DE645746C - Verfahren zum Betriebe von Kaelteverdichtern - Google Patents

Description

Der theoretische Vergleichsprozeß, welcher zum Zwecke der Untersuchung· und des Vergleichs von Kompressionskältemaschinen aufgestellt wurde (s. hierzu die vom V.D.I, im Jahre 1929 aufgestellten Regeln, für Leistungsversuche an Kältemaschinen) setzt voraus, daß die Dämpfe in trocken gesättigtem Zustand angesaugt, hierauf adiabatisch verdichtet, verflüssigt, unterkühlt (durch Wasser) und durch, ein einfaches Drosselventil hindurch entspannt werden. Obgleich dieser Kreislauf nicht der höchsten theoretischen Leistungsziffer 'entspricht, so nähert er sich doch sehr dem praktisch, verwirklichbaren günstigsten Betriebszustand.

In der Praxis wird der trocken gesättigte Zustand beim Ansaugen durch Verwendung von Flüssigkeitsabscheidern erzielt, die im allgemeinen Sprachgebrauch unrichtigerweise als Überhitzer bezeichnet werden, dies deshalb, weil ihre Verwendung eine starke Erhöhung der Gastemperatur am Ende des Verdichtungstaktes im Gefolge hat. In gewissen Fällen, wo die ausgeschiedene Flüssigkeit nicht durch einfache Schwerkraft bzw. durch Anwendung einer Pumpe zum Verdampfer zurückgeführt wird, wurde verschiedentlich eine Rohrschlange in das Innere des Abscheiders eingebaut, um die Reste zu verdampfen. Jedoch wurde diese Vorrichtung nur deshalb verwendet, um trocken gesättigte Dämpfe zu erhalten und Flüssigkeitsschläge zu vermeiden.

Es wurden auch schon Versuche angestellt, um die Nutzleistung der Kompressoren dadurch zu erhöhen, daß eine richtiggehende Überhitzung der Dämpfe vor dem Ansaugen vorgenommen wurde. In den meisten Fällen stößt man jedoch hierbei auf Schwierigkeiten, was die Schmierung der Zylinder anbetrifft, welche dadurch in Frage gestellt wird; außerdem bleibt die erzielte Leistungserhöhung unbedeutend, selbst wenn die Zylinderwände gekühlt werden. Es ist nämlich ohne weiteres klar, daß die Kühlung der Zylinderwandung nur rein örtliche Wirkung haben kann. Wird dieselbe daher energisch durchgeführt, so kommt es unbedingt trotz Überhitzung im Kern der Kältemitteldämpfe zu Kondensationserscheinungen an den Zylinderwandungen. Sollen diese jedoch vermieden werden, so darf die Kühlung nicht bei unter der Kondensationstemperatur liegenden Temperaturen durchgeführt werden. Die hierdurch bedingte kleine Temperaturdifferenz, verbunden mit der schlechten Wärmeübergangszahl des überhitzten Kaltdampfes an die Zylinderwand, läßt einen starken Wärmeentzug nicht zu, und die Kompressionsendtemperatur des Kältemittels weicht von der adiabatischen Endtemperatur in einem für die Praxis kaum bedeutenden Maße ab. Jedenfalls bleibt die dabei erzielte Leistungsverbesserung, selbst wenn sie sich in einer Herabsenkung der Endtemperatur von 147° auf 105,5° äußern würde, beträchtlich hinter derjenigen zurück, welche

mit dem Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung erzielt wird. Hier wird nämlich diese Herabsenkung der Endtemperatur bis auf etwa 40 bis 45" getrieben. Die industrieile Anwendung dieses Verfahrens bleibt des*- halb auf einige Sonderfälle beschränkt, bei, welchen eine anfängliche Überhitzung unvermeidlich ist, z. B. bei Saugleitungen von unnormaler Länge.

Versuche zur Steigerung der Nutzleistung von Kompressoren durch Verdampfung von flüssigem Kältemedium im Zylinder sind so alt wie die Kompressionskaltdampfmaschine selbst. Alle diese Versuche zeigen den Nachteil, daß die Abkühlung bei einer Temperatur stattfindet, die unter der Kondensationstemperatur liegt.

Die Abkühlung der Zylinderwände und die dabei auftretenden Kondensationen verursachen eine starke Verminderung der Nutzleistung. Nichtsdestoweniger wird dieses Verfahren bislang sehr häufig überall da angewendet, wo die Schmierung des Zylinders durch eine zu hohe Gasendtemperatur beeinträchtigt wäre.

Die Einführung von Flüssigkeit in den Zylinder kann entweder durch Einsaugen nasser Dämpfe oder durch Einspritzen von Flüssigkeit in die Saugleitung des Kompressors oder aber durch direkte Einführung am Ende des ' Saugtaktes erfolgen (Federmann). Alle , diese Verfahren haben den gemeinsamen Nachteil, daß die Flüssigkeit unter Saugdruck eingeführt wird und daß dieselbe, sobald sie mit den Zylinderwänden in Berührung kommt, letztere fast bis zur Verdampfungstemperatur abkühlt. Der Flüssigkeitsüberschuß, welcher zur Ausscheidung des aus der Verdichtung herrührenden Wärmeüberschusses erforderlich ist, sammelt sich im unteren Teil des Zylinders an. Es fehlt daher während der Verdichtung die innige Berührung zwischen Flüssigkeit und Gas, welche für eine vollständige Verdampfung erforderlich ist. Häufig bleibt am Ende der Verdichtung ein Flüssigkeitsrest im Zylinder, obgleich die Verdichtungslinie nicht wesentlich von der Adiabate abweicht. Auch entstehen während der Verdichtung neue Kondensationen auf den Zylinderwänden, die mit der Flüssigkeit in Berührung waren. Vor Beginn des Ansaugens entspannt sich die in den schädlichen Zylinderräumen befindliche Flüssigkeit und verringert die Nutzleistung in starkem Maße. Ein Verfahren, das darin besteht, das Einspritzen von Flüssigkeit während des Verdichtungstaktes vorzunehmen, ist im Patent 308209 vom 13. Oktober 1915 beschrieben. Hierbei wird ausdrücklich beabsichtigt, die Verdichtung in der Naßdampfzone vorzunehmen. Es entsteht dann zwangsläufig ein starker Wärmeaustausch zwischen den Naßdämpfen und den Zylinderwänden, die dadurch stark abgekühlt werden. Im weiteren Verlauf der Verdichtung treten dann die gleichen Mißstünde auf, allerdings in etwas vermindertem -.': Maßstab, wie beim Einspritzen während des Säugtaktes.

Schließlich wurde auch schon vorgeschlagen, die Einspritzung während der Verdichtung, jedoch vom trocken gesättigten Zustand ausgehend, vorzunehmen. Die Flüssigkeitseinspritzung beginnt gleich zu Anfang des Verdichtungstaktes und hat zur Folge, daß die Verdichtungskurve genau der Sättigungskurve folgt. In einem gewissen Moment hört die Einspritzung auf, und die Verdichtung endigt adiabatisch mit einer gewissen Endüberhitzung. Auch dieses Verfahren bringt keine merkliche Besserung mit. Es ist in der Tat unmöglich, daß die Verdichtung auf der Sättigungskurve erfolgt; denn die eingespritzte Flüssigkeit kann selbst in fein zerstäubtem Zustand nicht verdampft werden, wenn die Gase dauernd in gesättigtem Zustand erhalten werden. Selbst bei der Annahme, daß die Verdichtung in der Zone der überhitzten Dämpfe stattfindet und sich nur in der Nähe der Sättigungskurve hält, kann das Verfahren keine wesentlich besseren Resultate zeitigen, weil das Ansaugen der Dämpfe und der Anfang der Einspritzung in Nähe der Verdampfungstemperatur liegen. Hierdurch wird die Temperatur der Zylinderwände derart herabgesetzt, daß Kondensationen während der Verdichtung unvermeidlich werden und eine merklich nachteilige Entspannung zu Beginn des Saugtaktes auftritt. Das den Gegenstand der Erfindung bildende Verfahren ist frei von den vorangeführten Nachteilen. Es umfaßt im wesentlichen:

1. das Ansaugen von stark überhitzten Dämpfen,

2. eine fast adiabatische Verdichtung dieser Dämpfe bis zu einer Temperatur, die nahe der dem Verdichtungsenddruck entsprechenden Sättigungstemperatur liegt,

3. bei Erreichung dieser Temperatur Beginn der Einspritzung in den Zylinder der durch die Kaltdämpfe weiter stark untergekühlten Flüssigkeit, die in einer Spezialdüse J10 fein zerstäubt wurde und deshalb vollständig verdampft; die Verdichtung muß sich einer Isotherme nähern, die ganz in der Zone der überhitzten Dämpfe liegt,

4. Unterbrechung der Einspritzung etwas vor der Beendigung der Verdichtung, wenn nicht eine Spezialeinspritzpumpe hinzugezogen wird; der natürliche Überdruck der Flüssigkeit genügt nämlich nicht mehr, so daß die Verdichtung polytropisch endigt und eine End- ta° temperatur erreicht, die nur wenig die Kondensationstemperatur übersteigt,

5· Anwendung einer Wärmeaustauschvorrichtung zum Erhalt der Anfangsüberhitzung der eingesaugten Dämpfe, wobei entweder die gesamte Flüssigkeitsmenge oder auch nur der in den Zylinder 'einzuspritzende Teil derselben gekühlt wird, indem die Überhitzung der Dämpfe einerseits und die weitere Unterkühlung des flüssigen Kältemittels andererseits eine gleich günstige Rolle bei der praktischen

ίο Ausübung.des Verfahrens spielen.

Die Neuheit des Verfahrens besteht dabei im wesentlichen in der kombinierten Verwendung einer genau geregelten Flüssigkeitszerstäubung im Zylinder während der Verdichtungsperiode und einer Wärmeaustauschvorrichtung. Die dabei erzielten Vorteile sind folgende:

1. da 'die eingespritzte Flüssigkeit sehr stark untergekühlt wird, genügt eine geringere Menge derselben, und dementsprechend ist auch der Energieaufwand für deren Verdichtung geringer;

2. die Ansaugtemperatur der Gase und die Verdichtungsendtemperatur nähern sich einander ganz beträchtlich; hieraus entsteht eine mittlere Temperatur für die Zylinderwände, die nur wenig von den äußeren Temperaturen des Kreisprozesses abweicht, mit dem Erfolg, daß:

a) die thermischen Verluste während des Ansaugens infolge der Verringerung des Temperaturunterschiedes einerseits und der Verringerung des thermischen Übertragungskoeffizienten nach Maßgabe der Steigerung "der Überhitzung andererseits erheblich abnehmen;

b) Kondensationserscheinungen auf den Wänden während der Verdichtung sowie Verdampfungserscheinungen in den schädlichen Räumen während der Entspannung verschwinden, 'dies insbesondere deshalb, weil 'die intensive Zerstäubung der eingespritzten Flüssigkeit die Gase direkt im Kern und nicht die Zylinderwände abkühlt, weshalb die mittlere Temperatur dieser letzteren hoch genug bleibt; die vollständige Ver-'dampfung wird dabei durch den hohen Temperaturunterschied gleich zu Beginn der Einspritzung gesichert;

3. die Erreichung einer zum größten Teil isothermischen Verdichtung verringert den Gesamtkraf tverbrauch;

4. selbst wenn das Druckverhältnis groß ist, ist die Schmierung durch die Herabminderung der Endtemperatur des Verdichtungstaktes gesichert. Eine Zylinderkühlung mittels Wasser wird dadurch überflüssig.

Das Verfahren kann auch bei mehrstufiger Verdichtung zur Anwendung gelangen; in diesem Falle kommen zum Leistungsgewinn noch bedeutende bauliche Vereinfachungen, ' da Zwischenkühler und Regler vermieden werden können.

Bemerkenswert ist, daß die Berechnung des beschriebenen Kreisprozesses eine theoretisch geringere Nutzleistung ergibt als diejenige von anderen Kreisprozessen, welche von der Verdichtung in trocken gesättigtem Zustand ausgehen. Die Verbesserung der effektiven Nutzleistung wird demzufolge in der Hauptsache deshalb erzielt, weil die Erhöhung der Kompressorwirkungsgrade alle anderen Einflüsse überwiegt und außerdem die Gewichtsverminderung der eingespritzten Flüssigkeit günstig wirkt.

Claims (1)

1. Patentanspruch:

   Verfahren zum Betriebe von Kälteverdichtem, 'die mit Kältemitteleinspritzung arbeiten, dadurch gekennzeichnet, daß in den Verdichtungszylinder zunächst stark überhitzte Kältemitteldämpfe, die ihre Überhitzungswärme durch einen an sich bekannten Wärmeaustausch mit dem flüssigen Kältemittel erhalten, angesaugt und diese Dämpfe zunächst bis zu einer Temperatur, die nahe der dem Verdichtungsenddruck entsprechenden Sättigungstemperatur liegt, adiabatisch vorverdichtet werden, daß hierauf bis kurz vor der Beendigung der Verdichtung stark unterkühlte KältefLüssigkeit so eingespritzt wird, daß sich die weitere Verdichtung einer ganz in der Zone der überhitzten Dämpfe liegenden Isotherme nähert und dann polytropisch bei einer Endtemperatur endigt, die nur wenig die Kondensationstemperatur übersteigt.