DE3715697A1 - Einrichtung mit einem geschlossenen kreislauf - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung mit einem geschlossenen Kreislauf der im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Art.

Einrichtungen dieser Art sind z.B. in der Ausgestaltung als Kältekreislauf bekannt, in dem ein Kältemittel als Strömungs­ medium den Wärmetransport vom Wärme aufnehmenden, kühlenden Verdampfer zum Wärme abgebenden Kondensator übernimmt, wobei auf dem Weg zwischen beiden ein Kompressor angeordnet ist, der das Kältemittel umpumpt. Durch Druck- und Temperatur­ unterschiede, die der Kompressor im Kältekreislauf erzeugt, wechselt das Kältemittel während des Kreislaufes ständig den Aggregatzustand zwischen gasförmig und flüssig. Bei Kälteeinrichtungen dieser Art sind dann, wenn größere Kühl­ leistungen verlangt werden, z.B. für einen Kühlraum, für den Wärmeaustausch beim Verdampfer und beim Kondensator Hilfsmaschinen, z.B. Ventilatoren, Flüssigkeitspumpen od. dgl., notwendig, um größere Wärmemengen wirtschaftlich ab­ führen zu können. Als Antrieb weisen diese Hilfsmaschinen meist einen Elektromotor auf, der bei solchen Kühlanlagen, die ein Explosionsschutz vorgeschrieben ist, in Explosionsschutz-Ausführung zu installieren und somit besonders kompliziert und insbesondere teuer ist. Auch sind die Kosten für Material und Installation elektri­ scher Zuleitungen sowie für sonstige benötigte elektri­ sche Schalt-, Steuer- und Sicherheitsgeräte recht hoch, die besonders dann extrem hoch werden können, wenn die einzelnen Komponenten eines Kühlkreislaufes räumlich getrennt sein sollen. Nachteilig ist ferner, daß Elektro­ motoren als Antriebe für derartige Hilfsmaschinen, ins­ besondere in Explosionsschutz-Bauweise, schwer und groß sind und somit einen erheblichen Platzbedarf haben. Die im Betrieb anfallende Verlustwärme muß im übrigen zu­ sätzlich abgeführt werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einrich­ tung der im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Art zu schaffen, die einen kleineren, billigeren und wesent­ lich günstigeren Antrieb für die jeweiligen Hilfsmaschi­ nen enthält.

Die Aufgabe ist bei einer Einrichtung der im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Art gemäß der Erfindung durch die Merkmale im Kennzeichnungsteil des Anspruchs 1 ge­ löst. Hierdurch ist erreicht, daß die Energie für den Antrieb der jeweiligen Hilfsmaschine unmittelbar aus dem Kreislauf selbst entnommen wird, somit also bei im Kreis­ lauf enthaltenem Kompressor von diesem mit aufgebracht wird. Dadurch ergeben sich vielfältige Vorteile wirt­ schaftlicher, sicherheitstechnischer, bautechnischer und steuerungstechnischer Art, die in der nachfolgenden Beschreibung im einzelnen hervorgehoben sind, weswegen zur Vermeidung von unnötigen Wiederholungen darauf ver­ wiesen wird.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Ein­ richtung enthalten die Ansprüche 2-11. Weitere Einzel­ heiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung. Der vollständige Wortlaut der Ansprüche ist vorstehend allein zur Vermeidung un­ nötiger Wiederholungen nicht wiedergegeben, sondern lediglich durch Nennung der Anspruchsnummer darauf Bezug genommen, wodurch jedoch alle diese Anspruchsmerkmale als an dieser Stelle ausdrücklich und erfindungswesent­ lich offenbart zu gelten haben. Dabei sind alle in der vorstehenden und folgenden Beschreibung erwähnten Merkmale sowie auch die allein aus der Zeichnung entnehmbaren Merk­ male weitere Bestandteile der Erfindung, auch wenn sie nicht besonders hervorgehoben und insbesondere nicht in den Ansprüchen erwähnt sind.

Die Erfindung ist nachfolgend anhand eines in der Zeich­ nung gezeigten Ausführungsbeispieles näher erläutert. Die Zeichnung zeigt eine schematische Ansicht einer Ein­ richtung 10, die hier als Kältemaschine ausgebildet ist und einen geschlossenen Kreislauf 11 aufweist, in dem als Strömungsmedium ein Kältemittel 12 umläuft. Bei dieser Ausbildung der Einrichtung 10 als Kältemaschine wechselt das Kältemittel 12 seinen Aggregatzustand zwischen flüssig und gasförmig. Der Kreislauf 11 ist hermetisch abgeschlossen. Er enthält einen hermetisch gekapselten Kompressor 13, mittels dessen das Kältemittel 12 im Kreislauf 11 zirkuliert. An die Druckseite 14 des Kompressors 13 ist über eine Leitung 15 ein schematisch angedeuteter Kondensator 18 angeschlossen, dessen Ausgang über eine Leitung 17 zu einem Verdampfer 18 führt, der über eine Leitung 18 mit der Saugseite 20 des Kompressors 13 in Verbindung steht.

Das im Kreislauf 11 als Strömungsmedium enthaltene Kälte­ mittel 12 strömt in flüssiger Form dem Verdampfer 18 unter hohem Druck über ein Drosselorgan 21 zu (Pfeil 22). Im Verdampfer 18 hält der Kompressor 13 durch Absaugen des Kältemittels 12 einen niedrigen Druck aufrecht, wo­ durch das unter hohem Druck flüssig zugeführte Kälte­ mittel 12 sich entspannt und verdampft. Für die Ver­ dampfung benötigt das Kältemittel 12 Wärme, die es der Umgebung des Verdampfers 18 entzieht, wodurch eine Kühlung erfolgt. Das dampfförmig abgesaugte Kältemittel 12 wird im Kompressor 13 wieder auf hohen Druck kompri­ miert, wobei es sich auf eine über Raumtemperatur liegen­ de Temperatur erwärmt. In diesem Zustand wird das Kälte­ mittel 12 vom Kompressor 13 über die Leitung 15 dem Kondensator 16 zugeführt, wo das Kältemittel 12 durch Kühlung auf Raumtemperatur die enthaltene Wärme abgibt und sich dabei wieder verflüssigt. Das verflüssigte Kältemittel 12 wird über die Leitung 17 in beschriebener Weise wieder dem Verdampfer 18 zugeführt, so daß ein neuer Kreislaufzyklus beginnt.

Ist die Einrichtung 10 in Form der Kältemaschine für nur kleine Kühlleistungen z.B. bis etwa 150 W ausgelegt, wie z.B. bei Haushaltskühlschränken, erfolgt die Kühlung durch statische Belüftung des Verdampfers 18 und Konden­ sators 18, ohne daß es hierzu besonderer Hilfsmaschinen, insbesondere Ventilatoren, bedarf. Bei größeren Kühl­ leistungen z.B. über etwa 150 W, wie z.B. bei Tiefkühl­ truhen, muß bereits wenigstens der Wärme abgebende Konden­ sator 16 mittels eines hier schematisch angedeuteten Ventilators 23 belüftet sein, um die größeren Wärmemen­ gen wirtschaftlich abführen zu können. Bei noch größeren Kühlleistungen, wie sie z.B. für einen Kühlraum erfor­ derlich sind, muß die Effektivität des Wärmeaustausches nicht nur im Bereich des Kondensators 18, sondern auch beim Verdampfer 18 durch einen schematisch angedeuteten Ventilator 24 auf ein wirtschaftliches Maß gesteigert werden. Dabei versteht es sich, daß statt der schematisch angedeuteten Ventilatoren 23 und 24 auch andere Hilfs­ maschinen, z.B. Flüssigkeitspumpen od. dgl., zum Einsatz kommen können. Die gezeigten Ventilatoren 23 und 24 sind nur ein Beispiel für derartige Hilfsmaschinen. Jeder Ventilator 23 und 24 wird von einem zugeordneten Antrieb 25 bzw. 28 angetrieben. Die ßesonderheit dieses jeweili­ gen Antriebes 25, 26 liegt darin, daß dieser jeweils als zumindest von einem Teil des im Kreislauf 11 umlaufenden Strömungsmediums, hier des Kältemittels 12, gespeiste Strömungsmaschine 27 bzw. 28 ausgebildet ist, zu deren Antrieb die Strömungsenergie des Strömungsmittels in Form des Kältemittels 12 genutzt wird. Die Strömungs­ maschine 27 und 28 entnimmt also ihre Energie aus dem Kreislauf 11. Beim gezeigten Ausführungsbeispiel ist jede Strömungsmaschine 27 und 28 in den Hauptzweig, und zwar die Leitung 15 bzw. 17, eingeschaltet, so daß sie jeweils vom vollen Strom des Kältemittels 12 durchflossen ist.

Bei einem anderen, nicht gezeigten Ausführungsbeispiel kann jede Strömungsmaschine auch in einen Bypaßzweig eingeschaltet sein, so daß sie dann von einem Teilstrom des Strömungsmediums durchflossen ist.

In Anpassung an das in der Leitung 15 geführte gasförmige Kältemittel 12 ist die dort befindliche Strömungsmaschine 27 als den Gasdruck im Kreislauf 11 verarbeitende und in Antriebsenergie umsetzende Maschine, z.B. Gasturbine, ausgebildet. In Anpassung an das in der Leitung 17 zum Verdampfer 18 geführte flüssige Kältemittel 12 ist die dort befindliche Strömungsmaschine 28 als den Flüssig­ keitsdruck verarbeitende und in Antriebsenergie umsetzen­ de Maschine, z.B. als irgendeine Flüssigkeitsturbine, ausgebildet. Die Strömungsmaschine 27 wird dabei durch die Strömungsenergie des gasförmigen Kältemittels 12 und die Strömungsmaschine 28 durch die Strömungsenergie des flüssigen Kältemittels 12 angetrieben. Der gesamte Kreis­ lauf 11 ist hermetisch geschlossen. Der Kompressor 13 ist hermetisch gekapselt. Ebenfalls sind die Strömungs­ maschinen 27, 28 gegen die Umgebung hermetisch abgedich­ tet. Der Antrieb des jeweiligen Ventilators 23 bzw. 24, d.h. die Drehmomentübertragung auf diesen, erfolgt mittels einer schematisch angedeuteten, stopfbüchsenlosen Magnet­ kupplung 29 bzw. 30.

Beim Umlauf des Kältemittels 12 in beschriebener Weise werden davon die beiden Strömungsmaschinen 27, 28 ange­ trieben, so daß die Energie für den Antrieb der Ventila­ toren 23, 24 ebenfalls vom Kompressor 13 aufgebracht wird und hierzu nicht etwa auf irgendeine fremdgespeiste Antriebsmaschine, z.B. einen Elektromotor mit Explosions­ schutz, zurückgegriffen werden muß. Die Einrichtung 10 beschriebener Art hat wirtschaftliche, sicherheitstech­ nische, bautechnische und steuerungstechnische Vorteile. So lassen sich die Antriebe 25, 28 erheblich billiger als z.B. ein Elektromotor oder eine andere mit Fremd­ energie gespeiste Antriebsmaschine bereitstellen. Die Installations- und Materialkosten für elektrische Zu­ leitungen sowie die elektrischen Schalt-, Steuer- und Sicherheitsgeräte entfallen. Gerade diese Kosten können für einen Elektromotor sehr hoch sein, wenn die einzel­ nen Komponenten eines Kühlkreislaufes räumlich getrennt sind. Wenn gefordert wird, daß der erfindungsgemäße Antrieb 25, 28 zur Umwälzung einer Kühlsole unter Wasser liegt, so sind dafür keine aufwendigen elektrischen Isolationen und deren Wartung zu berücksichtigen. Der erfindungsgemäße Antrieb 25, 28 gibt im Gegensatz zu Elektromotoren keine Verlustwärme ab und ist daher in Tiefkühlräumen als Ventilatorantrieb besonders energie­ sparend. Er spart die Energie ein, die zur Abfuhr der Verlustwärme des Elektromotors erforderlich wäre. Dabei versteht es sich, daß der erfindungsgemäße Antrieb 25,28 bei einem anderen, nicht gezeigten Ausführungsbeispiel auch in einem nicht zur Kälteerzeugung ausgelegten, hermetisch geschlossenen Kreislauf arbeiten kann, in dem ein Strömungsmedium entweder seinen Aggregatzustand nicht ändert oder aber seinen Aggregatzustand zwischen gasför­ mig und flüssig wechselt. Hierbei kann ähnlich wie bei einer Wärmepumpe kostenlos Wärme gewonnen werden, die bei der Expansion im erfindungsgemäßen Antrieb 25, 28 dessen Umgebung entzogen wird. In sicherheitstechnischer Hinsicht bietet der erfindungsgemäße Antrieb 25, 28 große Vorteile in allen Kühlanlagen, für die ein Explo­ sionsschutz vorgeschrieben ist. Da der erfindungsgemäße, kreislaufgetriebene Antrieb 25, 26 keine Funken bildende Elektrizität benötigt und vollkommen gekapselt ist, kann auf einen teueren Explosionsschutz, wie er für Elektro­ motoren vorgeschrieben ist, verzichtet werden. Weitere sicherheitstechnische Vorteile bietet der erfindungsge­ mäße Antrieb 25, 28 auch dann, wenn ohne die Forderung nach Kühlung nur ein sauberer Antrieb verlangt wird, der an seine Umgebung weder Stoffe oder Funken abgibt, noch aus seiner Umgebung Stoffe aufnimmt und an nicht ge­ wünschte Orte verschleppt. Anwendungsgebiete dieser Art sind die Kerntechnik, der Umweltschutz, chemische Anlagen etc. In bautechnischer Hinsicht vorteilhaft ist, daß der erfindungsgemäße Antrieb 25, 26 kleiner und leichter aus­ geführt werden kann als ein Elektromotor gleicher Leistung. Steuerungstechnisch bietet der erfindungsgemäße Antrieb 25, 26 dann Vorteile, wenn sich die Antriebsleistung z.B. für einen Ventilator in Abhängigkeit des Kältemittel­ stromes selbständig regulieren soll. Dieser Vorteil ist bei Kühlaggregaten mit Einspritzkapillare als Drossel­ organ 21 von Bedeutung. Es kann dadurch sowohl eine Über­ hitzung als auch eine Unterkühlung des Kondensators 18 vermieden werden.

Claims (11)

1. Einrichtung mit einem geschlossenen Kreislauf, in dem ein Strömungsmedium umläuft und der mindestens eine von einem Antrieb angetriebene Hilfsmaschine, z.B. einen Ventilator, eine Flüssigkeitspumpe od. dgl., aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß der Antrieb (25, 26) der Hilfsmaschine (23, 24) als zumindest von einem Teil des im Kreislauf (11) umlaufenden Strömungsmediums (12) gespeiste Strömungsmaschine (27, 28) ausgebildet ist, zu deren Antrieb die Strömungsenergie des Strömungs­ mediums (12) zumindest zum Teil benutzt wird.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß die Strömungsmaschine (27, 28) in einen Bypaßzweig eingeschaltet und von einem Teilstrom des Strömungsmediums durchflossen ist.

3. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Strömungsmaschine (27, 28) in den Hauptzweig (15, 17) eingeschaltet und vom vollen Strom des Strömungsmediums (12) durchflossen ist.

4. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß die Strömungsmaschine (27, 28) als den Gas- oder Flüssig­ keitsdruck im Kreislauf (11) verarbeitende und in Antriebsenergie für die Hilfsmaschine (23, 24) um­ setzende Maschine ausgebildet ist.

5. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß die Strömungsmaschine (27, 28) als Gasturbine oder Flüssigkeitsturbine ausgebildet ist.

6. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, daß der Kreislauf (11) hermetisch geschlossen ist und einen hermetisch gekapselten Kompressor (13) enthält, mittels dessen das Strömungsmedium (12) im Kreislauf (11) zirkuliert, und daß die mindestens eine Strömungs­ maschine (27, 28) im hermetisch geschlossenen Kreis­ lauf (11) auf der Druckseite (14) und/oder Saugseite (20) des Kompressors (13) angeordnet ist.

7. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1-6, dadurch gekennzeichnet, daß die Strömungsmaschine (27, 28) im Kreislauf (11) durch die Strömungsenergie aus flüssigem oder gasförmigem Strömungsmedium (12) angetrieben ist.

8. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1-7, dadurch gekennzeichnet, daß das die Strömungsmaschine (27, 28) antreibende Strömungs­ medium (12) im Kreislauf (11) seinen Aggregatzustand nicht wechselt oder zwischen flüssig und gasförmig wechselt.

8. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1-8, dadurch gekennzeichnet, daß die Strömungsmaschine (27, 28) im Kreislauf (11) gegen die Umgebung hermetisch abgedichtet ist.

10. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1-9, gekennzeichnet durch eine stopf­ büchsenlose Magnetkupplung (28, 30) zwischen der Strömungsmaschine (27, 28) und deren davon angetrie­ benen Teil (23, 24), mittels der die Antriebsleistung der Strömungsmaschine (27, 28) auf den angetriebenen Teil (23, 24) übertragbar ist.

11. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1-10, dadurch gekennzeichnet, daß die Strömungsmaschine (27, 28) in einen flüssiges und/oder gasförmiges Kältemittel (12) führenden Kältemittel­ kreislauf auf dessen flüssiges oder gasförmiges Kälte­ mittel führender Seite eingeschaltet ist.