DE3631624A1 - Kuehlsystem mit zentrifugal-spareinrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Kühlsystem mit Zentrifugal- Spareinrichtung.

Aus der FR-PS 25 41 437 ist eine Zentrifugal-Sparein­ richtung für ein Kühlsystem wie Wärmepumpe oder derglei­ chen bekannt. Es wird daran erinnert, daß in einem Kreis­ lauf mit Spareinrichtung ein Teil des auf der Höhe des Entspannungsventils erzeugten Gases zu dem Kompressor mit einem Druck zurückgeführt wird, der zwischen dem Ansaugdruck und dem Auslaßdruck liegt, wodurch die Men­ ge des vom Kompressor angesaugten "ausgenutzten" Gases in gleichem Maße gesteigert und sowohl sein Durchsatz als auch sein thermodynamischer Wirkungsgrad verbessert werden.

In der oben angegebenen Druckschrift wird die Trennung zwischen der dem Verdampfer zugeführten Flüssigkeit und dem Gas, welches dem Loch der Spareinrichtung zugeführt wird, durch einen Rotor bewirkt, der in einem festste­ henden Gehäuse rotiert. Das Gas tritt im wesentlichen in der Nähe der Drehachse des Rotors und die Flüssigkeit am Umfang aus. Es wird dafür gesorgt, daß das Gas nicht mit der Flüssigkeit austreten kann, wodurch der Vorteil der Vorrichtung vermindert würde, indem der Flüssigkeits­ durchsatz durch einen Schieber gesteuert wird, dessen Öffnung von der Dicke des Flüssigkeitsringes abhängt, der sich um den Rotor herum ausbildet.

Es wurde jedoch gefunden, daß eine solche Ausbildung mit gewissen Mängeln behaftet ist. Zunächst entstehen durch einen solchen Schieber, obwohl dieser einfach ist, ge­ wisse Kosten. Vor allem aber kann der Zentrifugal-Ab­ scheider nicht einwandfrei arbeiten, wenn der Schieber aus irgendeinem Grunde, beispielsweise ein Span, bloc­ kiert ist, so daß der Schieber zu weit geöffnet ist und ein großer Teil des Gases zum Verdampfer entweicht oder aber zu sehr geschlossen ist und ein großer Teil der erzeugten Flüssigkeit unnütz zum Kompressor zurückge­ führt wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diesen Mängeln abzuhelfen.

Durch die Erfindung wird ein Kühlsystem mit Spareinrich­ tung geschaffen, welches einen Kompressor aufweist, des­ sen Auslaßseite mit einem Kondensator verbunden ist, der ein Entspannungsventil aufweist, das an eine Zentrifugal- Spareinrichtung angeschlossen ist, die ihrerseits über eine Gasleitung mit einem Loch der Spareinrichtung ver­ bunden ist, das an dem Kompressor angeordnet ist, und über eine Flüssigkeitsleitung mit einem Verdampfer ver­ bunden ist, der an die Ansaugseite des Kompressors ange­ schlossen ist, wobei die Zentrifugal-Spareinrichtung ihrerseits aus einem Rotor gebildet ist, der in einem feststehenden Gehäuse rotiert, das mit drei Öffnungen versehen ist, von denen die erste mit dem Entspannungs­ ventil, die zweite mit dem Loch der Spareinrichtung und die dritte mit dem Verdampfer verbunden ist, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Flüssigkeitsleitung eine Verengung aufweist, deren Querschnitt dergestalt gewählt ist, daß für die höchsten Druckverhältnisse, die an dem Kühlsystem im Dauerbetrieb auftreten, der Durchsatz an Gas, das mit der Flüssigkeit freigesetzt wird, 20% des Gasdurchsatzes, welcher zu dem Loch der Spareinrichtung zurückgeführt wird, nicht überschreitet.

Es wurde gefunden, daß beim Ersetzen des oben beschriebe­ nen Steuerschiebers durch eine einfache Verengung mit ei­ nem zweckmäßig gewählten Querschnitt praktisch dasselbe Ergebnis erreicht wird, daß nämlich ausschließlich Flüs­ sigkeit über die Flüssigkeitsöffnung austritt, und zwar bei allen Druckzuständen des Kompressors (wenngleich ge­ wünschtenfalls unter den extremsten Bedingungen zugelas­ sen werden kann, daß etwas Gas freigesetzt wird), und daß gleichzeitig in der Zentrifugaleinrichtung keine Stauung auftritt und keine größeren Flüssigkeitsmengen mit dem Gas freigesetzt werden.

Aufgrund des statischen Charakters einer Verengung kann diese nicht blockiert werden, wodurch die Zuverlässig­ keit und natürlich auch die Herstellungskosten des Sy­ stems verbessert werden.

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 des erfindungsgemäßen Kühlsystems;

Fig. 2 eine Schnittansicht des Zentrifugal- Abscheiders, der bei der Anordnung nach Fig. 1 verwendet wird; und

Fig. 3 ein Druckdiagramm, worin die Druckbe­ reiche gezeigt sind, in denen der Kompressor betrieben wird, und die Zustandszonen verdeutlicht sind, welche den Querschnitt der Verengung bestimmen.

In den Fig. 1 und 2 ist ein Kühlsystem gezeigt, das aus einem Kompressor 1 gebildet ist, welcher in einen Kondensator 2 einspeist, der an ein Entspannungsventil 3 angeschlossen ist, welches seinerseits über eine Leitung 4 mit einer Öffnung 5 verbunden ist, über die ein Flüssig­ keits-Gas-Gemisch, das am Entspannungsventil gebildet wird, eingespritzt wird, wobei diese Öffnung 5 in dem Gehäuse 6 einer Zentrifugal-Spareinrichtung 7 angeord­ net ist. Diese Zentrifugal-Spareinrichtung 7 ist aus einem Rotor gebildet, der Schaufeln 8 oder andere ge­ eignete Mittel aufweist, durch welche das in das Gehäuse eintretende Gemisch aus Gas und Flüssigkeit in Drehung versetzt werden kann. Der Rotor ist auf einer Welle 9 angeordnet, die durch nicht dargestellte Mittel in Dre­ hung versetzt wird. Eine Dichtung, beispielsweise Laby­ rinthdichtung, ist bei 10 um die Welle herum angeordnet.

Das abgeschiedene Gas wird über eine Öffnung 11 freige­ setzt und gelangt über eine Leitung 12 zu einem Loch 13, das im Gehäuse des Kompressors an einer Stelle zwischen Ansaugung und Auslaß angeordnet ist. Eine in dem Gehäuse 6 angeordnete Öffnung 14 gestattet die Abführung der Flüs­ sigkeit, die im Betrieb dazu neigt, einen bei 15 gezeig­ ten Flüssigkeitsring um den Rotor herum zu bilden. Sie lenkt die Flüssigkeit über die Leitung 16 durch eine Ver­ engung 17 hindurch zu einem Verdampfer 18, der seiner­ seits über eine Leitung 19 mit der Ansaugseite 20 des Kompressors verbunden ist.

Die Verengung 17 ist in der im folgenden beschriebenen Weise dimensioniert.

Es wird auf Fig. 3 Bezug genommen. Auf der Abszisse sind die Ansaugdrücke aufgetragen, die bei dem Kompres­ sor im Verlaufe seines Betriebs auftreten können; auf der Ordinate sind die Auslaßdrücke aufgetragen. Durch ein Vieleck 21 sind die Extrembedingungen veranschau­ licht, die am Kompressor auftreten. Alle Betriebsfälle liegen innerhalb dieses Vielecks.

Mit 22, 23, 24 und 25 sind Linien bezeichnet, welche die Betriebsbedingungen für ein konstantes Verhältnis von Auslaßdruck zu Ansaugdruck veranschaulichen.

Es wurde gefunden, daß in einer Verengung, die auf der einen Seite dem Druck der Spareinrichtung und auf der anderen Seite dem Ansaugdruck ausgesetzt ist, der in Abhängigkeit von diesen Bedingungen variierende Durch­ satz praktisch in einem konstanten Verhältnis zu dem gewichtsbezogenen Durchsatz bleibt, den der Kompressor für ein bestimmtes Kompressionsverhältnis ansaugt.

Wenn beispielsweise der Durchsatz Q für beispielsweise 3 Bar Absolutdruck auf der Ansaugseite und 12 auf der Auslaßseite ist, so wird er zu etwa 2 Q, wenn die Bedin­ gungen sich auf 6 bzw. 24 Bar verändern, während der auf die Masse bezogene ansaugseitige Durchsatz gleich­ zeitig verdoppelt wird.

Wenn also die Verengung so gewählt wird, daß der Durch­ satz für die Betriebsbedingungen 3 bis 12 Bar vorhanden ist, so bleibt die Verengung für die Betriebsbedingungen 6 bis 24 Bar angepaßt. Wenn die Verengung also für einen Punkt einer Gerade wie die Geraden 22 bis 25 angepaßt ist, so bleibt er es für alle anderen Punkte derselben Geraden.

Dies gilt jedoch nicht mehr, wenn das Kompressionsver­ hältnis variiert wird.

Wenn dieses verändert wird und wenn man progressiv von der Kurve 22 zur Kurve 25 übergeht, so wird das Verhält­ nis zwischen dem Durchsatz an der Verengung und dem vom Kompressor angesaugten Durchsatz größer.

Wenn also die Verengung so eingestellt würde, daß bei­ spielsweise die Bedingungen der Geraden 23 erfüllt wä­ ren, so wäre der Durchsatz an der Verengung für die Be­ dingungen der Kurve 25 viel zu groß, und eine große Men­ ge Gas würde mit der Flüssigkeit entweichen, wodurch die Vorteile der Spareinrichtung verlorengingen. Das Gasvolumen, oberhalb welchem die Verluste zu groß wer­ den, um annehmbar zu bleiben, kann auf etwa 20% fest­ gesetzt werden, und die Verengung wird so dimensioniert, daß für die höchsten Kompressionswerte, die an dem Kom­ pressor im Dauerbetrieb auftreten (Übergangszustände können zu höheren Kompressionsdrücken führen), der Durch­ satz unter dem Druck zwischen Spareinrichtung und Ansau­ gung gleich dem auf die Masse bezogenen Durchsatz ist, den der Kompressor ansaugt.

Dieser müßte sich hieraus ergeben, während für geringere Kompressionsverhältnisse die Zentrifugaleinrichtung "ab­ säuft" und Flüssigkeit mit dem Gas zum Loch der Sparein­ richtung des Kompressors gelangt, was ebenfalls sehr schädlich wäre.

Es wurde jedoch gefunden, daß beim Auftreten dieses Phänomens, und da der Flüssigkeitsring dicker wird, ein zusätzlicher hydrostatischer Druck erzeugt wird, der zu der Druckdifferenz zwischen Spareinrichtung und Ansau­ gung hinzukommt und den Durchsatz dazu bringt, daß er mit dem vom Kompressor angesaugten Durchsatz überein­ stimmt.

Wenn beispielsweise ein Kühlsystem betrachtet wird, das mit Freon 22 arbeitet, mit Extrembedingungen für den An­ saugdruck von 2 Bar und 8 Bar und mit Extremwerten des Kompressionsverhältnisses von 2,5 und 6 im stabilen Be­ triebszustand, so ist das Verhältnis zwischen dem Volu­ mendurchsatz an der Verengung (deren Länge bei dem hier beschriebenen Versuch etwa das Hundertfache des Durch­ messers beträgt) und dem Volumen des Kompressors varia­ bel von 1 für das Kompressionsverhältnis 6 bis 0,5 für den Wert 2,5. Es gelangt aber wieder auf den Wert 1 zu­ rück, wenn durch die Zentrifugaleinrichtung ein zusätz­ licher Druck von weniger als 1 Bar erzeugt wird, nämlich in dem Falle, daß die Ansaugung bei 3 Bar geschieht, und in der Größenordnung von 2,5 Bar, wenn er bei 6 Bar liegt. Diese zusätzlichen Drücke liegen aber bei Werten, die mit einer Zentrifugaleinrichtung leicht erzeugt werden können.

Bei Schraubenkompressoren, deren Schraube direkt von ei­ nem Elektromotor mit 3000 oder 3600 Umdrehungen/Minute angetrieben wird und bei denen der Rotor der Spareinrich­ tung auf derselben Welle sitzt, erzeugt eine Zentrifugal­ einrichtung mit dem Durchmesser der Schraube an ihrem Um­ fang Zentrifugalbeschleunigungen, die leicht 1000 g über­ schreiten (worin g die Erdbeschleunigung ist), und eine Ringdicke von 2 cm erzeugt, also einen hydrostatischen Druck von mehr als 2 Bar.

Claims (1)

1. Kühlsystem mit Spareinrichtung, gebildet aus wenigstens einem Kompressor (1), dessen Auslaß mit einem Kondensa­ tor (2) verbunden ist, welcher mit einem Entspannungs­ ventil (3) versehen ist, das an eine Zentrifugal-Spar­ einrichtung (7) angeschlossen ist, die ihrerseits über eine Gasleitung mit einem Loch (13) der Spareinrichtung verbunden ist, das an dem Kompressor angeordnet ist, und über eine Flüssigkeitsleitung mit einem Verdampfer (18) verbunden ist, welcher mit der Ansaugseite des Kompres­ sors verbunden ist, wobei die Zentrifugal-Spareinrich­ tung ihrerseits aus einem Rotor (8) gebildet ist, der in einem feststehenden Gehäuse (6) rotiert, das mit drei Öffnungen versehen ist, von denen die erste mit dem Entspannungsventil, die zweite mit dem Loch der Spareinrichtung und die dritte mit dem Verdampfer ver­ bunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssig­ keitsleitung eine Verengung (17) aufweist, deren Quer­ schnitt dergestalt gewählt ist, daß für die höchsten Druckverhältnisse, die an dem Kühlsystem im Dauerbetrieb auftreten, der Durchsatz des mit der Flüssigkeit frei­ werdenden Gases 20% des Durchsatzes des zum Loch der Spareinrichtung zurückgeführten Gases nicht überschrei­ tet.