DE4303533A1 - Verfahren zur Begrenzung der Heißgastemperatur in einem Kältemittelkreislauf und Expansionsventil - Google Patents

Verfahren zur Begrenzung der Heißgastemperatur in einem Kältemittelkreislauf und Expansionsventil

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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Begrenzung der Heißgastemperatur (Verdichtungsendtemperatur) durch Einspritzen von Kältemittel bei einem Kältemittelkreislauf mit einem Expansionsventil, einem Verdampfer, einem Verdichter und einem Kondensator, wobei das Expansionsventil in Abhängigkeit von der Überhitzungstemperatur des Verdampfers gesteuert wird. Außerdem betrifft die Erfindung ein Expansionsventil zur Durchführung des Verfahrens.
Derartige Kältemittelkreisläufe liegen bei Wärmepumpen oder Kühlaggregaten vor. Bei einem solchen bekannten Verfahren ist für die Begrenzung der Heißgastemperatur durch Einspritzen des Kältemittels ein neben dem Expansionsventil zusätzliches Einspritzventil vorgesehen. Dieses spritzt im Bedarfsfall flüssiges Kältemittel von der Hochdruckseite des Kältemittelkreises hinter dem Verflüssiger unmittelbar vor dem Verdichter in den überhitzten Saugdampf ein. Mit diesem Einspritzen im Kreislauf hinter dem Verflüssiger ist eine Leistungsminderung verbunden, da die Enthalpie des vom Verdichter angesaugten Kältemittels herabgesetzt ist. Außerdem erhöht das zusätzlich zum Expansionsventil nötige Einspritzventil den Bauaufwand.
In der älteren Patentanmeldung P 42 06 926 ist ein Verfahren der eingangs genannten Art beschrieben. Dort wird das eingespritzte Kältemittel vom das Expansionsventil steuernden Temperaturfühler thermisch entkoppelt, um das Regelverhalten des Expansionsventils nicht durch die Kältemitteleinspritzung zu stören.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren der eingangs genannten Art vorzuschlagen, das einen vereinfachten Aufbau des Kältemittelkreises bei verbesserter Leistung erlaubt. Weiterhin ist es Aufgabe der Erfindung, ein Expansionsventil zur Durchführung des Verfahrens vorzuschlagen.
Erfindungsgemäß wird bei einem Verfahren der eingangs genannten Art das Expansionsventil zusätzlich von der Verdichtungsendtemperatur in der Weise gesteuert, daß beim Erreichen eines oberen Grenzwertes der Verdichtungsendtemperatur das Expansionsventil mit Vorrang gegenüber seiner überhitzungstemperaturabhängigen Steuerung Kältemittel in den Verdampfer einspritzt, bis der obere Grenzwert der Verdichtungsendtemperatur wieder unterschritten wird.
Dadurch, daß das zur Begrenzung der Verdichtungsendtemperatur nötige Kältemittel im Kreislauf vor dem Verdampfer und nicht hinter diesem eingespritzt wird, bleibt die Leistung auch in diesem Betriebszustand erhalten. Bei der Erfindung wird - anders als beim Stand der Technik - durch das eingespritzte Kältemittel nicht das im Verdampfer überhitzte Kältemittel abgekühlt, sondern das eingespritzte Kältemittel nimmt am Verdampfungsvorgang teil, wobei die Verdampfungstemperatur steigt, und der zur Ablenkung der Verdichtungsendtemperatur nahe der Sättigungskurve nötige Saugdampf gelangt aus dem Verdampfer zum Verdichter. Eine Absenkung der Überhitzung stört bei diesem Betriebszustand nicht, ist sogar erwünscht.
Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, daß kein eigenes Einspritzventil erforderlich ist, sondern das Expansionsventil dessen Funktion übernimmt.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung und ein Expansionsventil zur Durchführung des Verfahrens ergeben sich aus den Patentansprüchen und der folgenden Beschreibung. In der Zeichnung zeigen:
Fig. 1 einen Kältemittelkreislauf mit einem thermostatisch gesteuerten Expansionsventil,
Fig. 2 einen Kältemittelkreislauf mit einem elektronisch gesteuerten Expanionsventil und
Fig. 3 ein Expansionsventil für den Kältemittelkreislauf nach Fig. 1.
In einem Kältemittelkreislauf liegt ein Verdichter (1) der über eine Heißgasleitung (2) an einen Kondensator (3) angeschlossen ist. Der Kondensator (3) ist über einen Flüssigkeitssammler (4) und eine Hochdruckleitung (5) an ein Expansionsventil (6) angeschlossen. Diesem ist über eine Leitung (7) ein Verdampfer (8) nachgeschaltet, der über eine Saugdampfleitung (9) mit dem Verdichter (1) verbunden ist.
Die Verdichtungsendtemperatur (T1) wird mittels eines Temperaturfühlers (10) an der Heißgasleitung (2) erfaßt. Die Überhitzungstemperatur (T2) wird mittels eines Temperaturfühlers (11) an der Saugdampfleitung (9) erfaßt. Beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 wird zusätzlich die Verdampfungstemperatur (T3) mittels eines Temperaturfühlers (12) an der Leitung (7) erfaßt.
Die Temperaturfühler (10, 11 bzw. 12) steuern das Expansionsventil (6). Die Verdichtungsendtemperatur (T1) soll einen zwischen 110°C und 140°C liegenden Grenzwert nicht überschreiten.
Solange die Verdichtungsendtemperatur (T1) den Grenzwert nicht erreicht, steuert das Expansionsventil (6) in Abhängigkeit von der Überhitzungstemperatur (T2) und der Verdampfungstemperatur (T3) in an sich bekannter Weise den das Expansionsventil (6) durchströmenden Strom des Kältemittels so, daß die Überhitzung (T2-T3) in einem gewünschten Bereich liegt (vgl. Fig. 1).
Übersteigt die Verdichtungsendtemperatur (T1) den Grenzwert, dann wird über den Temperaturfühler (10) das Expansionsventil (6) so angesteuert, daß sich der das Expansionsventil (6) durchströmende Kältemittelstrom unabhängig von der sich dann einstellenden Überhitzung (T2-T3) vergrößert. Dem Verdichter (1) steht nun vermehrt Saugdampf, gegebenenfalls auch mit flüssigem Anteil, zur Verfügung, so daß die Verdichtungsendtemperatur sich wieder unter den genannten Grenzwert erniedrigt. Die Steuerung des Expansionsventils (6) wird danach wieder in Abhängigkeit von der Überhitzung (T2-T3) durchgeführt. Ein derartiges Expansionsventil wird weiter unten anhand von Fig. 3 beschrieben.
Bei der Ausführung nach Fig. 2 ist das Expansionsventil (6) von einer elektronischen Regeleinrichtung (13), beispielsweise einem Mikroprozessor, gesteuert. Die Regeleinrichtung (13) erfaßt die Differenz zwischen der jeweiligen Verdampfungstemperatur (T3) und der Überhitzungstemperatur (T2) und steuert in Abhängigkeit von dieser Differenztemperatur das Expansionsventil (6), solange die Verdichtungsendtemperatur (T1) ihren oberen Grenzwert noch nicht erreicht. Wird der obere Grenzwert der Verdichtungsendtemperatur (T1) erreicht, dann steuert die Regeleinrichtung (13) vorrangig in Abhängigkeit von der Verdichtungsendtemperatur (T1) das Expansionsventil (6), wobei das Expansionsventil (6) weiter öffnet, so daß infolge des Saugdampfstromes die Verdichtungsendtemperatur (T1) den Grenzwert wieder unterschreitet.
Das Expansionsventil (6) weist eine erste, mit einem Membran (14) abgeschlossene Meßkammer (15) auf, die an der mit einem temperaturempfindlichen Medium gefüllten Temperaturfühler (10) angeschlossen ist, welcher die Verdichtungsendtemperatur (T1) erfaßt. Außerdem ist eine mit einer Membran (16) abgeschlossene zweite Meßkammer (17) vorgesehen, die an den mit einem temperaturempfindlichen Medium gefüllten Temperaturfühler (11) angeschlossen ist, der die Überhitzungstemperatur (T2) erfaßt.
Die Membran (14) trägt einen Stift (18), der über einen beweglichen Abschnitt (19) einer die Meßkammer (17) begrenzenden Trennwand (20) auf die Membran (16) einwirken kann. Die Membran (16) trägt einen durch eine Abdichtung (21) geführten Stößel (22), welchem einem Ventilkörper (23) gegenübersteht, der zwischen der Hochdruckleitung (5) und der zum Verdampfer (8) führenden Leitung (7) angeordnet, ist. Der Ventilkörper (23) ist mittels einer Druckfeder (24) in Richtung seines Ventilsitzes (25) belastet. Auf der dem Ventilkörper (23) abgewandten Seite der Abdichtung (21) kann ein dem Druckausgleich dienender Anschlußstutzen (26) vorgesehen sein.
Solange die Verdichtungsendtemperatur (T1) unterhalb ihres Grenzwerts liegt, besteht zwischen dem Stift (18) und der Membran (16) ein Freihub (H). In Abhängigkeit von dem durch die Überhitzungstemperatur (T2) im Temperaturfühler (11) und damit in der Meßkammer (17) herrschenden Druck wird die Membran (16) mehr oder weniger ausgelenkt und damit der Stößel (22) entsprechend verschoben, so daß er den Ventilkörper (23) mehr oder weniger gegen die Kraft der Druckfeder (24) verschiebt, worauf sich ein entsprechender Massestrom des Kältemittels von der Hochdruckleitung (5) in die Leitung (7) einstellt.
Übersteigt die Verdichtungsendtemperatur (T1) ihren Grenzwert, dann wirkt der Stift (18) auf die Membran (16) und verschiebt dadurch den Stößel (22), der nun den Ventilkörper (23) so beaufschlagt, daß sich der Strom des Kältemittels zum Verdampfer (8) vergrößert. Dies hat zur Folge, daß die Verdichtungsendtemperatur (T1) wieder absinkt und sich dadurch der Stift (18) von der Membran (16) abhebt, so daß deren Auslenkung danach nun wieder von der Überhitzungstemperatur (T2) abhängt.

Claims (5)

1. Verfahren zur Begrenzung der Heißgastemperatur (Verdichtungsendtemperatur) durch Einspritzen von Kältemittel bei einem Kältemittelkreislauf mit einem Expansionsventil, einem Verdampfer, einem Verdichter und einem Kondensator, wobei das Expansionsventil in Abhängigkeit von der Überhitzungstemperatur des Verdampfers gesteuert wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Expansionsventil (6) zusätzlich von der Verdichtungsendtemperatur (T1) in der Weise gesteuert wird, daß beim Erreichen eines oberen Grenzwertes der Verdichtungsendtemperatur (T1) das Expansionsventil (6) mit Vorrang gegenüber seiner überhitzungstemperaturabhängigen Steuerung Kältemittel in den Verdampfer (8) einspritzt, bis der obere Grenzwert der Verdichtungsendtemperatur (T1) wieder unterschritten wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß unterhalb des oberen Grenzwerts der Verdichtungsendtemperatur (T1) das Expansionsventil (6) durch die Differenz zwischen der Verdampfungstemperatur (T3) am Eingang des Verdampfers (8) und der Überhitzungstemperatur (T2) am Ausgang des Verdampfers (8) gesteuert wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Expansionsventil (6) von einer elektronischen Regelschaltung (13) gesteuert wird, die die Verdampfungstemperatur (T3), die Überhitzungstemperatur (T2) und die Verdichtungsendtemperatur (T1) erfaßt.
4. Expansionsventil zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwei mit Membranen (14, 16) abgeschlossene Meßkammern (15, 17) vorgesehen sind, wobei an die eine Meßkammer (15) ein die Verdichtungsendtemperatur (T1) erfassender Temperaturfühler (10) und an die zweite Meßkammer (17) ein die Überhitzungstemperatur (T2) erfassender Temperaturfühler (11) anschließbar ist, und daß die Membranen (14, 16) mit einem Ventilkörper (23) in Wirkverbindung stehen, der den das Expansionsventil (6) durchströmenden Kältemittelstrom steuert.
5. Expansionsventil nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Membran (14) der die Verdichtungsendtemperatur (T1) erfassenden Meßkammer (15) mit der anderen, auf den Ventilkörper (23) wirkenden Membran (16) in Wirkverbindung steht und daß unterhalb des Grenzwerts der Verdichtungsendtemperatur (T1) ein Freihub (H) zwischen den Membranen (14, 16) besteht.
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