, und die Wärme-Rohrschlange 267 im Flüssigkeits-Zwischenbehälter 260 erfüllt die Aufgabe, das flüssige Kältemittel vor Erreichen des Verdampfers 214 vorzukühlen.

Das aus der inneren Rohrleitung 31 oder 131 des Wärmetauschers 13 oder 113 austretende kalte, entspannte Kältemittelgas wird in die vom Verdampfer 14 oder 114 kommende Saugleitung 43 oder 143 kurz vor deren Einführung in den Saugleitungs-Speicher 15 oder 115 eingeleitet, wodurch das angesaugte Kältemittel vor Eintritt in den Kompressor 11 oder Hl weiter gekühlt und somit die Kühlung des Kompressors 11 oder 111 verbessert wird. Daraus ergibt sich eine Herabsetzung des elektrischen Stromverbrauchs des Kompressors 11 oder 111.

Das aus der äußeren Rohrleitung 26 oder 126 austretende kalte flüssige Kältemittel strömt zum Expansionsventil 38 oder 138 im Verdampfer 14 oder 114, und das Entspannen dieses kälteren flüssigen Kältemittels in der Verdampfer-Rohrschlange 41 oder 141 führt zu einem kälteren Verdampfer 14 oder 114, wodurch an der Verdampfer-Rohrschlange 41 oder 141 ein größerer Temperaturbereich entsteht. Diese Vergrößerung des Temperaturbereichs an der Verdampfer-Rohrschlange 41 oder 141 erhöht den in kJ ausgedrückten Wirkungsgrad der Einheit bei gleichzeitiger Herabsetzung des elektrischen Stromverbrauchs. Bei der Kältemaschine nach der zweiten Ausführungsform gelangt das gekühlte flüssige Kältemittel in einen Flüssigkeits-Zwischenbehälter 160 und von dort zum Expansionsventil 138 am Verdampfer 114. Das kalte, entspannte Kältemittel aus der inneren Rohrleitung 131 durchströmt dann die Kühl-Rohrschlange 167 im Zwischenbehälter 160, um die Flüssigkeit weiter zu kühlen.

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Bei jeder Ausführungsform der Kältemaschine werden neue Wege zur Verbesserung des Wirkungsgrades von Kältemaschinen und Klimaanlagen beschritten. Die grundsätzliche Forderung lautet dabei, daß vom Verflüssiger ein unterkühltes Kältemittel abgegeben wird, das die Temperatur des in das Expansionsventil einströmenden flüssigen Kältemittels herabsetzt. Folglich ist das in den Verdampfer einströmende Entspannungsgas beträchtlich kalter und ergibt für die über die Verdampfer-Rohrschlange streichende Luft eine sehr viel größere Spanne zwischen Eintritts- und Austrittstemperatur. Von der Anmelderin durchgeführte Versuche haben eine Überhitzungswärme an der Rohrschlange von 12 ° bei einer Temperaturdifferenz von 21 ° ergeben.

Diese Kältemaschine arbeitet normalerweise mit einem Saugdruck von etwa 5,2 bar und einem Druck in der Flüssigkeitsleitung von etwa 13 bis 15,5 bar. Der Verflüssiger 12 oder 112 entnimmt bei Vollast 8,2 bis 8,6 A und verbraucht 1992 Watt. Dies ergibt bis zu 53200 kJ für eine Klimaanlage, entsprechend einer normalen EER-Nennleistung von bis zu 25,4 EER. Die erzeugte Wärmemenge wird durch Messen der Temperatur in der in den klimatisierten Bereich ein- und aus ihm ausströmenden Luft mittels Feuchtkugel- bzw. Verdunstungsthermometers ermittelt. Die beiden Meßwerte werden dann in einem Luftfeuchtigkeitsdiagramm an einem Maßstab der Enthalpieabweichung aufgetragen.

Die Differenz der beiden Meßwerte wird zuerst mit der vom Verdampfer an den klimatisierten Bereich minütlich abgegebenen Menge in engl. Kubikfuß und danach mit dem Faktor 4,5 multipliziert, um die BTU-Leistung der Einheit zu erhalten. Der benutzte Faktor 4,5 ist dem Wartungshandbuch für Mechanische Ausrüstungen für angelernte und auszubildende Dampfleitungs-Installateure und Rohrleger entnommen, das von dem "NATIONAL JOINT STEAMFITTER-PIPEFITTER APPRENTICESHIP COMMITTEE" herausgegeben wird, das sich aus Vertretern der

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Mechanical Contractors Assn. of America, Inc. und der United Association of Journeymen and Apprentices of the Plumbing and Pipe-fitting Industry der Vereinigten Staaten und Kanadas zusammensetzt. In diesem Handbuch wird auf Seite 4 unter dem Titel "Heating and Cooling Capacity of Air" (Heiz- und Kühlkapazität von Luft) die Formel erläutert, die sich mit dem Faktor 4,5 ergibt: "BTUH = 4,5 χ CFM χ (H1-H2)". Hl stellt die Enthalpie (Gesamtwärme) der einströmenden Luft, dar, ausgedrückt in BTU je engl. Pfund. H2 stellt die Enthalpie (Gesamtwärme) der abströmenden Luft dar, ausgedrückt in BTU je engl. Pfund. (1 engl. Kubikfuß/Minute = 1,70 m³/h; 1 BTU = 1,055 kJ; 1 BTU je engl. Pfund =2,33 kJ/kg.)

Das Arbeitsprinzip dieser Einheit besteht darin, die Temperatur des der Verdampfer-Rohrschlange zugeführten flüssigen Kältemittels herabzusetzen. Durch Senken der Temperatur des flüssigen Kältemittels wird sowohl eine sehr viel kältere Verdampfer-Rohrschlange erzielt als auch der Vordruck am Kompressor herabgesetzt, woraus sich insgesamt ein niedrigerer Stromverbrauch der Einheit ergibt. Durch die Verwendung des mit direkter Entspannung arbeitenden Wärmetauschers oder Vorkühlers 13 oder 113 wird wirkungsmäßig ein zum Hauptverdampfer 14 oder 114 paralleler zweiter Verdampfer bereitgestellt und die gebundene Verdampfungswärme der Flüssigkeit zum Kühlen des warmen flüssigen Kältemittels ausgenutzt. Nach dem Stand der Technik wurde eine Vorkühlung des flüssigen Kältemittels mit dem Sauglextungsgas versucht, jedoch ist die verfügbare Kühlung verschwindend klein gegenüber der Kühlung, die mit dem mit direkter Entspannung arbeitenden Wärmetauscher 13 oder 113 erzielt wird.

Claims

WUESTHOFF-v. PECHMANN -BEHRENS-GOETZ ™·»ηπ.^ερα ™esthoff (1927-195«) Λ

D-8000 MÜNCHEN 90 lA-60 015 SCHWEIGERSTRASSE 2

Nunn & Nunn telefon: (089) 6620 ji

TELEGRAMM: PROTECTPATENT

telex: j 24 070

telefax: via (089) 2 71 60 6} (in)

Ansprüche :

l.y Kältemaschine mit einem Kältemitteldampf-Kompressor, einem an diesen angeschlossenen Kältmitte1-Verflüssiger und einem an diesen über ein Kältemittel-Expansionsventil (Drosselventil) angeschlossenen Kältemittel-Verdampfer, dessen Auslaß mit dem Einlaß des Kompressors in Verbindung steht, damit dieser verdampftes Kältemittel ansaugt, bei der das verflüssigte Kältemittel nach Vorkühlung gedrosselt in den Verdampfer „. eingeleitet wird, m

dadurch gekennzeichnet, J.

daß zur Vorkühlung des verflüssigten Kältemittels zwischen den Verflüssiger (12, 112, 212) und das Expansionsventil (38, 138, 238) eine Wärmetauschvorrichtung (13, 113, 260) geschaltet ist, die das verflüssigte Kältemittel durch einen Teil von ihm vorkühlt.
2. Kältemaschine nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet , daß die Wärmetauschvorrichtung als Wärmetauscher (13, 113) mit zwei Strömungswegen (äußere Rohrleitung 26, 126, innere Rohrleitung 31, 131) mit je einem Einlaß (29, 129, 32, 132) und einem Auslaß (30, 130, 33, 133) ausgebildet ist, die den Wärmetausch zwischen ihnen erlauben,
und daß

der eine Wärmetausch-Strömungsweg (26, 126) in Reihe zwischen den Verflüssiger (12, 112) und den Verdampfer (14, 114) geschaltet ist und die zwischen ihnen fließende Hauptmenge flüssigen Kältemittels leitet,

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und der andere Wärmetausch-Strömungsweg (31, 131) so angeschlossen ist, daß er eine kleine Menge dieses flüssigen Kältemittels empfängt und diese zum Kühlen der durch den ersten Strömungsseg (26, 126) fließenden Hauptmenge flüssigen Kältemittels verdampfen läßt.
3. Kältemaschine nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet, daß am einstromseitigen Ende des zweiten Wärmetausch-Strömungsweges (31, 131) eine Expansionsvorrichtung angeordnet ist, die vom Verflüssiger (12, 121) flüssiges Kältemittel empfängt und es zum Kühlen der Hauptmenge flüssigen Kältemittels verdampft in den zweiten Strömungsweg (31, 131) hineinleitet.
4. Kältemaschine nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet , daß die Expansionsvorrichtung als Kapillarrohr (35, 135) ausgebildet ist.
5. Kältemaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet , daß zwischen das ausströmseitige Ende des Verdampfers (14, 114) und das einströmseitige Ende des Kompressors (11, 111) ein Saugleitungs-Speicher (15, 115) geschaltet ist.
6. Kältemaschine nach Anspruch 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet , daß das ausströmseitige Ende des ersten Wärmetausch-Strömungsweges (26, 126) an das einströmseitige Ende des Verdampfers (14, 114) angeschlossen ist,

- und das ausströmseitige Ende des zweiten Wärmetausch-Strömungsweges (31, 131) mit dem Einlaß (52, 152) des Kompressors (11, 111) verbunden ist.

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7. Kältemaschine nach Anspruch 2 und 5, dadurch gekennzeichnet , daß das ausströmseitige Ende des ersten Wärmetausch-Strömungsweges (26, 126) an das einströmseitige Ende des Verdampfers (14, 114) angeschlossen ist,

und das ausströmseitige Ende des zweiten Wärmetausch-Strömungsweges (31, 131) mit dem Einlaß (49, 149) des Saugleitungs-Speichers (15, 115) verbunden ist.
8. Kältemaschine nach Anspruch 1, 2, 3 oder 7, dadurch gekennzeichnet , daß

- zwischen den Auslaß des Verflüssigers (112) und den Einlaß des Verdampfers (114) ein Zwischenbehälter (160) für flüssiges Kältemittel geschaltet ist, und

- die Wärmetauschvorrichtung zwischen dem Auslaß des Verflüssigers (112) und dem Einlaß (161) des Flüssigkeits-Zwischenbehälters (160) angeordnet ist und das zwischen ihnen fließende Kältemittel durch Verdampfen eines Teils von ihm vor Erreichen des Expansionsvertils (138) vorkühlt.
9. Kältemaschine nach Anspruch 1, 2 und 8, dadurch gekennzeichnet , daß der Zwischenbehälter (160) einen an den Auslaß (130) des ersten Strömungsweges (126) angeschlossenen Einlaß (161) und einen mit dem Einlaß des Verdampfers (114) verbundenen Auslaß (162) hat, und

ein im Flüssigkeits-Zwischenbehälter (160) angeordnetes Wärmetausch-Rohr (167) einen an den Auslaß (133) des zweiten Strömungsweges (131) angeschlossenen Einlaß (165) und einen mit dem Einlaß (152) des Kompressors (111) in Verbindung stehenden Auslaß (164) hat.
10. Kältemaschine nach Anspruch 1 oder 7, dadurch gekennzeichnet , daß

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- zwischen dem Auslaß des Verflüssigers (112) und dem Einlaß des Verdampfers (114) in Serie ein Zwischenbehälter (160) für flüssiges Kältemittel angeordnet ist,

- die Wärmetauschvorrichtung zwischen dem Auslaß des Verflüssigers (112) und dem Einlaß (161) des Flüssigkeits-Zwischenbehälters (160) angeordnet ist und einen Wärmetauscher (113) aufweist, der zwei Strömungswege (äußere Rohrleitung 126, innere Rohrleitung 131) mit je einem Einlaß (129,132) und einem Auslaß (130,133) hat, die in dem Wärmetausch dienlicher Weise miteinander verbunden sind,

- der eine Wärmetausch-Strömungsweg (126) zwischen den Auslaß des Verflüssigers (112) und den Verdampfer (114) in Reihe zwischengeschaltet ist und die zwischen ihnen fliessende Hauptmenge flüssigen Kältemittels leitet,

- zwischen das ausströmseitige Ende des Verdampfers (114) und die Einströmseite des Kompressors (111) in Serie ein Saugleitungs-Speicher (115) zwischengeschaltet ist,

- und der andere Wärmetausch-Strömungsweg (131) so angeschlossen ist, daß er einen kleinen Teil des flüssigen Kältemittels empfängt und zum Kühlen der durch den ersten Strömungsweg (126) fließenden Hauptmenge flüssigen Kältemittels verdampfen läßt.
11. Kältemaschine nach Anspruch 10 oder Anspruch 3 und 10, dadurch gekennzeichnet , daß

- der Zwischenbehälter (160) einen an den Auslaß (130) des ersten Strömungsweges (126) angeschlossenen Einlaß (161) und einen mit dem Einlaß des Verdampfers (114) verbundenen Auslaß (162) hat,

- und im Flüssigkeits-Zwischenbehälter (160) ein Wärmetausch-Rohr (167) angeordnet ist, das einen mit dem Auslaß (133) des zweiten Strömungsweges (131) verbundenen Einlaß (165) und einen an den Einlaß (149) des Saugleitungs- Speichers

(115) angeschlossenen Auslaß (164) hat.

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12. Kältemaschine nach Anspruch 3 und 8 oder 11, dadurch gekennzeichnet , daß die Expansionsvorrichtung ein Kapillarrohr (35;135) aufweist.
13. Kältemaschine nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet , daß

- zwischen den Auslaß des Verflüssigers (212) und den Einlaß des Verdampfers (214) in Serie ein Zwischenbehälter (260) für flüssiges Kältemittel zwischengeschaltet ist,

- die Wärmetauschvorrichtung ein $srmetausch-Fohr (267) aufweist, das zum Wärmetausch mit dem Inhalt des Zwischenbehälters (260) in letzterem angeordnet ist und an einem Ende einen Einlaß (265) und am anderen Ende einen mit dem Einlaß (252) des Kompressors (211) verbundenen Auslaß (264) hat,

- und an den Einlaß (265) des Rohrs (267) im Zwischenbehälter (260) eine Expansionsvorrichtung angeschlossen ist, die flüssiges Kältemittel aus dem Verflüssiger (212) empfängt und es zum Kühlen des flüssigen Kältemittels im Zwi- * schenbehälter (260) verdampft in das Rohr (267) hinein- ™ leitet. *
14. Kältemaschine nach Anspruch 13,
dadurch gekennzeichnet , daß

- der Zwischenbehälter (260) einen Einlaß (261) und einen Auslaß (262) hat,

- eine Rohrleitung (225) den Auslaß des Verflüssigers (212) mit dem Einlaß (261) des Zwischenbehälters (260) verbindet,

- eine Rohrleitung (263) den Auslaß (262) des Zwischenbehälters (260) mit dem Verdampfer (214) verbindet,

- und die Expansionsvorrichtung ein Kapillarrohr (235) aufweist, das in die Rohrleitung (225) zwischen Verflüssiger (212) und Zwischenbehälter (260) mündet und an das einströmseitige Ende des Wärmetausch-Rohres (267) vom Zwischenbehälter (260) angeschlossen ist.

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15. Kälteprozeß, bei dem ein Kältemittelgas komprimiert, sodann zu einem warmen flüssigen Kältemittel verflüssigt und schließlich mit einer gewählten Geschwindigkeit entspannt wird, damit es verdampft und sich dadurch abkühlt, dadurch gekennzeichnet , daß die Hauptmenge flüssigen Kältemittels, bevor sie entspannt und verdampft wird, durch Verdampfen eines kleinen Teils davon mit der gewählten Geschwindigkeit gekühlt wird.
16. Kälteprozeß nach Anspruch 15,

dadurch g e k e η η ζ ei c h η e t , daß das Verdampfen des kleinen Teils flüssigen Kältemittels im Wärmetausch mit der Hauptmenge flüssigen Kältemittels durchgeführt wird.
17. Kälteprozeß nach Anspruch 15,

dadurch gekennzeichnet , daß das Verdampfen des kleinen Teils flüssigen Kältemittels durch Hindurchleiten desselben durch einen Strömungsweg (31; 131; 231) im Wärmetausch mit einem anderen, die Hauptmenge flüssigen Kältemittels enthaltenden Strömungsweg (26; 126; 236) durchgeführt wird.
18. Kälteprozeß nach Anspruch 15,

dadurch gekennzeichnet , daß das Verdampfen des kleinen Teils flüssigen Kältemittels durch Hindurchleiten desselben durch einen Strömungsweg (Rohrschlange 267) im Wärmetausch mit einer Hauptmenge flüssigen Kältemittels in einem Kälteflüssigkeits-Zwischenbehälter (260) durchgeführt wird.