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Vorrichtung zur Regelung der Strömung in Kapillarrohren beim Drosselvorgang
Der Zweck dieser Erfindung ist, den Wirkungsgrad von Kälteanlagen, die ein Kapillarrohr
oder eine Drosselöffnung (Düse) als Entspannungsorgan haben, zu verbessern.
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In der Kältetechnik werden zum Entspannen des Kältemittels von dem
Kondensatordruck auf den meist mehrere Atmosphären niedrigeren Z'erdampferdruck
an Stelle von Regelventilen mit Schwimmern und von sog. Pressostaten oft einfache
Drosselrohre verwendet, die bei den für kleine Kälteanlagen in Frage kommenden Druckunt°rschieden
und Kältemittelmengen aus kapillaren .#-Ietallrohren von bis zu mehreren Metern
Länge bestehen. Der geringe Bauaufwand eines Drosselrohres, das auch nur aus einer
einfachen kurzen Öffnung .bestehen kann, wird durch den Verlust der Regelbarkeit
erkauft. Kompressor und Drosselrohr solcher Anlagen werden zweckmäßigerweise so
ausgelegt, daß die durch das Drosselrohr hindurchtretende Flüssigkeitsmenge bei
der größten geforderten Temperaturabsenkung gerade die größte Kälteleistung des
Verdampfers deckt. In diesem Falle fließt durch das Drosselrohr die gleiche Menge
Kältemittel vom Kondensator in den Verdampfer, die der Kompressor bei ununterbrochenem
Lauf als Dampf aus dem Verdampfer in den Kondensator drückt. Bei geringerer Last
und tieferen Umgebungstemperaturen oder Kondensatortemperaturen hält meist ein mit
dem Verdampfer verbundener Thermostat die Verdampfertemperatur, die bei geringerer
Last oder geringerer U mgebungsteniperatur bei ununterbrochenem Lauf des Kompressors
weiter absinken müßte, durch periodisches Stillsetzen des Antriebsmotors
vom
Kompressor unverändert. Das Kapillarrohr bzw. die Drosselöffnung ist aber stets
offen, so daß auch während des Stillstandes Kältemittel hindurehströmt. Nimmt man
beispielsweise an, bei unveränderter Kondensator- und. Verdampfertemperatur, also
unveränderter Druckdifferenz am Drosselrohr, sinke der Kältemittelbedarf auf die
Hälfte, ein Fall, der z. B. bei Kühlschränken leicht dann eintreten kann, wenn keine
Eiswürfel zu bereiten sind und kein Kühlgut in den Schrank eingestellt wird, dann
ist das ganze benötigte Kältemittel bereits in der halben Zeit der aus Laufzeit
und Stillstand bestehenden Schaltperiode durch das Drosselrohr hindurchgeströmt,
und in der übrigen noch bis zum Wiedereinschalten des Kompressors verbleibenden
Zeithälfte strömt dann auch noch durch das stets offene Drosselrohr das Druckgas
des Kondensators, wobei sich, wenn der Stillstand nicht zu kurz ist, dieDruckdifferenz
zwischen Kondensator und Verdampfer ausgleicht. Beim Wiederanlaufen muß der Kompressor
zunächst diese Druckdifferenz zwischen Verdampfer und Kondensator wiederherstellen,
bevor Kondensation stattfinden und nutzbare Kälte geleistet werden kann. Damit sind
Energieverluste verbunden, die beim Schwimmerventil z. B. nicht vorhanden sind,
denn ein solches regelt auf konstante Füllung des Verdampfers oder Kondensators
und führt dem Verdampfer nur so viel Kältemittel zu, wie der Verdichter als Dampf
absaugt.
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Diese Erfindung beseitigt die beschriebenen Verluste beim Drosselrohr
und der Drosselöffnung durch einen Wärmeaüstauscher und verbessert den Wirkungsgrad
von Kälteanlagen mitDrosselrohnen, wobei der Wirkungsgrad von Kälteanlagen mit Schwimmerventilen
erreicht wird, ohne daß mit den Störungen, die bei Schwimmerventilen gewöhnlich
auftreten, zu rechnen ist.
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Bei dieser Erfindung wird weiter die durch Theorie und Versuch bestätigte
Tatsache verwendet, daß eine unterkühlte Flüssigkeit leichter durch ein Drosselrohr
fließt als eine siedende Flüssigkeit. Bei Luftkühlung des Kondensators z. B. hat
das Kondensat ungefähr die Temperatur der Umgebung und befindet sich dabei nahezu
noch im Siedezustand. Beim Fließen durch das Kapillarrohr, an dem meist eine Druckdifferenz
von mehreren Atmosphären liegt; wird das siedende Kältemittel mehr und mehr vom
Druck entlastet, und ein Teil derFlüssigkeit muß dabei verdampfen. Diese Verdampfung
behindert erheblich den Durchfluß des Kältemittels. Daher ist es verständlich, daß,
wenn man die Verdampfung im Drosselrohr, unterbindet, derart, daß das Kältemittel
vor seinem Eintritt in das Drosselrohr auf die Verdampfertemperatur unterkühlt wird,
bedeutend mehr Kältemittel durch das Drosselrohr strömen kann. Die Theorie lehrt,
daß der Mengenstrom einer reinen Flüssigkeit, deren Temperatur derartig weit unter
dem Siedepunkt liegt und die bei derselben Druckdifferenz durch das Drosselrohr
strömt, etwa viermal größer sein kann als der Mengenstrom einer bei Kondens,atordruck
siedenden Flüssigkeit. Danach- ist es möglich, mit einem kleinen Wärmeaustauscher
vor dem Drosselrohr,den Durchfluß des Kältemittels durch das Drosselrohr so zu beeinflussen,
daß der Durchfluß genau der Fördermenge des Kompressors entspricht. Dafür ist das
Drosselrohr für den geringsten und nicht für den maximalen Durchfluß zu bemessen,
wobei anzunehmen ist, daß das Kältemittel im Siedezustand eintritt, und ein erforderlicher
stärkerer Durchfluß wird durch teilweise Kühlung des Kondensates mit Verdampferflüssigkeit
erzeugt.
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Wärmeaustauscher in Verbindung mit Drosselrohren sind bekannt. Doch
haben diese bekannten Wärmeaustauscher einen anderen Zweck. Sie nutzen die noch
im Kältemitteldampf vorhandene Kälte zur Abkühlung des im Drosselrohr strömenden
Kältemittels aus. Der Wärmeaustauscher dieser Erfindung jedoch verwendet zur Abkühlung
des Kondensates die Verdampfung von Verdampferflüssigkeit, um denWirkungsgrad vonKälteanlagen
mit Drosselrohren in der beschriebenen Weise zu verbessern. Deshalb muß das Zuleitungsrohr
zur kalten Seite des Wärmeaustauschers unterhalb des Spiegels der Verdampferflüssigkeit
in den Verdampfer münden, während die Zuleitungsrohre der bekannten Wärmeaustauscher
den Dampf oberhalb des Flüssigkeitsspiegels absaugen. Bei dem Verfahren der Erfindung
verdampft zwar ein kleiner Teil der Verdampferflüssigkeit, ohne unmittelbar Nutzkälte
zu leisten, aber das ist kein Verlust, weil die gekühlte Flüssigkeit mit einem größeren
Kälteinhalt in den Verdampfer fließt als das Dampfflüssigkeitsgemisch, das dann
entsteht, wenn das Kältemittel im Siedezustand in das Dross-elrolir .eintritt.
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Kombiniert man einen Schwimmer mit dem Wärmeaustausch:er vor dem Drosselrohr
derart, daß Verdampferflüssigkeit in den kalten Teil des Wärmeaustauschers fließt,
wenn der Spiegel der Flüssigkeit im Verdampfer sinkt, so läßt sich der Durchfluß
in einem Bereiche von i : q. regeln.
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Eine derartige Vorrichtung ist als Ausführungsbeispiel in der Abbildung
dargestellt. Der Kompressor a verdichtet den Kältemitteldampf und fördert ihn aus
dem Verdampfer b in den Kondensator c, wo er verflüssigt wird. Von hier tritt die
Flüssigkeit mit Siedezustand in den Sammler d und in das innere Rohr f des Wärmeaustauscbers
e, der aus den beiden konzentrischen Rohren f und a besteht. Der Zwischenraum dieser
beiden Rohre wird vom Verdampfer aus mit kaltem flüssigem Kältemittel gefüllt. Dadurch
kann das durch das Innenrohr vom Kondensator kommende Kältemittel gekühlt werden,
und es tritt mit einer mehr oder weniger unter dem Siedepunkt liegenden Temperatur
in das Drosselrohr la ein. Die Durchflußmenge hängt von dieser Temperatur ab. Der
Zufluß des Kältemittels vom Verdampfer zum Wärmeaustauscher wird durch das Ventil
m geregelt. Dieses ist mit dem Schwimmer l und dem Drehpunkt 7a derart verbunden,
daß es beim Sinken des Spiegels i der Flüssigkeit im Verdampfer geöffnet wird und
dadurch Kältemittel durch das Verbindungsrohr o
in den Wärmeaustauscher
fließen läßt. Dieses vom Verdampfer kommende Kältemittel kühlt das Kondensat im
inneren Rohr durch seine Verdampfung. Der Dampf kehrt zum Verdampfer durch das Rohr
p zurück. Infolge der Abkühlung kann eine größere -Menge Kältemittel durch das Drosselrohr
lt fließen. Dadurch steigt der Spiegel der Flüssigkeit im Verdampfer wieder,
die Öffnung des Ventils in wird durch den Schwimmer l wieder verkleinert,
und es tritt weniger kalte Flüssigkeit in den Wärmeaustauscher. Das Kondensat kommt
wieder mit höherer Temperatur in das Drosselrohr, und der Durchfluß wird vermindert.
So reguliert sich von selbst der Durchfluß der Belastung entsprechend ein.
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Wenn das Kapillarrohr einer derartigen Vorrichtung für -den geringsten
Durchfluß entsprechend der kleinsten Last des Verdampfers und für den Siedezustand
des Kältemittels ausgelegt wird, dann kann bei dauernder Kühlung des Kältemittels
die Belastung um das Vierfache vergrößert werden. Der Th:rmostatr in Verbindung
mit einem Schalter läßt entsprechend der Belastung den Elektromotors des Kompressors
periodisch anlaufen bzw. anhalten. Der Wärmeaustauscher e ist von der Isolation
q
gegen Kälteverluste umgeben.
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Der das Ventil in betätigende Schwimmer l hat nur den Druck
einer kleinen Fliissigkeitssäule zu überwinden, und das Ventil na hat nur einen
geringen Teil der Verdampferflüssigkeit durchzulassen im Gegensatz zu dem gewöhnlichen
Schwimmerventil, auf dem die. ganze Druckdifferenz zwischen Kondensator und Verdampfer
liegt und das die gesamte Kältemittelmenge durchzulassen hat. Deswegen kann der
Schwimmer klein gehalten werden und kann leicht im Verdampfer untergebracht werden.
Deshalb fallen weiter auch die häufigen Störungen, die beim gewöhnlichen Schwimmerventil
auftreten, fort. Ebenso sind die Abmaße des Wärmeaustauschers klein infolge des
guten Wärmeüberganges von siedender Flüssigkeit zum Kondensat. So ist in einfacher
Weise das Kapillarrohr anpassungsfähiger an die Belastungsschwankungen gemacht,
weil die dabei sonst unvermeidlichen Energieverluste durch dauerndes Absinken des
Kondensatordruckes nicht auftreten können, denn der Flüssigkeitsspiegel 1z ist dauernd
im Sammler d vorhanden, womit ein Absinken des Kondensatordruckes verhütet wird.
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An Stelle des Schwimmers kann zum Öffnen und Schließen des Ventils
m ein Thermostat, der von der Temperatur der entspannten Flüssigkeit oder des entspannten
Dampfes beeinflußt wird, dienen. Desgleichen kann ein vom Druck der entspannten
Flüssigkeit oder des entspannten Dampfes abhängiger Pressostat den Durchfluß durch
m regeln.
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Einfache Öffnungen haben ebenfalls die Eigenschaft, unterkühlte Flüssigkeit
besser als siedende durchzulassen. Der Wärmeaustausch,er mit den Regelvorrichtungen
kann daher auch in Verbindung mit einer Öffnung, verwendet werden. Für kleinere
Kühlschränke werden diese Öffnungen jedoch ziemlich klein, so daß die. Gefahr einer
Verstopfung besteht. Öffnungen eignen sich daher mehr für größere Kühlschränke und
Kälteanlagen.