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Regelungsvorrichtung für eine Kompressionskältemaschine mit Schleuderverdichter.
Die Erfindung bezieht sich auf Kühlsysteme jener Art, bei welchen eine verdampfbare
Flüssigkeit in einem Verdampfer durch die der zu kühlenden Flüssigkeit entnommene
Wärme verdampft wird und der Dampf dieses Kältemittels mit Hilfe eines Kompressors
verdichtet und einem Kondensator zugeführt wird, in welchem der Dampf kondensiert,
worauf das verflüssigte Kältemittel in den Verdampfer zurückgeführt wird.
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Gemäß der Erfindung wird ein umlaufender oder Schleuderverdichter
mit unstarrer Wirkung angewendet, bei welchem das Verdichtungsverhältnis unabhängig
von der Leistung konstant bleibt, solange die Drehzahl konstant gehalten wird, während
zur Regelung der Leistung nur die - gegebenenfalls selbsttätige - Verstellung eines
Ventils nötig ist und eine besondere Sicherheitseinrichtung gegen Einfrieren u.dgl.
überhaupt entbehrlich ist.
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Ein Ausführungsbeispiel eines Systems und einer Einrichtung gemäß
der Erfindung ist in den Zeichnungen in schematischer Weise dargestellt.
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Abb. i ist ein -schematischer Aufriß des Systems.
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Abb. 2 zeigt. in größerem Maßstab einen senkrecht geführten Längsschnitt
durch den Verdampfer.
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Abb. 3 ist ein Teil der Abb. z in noch größerem Maßstab.
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Abb. 4 ist ein Schnitt nach Linie 4-4 der Abb. 3.
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Abb. 5 zeigt einen senkrechten Mittelschnitt durch den Verdampfer
und die Regelungseinrichtungen dafür.
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Abb. 6 ist ein Schnitt nach Linie 6-6 der Abb. 5 in noch größerem
Maßstab.
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Abb.7 ist ein senkrechter Schnitt durch den Verdichter und die Einrichtung
zur Trennung des Dampfes und der Sperrflüssigkeit des Verdichters.
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Mit A ist ein Verdampfer bezeichnet, in welchem das Kältemittel verdampft
wird. B ist der Kondensator für das verdampfte K=ältemittel, C ein Verdichter, der
den Kältemitteldampf dem Verdampfer entnimmt und ihn unter Drucksteigerung dem Kondensator
zuführt. Die zu kühlende Flüssigkeit o. dgl. wird im Umlauf durch den Verdampfer
geführt, wobei ein Wärmetausch zwischen dieser Flüssigkeit und dem verflüssigten
Kältemittel und infolgedessen eine Verdampfung des letzteren stattfindet. Der Verdichter
hält, wie üblich, im Verdampfer einen
so viel geringeren absoluten
Druck aufrecht als im Kondensator, um die Verdampfung des Kältemittels bei einer
so niedrigen Temperatur zu erlauben, als nötig ist, um die angestrebte Temperaturerniedrigung
der zu kühlenden Flüssigkeit o. dgl. herbeizuführen. Das kondensierte oder verflüssigte
Kältemittel wird aus dem Kondensator dem Verdampfer wieder zugeführt, um erneut
zu verdampfen. Die Erfindung kann mit Einrichtungen verschiedenartiger Durchbildung
und verschiedenartigen Kältemitteln durchgeführt werden, wie z. B. Äthylchlorid,
Methylchlorid, schweflige Säure oder Tetrachlorkohlenstoff. Die Durchbildung der
Einrichtung und die Auswahl des Kältemittels hängt in der Hauptsache von den jeweiligen
Umständen und von der verlangten Leistung ab.
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Eine der vielen möglichen Ausführungsformen des Erfindungsgegenstandes
ist in den Zeichnungen dargestellt und im nachstehenden beschrieben. Diese Einrichtung
ist hauptsächlich dazu bestimmt, Wasser bis auf eine Temperatur zu kühlen, die nur
wenig über dem Gefrierpunkt liegt, so daß es hernach in Lufttrocknungsanlagen benutzt
werden kann. Hierbei kann Wasser von natürlicher Temperatur z. B. aus einer städtischer
Wasserleitung im Kondensator zur Verflüssigung des Kältemitteldampfes verwendet
werden. Als Kältemittel wird vorzugsweise Äthylchlorid .angewendet, weil es beständig
und nicht giftig ist und erlaubt, mit mäßigen Drücken im System auszukommen. Das
im nachstehenden beschriebene System erfordert nur einen Druckunterschied von etwa
9 bis z z kg zwischen Verdampfer und Kondensator.
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Die Erfindung ist indessen nicht auf das angegebene Verwendungsgebiet
beschränkt, und es können auch andere verdampfbare Kälteflüssigkeiten angewendet
werden. Ebenso könnten auch andere Flüssigkeiten als Wasser gekühlt oder das System
für Kühlzwecke anderer Art benutzt und irgendeine andere Flüssigkeit als Wasser
zur Kühlung des Dampfes im Kondensator benutzt werden.
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Der Verdampfer A (Abb. 2 bis 4) besitzt ein äußeres zylindrisches
Gehäuse 2o, das oben mit einem hohlen Kopftei12z versehen ist, der über ein System
von Röhren 22 mit dem unteren Kopfteil 23 in Verbindung steht, der im unteren Teil
des Gehäuses beweglich angeordnet ist. Der obere Kopfteil er ist in drei Kammern,
der untere Kopfteil in zwei Kammern unterteilt. Das Wasser oder die zu kühlende
Flüssigkeit strömt durch ein Rohr 24 in die eine Kammer, fließt durch eine Gruppe
von Röhren 22 in die eine Kammer des unteren Kopfstückes, dann aufwärts durch eine
andere Gruppe von Röhren in die mittlere Kammer des oberen Kopfstückes, sodann wieder
herab durch eine andere Röhrengruppe zur anderen Kammer des unteren Kopfstückes
und hierauf wieder zurück zur Auslaufkammer des oberen Kopfstückes, aus welcher
es durch ein Rohr 25 ausfließt. Die wasserdurchströmten Röhren 22 sind zwischen
dem oberen und unteren hohlen Kopfstück von Röhren 26 umhüllt, die beiderseits offen
sind und um jede der Röhren 22 einen engen Durchflußkanal für das flüssige bzw.
dampfförmige Kältemittel bilden. Das Verdampfergehäuse ist bis zu einer vorbestimmten
Höhe mit dem flüssigen Kältemittel X gefüllt, das den unteren Teil des Röhrensystems
umspült.
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Das im Verdampfer strömende Wasser o. dgl., das gekühlt werden soll,
gibt an das Kältemittel Wärme ab und bewirkt somit eine Verdampfung desselben. Das
verdampfte Kältemittel tritt oben aus den Röhren 26 aus, und es kommt ein wirksamer
Umlauf der Flüssigkeit und des Dampfes durch jene Röhren zustande, der die Dampfbläschen
an den Oberflächen der Röhren abspült und sie somit stets mit einer Schicht flüssigen
Kältemittels benetzt erhält. Dadurch wird der Wärmedurchtritt durch die Röhrenwände
und die Wirksamkeit des Verdampfers erhöht. Der Verdampfer wird zweckmäßig in geneigter
Anordnung benutzt. Wesentlich bei dem neuen Verdampfer ist die geringe benötigte
Flüssigkeitsmenge und der niedrige Flüssigkeitsspiegel über den Röhren. Hierbei
brauchen die Röhren nur sehr wenig untergetaucht zu sein, und es ruht nur ein ganz
geringer Flüssigkeitsdruck auf den untergetauchten Röhrenstrecken, so daß die Verdampfung
äußerst rasch vor sich geht.
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Der Dampf wird dem oberen Teil des Verdampfergehäuses durch ein Rohr
27 entnommen, welches zur Saugseite des Verdichters C führt, der dann den verdichteten
Dampf durch ein Rohr 28 dem oberen Ende des Kondensators B zuführt.
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Der Kondensator B (Abb. 5 und 6) besteht im wesentlichen aus einem
Gehäuse 30, einem oberen hohlen Kopfteil3r, einem im unteren Teil des Gehäuses lose
angeordneten hohlen Kopfstück 33 und einem die Hohlräume dieser beiden Kopfteile
miteinander verbindenden Röhrensystem 32. Die beiden Kopfteile sind wie beim Verdampfer
in Kammern eingeteilt, so daß das bei 31 mittels des Rohres 34 zugeführte Kühlwasser
(oder sonstige Kälteflüssigkeit) durch die Röhren und Kammern auf und: ab wandert
und schließlich aus der letzten Kammer des oberen Kopfteiles durch ein Rohr 35 ausfließt.
Vorteilhaft ist der Kondensator auch noch mit Teilwänden 36 ausgerüstet, die sich
wechselweise
vom einen und vom anderen Kopfteil aus zwischen den
Röhren 32 in der Längsrichtung des Kondensators erstrecken, so daß sie den in den
oberen Teil des Kondensatorgehäuses zugeführten Dampf zwingen, im Gehäuse um die
Teilwände herum abwärts und aufwärts zu strömen und dabei auf einem langen Weg in
innige Berührung mit den Röhren 32 zu kommen.
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Unten am Kondensatorgehäuse befindet sich eine Kammer zur Aufnahme
aller kondensierten Kältemittelflüssigkeit. Diese Kammer ist durch ein Rücklaufrohr
37 mit dem unteren Teil des Verdampfergehäuses verbunden, um das verflüssigte Kältemittel
in den Verdampfer zurückzuführen. In diesem Rohr ist ein Rückschlagventil 38 angeordnet,
das die Rückströmung in den Kondensator verhindern soll. Der Auslauf des flüssigen
Kältemittels aus dem Kondensator steht unter der regelnden Wirkung eines schwimmergesteuerten
Ventils 39, das eine ziemlich konstante Flüssigkeitsmenge in der Kammer unter dem
Kondensatorgehäuse aufrechterhält. Dieses Ventil braucht nicht dicht zu sein und
bleibt für gewöhnlich halb offen. Ein Seiher oder Filterhut 4o aus feinmaschigem
Drahtgewebe, Leder oder anderem geeigneten Stoff kann das Ventil 39 gegebenenfalls
umhüllen, um zu verhüten, daß etwa im Kondensator auftretendes Wasser nach dem Verdampfer
gelangt. Mit 41 ist ein an das Rücklaufrohr 37 über ein Absperrventil 42 angeschlossenes
Nachfüllrohr für das Kältemittel bezeichnet, durch welches der Verdampfer bis zu
der erforderlichen Höhe angefüllt werden kann.
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Der Verdichter C ist nach dem Schleudersystem gebaut, also von unstarrer
Wirkung, und zwar ist in Abb. 7 ein wasserturbinenähnli.cher Verdichter von an sich
bekannter Bauart dargestellt. In einem elliptischen Gehäuse dreht sich ein Läufer
45 mit einer Anzahl von Schaufeln 46. Eine Sperrflüssigkeit macht die Bewegung des
Läufers mit, folgt jedoch dabei der elliptischen Gehäuseinnenwand infolge der Fliehkraftwirkung
und tritt bei jeder Umdrehung des Läufers abwechselnd aus den Kammern zwischen den
Schaufeln des Läufers weiter heraus und wieder in diese Kammern zurück. An solchen
Stellen der Gehäuseseitenwände, an welchen sich die Sperrflüssigkeit auswärts bewegt,
sind Einlaßöffnungen 47 in Verbindung mit dem Dampfzuführungsrohr 27 vorgesehen.
Ähnliche Auslaßöffnungen 48 in Verbindung mit dem Druckrohr 28 sind an den Gehäuseseitenwänden
dort vorgesehen, wo die Sperrflüssigkeit in die Kammern des Läufers zurücktritt.
Während die Sperrflüssigkeit sich in den Läuferkammern nach auswärts bewegt, wird
durch die Einlaßöffnungen Dampf angesaugt, der die leeren Kammern anfüllt, und bei
der Weiterbewegung des Läufers wird der zwischen der Sperrflüssigkeit und der Läufernabe
befindliche Dampf durch die zurückkehrende Flüssigkeit verdichtet und durch die
Auslaßöffnungen hinausgedrückt. Sobald die Läuferschaufeln die Auslaßöffnungen verlassen
haben, ist in der zugehörigen Kammern aller Dampf ausgetrieben und nur noch Sperrflüssigkeit
vorhanden, so daß sich der oben beschriebene Vorgang wiederholen kann. Die Art der
im Verdichter anzuwendenden Sperrflüssigkeit hängt von der Beschaffenheit der als
Kältemittel benutzten Flüssigkeit ab. Bei ihrer Auswahl ist darauf zu achten, daß
möglichst wenig Absorption des Kältemittels stattfindet. Wird Äthylchlorid als Kältemittel
benutzt, so eignet sich Quecksilber oder Wasser als Sperrflüssigkeit im Verdichter,
für kleinere Anlagen am besten Quecksilber. Auch Schwefelsäure und Glycerin können
als Sperrflüssigkeit verwendet werden.
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Zur Trennung des aus dein. Verdichter austretenden Kältemitteldampfes
von der etwa mitgerissenen Sperrflüssigkeit ist ein Abscheider D vorgesehen von
irgendeiner geeigneten Bauart. Er besteht im wesentlichen aus einem Gehäuse mit
einer Prallwand 5o, die ein direktes Durchströmen des Dampfes im Gehäuse vom Einlaß
zum Auslaß verhindert. Der Dampf stößt auf die Wand 5o, welche die Flüssigkeit niederschlägt
und sie in den unteren Teil des Gehäuses zurückfließen und sich dort ansammeln läßt,
während der Dampf um die Ränder der Platte herumströmt. Ein Rohr 5 i führt aus dem
unteren Teil des Abscheiders D zu einem Vorratsbehälter 53 für die Sperrflüssigkeit,
und dieser Behälter steht über das Rohr 54 mit dem Dampfzuführungsrohr 27 oder dem
Eimaß des Verdichters in Verbindung. Auch der Auslaß aus dem Abscheider steht zweckmäßig
unter dem Einfluß eines schwimmergeregelten Ventils, welches eine gewisse Flüssigkeitsmenge
als Abschluß unten im Abscheider zurückhält. Mit 55 ist ein Hilfsdruckrohr bezeichnet,
das den oberen Teil des Behälters 53 mit dem Einlaß- oder Saugrohr des Verdichters
verbindet. 56 bezeichnet ein gegabeltes Rohr, das den unteren Teil des Abscheiders
mit den Stopfbüchsen des Verdichters verbindet, um dort einen Flüssigkeitsabschluß
hervorzubringen.
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Der beschriebene Verdichter kann nicht mehr als ein ganz bestimmtes
Vakuum bei einer bestimmten Umlaufgeschwindigkeit oder Drehzahl liefern. Ein größeres
Vakuum würde die Sperrflüssigkeit im Verdichter durchbrechen. Deshalb können die
Drücke
im. Verdampfer und Kondensator innerhalb der durch den Verdichter
festgelegten Grenzen auf eine, bestimmte Höhe .festgelegt- werden, indem der Verdichter
mit der entsprechenden .Geschwindigkeit angetrieben wird, und die mit dem Entstehen
eines niedrigen Vakuums im Verdampfer verknüpften Gefahren sind vermieden.
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Eine Rohrleitung 6o, 6oa verbindet den Kondensator mit dem Verdichter
und erlaubt es, Kälteflüssigkeit mit etwa darin befindlicher Sperrflüssigkeit aus
dem Kondensator in den Verdichter zurückzuführen zwecks Regelung der - Temperatur
des - verdichteten Dampfes. Diese vom unteren Ende des Kondensators ausgehende Rohrleitung
mündet zweckmäßig in die Seitenwand des Verdichters an einer Stelle zwischen Dampfeinlaß
und -auslaß, so daß der Läufer des Verdichters die Flüssigkeit aus dem Kondensator
in den Verdichter einsaugt. Der Einlaß dieser Flüssigkeit in den Verdichter wird
selbsttätig durch eine Regelungseinrichtung oder ein Ventil E geregelt, das in die
Rohrleitung 6o, 60a eingefügt ist.- Bei geöffnetem Ventil kann die Flüssigkeit in
den Verdichter gelangen. Dieses Ventil wird mit Hilfe eines Thermostaten o. dgl.
geöffnet, der auf die Temperaturänderungen im Abscheidergehäuse D anspricht. Steigt
die Temperatur über den bestimmten Höchstwert, etwa über 4o°, so wird das Ventil
geöffnet und läßt etwas flüssiges Kältemittel in den Verdichter eintreten. Die eingelassene
Flüssigkeit wird durch die Wärme im Verdichter verdampft, und diese Verdampfung
bringt eine Temperaturerniedrigung des Dampfes im Verdichter und Abscheider hervor.
- Die thermostatische Regelungseinrichtung E wirkt somit auf Könstanthaltung der
Temperaturen des verdichteten Dampfes hin. Außerdem bewirkt sie eine Rückführung
des mit dem Dampf in den Kondensator gelangten Wassers oder Sperrflüssigkeit in
den Verdichter, ;so daß es sich im Umlaufsystem nicht ansammeln kann.
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- An Stelle der beschriebenen thermostatischen Einrichtung könnte
zur Rückführung des Kondensats usw. in den Verdichter auch eine -Vorrichtung benutzt
werden, bei welcher der Thermostat der Temperatur des flüssigen Kältemittels auf
seinem Wege zum Verdichter ausgesetzt ist.
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Die Temperatur im Kondensator B wird zweckmäßig selbsttätig dadurch
geregelt, daß der Zulauf des Kältewassers zum Kondensator=geregelt wird. Da der-Dämpfdruck
im Kondensator mit der Temperatur sich ändert, kann entweder eine von der Temperatur
oder eine vom Druck beeinflußte Regelungseinrichtung-benutzt werden. Vorzugsweise
wird ein Thermostat F verwendet, -der in den oberen Teil des Kondensators hineinragt
und den Durchfluß von Druckluft durch ein Rohr 7o zu einer Kolbenmembran regelt,
welche zur Bewegung eines Ventils Gr im Wasserzulaufrohr 34 des Kondensators dient.
Wird die vorbestimmte Höchsttemperatur im Kondensator, etwa 32°, überschritten,
so beeinflußt der Thermostat das Ventil G im Sinne einer Vergrößerung des Wasserzuflusses,
die eine Verminderung der Temperatur im Kondensator zur Folge hat. Die Druckluft
wird zweckmäßig von einer Luftpumpe 72 geliefert, die aus den nachher angegebenen
Gründen mit der Pumpe 73 gekuppelt ist, welche die zu kühlende Flüssigkeit durch
den Verdampfer A bewegt, so daß die Luftpumpe nur arbeitet, wenn die Flüssigkeitspumpe
läuft. Auch irgendwelche anderen Mittel zur Regelung von Temperatur und Druck im
Kondensator können angewendet werden.
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H bezeichnet einen Thermostaten, der dazu dient, das Gefrieren oder
die Abkühlung der zu kühlenden Flüssigkeit unter eine vorbestimmte Mindesttemperatur,
z. B. unter 2°, zu verhüten. Zweckmäßig ist dieser Thermostat im Austrittsrohr für
die gekühlte Flüssigkeit aus dem Verdampfer angeordnet und regelt den Durchfluß
der Druckluft aus der Luftpumpe 72 -durch Röhren 74 und 75 in die Kolbenmembran,
welche ein Ventil J im Kühlwasserzulaufrohr 34 des Kondensators bewegt. Dieses -
Ventil wird für gewöhnlich während der Benutzungsdauer des Systems von dem Drück
der durch die Pumpe 72 gelieferten Druckluft offen gehalten. Wenn jedoch die Temperatur
des gekühlten Wassers unter die 'Mindesttemperatur herabsinkt, auf welche der Thermostat
eingestellt ist, so bewirkt dieser Thermostat eine Verringerung des Luftdruckes
und läßt ein Schließen des Ventils J und eine Unterbrechung des Wasserzuflusses
zum Kondensator zu. Dies hat eine Zunahme der Spannung des Kältemitteldampfes zur
Folge und ein Durchbrechen der Sperrflüssigkeit des Verdichters, so daß auf diese
Weise das Vakuum im Verdampfer A vermindert und weitere Abkühlung der zu kühlenden
Flüssigkeit verhütet wird.
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Es kann außerdem noch eine Einrichtung getroffen sein, mit welcher
der Thermostat H in dem Auslaßrohr für die gekühlte Flüssigkeit den Verdichter stillsetzen
oder seine Geschwindigkeit vermindern kann, wenn der Thermostat in der oben beschriebenen
Weise zu weites Sinken der Temperatur im Verdampfer verhütet. Zu diesem Zweck ist
der Motor 8o, der den Verdichter antreibt, mit einer-:-Regelungseinrichtüng8z--versehe'n,
diE
durch einen Druckluftmotor oder eine Kolbenmembran 83 o. dgl.
beeinflußt wird mittels der durch ein Rohr 82 unter der Wirkung des Thermostates
H eingelassenen Druckluft. Kommt der Thermostat zur Wirkung, so veranlaßt er Stillstand
oder Verlangsamung des Antriebsmotors für den Verdichter. Hierdurch wird an Energiebedarf
gespart und eine weitere Sicherheit gegen übermäßige Erniedrigung der Temperatur
im Verdampfer geschaffen.