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Luftkältemaschine Luftkältemaschinen sind bekannt. Sie bestehen aus
einem Luftverdichter, einem Kühler zur Abfuhr der Verdichtungswärme und einem Entspannen,
in dem die Luft unter Energierückgewinnung auf "die Kühltemperatur gebracht wird:
Sie arbeiten entweder mit offenem Luftkreislauf, indem die Betriebsluft dem Kühlraum
entnommen und im gekühlten Zustande wieder zugeführt wird, oder als geschlossene
Maschinen, wobei die entstehende Wärme bzw. Kälte in einem geschlossenen Kühler
auf eine Sole übertragen wird.
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In jedem Falle ist die Luftkältemaschine der Dampfkältemaschine in
bezug auf die erzielbare Leistungsziffer unterlegen, sofern dort die Verdampfungswärme
des im verdichteten Zustand kondensierten Dampfes als Kälteleistung nutzbar gemacht
wird. Überlegen ist die Luftkältemaschine allen anderen in bezug auf die Ungefährlichkeit
des Kältemittels, wodurch sie besonders für Haushaltsbetriebe (Kühlschränke) geeignet
wäre, wenn die Voraussetzung erfüllt werden könnte, schnellaufende Verdichter und
Entspannen die wegen, des erforderlichen großen Luftvolumens nötig sind, mit hohem
Wirkungsgrad zu betreiben und damit wenigstens für Kleinanlagen konkurrenzfähig
zu machen.
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Gemäß der Erfindung wird die letztere Voraussetzung dadurch erfüllt,
daß für die Luftkältemaschine als Verdichter und Erstspanner im Gegenfluß angeordnete
gchraubenpaare zur Anwendung kommen, die eine veränderliche Steigung und Gangtiefe
aufweisen und mit annähernd isothermischer Verdichtung und adiabatischer Entspannung
arbeiten. Derartige Verdichter und Erstspanner lassen sich infolge des Fehlens schwingender
Massen und des Fortfalls von Ventilen mit sehr hohen Drehzahlen betreiben, woraus
sich das für eine Luftkältemaschine erforderliche große Luftvolumen ergibt. Man
erhält also auf diese Weise eine Luftkältemaschine, welche den gleichen oder nahezu
gleichen Wirkungsgrad besitzt, wie eine Gaskältemaschine, so daß sie mit Rücksicht
auf die Ungefährlichkeit ihres Kältemittels den Gaskältemaschinen weitaus überlegen
ist. .
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Die zur Anwendung kommenden Verdichter und Erstspanner sind nicht
mit Verdichtern ähnlicher Ausführung zu verwechseln, die mit einem vielgängigen
Schraubenpaar arbeiten, bei dem nur die Gangtiefe abnimmt, die Gangbreite jedoch
gleichbleibt. Mittels eines derartigen Verdichters kann die mit dem Verdichter der
Erfindung erzielbare Wirkung nicht erreicht werden. Der Grund hierfür liegt zunächst
darin, daß die Verdichtung infolge der Vielgängigkeit der Schrauben nur einstufig
erfolgt, im Gegensatz zu der Erfindung,
bei welcher eine. vielstufige
Verdichtung vorliegt. -Ferner ergeben sich bei dem erwähnten bekannten Verdichter
unzulässig hohe Spaltverluste, weil infolge der unvermeidbaren großen Gangtiefe
die Flankenspalten, der ineinandergreifenden Schraubenprofile sehr-groß werden.
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Ebensowenig lassen sich mit Zahnradpumpen;' die mehrfach als Verdichter
vorgeschlagen :worden sind, gute Wirkungsgrade erzielen, «eil Zahniäder das Fördervolumen
vom Eintritt in die Zahnlücken bis zum Austritt aus diesen -nicht verändern und
eine Verdichtung erst eintritt, wenn der Gegendruck beim Austritt der Zahnlücke
aus dem Gehäuse sich nach dem Druckraum hin öffnet.
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.' Um den Verdichter isothennisch betreiben zu können, wird dieser
gemäß der Erfindung von einem parallel zum Luftstrom fließenden Ölstrom durchflossen,
wobei durch die direkte. Berührung des Kühlöls mit der verdichteten Luft und den
sie einschließenden Verdichterflächen die erforderliche Abfuhr der Verdichtungs-
und Reibungswärme erfolgt. Bei Aufwand einer Kühlölmenge, die nur i bis 2°/o des
Lufteintrittsvolumens beträgt, ergibt sich dabei eine so geringe Zunahme der Öltemperatur,
daß je nach deren Anfangshöhe die Luftaustrittstemperatur mehr oder weniger in der
Nähe des isothermischen Endzustandes gehalten werden kann. ` Hierzu ist zu bemerken,
daß es bei Verdichtern anderer Art an sich bekannt ist, gleichzeitig mit dem elastischen
Verdichtungsstoff -eine Kühlflüssigkeit durch den Verdichter zu leiten. Eine derartige
Kühlung ist z. B. bei einem Verdichter vorgeschlagen worden, der aus zwei Drehkörpern
mit wendeltreppenartig aufgesetzten Ringsegmenten besteht. Mittels eines derartigen
Verdichters ist jedoch ein gleichmäßiger Verlauf der Verdichtung und infolgedessen
eine gute Wärmeabfuhr nicht zu erzielen. Ferner ist die erwähnte Kühlung auch bereits
bei- Strahlverdichtern bekannt, die in mehreren Stufen arbeiten und bei denen durch
Wirbelbewegungen Unterdruckzonen entstehen, wobei die Umwandlung zugeführter Wärmeenergie
in kinetische Energie ermöglicht werden soll. Strahlverdichter sind aber bekanntlich,
selbst wenn sie mit geordneter Strömung arbeiten, den mit Kolben oder ähnlichen
Mitteln arbeitenden Verdrängern unterlegen. Erst recht sind sie es natürlich dann,
wenn sie mit beabsichtigter Wirbelbildung, d. h. mit ungeordneter Strömung, arbeiten.
Eine wirksame I-,ühlung des Verdichtungsstoffes kann ferner auch dann nicht erreicht
werden, wenn als Verdichter Zahnradpumpen benutzt werden, wie es bei einer weiteren
bekannten Ausführung vorgeschlagen wird. Bei diesen Zahnradpumpen wird das Betriebsmittel
während des geschlossenen Durchlaufs in den Zahnlücken nicht verdichtet, sondern
erst dann, wenn sich die Zahnlücke nach dem Druckraum hin öffnet. Während des Dürchlaufs
kann infolgedessen auch keine Verdichtungswärme auftreten. Die Verdichtungswärme
entsteht vielmehr erst dann, wenn sich die Zahnlücke nach dem Druckraum hin öffnet.
In diesem Augenblick verläßt aber auch die Kühlflüssigkeit die Zahnlücke, so daß
die Flüssigkeit die Verdichtungswärme nur höchst unvollkommen aufnehmen kann.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist der Entspanner gegen äußeren
Wärmeeinfall isoliert, wobei sein Gehäuse und die Treibschrauben aus schlecht wärmeleitendem
Material bestehen. Auf diese Weise ist es möglich, im Entspanner eine gute Annäherung
an die adiabatische Zustandsänderung zu erzielen.
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Nach der Erfindung ist ferner zwischen der aus dem 4ühlraum zum Verdichter
und der vom Luftkühler zum Entspanner führenden Rohrleitung ein Wärmeaustauscher
eingeschaltet. Derartige Wärmeaustauscher sind bei Kältemaschinen, die mit kondensierbaren
Gasen arbeiten, natürlich bekannt. Sie erhalten aber in Verbindung mit der durch
die Erfindung vorgeschlagenen Luftkältemaschine eine erhöhte Bedeutung, da bei dieser
mit großen Temperaturunterschieden von 'q.o bis 50' C gearbeitet wird, so
daß die Anordnung eines Wärrneaustauschers besonders wertvoll ist.
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Wie schon eingangs erwähnt worden ist, arbeiten die Luftkältemaschinen
im allgemeinen mit offenem oder geschlossenem Kreislauf. Im Gegensatz hierzu arbeiten
die Maschinen gemäß der Erfindung als halboffene, d. h. es steht nur die Saugseite
des Verdichters mit der Atmosphäre in Verbindung. Beim Anfahren. der Maschine entnimmt
diese die zum Aufladen des Druckraumes erforderliche Luft aus der Um=-gebung, wobei
mittels eines Lufttrockners der Eintritt feuchter Luft und damit eine Reifbildung
im Entspanner vermieden wird.
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Die Zeichnung zeigt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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Die in der Zeichnung wiedergegebene Kühlanlage besteht in der Hauptsache
aus je einem Schraubenverdichtdr und dem Entspanner, wobei die Schraubenpaare =
und '2 des Verdichters und 3 und q des Entspanners auf gemeinsamen stehenden Wellen
5 und 6 gegenflutig angeordnet sind, um so den Axialschub auszugleichen. Die beiden
Schraubenpaare sind durchZahnräder 7 und 8 zwangsläufigverbunden und werden durch
den mit dem Zahnrad 8 direkt gekuppelten Elektromotor 9 angetrieben.
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Durch das die Umlaufmenge regelnde Nadelventil io tritt Kühlöl in,
den Niederdruckraum des Verdichters ein, von dem es durch die Schrauben i, z auf
die Hochdruckseite ii' gepumpt wird. Hierbei wird von dem Kühlöl die
Verdichtungswärme
aufgenommen. Vom Hochdruckraum ii aus wird das Öl alsdann durch das Rohr 12 in einen
Röhrenkühler 13 getrieben, dessen Windungen zylindrisch um den, Motor 9 liegen.
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Die Kühlung erfolgt mit Hilfe des auf die Motorwelle aufgesetzten
Ventilators 1q.. Der Kühleraustritt mündet in den Sammelbehälter 15, der eine große
Oberfläche des Ölspiegels hat, damit Schwankungen der umlaufenden Olmenge keinen
störenden Einfluß auf die durch das Rohr 16 ablaufende Olmenge haben. Die Anordnung
des Kühlers 13 und des Sammlers r5 und der zugehörigen Rohre ist so getroffen, daß
sich bei Abstellen der :Maschine der Ölvorrat in i3 und r5 nicht nach dem Druckraum
ii entleeren und- diesen überfluten kann.
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Der Luftkreislauf ist so eingerichtet, daß die Maschinenanlage ohne
Wasserkühlung auch bei hoher Außentemperatur von beispielsweise 40' noch eine bestimmte
Kälteleistung haben muß. Die Endtemperatur der verdichteten Luft und des Kühlöls
muß daher über dieser Temperatur liegen, damit Verdichtungs- und Verlustwärme an
die Raumluft abgeführt werden können. Um isothermische Verdichtung zu ermöglichen,
muß dann .auch die aus dem Kühlraum in den Verdichter zurückströmende Luft vor Eintritt
in den letzteren über die Raumlufttemperatur erwärmt werden, wofür ein nachfolgend
beschriebener Wärmeaustauscher vorgesehen ist.
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Aus dem Verdichterdruckraum ir wird die Luft durch das Rohr 17 zu
einem Kühler 18 geführt, der konzentrisch um den Ölkühler 13
liegt und mit
diesem durch den Ventilator 14. gekühlt wird. Damit erreicht man beispielsweise
eine Temperatursenkung auf 5o'. Die nunmehr zwischen diesem Punkt des Kreislaufes
und dem Luftaustritt aus dem Kühlraum herrschende Temperaturdifferenz von etwa 5o'
wird in einem im Gegenstrom betriebenen Wärmeaustauscher ig benutzt, um einerseits
die Druckluft vor Eintritt in den Entspanner zur Erzielung eines möglichst tiefen
adiabatisehen Endpunktes vorzukühlen und andererseits die Temperatur der Niederdruckluft
vor Eintritt in den Verdichter in die Nähe derjenigen der Außenraumluft zu bringen.
Vom Wärmeaustauscher gelangt die Luft nach dem Eintrittsraum 2o des Entspanners.
Um @ in diesem eine gute Annäherung an die adiabatische Zustandsänderung zu erzielen,
ist der gesamte Entspanner durch die Wärmeisolation 21 gegen unerwünschten Wärmeeinfall
geschützt. Außerdem bestehen sowohl das Entspannergehäuse als auch die Schrauben
3, 4 aus schlechten Wärmeleitern, wie z. B. mit Kunstharz gebundenem Baumwollstoff,
um dadurch einen schädlichen axialen Wärmefluß zu unterdrücken. Da die .Tieftemperatur
einer solchen Anlage sehr niedrig liegt und nach dem Abstellen der Maschine in der
Kühlluft keine nennenswerte Speicherwärme verfügbar ist, wird die tiefste Temperaturstufe
des Kreislaufs dazu benutzt; einen Kältespeicher zu laden. Bei dem Ausführungsbeispiel
wird dieser aus den drei Hohlkörpern 22 bis 24 gebildet. Zwischen 22 und 23 ist
der Kaltluftraum, in den die Öffnungen 25 aus eem Entsganner münden. Der Innenraum
von 22 dient - bekannterweise zum Einsetzen von Gefäßen für Kunsteiserzeugung. Der
äußere Hohlraum zwischen 23 und 2¢ enthält die Speicherflüssigkeit, die gleichzeitig
verhindert, daß der Kühlraum den tiefsten Kühlertemperaturen direkt ausgesetzt ist.
Das hinter dem Wärmespeicher verbleibende, noch für die Kühlung nutzbare Temperaturgefälle
wird der Luft durch einen Röhrenkühler 26 entzogen, an den sich der erwähnte SVärmeaustauscher
i9 anschließt.
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Die Niederdruckluft wird aus dem Wärmeaustauscher i9 durch das Rohr
27 nach dem Eintrittsraum 28 des Verdichters zurückgeleitet. An 27 ist ein Rohr
29 angeschlossen, welches tn einen mit Chlorcalcium oder einem anderen Luftfeuchtigkeit
absorbierenden Stoff gefüllten Behälter 30 mündet, der bei 31 mit der Raumluft
in Verbindung steht. Dadurch wird erreicht, daß sich im Kühler 26 -stets der atmosphärische
Druck der Umgebung einstellt und daß die Zusatzluft, die beim Anfahren der Maschine
für die Verdichtung benötigt- wird, durch 3o angesaugt wird und in getrocknetem
Zustande in die Maschine gelangt.