DE609405C - Luftkaeltemaschine - Google Patents

Description

• 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.
• 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.
• 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. .
• 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.
• 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.
• .' 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.
• 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.
• 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.
• 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.
• Die Zeichnung zeigt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung.
• 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.
• 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.
• 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.
• 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.
• 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.
• 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.

Claims (5)

1. PATENTANSPRÜCHE: _ i. Luftkältemaschine, bei welcher der auf gemeinsamer Welle angeordnete Verdichter und Entspanner durch einen direkt gekuppelten Motor angetrieben werden, dadurch gekennzeichnet, daß für Verdichter und Entspanner im Gegenfluß angeordnete Schraubenpaare mit veränderlicher Steigung und Gangtiefe verwendet werden, die mit annähernd isothermischer Verdichtung und adiabatischer Entspannung arbeiten.
2. 2. Luftkältemaschine nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß der Verdichter durch seine Verdichterschrauben in an sich bekannter Weise gleichzeitig einen Ölkreislauf zur Aufnahme der bei der Verdichtung erzeugten Wärme bewirkt.
3. 3. I: uftkältemaschine nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß der Entspanner gegen äußeren Wärmeeinfall isoliert ist und daß sein Gehäuse und die Treibschrauben gleichfalls aus schlecht wärmeleitenden Material bestehen.
4. 4.. Luftkältemaschine nach Anspruch i bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der aus dem Kühlraum zum Verdichter und der vom Luftkühler zum Entspanner führenden Rohrleitung ein Wärmeaustauscher eingeschaltet ist.
5. 5. Luftkältemaschine nach Anspruch x bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß sie auf der Niederdruckseite über einen Lufttrockner mit dem atmosphärischen Außenraum in offenem Druckausgleich steht.