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Kompressionskältemaschine Man kennt Kälteanlagen, die stufenweise
arbeiten, derart, daß die im Verdampfer der ersten Stufe .erzeugte Kälteleistung
auf den Kondensator der zweiten Stufe übertragen wird, so daß die zweite Stufe in
einem niedrigeren Temperaturbereich arbeitet und somit niedrigere Temperaturen erzielen
kann. Man kennt auch andere Kälteanlagen, bei - denen die erzeugte Kälte in einem
Eutektikum gespeichert wird, das während der Kühlpausen zum Gefrieren- gebracht
wird, während beim Kühlvorgang die gespeicherte Kälte dem Eutektikum wieder entnommen
wird.
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Betrieb
von Kompressionskälteanlagen, bei dem die Temperatur im Kühlraum abwechselnd stark
und schnell gesenkt bzw. konstant gehalten und dann durch Beheizung wieder erhöht
werden soll. Derartige Kälteanlagen werden in der neuzeitlichen Technik zum Prüfen
von Werkstoffen, Geräten o. dgl. benutzt, die erheblichen Tem-, peraturschwankungen
ausgesetzt sind. So unterliegen z. B. die Geräte eines Sturzkampffliegers, wenn
.er aus großer Höhe zum Kampf herabstürzt, einer sehr großen Temperaturschwankung,
da erfahrungsgemäß in hohen Luftschichten tiefe, über der Erdoberfläche aber hohe
Temperaturen herrschen. Aber auch in anderen Gebieten der Technik kann die Aufgabe
auftreten, Werkstoffe, Geräte o. dgl. zu prüfen oder so zu entwickeln, daß sie bei
kurzfristig sich ändernden Temperaturen ihre Eigenschaften nicht ändern oder bestimmte
erwünschte Änderungen ihrer Eigenschaften aufweisen.
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Man benutzt zu -diesen Prüfungen Kühlschränke, in denen die Temperatur
nach einem vorgeschriebenen Zeit-Temperatur-Diagramm geregelt wird. Dieses Zeit-Temperatur-Diagramm
wird aus den Betriebsanforderungen, denen der zu prüfende Gegenstand oder Werkstoff
unterworfen ist, abgeleitet. Es kann jeden beliebigen Verlauf besitzen. In Fig.
z ist schematisch ein Zeit-Temperatur-Diagramm dargestellt, wie :es beispielsweise
für die Prüfungen von Fernmeldegeräten für Flugzeuge vorgeschrieben wurde.
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Es ist bekannt, daß bei den üblichen Kältemaschinen mit dem Absinken
der Temperatur
im Verdampfer die Kälteleistung stark zurückgeht;-da
die Gewichtsmenge des angesaugten Kältemittels sich bei sinkender Temperatur zunehmend
vermindert.
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Dieser Vorgang wirkt sich bei normalen Kälteanlagen nicht weiter störend
aus, da hierbei fast stets jede Kühlanlage für eine bestimmte Temperatur gebaut
wird. Ganz anders liegen die Verhältnisse bei Kühlschränken mit Wechseltemperaturen.
Hier soll, wie in Fig. i dargestellt ist, die Kältemaschine einen Raum von ,`- ioo
auf - ioo herabkühlen. Es würden also außerordentlich lange Zeiten erforderlich
werden, um einen Temperaturabfall auf tiefe Temperaturen zu erreichen, so daß man
bei der Entwicklung des Zeit-Temperatur-Diagramms unangenehmen Beschränkungen unterworfen
ist, wenn man nicht ungewöhnlich große Kühlanlagen verwenden -will, die dann während
der anderen Prüfzeit nicht ausgenutzt werden können.
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Um diese Nachteile zu vermeiden, schlägt die Erfindung vor, eine kleine
gleichmäßig belastete Kälteanlage während der ganzen Prüfdauer, also auch während
der Heizperiode zu betreiben und die in dieser Zeit nicht benötigte Kälteleistung
zu speichern.
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In Fig.2 ist schematisch der Vorgang erläutert, bei dem die Regelung
der Kälteeinrichtung durch Aufspeicherung der bei verminderter Wärmeabfuhr verfügbaren
Kälteleistung durchgeführt wird. Die Maschine fängt mit einer Verdampfungstemperatur
von beispielsweise ; 2o' an zu arbeiten und geht dann bis auf -i i o' Verdampfungstemperatur
herunter, um dann mit dieser Temperatur längere Zeit zu arbeiten. Der Vorgang ist
näher in Fig. i und 2 erläutert. Die Strecke s-t in Fig. i bezeichnet die Abkühlung
von i oo bis - i oo. Dieser Abkühlung in der Zeit s-i entspricht die Kälteleistung
a-b-cl-dl in Fig.2. Hieraus kann man bereits ersehen, daß die Kälteleistung mit
sinkender Temperatur immer kleiner wird, da die Gewichtsmenge des angesaugten Kältemittels
sich bei sinkender Temperatur zunehmend vermindert. Wollte man diese Aufgabe mit
einer normalen Kälteanlage lösen, so müßte diese so groß bemessen sein. daß die
Leistung der Strecke a-b in Fig.2 entspricht. Diese Leistung wird aber nur kurze
Zeit benötigt; denn bereits nach Ablauf der Zeit s-t (Fig. i) wird nur noch die
Kälteleistung entsprechend der Strecke c-tl benötigt, d. h. eine vielfach kleinere
Leistung. Während der Zeit i-ia (Fig. i ) wird ebenfalls nur die kleine Kälteleistung
cl-dl-c-d benötigt und während der Zeit ra-v (Fig. i 'i beim Aufheizen des Schrankes
wird überhaupt keine Kälteleistung benötigt. Während also bei Beginn des Arbeitens
eine Kälteleistung der Strecke a-b erforderlich wäre, würde während der Strecke
a-v überhaupt keine Kälteleistung benötigt.
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Uni nun eine große, unwirtschaftlich arbeitende Kälteanlage zu vermeiden,
schlägt die Erfindung vor, eine Kälteanlage zu benutzen, deren Kälteleistung etwa
der Strecke e-f entspricht und diese Kälteanlage während der ganzen Prüfdauer mit
einer normalen Leistung zu belasten. Die bei verminderter Wärmezufuhr verfügbare
Kälteleistung wird in einem Solebehälter aufgespeichert und kann dann die Spitzen
der Kältebedarfskurve decken.
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Solange man in den Prüfschränken verhältnismäßig kleine Temperaturunterschiede,
z. B. bis -- 2o` oder - 3o", hervorrufen will, kann man mit einer einstufigen Anlage
auskommen. In dieser schaltet man während der Heizperiode des Prüfschrankes an Stelle
des im Prüfschrank befindlichen Verdampfers einen in einem Kältespeicher angeordneten
Verdampfer ein. In den Zeiten des hohen Kälteverbrauchs im Prüfschrank leitet man
dann das vom Kondensator kommende Kältemittel durch den Kältespeicher, unterkühlt
es dort stark und führt es dem im Prüfschrank befindlichen Verdampfer zu, in dem
dann eine erhöhte Kälteleistung hervorgerufen werden kann.
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Bei Anlagen, die, wie Fig. i andeutet, beispielsweise bis - i oo"
arbeiten sollen, wird man eine mehrstufige Ausführungsform -wählen, wobei die einzelnen
Stufen in Kaskadenform hintereinandergeschaltet sind. Hicrbei arbeiten die erste
und zweite Stufe als Kondensatormaschine für die dritte und gegebenenfalls auch
vierte Stufe. Eine derartige Schaltung ist in Fig. 3 schematisch dargestellt. Für
die erste und zweite Stufe, die z. B. im Temperaturbereich bis - 5o- arbeiten, wird
als geeignetes Kältemittel F 12 (Dichlordifiuormethan) gewählt. Für die dritte bzw.
vierte Stufe bis - i oo° wählt man ein Kältemittel, beispielsweise F 13 (Trifluormonochlormethan).
Diese Stufe arbeitet nun als eigentliche Kältemaschine, während die Kältemaschinen
der ersten Stufe als Kondensatormaschinen arbeiten. Wird eine Kühlanlage gebaut,
die auf tiefen gleichbleibenden Temperaturen arbeitet, dann müssen die Maschinen
der ersten Stufe so groß bemessen werden, daß sie die gesamte Kondensatorleistung
der Maschine der zweiten Stufe aufnehmen. Diese Bauart ist üblich und ausführbar,
wenn es sich um gleichbleibende tiefe Temperaturen handelt, wenn z. B. die Maschine
der zweiten Stufe im Temperaturbereich von - So' bis - ioo' arbeitet.
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Im vorliegenden Fall hat aber diese Maschine eine weit schwierigere
Arbeit zu leisten. sie soll in möglichst kurzer Zeit einen Raum von -j- ioo auf
- ioo herabkühlen. Dazu
besteht die in der Fig.3 schematisch dargestellte
Anlage aus drei Kompressoren g, 1z und i, von denen die Kompressoren g und
h
in der ersten Stufe hintereinandergeschaltet sind und mit dem Kältemittel
F 12 arbeiten, während der Kompressor i für die zweite Stufe vorgesehen ist und
mit dem Kältemittel F 13 arbeitet.
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Das vom Kompressor g geförderte Kältemittel F i 2 strömt durch einen
Zwischenkühler k zu dem Kompressor 1a und von dort zu dem Kondensator L. Von dort
tritt es über das Ventil m zu dem F i 2-Verdampfer n und von dort
zum Kompressor g zurück. Der Verdampfern ist nicht, wie sonst bei Kaskadenanlagen
üblich, als Doppelrohrapparat gebaut, sondern besteht aus getrennten Apparaturen,
die in einem Behälter o angeordnet sind, in dem sich eine eutektische Sole befindet.
Derartige eutektische Solen sind in der Kälteindustrie bekannt. Ihr Kennzeichen
besteht darin, daß sie bei Abkühlung auf eine bestimmte Temperatur zu einer gallertartigen
Masse erstarren -und dabei eine gewisse Wärmemenge, z. B. 5o bis 6okcal je Kilogramm,
binden. Beim Erwärmen wird die Sole wieder dünnflüssig und gibt die gespeicherte
Kältemenge ab.
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Die soweit beschriebene, mit den beiden Kompressoren g und h arbeitende
Kälteanlage ist nun während des ganzen Prüfvorganges im Betrieb und speichert die
erzeugte Kälte in der Sole auf, die den Verdampfern umgibt.
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Auf den Prüfschrank selbst arbeitet der Kompressor!, der, wie oben
erwähnt, mit dem Kältemittel F 13 arbeitet. Das vom Kompressori geförderte Kältemittel
strömt zu dem Kondensator p, der in dem Solebehälter o angeordnet ist. Hier wird
das Kältemittel auf die durch die Kompressoranlage g-h erzeugte Temperatur abgekühlt
und strömt dann über das Ventil q zu dem im Prüfschrank angeordneten Verdampfer
Y. Dort nimmt das Kältemittel F 13 die abzuführende Wärmemenge auf und tritt dann
wieder zum Kompressor i.
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Die Kälteanlage mit den Kompressoren g und lt arbeitet, wie schon
erwähnt, während des ganzen Prüfvorganges und kühlt die Sole in dem Behälter o stark
herunter. Dabei entspricht die dauernd erzeugte Kälteleistung etwa der Strecke e-f
der Fig. 2. Wenn dann beim Prüfvorgang die große Kältemenge a-b nach Fig. 2 benötigt
wird, tritt der Kompressor 1 in Tätigkeit und kann infolge der im Solebehälter
o gespeicherten Kälte eine ungewöhnlich große Kälteleistung hervorrufen. Es macht
also keine Schwierigkeiten, einen Temperaturverlauf nach Fig. i im Prüfschrank herbeizuführen.
Während des Kühlvorganges arbeiten alle Kompressoren g, h und i, wobei der Kompressor
i gegebenenfalls so geregelt wird, daß die Temperatur im Prüfschrank nicht unter
den vorgeschriebenen Wert sinkt.
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Während des sich daran anschließenden Heizvorganges steht der Kompressor
i still, während die Kompressoren g und h weiterarbeiten und durch den Verdampfern
die Sole im Behälter o kühlen. Dann wiederholt sich der Vorgang in der gewünschten
Weise.
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Man kann naturgemäß an Stelle der beiden Kompressoren g und lt in
der unteren Stufe nur einen Kompressor vorsehen. Man kann weiter an Stelle der zwei
Stufen eine dritte oder mehr Stufen anordnen, wobei zwischen jeder Stufe :ein weiterer
Solebehälter @eingeschaltet ist. Bei dieser Anordnung befindet sich beispielsweise
der Kondensator der dritten Stufe und der Verdampfer der zweiten Stufe in dem zweiten
Solebehälter, während der Verdampfer der dritten Stufe im Prüfraum angeordnet ist.
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Die Regelung des Kompressors! kann von Hand oder durch einen automatischen
Programmregler oder in sonstiger Weise erfolgen. Man erreicht dadurch eine Prüfeinrichtung,
bei der man in kurzer Zeit erhebliche Temperaturänderungen durchführen kann, obwohl
die Anlage nur verhältnismäßig geringe Abmessungen besitzt.