DE4430497A1 - Verfahren zur Einstellung der statischen Überhitzung an Expansionsventilen für Kältemittelkreisläufe - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Einstellung der statischen Überhitzung an einem thermostatischen Expansionsventil, das einen Kondensateinlaß, einen über einen mittels einer Steuermembran betätigten, in Schließ­ stellung durch eine vorgespannte Stellfeder beaufschlag­ ten Ventilkörper verschließbaren Ventilsitz mit dem Kondensateinlaß verbundenen verdampferseitigen Ventil­ auslaß, einen die Steuermembran in Schließstellung mit verdampferseitigem Kältemitteldruck beaufschlagenden Steuerraum und einen auf der gegenüberliegenden Seite der Steuermembran angeordneten, mit einem Gasraum eines an einem Verdampferausgang thermisch ankoppelbaren, ein gasförmiges Adsorptiv und ein festes Adsorbens enthal­ tenden Adsorptions-Thermofühlers kommunizierenden Steu­ erraum aufweist.

Das Expansionsventil bewirkt im Kältemittelkreislauf eine Drosselung des Kältemitteldrucks und hat die Auf­ gabe, die Überhitzung des Kältemittels am Verdampfer­ ausgang zu regeln, mit dem Ziel, den dem Verdampfer nachgeordneten Verdichter vor unzulässigen Flüssigkeits­ schlägen zu schützen und einen an die Leistungsanforde­ rung angepaßten guten Füllungsgrad des Verdampfers zu bewirken. Unter Überhitzung wird die Erwärmung des ver­ dampften Kältemittels über die Verdampfungstemperatur hinaus verstanden, die erst nach vollständiger Verdamp­ fung des Kältemittels innerhalb des Verdampfers erfol­ gen kann. Durch die Regelung der Überhitzung wird also erreicht, daß dem Verdampfer genau die Menge flüssigen Kältemittels zugeführt wird, die dort aufgrund der Wär­ mezufuhr vollständig verdampfen kann.

Der Adsorptions-Thermofühler enthält als Steuerfüllung ein geeignetes Gas oder Gasgemisch als Adsorptiv und ein aus einem Feststoff mit großer Oberfläche bestehen­ des Adsorbens. Als Adsorbentien kommen beispielsweise Aktivkohle, Silikagel oder Molekularsiebe in Betracht, während als Adsorptiv überwiegend CO₂ und CH₄ verwendet werden. Die Adsorption des Adsorptivs am Adsorbens ist temperaturabhängig mit in weitem Bereich nahezu linea­ rer Druck-/Temperaturcharakteristik, die für die Über­ hitzungsregelung mit Hilfe eines thermostatischen Ex­ pansionsventils besonders vorteilhaft ist.

Für die optimale Regelung eines Kältemittelkreislaufs ist bei vorgegebenem Kältemittel durch konstruktive Auslegung des Expansionsventils einerseits und der Ab­ stimmung der Adsorberfüllung andererseits dafür zu sor­ gen, daß in einem vorgegebenen Arbeitsbereich der Ver­ dampfertemperatur sich eine weitgehend konstante stati­ sche Überhitzung von beispielsweise 3 bis 6 K am Ver­ dampferausgang ergibt. Die bekannten thermostatischen Expansionsventile werden für jedes in der Praxis vor­ kommende Kältemittel durch Wahl der genannten Parameter werksseitig eingestellt und gegebenenfalls am Lager vorgehalten.

In gewerblichen Kompressions-Kältemaschinen wurden bis­ her vorrangig je nach Anwendungsspektrum die Kältemit­ tel R12, R22 und R502 eingesetzt. Künftig wird von die­ sen Kältemitteln nur noch R22 erlaubt sein, und auch dieses nur als Übergangslösung für einen begrenzten Zeitraum. Der wesentliche Grund ist das - wenn auch nur geringe - Ozonabbaupotential. In der Kälte- und Klima­ branche werden daher eine Vielzahl chlorfreier Alterna­ tivkältemittel untersucht und in der Praxis erprobt, die die genannten Standardkältemittel künftig ersetzen sollen. Maßgebliche Auswahlkriterien sind neben dem Ozonabbaupotential und dem direkten Treibhauspotential auch der Energiebedarf (indirekter Treibhauseffekt).

Die Vielzahl der zur Verfügung stehenden Ersatzkälte­ mittel zwingen bei ihrem Einsatz in Kälteanlagen zur Verwendung von entsprechend ausgelegten und einjustier­ ten thermostatischen Expansionsventilen. Bisher wurden diese jeweils werksseitig an das individuelle Kältemit­ tel angepaßt, auf Lager gelegt und bei Bedarf an den Kunden abgegeben. Mit zunehmender Anzahl an Ersatzkäl­ temitteln, die zum Teil auch nur versuchsweise einge­ setzt werden, führt dies jedoch bei der Lagerhaltung zu einer zunehmend unübersichtlichen Vielfalt.

Ausgehend hiervon liegt der Erfindung die Aufgabe zu­ grunde, ein Verfahren zur Einstellung der statischen Überhitzung eines Expansionsventils zu entwickeln, das mit einfachen Mitteln eine Umstellung auf unterschied­ liche Ersatzkältemittel ermöglicht.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird die im Patentanspruch 1 angegebene Merkmalskombination vorgeschlagen. Eine vor­ teilhafte Ausgestaltung des Erfindungsgedankens findet sich im Unteranspruch.

Die erfindungsgemäße Lösung macht sich die Erkenntnis zunutze, daß die Dampfdruckkurven verschiedener Ersatz­ kältemittel einen ähnlichen Verlauf aufweisen, der durch Anpassung einer linearen Temperatur-/Druckkurve eines Adsorptions-Thermofühlers zu einem im Betrag zwar ver­ schiedenen, in einem weiten Arbeitsbereich jedoch weit­ gehend konstanten Differenztemperaturverlauf an der Membran des Expansionsventils umgesetzt werden kann. Um eine definierte statische Überhitzung einzustellen, braucht daher nur die Vorspannung der Stellfeder in ge­ eigneter Weise an die Dampfdruckkurve des jeweiligen Ersatzkältemittels angepaßt zu werden. Um dies zu er­ möglichen, wird gemäß der Erfindung vorgeschlagen, daß das thermostatische Expansionsventil für ein Basiskäl­ temittel unter Anpassung der Zusammensetzung und Füll­ menge des Adsorptivs und des Adsorbens im Adsorber-Ther­ mofühler und der Membranabmessungen an die Dampfdruck­ kurve des Basiskältemittels und durch Einstellung einer definierten Vorspannung der Stellfeder in einem vorge­ gebenen Arbeitsbereich der Verdampfertemperatur auf ei­ ne im wesentlichen konstante statische Überhitzung ein­ justiert wird, und daß das so einjustierte Expansions­ ventil bei Einsatz in einem mit einem vom Basiskälte­ mittel verschiedenen Ersatzkältemittel gefüllten Käl­ temittelkreislauf hinsichtlich der Vorspannung seiner Stellfeder nach Maßgabe einer an die gegenseitige Ab­ weichung der Dampfdruckkurven des Ersatzkältemittels und des Eichkältemittels angepaßten Verstellvorschrift verstellt wird.

Gemäß einer vorteilhaften und praxisnahen Ausgestaltung der Erfindung wird die Vorspannung der Stellfeder durch nach Maßgabe der Verstellvorschrift gerichtetes und abgezähltes Verdrehen eines gegen die Stellfeder ein­ wirkenden Schrauborgans verstellt.

Im folgenden wird die Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 ein Schema einer Kälteanlage mit einem thermo­ statischen Expansionsventil;

Fig. 2 ein Schema eines thermostatischen Expansions­ ventils mit Adsorptions-Thermofühler;

Fig. 3 ein Diagramm für den Dampfdruckverlauf verschie­ dener Ersatzkältemittel;

Fig. 4 ein Diagramm für den schematischen Druck-Tempe­ raturverlauf des Adsorptions-Thermofühlers;

Fig. 5 ein Diagramm für die Verstellvorschrift zur An­ passung eines vorjustierten thermostatischen Expansionsventils an unterschiedliche Ersatz­ kältemittel.

Die in Fig. 1 schematisch dargestellte Kälteanlage weist einen Kältemittelkreislauf mit einem Verdampfer 10, einem mit einem Motor 12 angetriebenen Verdichter 14, einem Kondensator 16 und einem zwischen Kondensator 16 und Verdampfer 10 angeordneten thermostatischen Ex­ pansionsventil 18 auf. Das vom Verdampfer 10 kommende gasförmige Kältemittel wird im Verdichter 14 kompri­ miert und im Kondensator 16 unter Wärmeabgabe (Pfeile 17) verflüssigt und tritt als Kondensat unter dem Druck p_c in den Kondensateinlaß 20 des Expansionsventils 18 ein. Dort wird das Kondensat in einem aus einem Ventil­ sitz 22 und einem Ventilkörper 24 bestehenden Drossel­ organ nach Maßgabe der mit dem Fühler 26 am Ausgang 28 des Verdampfers 10 gemessenen Temperatur und dem im Verdampfer herrschenden Druck P_o entspannt und über den verdampferseitigen Ventilaustritt 30 in Form eines zwei­ phasigen, flüssig/dampfförmigen Gemischs dem Verdampfer 10 zugeführt. Im Verdampfer 10 wird das flüssige Kälte­ mittel unter Wärmeaufnahme (Pfeile 32) verdampft, so daß am Verdampferausgang 28 nur noch gasförmiges und überhitztes Kältemittel austritt und über die Sauglei­ tung 34 dem Verdichter 14 zugeführt wird.

Das thermostatische Expansionsventil 18 hat die Aufgabe dem Verdampfer 10 genau die Menge flüssigen Kältemit­ tels zuzuführen, die dort aufgrund der Wärmezufuhr 32 verdampfen kann. Es regelt am Verdampferaustritt 28 ei­ ne Überhitzung des Sauggases und bildet daher einen Überhitzungsregler.

Das thermostatische Expansionsventil 18 enthält zu die­ sem Zweck eine Steuermembran 36, die über einen Ventil­ stößel 38 mit dem Ventilkörper 24 verbunden ist, und die auf der Ventilseite über eine Steuerkammer 40 mit dem verdampferseitigen Druck p_o und auf der gegenüber­ liegenden Seite über eine Steuerkammer 42 und eine Ka­ pillarleitung 44 mit dem fühlerseitigen Druck p_t beauf­ schlagbar ist. Der Ventilkörper 24 ist zusätzlich in Schließrichtung mit der Kraft einer Stellfeder 46 be­ aufschlagbar, deren Vorspannung mittels eines Schraub­ organs 48 einstellbar ist. Der als Adsorptions-Thermo­ fühler ausgebildete Temperaturfühler 26 enthält ein aus einem Feststoff mit großer Oberfläche bestehendes Ad­ sorbens 50 sowie eine Gasfüllung als Adsorptiv 52, die auch den mit dem Fühler kommunizierenden Gasraum in der Kapillarleitung 44 und der Steuerkammer 42 unter Druck­ ausgleich ausfüllt.

Auf der Unterseite der Steuermembran 36 wirkt somit der Verdampfungsdruck p_o des Kältemittels im Verdampfer 10 und der Federdruck p_f, den die Stellfeder 46 auf den Ventilkörper 24 ausübt. Auf der Oberseite wirkt der Gasdruck p_t im Thermofühler 26, der im wesentlichen proportional zur Fühlertemperatur am Verdampferausgang 28 ist (vgl. Fig. 4).

Zur werksseitigen Einstellung einer vorgegebenen stati­ schen Überhitzung über einen gegebenen Arbeitsbereich wird das Expansionsventil 18 in einen Prüfstand einge­ baut, der mit einem definierten Dampfdruck des Basis­ kältemittels R₀ in Abhängigkeit der Verdampfungstempe­ ratur beaufschlagt wird. Der Adsorptions-Thermofühler 26 wird vorher mit dem Adsorptiv in geeigneter Zusam­ mensetzung und Füllmenge bei vorgegebener Fühlertempe­ ratur in Anpassung an die Membranabmessungen und an die Dampfdruckkurve des Basiskältemittels 1% gefüllt und verschlossen. Durch Einstellung einer definierten Vor­ spannung der Stellfeder wird in einem vorgegebenen Ar­ beitsbereich der Verdampfungstemperatur eine im wesent­ lichen konstante statische Überhitzung Δt_oh einjustiert und die Einstellung zweckmäßig an der Stellschraube 48 markiert. Das so einjustierte Expansionsventil kann beim Einsatz in einen Kältemittelkreislauf, der mit ei­ nem vom Basiskältemittel R₀ verschiedenen Ersatzkälte­ mittel R₁, R₂ gefüllt ist, nach Maßgabe einer an die Abweichung zwischen den Dampfdruckkurven des betreffen­ den Ersatzkältemittels und des Basiskältemittels ange­ paßten Verstellvorschrift ohne Nacheichung umgestellt werden. Die Umstellung erfolgt dabei zweckmäßig durch Verdrehen des Schrauborgans 48 in einer durch die Ver­ stellvorschrift vorgegebene Richtung (+/-) und Anzahl der Umdrehungen (U). Die Dampfdruckkurven verschiedener Kältemittel R₀, R₁ und R₂ finden sich im Diagramm nach Fig. 3, während die bei einer vorgegebenen, im Prüf­ stand einjustierten Überhitzungstemperatur von z. B. Δt_oh = 4K sich ergebende Verstellvorschrift aus dem Diagramm nach Fig. 5 ergibt. Würde das Stellorgan 48 im Kältemittelkreislauf mit dem Ersatzkältemittel nicht nachgestellt werden, so würde sich beim Betrieb im vor­ gegebenen Arbeitsbereich eine nicht optimale, zu große (R₁) oder zu kleine (R₂) statische Überhitzung ergeben.

Zusammenfassend ist folgendes festzustellen: Die Erfin­ dung bezieht sich auf ein Verfahren zur Einstellung der statischen Überhitzung an Expansionsventilen für Kälte­ mittelkreisläufe. Die Einstellung erfolgt dadurch, daß das Expansionsventil zunächst für ein Basiskältemittel R₀ auf eine in einem vorgegebenen Arbeitsbereich der Verdampfertemperatur im wesentlichen konstante stati­ sche Überhitzungstemperatur Δt_oh einjustiert wird und daß es beim Einsatz mit einem vom Basiskältemittel R₀ verschiedenen Ersatzkältemittel R₁, R₂ gefüllten Kälte­ mittelkreislauf hinsichtlich der Vorspannung seiner Stellfeder 46 nach Maßgabe einer an die Abweichung zwi­ schen den Dampfdruckkurven des Ersatzkältemittels und des Basiskältemittels angepaßten Verstellvorschrift verstellt wird.

Claims (2)

1. Verfahren zur Einstellung der statischen Überhit­ zung an einem thermostatischen Expansionsventil (18), das einen Kondensateinlaß (20), einen über einen mittels einer Steuermembran (36) betätigba­ ren, in Schließrichtung durch eine vorgespannte Stellfeder (46) beaufschlagten Ventilkörper (24) verschließbaren Ventilsitz (22) mit dem Kondensat­ einlaß (20) verbundenen verdampferseitigen Ventil­ auslaß (30), einen die Steuermembran (36) in Schließ­ richtung des Ventilkörpers (22) mit verdampfersei­ tigem Kältemitteldruck beaufschlagenden Steuerraum (40) und einen auf der gegenüberliegenden Seite der Steuermembran (36) angeordneten, mit einem Gasraum eines geschlossenen, an einen Verdampferausgang (28) eines Kältemittelkreislaufs thermisch ankop­ pelbaren, ein gasförmiges Adsorptiv und ein festes Adsorbens enthaltenden Adsorptions-Thermofühler (26) kommunizierenden Steuerraum aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß das Expansionsventil (18) für ein Basiskältemittel (R₀) unter Anpassung der Zu­ sammensetzung und Füllmenge des Adsorptivs und des Adsorbens im Adsorptions-Thermofühler (26) und der mechanischen Beschaffenheit und Abmessungen der Steuermembran (36) an die Dampfdruckkurve des Ba­ siskältemittels (R₀) sowie durch Einstellung einer definierten Vorspannung der Stellfeder (46) in ei­ nem vorgegebenen Arbeitsbereich der Verdampfertem­ peratur auf eine im wesentlichen konstante stati­ sche Überhitzung (Δt_oh) einjustiert wird, und daß das so einjustierte Expansionsventil bei Einsatz in einem mit einem vom Basiskältemittel (R₀) verschie­ denen Ersatzkältemittel (R₁, R₂) gefüllten Kälte­ mittelkreislauf hinsichtlich der Vorspannung seiner Stellfeder (46) nach Maßgabe einer an die Abwei­ chung zwischen den Dampfdruckkurven des Ersatzkäl­ temittels und des Basiskältemittels angepaßten Ver­ stellvorschrift verstellt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorspannung der Stellfeder (46) durch nach Maßgabe der Verstellvorschrift gerichtetes und ab­ gezähltes Verdrehen eines gegen die Stellfeder ein­ wirkenden Schrauborgans (48) verstellt wird.