-
Verfahren zur selbsttätigen Ölrückführung in Kälteanlagen Die Erfindung
bezieht sich auf ein Verfahren zur selbsttätigen Rückführung des aus dem Kompressor
mitgerissenen Kälteöls aus den Verdampfern von Kälteanlagen und auf Einrichtungen
zur Durchführung des Verfahrens.
-
Einrichtungen, die dazu dienen, das aus dem Verdichterkurbelgehäuse
in den Verdampfer bzw. nachgeschalteten Niederdruckflüssigkeitsabscheider mitgerissene
Schmieröl wieder in das Verdichterkurbelgehäuse zurückzuführen, werden gemeinhin
als ölrückführeinrichtungen bezeichnet, auch dann, wenn im Öl in einem bestimmten
Prozentsatz Kältemittel enthalten sind. Ölrückführeinrichtungen, die einen zu hohen
Prozentsatz an Kältemittel im Ölgemisch mit überströmen lassen, sind für alle Kältemittel
unbrauchbar, weil das rückströmende, unterkühlte, zu stark kältemittelhaltige Ölgemisch
ein starkes Aufschäumen des vorhandenen Öls im
Kurbelgehäuse zur
Folge hätte, wodurch in noch höherem Maße Öl (man sagt immer Öl. wenn es sich in
Wirklichkeit auch um Gemische handelt) aus dem Verdichterkurbelgehäuse mitgerissen
wird. Brauchbare ölrückführeinrichtungen müssen schon so ausgeführt sein, daß das
aus dem Niederdruckflüssigkeitsabscheider zum Verdichterkurbelgehäuse rückzuführende
Öl-Kältemittel-Gemiscli an Kältemittel so arm ist, daß es bei Rückkehr in den Verdichter
keine nachteilige Wirkung (Aufschäumen des Öls im Kurbelgehäuse oder zu nasses Arbeiten
bzw. zu kaltes Verdichterdruckrohr) mehr ausüben kann. Es ist bekannt, in die Druckseite
einer Kälteanlage Ölabscheider mit Schwimmerventil einzubauen, die das abgeschiedene
Öl in das Kompressorkurbelgehäuse zurückführen. Erfahrungsgemäß genügt diese Einrichtung
nicht, um die Verdampfer ölfrei zu halten, vielmehr sammeln sich in den Flüssigkeits-
und Olabscheidern auf der Verdampferseite erhebliche Mengen von Kälteöl an, die
von Zeit zu Zeit von Hand abgelassen und ing Kurbelgehäuse des Kompressors zurückgefüllt
werden müssen.
-
Die bekannte Anordnung eines handbedienten Ventils in einer vom Abscheider
zum Saugstutzen des Kompressors führenden Ölrückführleitung erfordert Sachkenntnis,
die von dem Besitzer automatischer Kälteanlagen nicht erwartet werden kann, und
es besteht dann der Nachteil und die. Gefahr, daß flüssiges Kältemittel in die Saugleitung
und in den Kompressor gelangt.
-
Bei einigen Kältemitteln, z. B. Chlormethyl und Freon usw., sucht
man den Übelstand durch trockene Verdampfung, d. h. durch Verwendung th@ermostatischer
Expansionsventile als Kältemittelregelventile und hohe Gasgeschwindigkeiten in den
Verdampferrohren und in den Saugleitungen zu vermeiden. Infolgedessen ist man gezwungen,
größere Verdampfer in kleinere Einheiten mit einer Vielzahl von thermostatischen
Expansionsventilen aufzuteilen. Dadurch wird die Einrichtung umständlich, und die
genaue Einregulierung dieser @"entile erfordert viel Fachkenntnis, ist zeitraubend
und schwierig und trotzdem läßt die Einrichtung im praktischen Betrieb wegen der
großen Empfindlichkeit der thermostatischen Expansionsventile gegen innere Feuchtigkeit
usw. bekanntermaßen sehr viel zu wünschen übrig. Es ist auch bekannt, das ölreiche
Gemisch durch einen Wärmeaustauscher in das Kompressorkurbelgehäuse vermittels eines
dein Wärmeaustauscher vorgeschalteten thermostatischen Ventils zurückzuführen. Dieses
Ventil, nach einem weiteren, bekannten Vorschlag auch in Verbindung mit einem in
dem dem Wärmeaustauscher folgenden Teil der Ölrückführleitung angeordneten Handventil
regelt den Durchlaß des Ölgemisches zum Wärmeaustauscher bzw. zur Kompressorsaugleitung,
ist aber ein empfindliches Gerät mit Wärmefühler, Federn, Membran. Düse und Feineinstellung.
-
Die Erfindung vermeidet alle Schwierigkeiten und vereinfacht den Betrieb
von automatischen Kompressionskältemaschinen ganz erheblich. Ein besonderer Vorzug
derselben ist darin zu erblicken, daß die Einrichtung zur Ausübung des Verfahrens
mit sehr einfachen Mitteln erstellt werden kann, keine Störungsquellen aufweist
und in derselben Ausführung für die heute meistgebräuchlichen Kältemittel wie Ammoniak,
Chlormethyl und Freone usw. zur Anwendung gebracht werden kann. An Stelle der vorerwähnten
thermostatischen Expansionsventile kann der Kältemittelkreislauf auch bei Mehrverdampferkälteanlagen
für alle Kältemittel nunmehr mit weniger anspruchsvollen und empfindlichen Ventilen
geregelt werden.
-
Die Erfindung betrifft also ein Verfahren und eine Vorrichtung zur
selbsttätigen Rückführung des im Abscheiderkessel auf der Verdampferseite von Kälteanlagen
sich ansammelnden Öls in das Kompressorkurbelgehäuse unter Kälte- oder Wärmezufuhr
zu einem Wärmeaustauscher, durch welchen das rückzuführende Öl fließt und
ist durch Regelung des Strömungswiderstandes in dem dem Wärmeaustauscher folgenden
Teil und/oder in dem im Wärmeaustauscher befindlichen Teil der Ölrückführleitung
gekennzeichnet.
-
Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung hat das ölreiche Gemisch
freien Zugang zum Wärmeaustauscher. Bei geringem Kältemittelgehalt des Ö lgemisc'hes
kann der durch Wärmeaustausch mit der vom Kondensator kommenden warmen Kältemittelflüssigkeit
sich bildende Dampf durch die nachgeschaltete Drosselstelle leicht abziehen und
nachfolgend das Öl selbst. Bei stärkerem Kälteinittelgehalt des Öls bzw., wenn ersteres
stark überwiegend dem Wärmeaustauscher zuströmt, ist infolge des Wärmeaustausches
die Dampfentwicklung in dem Austauscher so stark, daß der sich bildende Kältemitteldampf
durch die nachfolgende Drossel nicht restlos entweichen kann, so daß der Dampf hemmend
auf den Durchgang der Kältemittelflüssigkeit zur Saugeleitung wirkt. Dies ändert
sich erst wieder, sobald ölreiches Gemisch in den Wärmeaustauscher gelangt. Diese
erfindungsgemäße Vorrichtung hat also gegenüber den bekannten den großen Vorzug,
daß sie ohne bewegliche Innenteile selbsthemmend wirkt. Dabei erfolgt die Ölrückführung
in das Kompressorkurbelgehäuse fortlaufend selbsttätig dadurch, daß das in einem
dem Verhalten des Kältemittels zum Öl angepaßten, d.li., die Anordnung des Öls bzw.
ölreichen Gemisches gegenüber dem spezifisch leichteren oder schwereren Kältemittel
bzw. kältemittelreichen Gemisch berücksichtigenden, Flüssigkeits-und Ölabscheider
gesammelte Öl dem Abscheider an der betreffenden Stelle entnommen, unter Druckgefälle
in die Ansaugleitung des Kompressors geführt und auf diesem Wege einer Kältezufuhr
oder aber einer Wärmezufuhr und anschließend und/oder zugleich einer Drosselung
ausgesetzt wird. Zur Durchführung des Verfahrens dienen Wärmeaustauscher. die im
wesentlichen von ,gleicher, jedoch, je nachdem sie für das Kältezufuhr- oder für
.das Wärmezufuhrv erfahren bestimmt sind, in Einzelheiten von abweichender Bauart
sind.
Aufbau und Wirkungsweise dieser Einrichtungen werden nachstehend
an Hand der Zeichnung beschrieben, welche darstellt Abb. i das Schema einer nach
der Erfindung ausgestatteten NH.- Kälteanlage, Abb.2 den Wärmeaustauscher für Kältezufuhr
und seinen Einbau in größerem Maßstabe.
-
-Abb. 3 den Wärmeaustauscher für Wärmezufuhr. In bekannter Weise saugt
Kompressor i durch Saugleitung 2 dampfförmiges Kältemittel aus dem Kältemittelflüssigkeits-
und Ölabscheider 3 und drückt es durch Olabscheider 4. mit Schwimmerventil 5 in
den Kondensator 6. Das hier verflüssigte Kältemittel gelangt durch Flüssigkeitsleitung
7 in den Hochdruckschwimmerregler 8, von wo aus es durch Einspritzleitung 9 in Verdampfer
io einspritzt. Vom Verdampfer io gelangt das verdampfte Kältemittel einschließlich
mitgerissener Flüssigkeitsteilchen und Kälteöl durch Saugleitung i i in Abscheider
3 zurück, und der Kreislauf beginnt #-on neuem. Abscheider 3 ist in gleichfalls
bekannter Art am Boden mit einem Ölsammelbehälter 12 versehen, dessen unterer Teil
13 als Schmutzabscheider dienen kann.
-
Aus dem ölsammelbehälter 12 fließt das Öl durch eine Leitung 14 in
einen Wärmeaustauscher, der sich von außen als ein druckdichtes Gefäß 15 (Ölgefäß)
darstellt. In dies Ölgefäß ragt von oben her ein verhältnismäßig enges gewundenes
Rohr 16 (Rohrspirale), dessen unteres Ende 17 offen ist. Das obere Ende der Rohrspirale
16 durchdringt die Decke des Ölgefäßes 15 und ist mit einem Regelventil i8 und dieses
durch eine Leitung i9 mit der Kompressorsaugleitung 2 verbunden. Um zwischen dem
Flüssigkeitsspiegel im Abscheider 3 und dem Anschlußpunkt der Leitung i9 an Saugleitung
:2 ein natürliches Druckgefälle 2o herbeizuführen, ist die Saugleitung durch eine
Schleife nach unten gezogen (Abb. i und 2). Die Einrichtung arbeitet in folgender
Weise: Solange Ölgefäß 15 aus Ölsammler 12 mit Öl gespeist wird, fließt dieses durch
die Rohrspirale 16 und das Regelventil 18 allmählich in die Saugleitung 2 ab, von
wo es vom Kompressor i mit abgesaugt und so über Ölabscheider 4. und Schwimmerventil
5 dem Kurbelgehäuse des Kompressors wieder zugeführt wird. Ist jedoch das Öl aus
Behälter 12 abgezogen, folgt unterkühltes Kältemittel nach, und wenn beispielsweise
bereits die obere Hälfte des Ölgefäßes 15 mit demselben gefüllt ist, dann wird das
in der oberen Hälfte der Rohrspirale aufsteigende Öl stark unterkühlt und durch
diese Kältezufuhr wird der Durchgang des Öls durch die Rohrspirale infolge größerer
Zähigkeit und größerer Reibungswiderstände stark behindert. Dieser Widerstand wird
um so größer, je tiefer der Ölstand absinkt und je mehr die Rohrspirale von unterkühltem
flüssigen Kältemittel umspült wird. Durch entsprechende Einstellung des Ventils
18 kann man dahingehend regulieren, daß der Ölstand im Behälter 15 abwechselnd steigt
und fällt, mit einem Wort gesagt pendelt, d. h., daß sich Ölzugang und Ölabgang
die Waage halten. Bei größerem Ölanfall würde sich der Behälteri5 ganz mit Öl füllen
und wäre somit der Kälteeinwirkung des flüssigen Kältemittels entzogen. Hierbei
wird sich die Öltemperatur der höheren Umgebungstemperatur anpassen, ein Vorgang,
den man durch zusätzliche Rippen 23 oder eine besondere zusätzliche Wärmequelle
unterstützen kann. Hierdurch wird das Öl leichtflüssiger und fließt leichter und
schneller durch die Rohrspirale 16 nach oben ab, bis wieder unterkühlte Kältemittelflüssigkeit
in den Behälter 15 nachfließt. Je nach Größe des Kompressors bzw. Menge des voraussichtlich
zurückzuführenden Öls wird man Länge und lichte Weite der Rohrspirale 16 sowie maximalen
Querschnitt des Ventils 18 annähernd festzulegen haben.
-
Zur Durchführung des Verfahrens mittels Wärmezufuhr ist gemäß Abb.
3 der Innenraum des Druckgefäßes 15 durch einen Zwischenboden 24 in zwei ungleiche
Kammern geteilt. Die größere obere Kammer 25 besitzt Anschlußstutzen für den Ein-und
Austritt eines durchströmenden Heizmittels, die untere kleinere Kammer 26 nimmt
die Zuleitung des Kälteöls auf. Die Rohrspirale durchdringt den: Zwischenboden und
mündet wie im ersten Fall nahe über dem Boden -des Druckgefäßes. Als Heizmittel
dient zweckmäßig die in Leitung 7 vom Kondensator kommende warme Kältemittelflüssigkeit,
indem sie vor ihrer Entspannung das Ölgefäß 15 durchströmt.
-
Die Wirkungsweise dieser Einrichtung verläuft so, daß bei reichlichem
Ölstand im Sammler 12 das Öl durch die ölfalleitung 14 der Ölkammer 26 zufließt,
in die Rohrspirale eintritt, in ihr hochsteigt, Ventil i8 passiert und durch die
Rohrleitung i9 in das Kompressoransaugrohr 2 einmündet. Durch den Wärmeaustausch
zwischen dem flüssigen Kältemittel mit der hohen Verflüssigungstemperatur von beispielsweise
etwa -I- 15° wird das Öl leichtflüssig und steigt flott hoch. Ist jedoch das Öl
aus dem Sammler i2 und der Kammer 26 abgezogen, fällt aus dem Flüssigkeitsabscheider
3 unterkühltes flüssiges Kältemittel nach und ist bestrebt, in der Rohrspirale 16
hochzusteigen. Durch den nunmehr eintretenden Wärmeaustausch zwischen dem aufsteigenden
unterkühlten Kältemittel von z. B. -50 und dem die Rohrspirale umgebenden flüssigen
Kältemittel von z. B. 15° kommt es in der Rohrspirale zur Dampfbildung. Diese wird
um so größer, je höher das unterkühlte Kältemittel in der Rohrspirale 16 ansteigt.
Die Dampfbildung wird zuletzt so stark, daß der Dampf nur zum geringsten. Teil durch
das entsprechend eingestellte Ventil 18 abziehen kann, mithin wird der in dem oberen
Teil sich bildende Dampf die im unteren Teil befindliche Kältemittelflüssigkeit
zurückdrücken, bis wieder Öl in Kammer 26 und Rohrspirale 16 zufließt und in dieser
wie eingangs beschrieben. hochsteigt. In den Endphasen des Öldurchgangs wird ein
Flüssigkeit-Öl-Gemisch in die Spirale eindringen wollen. Durch den höheren Kältemittelgehalt
des Gemisches wird der Öldurchgang durch die größere Dampfbildung so lange gedrosselt,
bis wieder ein an 01 reicheres Gemisch in die Spirale eintritt.
Die
Einrichtung hat den Vorzug, kältetechnisch verlustlos zu arbeiten, weil entsprechend
dem in der Rohrspirale 16 sieh entwickelnden Dampf der in Behälter 25 zirkulierenden
hochgespannten Kältemittelflüssigkeit ein Teil der Flüssigkeitswärme entzogen wird,
die sonst als sogenannte Blitzgase beim Austritt aus dem Schwimmerregler 8 in die
Verdampferleitung 9 in Erscheinung getreten wären und nur eine zusätzliche Belastung
für die Verdampferkühlflächen darstellen.
-
Durch Wahl der lichten Weite und Länge der Rohrspirale 16 und Einstellung
des Ventils 18 kann man sich bei jedem Ölanfall, ob klein oder groß, völlig auf
die Betriebserfordernisse einstellen. Selbst beim Anfahren des Kompressors nach
längerem Stillstand ist erfahrungsgemäß ein kurzzeitiges beschränktes Eindringen
von Kältemittelflüssigkeit in die Saugleitung zum Kompressor an letzterem kaum feststellbar.
-
Eine Feinregulierung ist bei Kälteanlagen mit der Ölrückführung gemäß
dem beschriebenen Verfahren außer dem als betriebssicher anzusehenden Hochdruckschwimmerregler
nicht mehr erforderlich. Für die Kältemittelverteilung bei z. B. automatischen Mehrraumkälteanlagen
mit separaten Verdampfern genügt alsdann eine mechanische Kältemittelfördereinrichtung
mit von Hand auf Kältemitteldurc'hflußmenge eingestellten Elektroabsperrv entilen
für die einzelnen Verdampfer, die bei allen Betriebsverhältnissen sicher arbeiten,
weil sie keine komplizierten Regelvorgänge mehr auszuführen haben, sondern nur bei
Inbetriebsetzung einmalig auf reichlichen Kältemitteldurchgang einzustellen sind.
-
Die Beschreibungen sind nur schematische und beispielsweise Darstellungen.
Die selbsttätigen Ölrückführeinrichtungen usw. können bei jeder Verdampferbauart,
auch bei Flutverdampfern, mit vollem Erfolg eingesetzt werden. Die Bauart des Wärmeaustauschers
ist gleichfalls nur beispielsweise dargestellt. Derselbe kann ebenso als Doppelrohr-
oder Bündelrohrapparat ausgebildet sein ohne Verengung der Ölrückführleitung, weil
man bei Nuranwendung eines Drosselventils od. dgl. bereits einen Effekt Erzielt.
Ebenso kann die Ölrückführleitung (Rohrspirale) in einen bei der Anlage vorhandenen
wärmeführenden Teil eingebaut werden.