DE4100753A1 - Kaeltemaschine - Google Patents

Description

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

Es sind Kältemaschinen bekannt, bei denen zwei oder mehr Käl­ temittelkreisläufe vorgesehen sind, wobei mittels eines Kreis­ laufs das Kältemittel des anderen Kreislaufs verflüssigt wird. Das Kältemittel des "letzten" Kreislaufs geht an einen Ver­ dampfer aus seinem flüssigen in seinen gasförmigen Aggregat­ zustand über und entzieht dabei der Umgebung Wärme.

Für jeden Kreislauf ist ein Verdichter erforderlich, um das Kältemittel soweit zu verdichten, daß es in einem Verflüssi­ ger durch Wärmeenergieentzug verflüssigt werden kann.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die gattungsgemäße Kältemaschine derart weiterzubilden, daß sie, unabhängig von der Anzahl der Kältemittel bzw. der Abkühlungsstufen, mit einem einzigen Verflüssiger betrieben werden kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale im kenn­ zeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 gelöst. Sämtliche in der Kältemaschine vorgesehenen Kältemittel werden im gasförmi­ gen Zustand durch einen einzigen Verdichter verdichtet. Die Verflüssigungstemperaturen der verwendeten Kältemittel werden so gewählt, daß im dem Verdichter nachgeschalteten Verflüssiger nur das Kältemittel mit der höchsten Verflüssigungstemperatur verflüssigt wird. In den auf den Verflüssigern folgenden Wär­ metauschern wird jeweils das Kältemittel mit der nächst nie­ drigeren Verflüssigungstemperatur verflüssigt. Dadurch, daß dem Verflüssiger bzw. den Wärmetauschern eine Trennstufe nach­ geschaltet ist, in der die verbliebenen gasförmigen Kältemit­ tel von dem bereits verflüssigten Kältemittel separiert wer­ den, ist es möglich, daß sämtliche Kältemittel durch ein und denselben Verdichter verdichtet werden. Um eine chemische Ver­ bindung zwischen den einzelnen Kältemitteln zu vermeiden, soll­ ten inerte Kältemittel verwendet werden.

Gemäß Patentanspruch 2 läßt sich in einfacher Weise eine dreistufige Kältemaschine verwirklichen, wobei sämtliche Kältemittel im einzigen Verdichter verdichtet werden.

Vorteilhaft können gemäß Patentanspruch 3 auch weitere Kälte­ mittel verwendet werden, wobei dann eine entsprechende Anzahl weiterer Wärmetauscher und weiterer Trennstufen vorgesehen sein müssen.

Um den Wirkungsgrad des Verdichters weiter zu erhöhen, kann in der Saugleitung des Verdichters gemäß Patentanspruch 4 eine Vorverdichtungsstufe angeordnet werden. Somit kann der Ver­ dichter jeweils in dem für seinen Wirkungsgrad günstigsten Betriebsbereich gefahren werden, wodurch sich eine erhebliche Energieeinsparung erzielen läßt.

In besonders einfacher Weise kann der erforderliche Wechsel eines Kältemittels aus dem flüssigen in den gasförmigen Aggre­ gatzustand mittels Expansionsventilen gemäß Patentanspruch 5 verwirklicht werden.

Eine besonders exakte Steuerung der Expansionsventile ergibt sich, wenn diese gemäß Patentanspruch 6 geregelt werden.

Der Verflüssiger kann gemäß Patentanspruch 7 mit einer Luft­ kühlung oder, sofern das im Verflüssiger zu verflüssigende Kältemittel eine vergleichsweise niedrige Verflüssigungstem­ peratur aufweist, gemäß Patentanspruch 8 mittels eines Kälte­ mittelkreislaufs gekühlt werden.

Bei Kühlverfahren gemäß den Patentansprüchen 9-11 ergeben sich die im Zusammenhang mit den Patentansprüchen 1-4 für die Kältemaschinen beschriebenen vorteilhaften Wirkungen.

Im folgenden wird die Erfindung an Hand von Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 eine erste Ausführungsform der erfindungs­ gemäßen Kältemaschine, mit zwei Wärmetau­ schern und drei Kältemitteln und

Fig. 2 eine weitere Ausführungsform der erfindungs­ gemäßen Kältemaschine.

Bei der in Fig. 1 dargestellten Kältemaschine ist ein Ver­ dichter 1 vorgesehen, in dem ein Gasgemisch verdichtet wird, welches aus den Kältemitteln a, b und c besteht, die jeweils in ihrem gasförmigen Aggregatzustand sind. Eine Druckleitung 25 des Verdichters 1 führt zu einem Verflüssiger 2, in dem das in ihn eintretende Gasgemisch mittels einer Luftkühlung 19 auf eine Temperatur abgekühlt wird, bei der das erste Käl­ temittel a aus seinem gasförmigen in seinen flüssigen Aggre­ gatzustand übergeht. Das zweite Kältemittel b und das dritte Kältemittel c bleiben im Verflüssiger 2 in ihrem gasförmi­ gen Aggregatzustand.

Durch eine Ableitung 26 wird das Gemisch aus dem flüssigen Kältemittel a und den gasförmigen Kältemitteln b und c einer ersten Trennstufe 3 zugeführt, in deren unterem Bereich sich das flüssige Kältemittel a und in deren oberem Bereich sich das Gemisch aus den gasförmigen Kältemitteln b und c an­ sammelt.

Aus dem oberen Bereich der Trennstufe 3 führt eine Gasleitung 27 zu einem ersten Wärmetauscher 5. Aus dem unteren Bereich der Trennstufe 3 führt eine Flüssigkeitszuleitung über ein Expansionsventil 4 zum Wärmetauscher 5. Das Expansionsventil 4 wird entsprechend dem Druck und der Temperatur in einem das erste Kältemittel a vom ersten Wärmetauscher 5 wegleitenden Leitungszweig 16 geregelt. Mittels des Expansionsventils 4 wird das flüssige erste Kältemittel a so stark expandiert, daß es im Wärmetauscher 5 aus seinem flüssigen in seinen gasförmigen Aggregatzustand übergeht. Die hierfür benötigte Wärmeenergie entzieht das erste Kältemittel a dem Gasgemisch aus dem zweiten Kältemittel b und dem dritten Kältemittel c, so daß das zweite Kältemittel b, welches eine höhere Ver­ flüssigungstemperatur als das dritte Kältemittel c aufweist, verflüssigt wird. Das dritte Kältemittel c verbleibt im ersten Wärmetauscher 5 in seinem gasförmigen Aggregatzustand.

Das beim Austritt aus dem ersten Wärmetauscher 5 gasförmige erste Kältemittel a wird durch den Leitungszweig 16 in eine Saugleitung 12 des Verdichters 1 geführt.

Durch einen Leitungszweig 28 wird das Gemisch aus dem flüs­ sigen zweiten Kältemittel b und dem gasförmigen dritten Käl­ temittel c in eine zweite Trennstufe 6 geführt, in deren unterem Bereich sich das nunmehr flüssige zweite Kältemittel b und in deren oberem Bereich sich das weiterhin gasförmige dritte Kältemittel c sammeln.

Aus dem oberen Bereich der zweiten Trennstufe 6 wird das gas­ förmige Kältemittel c durch eine Gasleitung 29 in einen zwei­ ten Wärmetauscher 8 eingeleitet. Das flüssige zweite Kältemit­ tel b wird durch eine Flüssigkeitszuleitung 4 über ein Ex­ pansionsventil 7, welches entsprechend dem Druck und der Tem­ peratur in einem das zweite Kältemittel b der Saugleitung 12 zuführenden Leitungszweig 17 geregelt wird, in den zweiten Wärmetauscher 8 eingeleitet. Im Expansionsventil 7 erfährt das zweite Kältemittel b eine Expansion, welche dazu führt, daß das zweite Kältemittel b im zweiten Wärmetauscher 8 aus seinem flüssigen in seinen gasförmigen Aggregatzustand über­ geht. Die hierbei benötigte Wärmeenergie entzieht das Kälte­ mittel b dem gasförmig in den zweiten Wärmetauscher 8 eintre­ tenden dritten Kältemittel c, welches durch diesen Energie­ entzug aus seinem gasförmigen in seinen flüssigen Aggregat­ zustand übergeht.

Durch einen Leitungszweig 30 gerät das nunmehr flüssige dritte Kältemittel c aus dem zweiten Verdampfer 8 in einen Sammler 9, in dessen unterem Bereich es sich ansammelt. Aus dem unteren Bereich des Sammlers 9 führt eine Flüssigkeitszuleitung 15 über ein Expansionsventil 10 zu einer Kühlstelle 11. Das Ex­ pansionsventil 10 wird entsprechend dem Druck und der Tem­ peratur in einem Leitungszweig 18 gesteuert, durch den das die Kühlstelle verlassende Kältemittel c in die Saugleitung 12 geführt wird. Das Expansionsventil 10 expandiert das im flüs­ sigen Aggregatzustand aus dem Sammler 9 austretende dritte Kältemittel so, daß das dritte Kältemittel c an der Kühlstelle 11 aus seinem flüssigen in seinen gasförmigen Aggregatzustand übergeht.

Die hierfür benötigte Wärmeenergie ist die eigentliche Kühl­ leistung der vorstehend beschriebenen Kältemaschine.

In der Saugleitung 12 mischen sich das durch den Leitungszweig 16 herangeführte gasförmige erste Kältemittel a, das durch den Leitungszweig 17 herangeführte gasförmige zweite Kältemittel b und das durch den Leitungszweig 18 herangeführte gasförmige dritte Kältemittel c. Aus der Saugleitung 12 werden die gas­ förmigen Kältemittel a, b und c zum Verdichter 1 geführt.

Bei der vorstehend beschriebenen Ausführungsform wird im Ver­ dichter 1 ein Gasgemisch aus den drei Kältemitteln a, b und c verdichtet. Hierbei hat das Kältemittel a die höchste, das Kältemittel b eine mittlere und das Kältemittel c die nie­ drigste Verflüssigungstemperatur. Demgemäß steht an der Kühl­ stelle 11 eine hohe Temperaturdifferenz und demgemäß eine hohe Kälteleistung zur Verfügung.

Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 2 sind im eigentlichen Kältemittelskreislauf nur zwei Kältemittel vorgesehen. Dem­ gemäß weist der eigentliche Kältemittelkreislauf auch nur einen Wärmetauscher 5 auf, von dem aus das zweite Kältemit­ tel, welches eine niedrigere Verflüssigungstemperatur als das erste Kältemittel aufweist, über den Sammler 9 unmittel­ bar zur Kühlstelle 11 geführt wird. Ansonsten stimmt die Funk­ tion des eigentlichen Kältemittelkreislaufs mit derjenigen des ersten Ausführungsbeispiels überein.

Anstelle einer Luftkühlung ist im Falle des Ausführungsbei­ spiels gemäß Fig. 2 ein Nebenkältemittelkreislauf vorgesehen, mittels dem im Wärmetauscher 2 der eigentliche Kältemittel­ kreislauf so herabgekühlt wird, daß eines der beiden Kälte­ mittel des eigentlichen Kältemittelkreislaufs verflüssigt wird. Der Nebenkältemittelkreislauf 20 hat einen Verdichter 21, in den das einzige Kältemittel gasförmig eintritt und verdichtet wird. Stromab des Verdichters 21 ist ein luftgekühlter Kom­ pressor angeordnet, in dem das Kältemittel verflüssigt wird und aus dem es in einen Sammler 23 geführt wird. Aus dem Sammler 23 gerät das Kältemittel durch ein Expansionsventil 24 in den Kondensator 2. Das Expansionsventil 24 wird entsprechend dem Druck und der Temperatur auf der Saugseite des Verdichters 21 so gesteuert, daß das Kältemittel im Expansionsventil 24 so stark expandiert wird, daß es im Verflüssiger 2 aus seinem gasförmigen in seinen flüssigen Aggregatzustand übergeht. Hierbei entzieht es dem Gasgemisch aus den Kältemitteln des eigentlichen Kältemittelkreislaufs soviel Wärmeenergie, daß dasjenige Kältemittel des eigentlichen Kältemittelkreislaufs, welches eine höhere Verflüssigungstemperatur aufweist, aus seinem gasförmigen in seinen flüssigen Aggregatzustand über­ geht.

Claims (11)

1. Kältemaschine mit einem Verflüssiger (2), in dem ein erstes Kältemittel aus dem gasförmigen in den flüssigen Aggre­ gatzustand übergeht, einem Wärmetauscher (5), in dem das erste Kältemittel aus dem flüssigen in den gasförmigen Aggregatzu­ stand übergeht und die bei diesem Übergang benötigte Wärme­ energie einem zweiten Kältemittel entzieht, welches dadurch aus gasförmigen in den flüssigen Aggregatzustand übergeht, und einer Kühlstation (11), in der das zweite Kältemittel aus dem flüssigen in den gasförmigen Aggregatzustand übergeht und die bei diesem Übergang benötigte Wärmeenergie der zu kühlenden Umgebung entzieht, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Käl­ temittel stromab des Wärmetauschers (5) und das zweite Kälte­ mittel stromab der Kühlstation (11) in einer Saugleitung (12) eines Verdichters (1) zusammengeführt werden, in dem beide Kältemittel verdichtet und von dem aus sie in den Verflüssiger (2) geführt werden, und daß zwischen dem Verflüssiger (2) und dem Wärmetauscher eine Trennstufe (3) angeordnet ist, in der das flüssige erste Kältemittel vom gasförmigen zweiten Kälte­ mittel getrennt wird.

2. Kältemaschine nach Anspruch 1, bei der zwischen dem ersten Wärmetauscher (5) und der Kühlstation (11) ein zweiter Wärmetauscher (8) angeordnet ist, wobei ein drittes Kältemittel vorgesehen ist, welches den ersten Wärmetauscher (5) gemein­ sam mit dem zweiten Kältemittel durchläuft und dort im gas­ förmigen Aggregatzustand bleibt, wobei das zweite Kältemittel im zweiten Wärmetauscher (8) aus dem flüssigen in den gasför­ migen Aggregatzustand übergeht, stromab des zweiten Wärme­ tauschers in die Saugleitung (12) geführt wird und die bei dem Übergang benötigte Wärmeenergie dem dritten Kältemittel entzieht, welches dadurch aus dem gasförmigen in den flüs­ sigen Aggregatzustand übergeht, wobei das dritte Kältemittel in der Kühlstation (11) aus dem flüssigen in den gasförmigen Aggregatzustand übergeht, die bei diesem Übergang benötigte Wärmeenergie der zu kühlenden Umgebung entzieht und stromab der Kühlstation (11) in die Saugleitung (12) geführt wird, und wobei zwischen dem ersten Wärmetauscher (5) und dem zweiten Wärmetauscher (8) eine zweite Trennstufe (6) angeordnet ist, in der das flüssige zweite Kältemittel vom gasförmigen dritten Kältemittel getrennt wird.

3. Kältemaschine nach Anspruch 2, bei der zumindest ein wei­ teres Kältemittel, zumindest ein weiterer Wärmetauscher und zumindest eine weitere Trennstufe vorgesehen sind.

4. Kältemaschine nach einem der Ansprüche 1-3, bei der in der Saugleitung (12) des Verdichters (1) eine Vorverdichtungs­ stufe angeordnet ist.

5. Kältemaschine nach einem der Ansprüche 1-4, bei der in der Flüssigkeitszuleitung (13, 14, 15) jedes Wärmetauschers (5, 8) und der Kühlstation (11) ein Expansionsventil (4, 7, 10) durchströmendes flüssiges Kältemittel so stark expandiert wird, daß es im stromab angeordneten Wärmetauscher (5, 8) bzw. in der stromab angeordneten Kühlstation (11) aus dem flüssigen in den gasförmigen Aggregatzustand übergeht.

6. Kältemaschine nach Anspruch 5, bei der das Expansions­ ventil (4, 7, 10) entsprechend dem Druck und der Temperatur in dem aus dem Wärmetauscher (5, 8) bzw. aus der Kühlstation (11) zur Saugleitung (12) führenden Leitungszweig (16, 17, 18) geregelt wird.

7. Kältemaschine nach einem der Ansprüche 1-6, bei der der Verflüssiger (2) eine Luftkühlung (19) aufweist.

8. Kältemaschine nach einem der Ansprüche 1-6, bei der der Verflüssiger (2) mittels eines Kältemittelkreislaufs (20) ge­ kühlt wird.

9. Kühlverfahren, bei dem ein erstes Kältemittel in einem Verflüssiger (2) aus dem gasförmigen in den flüssigen Aggre­ gatzustand übergeht, bei dem das erste Kältemittel in einem Wärmetauscher (5) aus dem flüssigen in den gasförmigen Aggre­ gatzustand übergeht und die bei diesem Übergang benötigte Wärmeenergie einem zweiten Kältemittel entzieht, welches da­ durch aus dem gasförmigen in den flüssigen Aggregatzustand übergeht, und bei dem das zweite Kältemittel in einer Kühl­ station aus dem flüssigen in den gasförmigen Aggregatzustand übergeht und die bei diesem Übergang benötigte Wärmeenergie der zu kühlenden Umgebung entzieht, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Kältemittel stromab des Wärmetauschers (5) und das zweite Kältemittel stromab der Kühlstation (11) in einer Saugleitung (12) eines Verdichters (1) zusammengeführt wer­ den, daß beide Kältemittel im Verdichter (1) verdichtet und von dort in den Verflüssiger (2) geführt werden, und daß das gasförmige zweite Kältemittel und das flüssige erste Kälte­ mittel in einer zwischen dem Verflüssiger (2) und dem Wärme­ tauscher (5) angeordneten Trennstufe (3) voneinander getrennt werden.

10. Kühlverfahren nach Anspruch 9, bei dem zumindest ein wei­ teres Kältemittel in einer weiteren Trennstufe von den anderen Kältemitteln getrennt wird und einen weiteren Wärmetauscher durchläuft.

11. Kühlverfahren nach Anspruch 9 oder 10, bei dem die gas­ förmigen Kältemittel in der Saugleitung (12) vor dem Ver­ dichter (1) vorverdichtet werden.