DE4103406A1 - Verfahren zum betreiben einer kaelteanlage - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Kälteanlage, bei der ein Kältemittel mittels eines ölge­ schmierten Verdichters durch einen Kältemittelkreislauf gefördert wird, wobei Öl aus dem Verdichter in den Kälte­ mittelkreislauf gelangt.

Bei Kälteanlagen, die mit einem ölgeschmierten Verdichter arbeiten, befindet sich im Kältemittelkreislauf auch Öl, das den Verdichter als feiner Nebel verlassen hat und vom austretenden Kältemittelgas mitgeführt wird. In den früher verwendeten chlorhaltigen Kältemitteln konnte sich das Öl in der Regel gut lösen, so daß es mit dem Kältemittel zum Verdichter zurückgeführt werden konnte.

Aufgrund der inzwischen festgestellten umweltschädigenden Wirkungen der chlorhaltigen Kältemittel - man denke bei­ spielsweise an die Ozonproblematik und den Treibhauseffekt - wurden in den letzten Jahren alternative Kältemittel gesucht, die die bisherigen Kältemittel zunehmend ersetzen sollen. Es handelt sich dabei beispielsweise um chlorfreie Kältemittel wie NH₃, R 134a, R 125 und R 152a.

Da sich diese neuen chlorfreien Kältemittel nicht in den bekannten Ölen lösen, treten Probleme bei der Rückführung des Öls zum Verdichter auf. Aufgrund der hohen Viskosität des Öls bei tiefen Verdampfungstemperaturen des Kältemittels kann das Öl nicht mehr durch das Kältemittelgas im Kältemit­ telkreislauf vorwärtsgetrieben und so zum Verdichter zurück­ geführt werden.

Es wurden daher synthetische Öle wie Polyolester und Poly­ alkylenglykole entwickelt, die sich in den chlorfreien Kältemitteln begrenzt lösen. Diesen neuen Ölen haften aber erhebliche Nachteile an. Sie wirken z. B. auf gewisse Werk­ stoffe innerhalb des Kältemittelkreislaufs, beispielsweise auf elektrische Isolierungen und Dichtungsmaterialien aggressiv und besitzen stark hygroskopische Eigenschaften. Außerdem neigen sie zur Kupferplattierung und weisen eine ungenügende thermische Stabilität auf.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art so auszugestalten, daß auch bei der Verwendung ölunlöslicher Kältemittel eine weit­ gehende Rückführung des Öls zum Verdichter auf wirtschaft­ liche Weise erreicht wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß dem Kältemittel ein darin unlöslicher, jedoch im Öl löslicher Hilfsstoff zugesetzt wird, so daß zwei Phasen entstehen, die aus dem im wesentlichen ölfreien Kältemittel und einer Öl-Hilfsstoff-Lösung bestehen, daß die beiden Phasen inner­ halb des Kältemittelkreislaufs voneinander getrennt werden, das Öl vom Hilfsstoff befreit und zum Verdichter zurückge­ führt wird.

Die Erfindung ist insbesondere für die Anwendung bei chlor­ freien Kältemitteln oder anderen mit üblichen Ölen nicht löslichen Kältemitteln vorgesehen. Da diese Kältemittel aber im Hilfsstoff löslich sind, ist eine weitreichende Entölung des Kältemittels damit möglich. Es findet inner­ halb des Kältemittelkreislaufs ein stetiger Auswaschprozeß des Öles statt. Als Hilfsstoff wird vorzugsweise ein kurz­ kettiger Kohlenwasserstoff, z. B. Butan, Propan oder Pentan, verwendet. Herkömmliche Kältemaschinenöle mineralischer Herkunft sowie synthetische Öle auf Kohlenwasserstoffbasis sind in diesen Kohlenwasserstoffen in jedem Verhältnis löslich. Die Zugabe geringer Mengen an Hilfsstoff reicht aus, um einen stetigen Auswaschprozeß des Öles innerhalb des Kältemittelkreislaufs zu erreichen.

Das Öl läßt sich mit einem Ölaustreiber, wie er in der DE-PS 22 52 583 beschrieben ist, in einfacher Weise zurück­ gewinnen und an jede beliebige Stelle des Kältemittelkreis­ laufs, insbesondere in das Triebwerk des Verdichters, zu­ rückführen. Die Trennung der beiden Phasen, nämlich des im wesentlichen ölfreien Kältemittels auf der einen Seite und der Öl-Hilfsstoff-Lösung auf der anderen Seite, erfolgt zweckmäßigerweise mittels Aufschwimm-Verfahren (ähnlich Benzinabscheider DIN 1999). Hierzu wird beispielsweise eine Sammelflasche verwendet, die in den Kältemittelkreislauf eingeschaltet ist. Die Öl-Hilfsstoff-Lösung weist üblicher­ weise ein geringeres spezifisches Gewicht als das Kältemit­ tel auf, so daß in der Sammelflasche eine obenaufschwimmen­ de Öl-Hilfsstoff-Phase und eine darunterliegende reine Kältemittel-Phase entstehen. Die Öl-Hilfsstoff-Phase wird oben abgezogen und vorzugsweise einem Ölaustreiber, wie er in der DE-PS 22 52 583 beschrieben ist, zugeführt. Im Ölaus­ treiber wird das Öl aus der Öl-Hilfsstoff-Lösung ausgetrie­ ben und anschließend zum Verdichter zurückgeführt.

Die Phasentrennung erfolgt vorzugsweise auf der Hochdruck­ seite der Kälteanlage. Auf diese Weise wird eine Abwanderung von Öl auf die Verdampferseite der Kälteanlage weitgehend vermieden, so daß der Verdampfer mit praktisch reinem Kälte­ mittel betrieben werden kann.

Auch wenn etwas Öl bei unvollständiger Trennung der Öl- Hilfsstoff-Phase vom Kältemittel auf der Hochdruckseite der Kälteanlage in den Verdampferteil der Kälteanlage abwandern sollte, so ist dennoch eine vollständige Rückführung des Öls zum Verdichter gewährleistet. Die Öl-Hilfsstoff-Lösung weist nämlich benzinartige Fließeigenschaften auf und gelangt in einer Zweiphasenströmung mit dem Kältemittel­ dampf wieder in den Verdichter.

Obwohl mit einem etwas höheren Betriebsdruck der Kälte­ anlage gerechnet werden muß (es gilt das Daltonsche Gesetz P_ges=Σ P₁′ + P₂ß + P₃′ + P_iß), hat dies kaum einen nachteiligen Einfluß auf den Leistungsbedarf des Käl­ temittelverdichters, weil die Dampfdruckkurven des Kältemit­ tels und des Hilfsstoffs bei einfach logarithmischer Dar­ stellung nahezu parallel verlaufen und das für den Lei­ stungsbedarf bestimmende Druckverhältnis zwischen dem Verflüssigungs- und Verdampfungsdruck P_c : P_o gleich bleibt. Es darf davon ausgegangen werden, daß beim Abkühlen des mit dem Hilfsstoff gesättigten Kältemittels innerhalb des Verdampfers - nach der Expansion des Kältemittels - immer eine Übersättigung herrscht und das Daltonsche Ge­ setz sowohl für die Verflüssigung als auch für die Verdamp­ fung gültig ist.

Im folgenden wird die Erfindung anhand eines in der Zeichnung schematisch dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert:
Die Figur zeigt ein Fließschema einer Kälteanlage mit einer Ölauswascheinrichtung.

In dem Schema ist ein üblicher Kältemittelkreislauf dar­ gestellt, bestehend aus einem Kältemittelverdichter 1 mit nachgeschaltetem Ölabscheider 2, einem Verflüssiger 4 mit einer Sammelflasche 5, einer Expansionseinrichtung 6 für das Kältemittel sowie einem Kältemittelverdampfer 7. Ab­ weichend gegenüber einem üblichen Kältemittelkreislauf ist an die Sammelflasche 5 ein Ölaustreiber 3 angeschlossen, wie er in der DE-PS 22 52 583 beschrieben ist.

Nach Inbetriebnahme der Kälteanlage, die mit ölunlöslichem NH₃ als Kältemittel betrieben wird, wird zunächst soviel Butan als Waschmittel für das Öl zugesetzt bis an einem zum Beispiel in einer Verbindungsleitung 9 zwischen der Sammel­ flasche 5 und dem Ölaustreiber 3 installierten Schauglas 8 eindeutig das Zweiphasensystem Kältemittel/Butan-Öl-Gemisch sichtbar wird.

Das Butan-Öl-Gemisch weist ein geringeres spezifisches Gewicht als das Kältemittel auf und schwimmt deshalb in der Sammelflasche 5 obenauf (12). Von dort wird das Butan-Öl- Gemisch mittels eines Entnahmerohres 10 entnommen und mittels der Verbindungsleitung 9 über das Schauglas 8 und ein Rückschlagventil 30 dem Ölaustreiber 3 zugeführt. Der Ölaustreiber 3 wird mit heißem Kältemitteldruckgas beheizt. Das Rückschlagventil 30 weist eine in Gasströmungsrichtung gegen eine Vorspannung öffnende Rückschlagklappe mit min­ destens einer Bohrung auf. Bei Öffnung der Rückschlagklappe tritt im Ölaustreiber entstehendes Gas ungehindert mit gleichbleibender Geschwindigkeit durch die Verbindungs­ leitung 9 zur Sammelflasche 5 zurück. Bei Schließen der Rückschlagklappe läßt die Bohrung in der Rückschlagklappe flüssiges Butan-Öl-Gemisch, der Heizleistung entsprechend angepaßt, dosiert wieder dem Ölaustreiber 3 zulaufen. Aus­ getriebenes Öl wird über Leitung 11 abgezogen und direkt in das Triebwerk des Verdichters 1 zurückgeführt.

Die in der Sammelflasche 5 unten liegende reine Kältemittel­ phase 13 wird über Leitung 14 abgezogen und über die Expan­ sionseinrichtung 6 und den Verdampfer 7 zum Verdichter 1 zurückgeleitet.

Da das Öl auf der Hochdruckseite der Kälteanlage durch das zugesetzte Butan weitgehend aus dem Kältemittel ausge­ waschen wird und das Öl mittels der Sammelflasche 5 und des Ölaustreibers 3 vollständig zurückgewonnen wird, wandert praktisch kein Öl (wie bei herkömmlichen Verfahren üblich) auf die Verdampferseite ab. Der Verdampfer kann also mit reinem Kältemittel betrieben werden, was sich günstig auf die Wirtschaftlichkeit und Betriebssicherheit der Kälte­ anlage auswirkt.

Claims (6)

1. Verfahren zum Betreiben einer Kälteanlage, bei der ein Kältemittel mittels eines ölgeschmierten Verdichters durch einen Kältemittelkreislauf gefördert wird, wobei Öl aus dem Verdichter in den Kältemittelkreislauf ge­ langt, dadurch gekennzeichnet, daß dem Kältemittel ein darin unlöslicher, jedoch im Öl löslicher Hilfsstoff zugesetzt wird, so daß zwei Phasen entstehen, die aus dem im wesentlichen ölfreien Kältemittel (13) und einer Öl-Hilfsstoff-Lösung (12) bestehen, daß die beiden Phasen (12, 13) innerhalb des Kältemittelkreislaufs voneinander getrennt werden, das Öl vom Hilfsstoff befreit und zum Verdichter (1) zurückgeführt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein chlorfreies Kältemittel verwendet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß als Hilfsstoff ein kurzkettiger Kohlenwasserstoff verwendet wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Phasentrennung von Kältemittel (13) und Öl-Hilfsstoff-Lösung (12) mittels Aufschwimm- Verfahren durchgeführt wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß aus der vom Kältemittel abgetrennten Öl-Hilfsstoff-Lösung das Öl ausgetrieben wird (3) und anschließend zum Verdichter (1) zurückgeführt wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Phasentrennung von Kältemittel (13) und Öl-Hilfsstoff-Lösung (12) auf der Hochdruck­ seite der Kälteanlage durchgeführt wird.