DE4002124A1 - Kuehlvorrichtung mit einem auf ein bestimmtes kaeltemittel eingestellten entspannungsregelventil - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Kühlvorrichtung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Herkömmliche Kühlvorrichtungen weisen einen Überdruckbehälter auf, in dem in flüssigem Aggregatzustand ein Kältemittel ge­ speichert ist. Am Ausgang dieses Überdruckbehälters ist ein Entspannungsregelventil angeordnet, mittels dem der aus dem Überdruckbehälter in einen Verdampfer eintretende Kältemit­ telvolumenstrom geregelt wird. Dieses Entspannungsregelventil oder Expansionsventil ist hinsichtlich seines Öffnungs- und Schließverhaltens auf das verwendete Kältemittel abgestimmt. Im Verdampfer geht das Kältemittel aus dem flüssigen in den dampfförmigen Aggregatzustand über und entzieht während dieses Übergangs einem am Verdampfer befindlichen oder vorbeiströmen­ den Medium Wärme.

Das auch auf den benutzten Verdampfer ausgelegte Entspannungs­ regelventil (Überhitzungsregler, thermisches Expansionsventil) wird in seiner Arbeitsweise durch eine Sauggastemperatur ge­ regelt, welche nicht der tatsächlichen Temperatur nach der Ver­ dampfung des Kältemittels entspricht.

Da demgemäß zur Steuerung bzw. Regelung des Entspannungsregel­ ventils zur Regelung des Kältemittelübergangs aus dem Über­ druckbehälter in den Verdampfer das Kältemittel im Ausgangsbe­ reich des Verdampfers um eine bestimmte Temperaturdifferenz überhitzt werden muß, was heißt, daß das Kältemittelgas am Verdampferausgang eine Temperatur aufweist, die um ca. 10 K höher liegt als die Verdampfungstemperatur bei den im Ver­ dampfer herrschenden Druckverhältnissen, wird die Verdampfungs­ strecke des verwendeten Verdampfers um eine Überhitzungs­ strecke verkürzt, deren Länge so bemessen werden muß, daß sie zur Erwärmung des dampfförmigen Kältemittels um ca. 10 K aus­ reichend ist.

Diese Überhitzungsstrecke ist im Vergleich zur Verdampfungs­ strecke nur in einem vernachlässigbarem Ausmaß nützlich für die Abkühlung des am Verdampfer vorbeiströmenden, zu kühlen­ den Mediums. Die eigentlich mögliche Länge der Verdampfungs­ strecke wird entsprechend der für die Überhitzungsstrecke er­ forderlichen Länge verkürzt, so daß die theoretisch erreich­ bare Leistung des verwendeten Verdampfers tatsächlich im Be­ trieb nicht erreicht wird.

An den Ausgangsbereich des Verdampfers schließt sich eine Saugleitung an, durch die das dampfförmige Kältemittel einem Kompressor zugeführt wird, in dem es auf den im Überdruckbehäl­ ter herrschenden Druck komprimiert wird; dem Kompressor ist ein Wärmetauscher bzw. Verflüssiger nachgeschaltet, in dem das dampfförmige Kältemittel Wärme an die Umgebung abgibt und kon­ densiert. Das kondensierte Kältemittel gelangt in den Über­ druckbehälter zurück.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Kühlvorrich­ tung zu schaffen, bei der die theoretisch erreichbare Leistung eines Verdampfers nahezu vollständig ausgenutzt werden kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Kühlvorrichtung gelöst, die neben den im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 an­ gegebenen Merkmalen auch diejenigen des kennzeichnenden Teils des Patentanspruchs 1 aufweist. In der Verdampfungsstufe des Verdampfers geht das tatsächlich verwendete Kältemittel vom flüssigen in den dampfförmigen Aggregatzustand über und ent­ zieht dem an der Verdampfungstufe sich befindlichen oder vor­ beiströmenden, zu kühlenden Medium die für diesen Aggregat­ zustandsübergang erforderliche Verdampfungswärme. Auf diese Verdampfungstufe folgt eine Nachverdampfungsstufe; in dieser wird das tatsächlich verwendete, nunmehr dampfförmige Kälte­ mittel von seiner Verdampfungstemperatur, die im Vergleich zu derjenigen des Kältemittels, auf das das Entspannungsregel­ ventil eingestellt ist, weitaus niedriger ist, auf eine Tem­ peratur erwärmt, die derjenigen entspricht, die das Kälte­ mittel, auf das das Entspannungsregelventil eingestellt ist, nach Verdampfung und üblicher Überhitzung hätte.

Hierdurch kann die Enthalpie des verwendeten Kältemittels vollständig ausgenutzt werden, ohne daß Teile der eigentlichen Verdampfungsstufe als Überhitzungsstrecke benötigt würden, was in einer Leistungseinbuße der Verdampfungsstufe resultieren würde.

Die Nachverdampfungsstufe, in der das tatsächlich verwendete dampfförmige Kältemittel auf die Temperatur erwärmt wird, die das Kältemittel, auf das das Entspannungsregelventil abge­ stimmt ist, nach der zur Steuerung des Entspannungsregelven­ tils erforderlichen Überhitzung hätte, ist aufrund der ver­ gleichsweise hohen Temperaturdifferenz zwischen letztgenan­ ter Temperatur und der Verdampfungstemperatur des tatsäch­ lich verwendeten Kältemittels von der Kapazität her ebenfalls als Kühlstufe nutzbar.

Durch eine entsprechend konstruktiv-bauliche Ausgestaltung und Anordnung der Verdampfungsstufe und der Nachverdampfungs­ stufe kann das zu kühlende Medium zunächst an der Nachver­ dampfungsstufe vorbei und dann an der eigentlichen Ver­ dampfungsstufe vorbeigeführt werden. Die Nachverdampfungsstu­ fe kann somit wirksam als Vorkühler benutzt werden.

Die Steuerung des Entspannungsregelventils wird so durchge­ führt, als ob am Ausgang des Verdampfers dasjenige Kältemit­ tel, auf das das Entspannungsregelventil eingestellt ist, die zu seiner Steuerung vorgesehenen Parameter hinsichtlich Druck und Temperatur einnehmen würde.

Die Auslegung der Verdampfungsstufe gemäß Patentanspruch 2 erlaubt eine besonders exakte Steuerung des Kältemittelvo­ lumenstroms aus dem Überdruckbehälter in den Verdampfer.

Gemäß Patentanspruch 3 kann die Nachverdampfungsstufe ka­ pazitiv ausreichend bemessen werden, um schon bei der Vor­ kühlung die Temperatur des zu kühlenden Mediums erheblich herabzusetzen.

Ein besonders vorteilhafter Betrieb der Kühlvorrichtung ist bei Verwendung eines nach Patentanspruch 4 ausgelegten Ent­ spannungsregelventils und Verdampfers in Verbindung mit dem dort zur tatsächlichen Verwendung angegebenen Kältemittel möglich.

Im folgenden wird die Erfindung an Hand einer Ausführungs­ form unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert.

Die Figur zeigt eine erfindungsgemäße Kühlvorrichtung.

Das verwendete Kältemittel wird aus einem Überdruckbehälter 1 über ein Entspannungsregelventil bzw. Expansionsventil 2 in einen Verdampfer 3 eingeleitet. Der Verdampfer 3 hat eine Verdampfungsstufe 4, in der das Kältemittel aus dem flüssi­ gen Aggregatzustand in den dampfförmigen Aggregatzustand über­ geht. Bei diesem Umwandlungsprozeß wird einem an der Ver­ dampfungsstufe 4 vorbeiströmenden, zu kühlenden Medium die zur Verdampfung des Kältemittels erforderliche Wärmemenge ent­ zogen. Der Verdampfungsstufe 4 des Verdampfers 3 nachgeschal­ tet ist eine Nachverdampfungsstufe 5, in der das dampfförmige Kältemittel auf eine durch eine Meßvorrichtung 6 erfaßte Temperatur erwärmt wird, die zur Steuerung des Entspannungs­ regelventils 2 geeignet ist. Diese Nachverdampfungsstufe 5 ist bei entsprechender konstruktiver Auslegung und Anordnung des Verdampfers 3 im Volumenstrom des zu kühlenden Mediums als Vorkühler verwendbar.

Hinter dem Verdampfer 3 wird das Kältemittel in herkömmlicher Weise über einen mit einem Einlaß- 7 und einem Auslaßventil 8 versehenen Kompressor 9 und einen Wärmetauscher 10 zurück zum Überdruckbehälter 1 geleitet.

Das für den Kälteprozeß verwendete Kältemittel hat bei einem Druck von 1 bar eine Verdampfungstemperatur von minus 88 Grad C und wird über ein Entspannungsregel- bzw. Expansionsventil 2 für ein Kältemittel eingedüst, das bei einem Druck von 1 bar eine Verdampfungstemperatur von minus 45 Grad C hat. Hieraus ergibt sich folgender Ablauf:

Das Expansionsventil 2 öffnet bei einem Druck im Verdampfer 3 von 3,2 bar. Hieraus ergibt sich für das Kältemittel, das bei einem Druck von 1 bar eine Verdampfungstemperatur von minus 45 Grad C hat, eine Verdampfungstemperatur von minus 17 Grad C. Das tatsächlich verwendete Kältemittel, das bei einem Druck von 1 bar eine Verdampfungstemperatur von minus 88 Grad C hat, hat bei diesem Druck von 3,2 bar, bei dem der Verdampfer 3 ar­ beitet, eine Verdampfungstemperatur von minus 65 Grad C.

Nach kompletter Beaufschlagung des richtig ausgelegten Ver­ dampfers 3 erhält das Expansionsventil 2 über eine Druckaus­ gleichsleitung 11 und die als Thermofühler ausgebildete Meß­ vorrichtung 6, die stromab der Nachverdampfungsstufe 5 ange­ ordnet ist, folgende Signale:
Temperatur minus 7 Grad C,
Druck 3,2 bar.

Für das Expansionsventil 2 ergibt sich hierauf bezogen auf das eigentlich im Zusammenhang mit ihm eingesetzte Kältemit­ tel, welches bei einem Druck von 3,2 bar eine Verdampfungstem­ peratur von minus 17 Grad C hat, eine Überhitzung von 10 K. Das Entspannungsregel- bzw. Expansionsventil 2 liegt somit im richtigen Regelbereich. Das Arbeiten mit dem tatsächlich ein­ gesetzten Kältemittel bringt hierbei den Vorteil, daß der Ver­ dampfer 3 an der Verdampfungsstufe 4 eine Temperatur von minus 65 Grad C aufweist und die gesamte Temperaturdifferenz zwi­ schen dieser Temperatur und der von minus 7 Grad C in der Nachverdampfungsstufe 5 für die Vorkühlung zur Verfügung steht.

Claims (4)

1. Kühlvorrichtung mit einem auf ein bestimmtes Kältemittel eingestellten Entspannungsregelventil, welches den Volumen­ strom eines Kältemittels aus einem Überdruckbehälter in einen Verdampfer regelt, an dessen Ausgangsbereich eine Meßvorrich­ tung angeordnet ist, die die Sauggastemperatur des verdampften Kältemittels erfaßt, der und dem konstanten Sauggasdruck ent­ sprechend die Öffnungsstellung des Entspannungsregelventils einstellbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß statt des be­ stimmten Kältemittels ein Kältemittel verwendet wird, welches eine niedrigere Verdampfungstemperatur aufweist und daß der Verdampfer (3) eine Nachverdampfungsstufe (5) aufweist, in der das tatsächlich verwendete Kältemittel auf eine Temperatur erwärmt wird, die derjenigen entspricht, die das bestimmte Kältemittel nach seiner Verdampfung und einer Überhitzung hätte.

2. Kühlvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Nachverdampfungsstufe (5) des Verdampfers (3) so aus­ gelegt ist, daß das tatsächlich verwendete Kältemittel am Ver­ dampferausgang eine Temperatur aufweist, die der des bestimm­ ten Kältemittels nach dessen Verdampfung und einer Überhitzung um 10 K entspricht.

3. Kühlvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem Druck von 1 bar das bestimmte Kältemittel, dementsprechend das Entspannungsregel­ ventil (2) eingestellt ist, eine Verdampfungstemperatur von minus 45 Grad C und das tatsächlich verwendete Kältemittel eine Verdampfungstemperatur von minus 88 Grad C aufweist.

4. Kühlvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Entspannungsregelventil (1) bei einem Verdampferdruck von 3,2 bar, bei dem die Verdampfungstemperatur des bestimm­ ten Kältemittels minus 17 Grad C und die des tatsächlich ver­ wendeten Kältemittels minus 65 Grad C beträgt, öffnet, und daß die Nachverdampfungsstufe (5) so ausgelegt ist, daß das tatsächlich verwendete Kältemittel am Verdampferausgang eine Temperatur von minus 7 Grad C aufweist.