EP0589425A2

EP0589425A2 - Cooling device, particularly for air conditioning of rooms

Info

Publication number: EP0589425A2
Application number: EP93115221A
Authority: EP
Inventors: Horst Dipl.-Ing. Schütze; John Dipl.-Ing. Yost
Original assignee: STN Systemtechnik Nord GmbH
Current assignee: STN Systemtechnik Nord GmbH
Priority date: 1992-09-25
Filing date: 1993-09-22
Publication date: 1994-03-30
Also published as: DE4232087A1; EP0589425A3

Abstract

The invention relates to a cooling device, particularly for air conditioning of rooms (1). The device is designed as a cold-vapour refrigeration machine with a closed circuit. As refrigerant, use is made of a mixture of a high-boiling first component (e.g. water) and a low-boiling gas (e.g. air) as second component. The working pressure is set in the closed circuit as an underpressure in such a manner that the boiling temperature of the first component lies below the temperature of the rooms (1) to be air conditioned. As expansion device, an expansion machine (5) is provided, which is preferably designed as a displacement machine. <IMAGE>

Description

Die Erfindung betrifft eine Kühlvorrichtung, insbesondere zur Klimatisierung von Räumen, mit einer Kaltdampf-Kältemaschine, die einen Kompressor, einen Kühler, eine Expansionsvorrichtung und einen Verdampfer in einem geschlossenen Kreislauf aufweist.The invention relates to a cooling device, in particular for air conditioning rooms, with a cold steam refrigeration machine, which has a compressor, a cooler, an expansion device and an evaporator in a closed circuit.

Wie bereits aus dem Aufsatz "Kaltluftkältemaschinen nach dem Joule-Prozeß'' in der Zeitschrift Klima-Kälte-Heizung 5/1990, Seiten 206 bis 211, hervorgeht, nimmt im Rahmen der Suche nach alternativen Kältetechnologien zur Substitution von Kaltdampfprozessen mit vollhalogenierten Fluorchlorkohlenwasserstoffen (FCKW) das Interesse am Kaltluftprozeß wegen der Unschädlichkeit des Kältemittels Luft erneut zu. Solche Anlagen sind bisher insbesondere im Bereich der Flugzeugklimatisierung bekannt geworden, wo es vor allem auf geringes Gewicht der Anlage ankommt und Turboverdichter im Strahltriebwerk bereits vorhanden sind.As can already be seen from the article "Cold air chillers according to the Joule process" in the magazine Klima-Kühl-Heizung 5/1990, pages 206 to 211, the search for alternative cooling technologies for the substitution of cold steam processes with fully halogenated chlorofluorocarbons (CFC ) the interest in the cold air process because of the harmlessness of the refrigerant air again. Systems of this type have hitherto become known in particular in the field of aircraft air conditioning, where the low weight of the system is particularly important and turbo compressors are already present in the jet engine.

Außerdem sind bereits Untersuchungen von Kaltluft-Kälteprozessen für den Einsatz in zu klimatisierenden Schienenfahrzeugen, insbesondere Güterwagen bekannt geworden (Wissenschaftliche Zeitschrift der Hochschule für Verkehrswesen "Friedrich List" in Dresden, 27 (1980) Heft 1, Seiten 35 bis 41). Die dort beschriebenen Kaltluftanlagen arbeiten nach einem offenen Prozeß unter Verwendung eines Verdichters, eines Wärmeübertragers, einer Expansionsturbine und einer Mischkammer. Die Gütegrade solcher Anlagen liegen jedoch deutlich niedriger als bei den bisher mit FCKW arbeitenden Verdampferanlagen, so daß Anlagen nach dem Kaltluftprozeß sich bisher wegen des hohen Energiebedarfs nicht durchsetzen konnten.In addition, studies of cold air cooling processes for use in rail vehicles to be air-conditioned, in particular freight cars, have already become known (scientific journal of the University of Transportation "Friedrich List" in Dresden, 27 (1980) Issue 1, pages 35 to 41). The cold air systems described therein operate in an open process using a compressor, a heat exchanger, an expansion turbine and a mixing chamber. However, the quality of such systems is significantly lower than that of the vaporizer systems previously used with CFCs, so that systems based on the cold air process have so far not been able to establish themselves due to the high energy requirement.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Kühlvorrichtung, insbesondere zur Klimatisierung von Räumen, vorzuschlagen, bei der der Gütegrad bzw. Wirkungsgrad gegenüber dem klassischen Kaltluftprozeß deutlich erhöht wird, ohne daß schädliche Kältemittel wie FCKW verwendet werden müssen.The present invention is based on the object of proposing a cooling device, in particular for the air conditioning of rooms, in which the quality or efficiency is significantly increased compared to the classic cold air process without the use of harmful refrigerants such as CFCs.

Diese Aufgabe wird bei einer Vorrichtung der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß als Kältemittel ein Gemisch aus einer hochsiedenden ersten Komponente (z.B. Wasser) mit hoher Verdampfungswärme pro Volumen und einem tiefsiedenden Gas (z.B. Luft) als zweite Komponente mit hohem Aufnahmevermögen für die erste Komponente verwendet wird, daß der Arbeitsdruck als Unterdruck im geschlossenen Kreislauf so eingestellt ist, daß die Siedetemperatur der ersten Komponente unterhalb der Temperatur der zu klimatisierenden Räume liegt, daß das Mischungsverhältnis der beiden Komponenten derart ist, daß die zweite Komponente am Eingang des Kompressors gerade mit der ersten Komponente als Dampf gesättigt ist, und daß als Expansionsvorrichtung eine Expansionsmaschine vorgesehen ist, deren mechanische Ausgangsleistung zum Antrieb des Kompressors oder einer Kompressorstufe mit herangezogen wird.This object is achieved in a device of the type mentioned in that a mixture of a high-boiling first component (e.g. water) with high heat of vaporization per volume and a low-boiling gas (e.g. air) as the second component with high absorption capacity for the first component as the refrigerant is used that the working pressure is set as a negative pressure in the closed circuit so that the boiling temperature of the first component is below the temperature of the rooms to be air-conditioned, that the mixing ratio of the two components is such that the second component at the inlet of the compressor with the first component is saturated as steam, and that as an expansion device an expansion machine is provided, the mechanical output power of which is used to drive the compressor or a compressor stage.

Durch die Wahl eines solchen Kältemittelgemisches und bei Anwendung eines Unterdrucks im geschlossenen Kreislauf werden die Vorteile des günstigen Gütegrades bzw. Wirkungsgrades von Kaltdampf-Kältemaschinen mit dem Vorteil der Ungefährlichkeit der beiden Komponenten als Kältemittel kombiniert, wenn z.B. als erste Komponente Wasser und als zweite Komponente Luft verwendet werden. Es ist jedoch selbstverständlich auch möglich, andere ungefährliche Komponenten statt Wasser zu verwenden wie z.B. Alkohol, weil der hohe Siedepunkt der ersten Komponente durch den Unterdruck in einen Bereich unterhalb der Temperatur der zu klimatisierenden Räume gebracht wird. Anstelle von Luft kann selbstverständlich jedes beliebige ungefährliche Gas verwendet werden, wichtig ist nur, daß es bei allen Betriebsbereichen gasförmig bleibt und möglichst viel von der ersten Komponente aufnehmen kann, bis eine Sättigung eintritt.By choosing such a refrigerant mixture and using a vacuum in a closed circuit, the advantages of the favorable quality or efficiency of cold steam refrigeration machines are combined with the advantage of the non-hazardousness of the two components as a refrigerant, e.g. water as the first component and air as the second component. However, it is of course also possible to use other harmless components instead of water, e.g. Alcohol, because the high boiling point of the first component is brought to a range below the temperature of the rooms to be air-conditioned by the negative pressure. Any harmless gas can of course be used instead of air, it is only important that it remains gaseous in all operating areas and can absorb as much of the first component as possible until saturation occurs.

Normalerweise arbeiten Kaltdampf-Kältemaschinen mit einer Drossel als Expansionsvorrichtung, was einen geringeren Aufwand bedeutet. Durch Verwendung einer Expansionsmaschine als Expansionsvorrichtung wird der Gütegrad der Vorrichtung weiter erhöht. Solche Expansionsmaschinen sind bereits bei Kaltluft-Kältemaschinen gebräuchlich und sogar notwendig, weil eine Drossel nicht zu einem notwendigen Temperaturabfall führt.Cold steam chillers normally work with a throttle as an expansion device, which means less effort. The quality of the device is further increased by using an expansion machine as the expansion device. Such expansion machines are already used in cold air chillers and are even necessary because a throttle does not lead to a necessary drop in temperature.

Es liegt zunächst nahe, bei einer Kühlvorrichtung, insbesondere zur Klimatisierung von Räumen, den Kompressor und die Expansionsmaschine als Strömungsmaschinen (Turbomaschinen) auszubilden, wie es insbesondere im Bereich der Flugzeugklimatisierung von Vorteil ist. Eine solche Ausbildung erfordert jedoch, daß bei der Verwendung einer Expansionsturbine als Expansionsmaschine sichergestellt wird, daß vor der Turbine noch keine Kondensation auftritt, weil sonst Tröpfchen, z.B. Wassertröpfchen, der hochsiedenden ersten Komponente entstehen, die zu einer Erosion der Turbinenschaufeln führen können. Die Parameter des geschlossenen Kreislaufes und das Mischungsverhältnis der beiden Komponenten müssen also innerhalb enger Grenzen konstant gehalten werden. Ein zu geringer Anteil der hochsiedenden ersten Komponente vermeidet zwar eine Kondensation am Eingang der Expansionsmaschine, jedoch wird dann der mögliche Gütegrad der Kühlvorrichtung nicht ausgenutzt.In the case of a cooling device, in particular for the air conditioning of rooms, it is initially obvious to design the compressor and the expansion machine as flow machines (turbo machines), as is particularly advantageous in the field of aircraft air conditioning. However, such a design requires that when using an expansion turbine as an expansion machine it is ensured that no condensation occurs before the turbine, because otherwise Droplets, for example water droplets, of the high-boiling first component, which can lead to erosion of the turbine blades. The parameters of the closed circuit and the mixing ratio of the two components must therefore be kept constant within narrow limits. Too little of the high-boiling first component avoids condensation at the inlet of the expansion machine, but the possible quality grade of the cooling device is then not exploited.

Darüber hinaus bereitet der Antrieb von Turbomaschinen, d.h., des Kompressors, wegen der notwendigen hohen Drehzahlen erhebliche Probleme, wenn z.B. Elektromotoren oder Verbrennungsmotoren verwendet werden sollen.In addition, the drive of turbomachinery, i.e. the compressor, causes considerable problems due to the high speeds required, e.g. when Electric motors or internal combustion engines are to be used.

Ein weiterer, wichtiger Aspekt der vorliegenden Erfindung besteht deshalb darin, sowohl den Kompressor als auch die Expansionsmaschine als Verdrängungsmaschinen auszubilden. Davon ist vorteilhafterweise insbesondere der Kompressor als Schraubenverdichter ausgebildet, oder beide Maschinen sind Rotationskolbenmaschinen. Dies hat nicht nur den Vorteil, daß die zum Antrieb notwendige Drehzahl eines Antriebsmotors im üblichen Bereich von Elektromotoren oder Verbrennungsmotoren liegt, sondern daß darüber hinaus solche Verdrängungsmaschinen weitgehend unempfindlich gegen in der Expansionsmaschine ausfallendes Kondensat, z.B. Kondenswasser, sind. Das Mischungsverhältnis der beiden Komponenten ist also weniger kritisch. Als weiterer Vorteil kommt hinzu, daß Verdrängungsmaschinen auch bei Teillast mit gutem Wirkungsgrad arbeiten, was bei Turbomaschinen ohne erheblichen mechanischen Zusatzaufwand nicht der Fall ist.Another important aspect of the present invention is therefore to design both the compressor and the expansion machine as displacement machines. Of these, the compressor in particular is advantageously designed as a screw compressor, or both machines are rotary piston machines. This not only has the advantage that the speed of a drive motor required for driving is in the usual range of electric motors or internal combustion engines, but also that such displacement machines are largely insensitive to condensate failing in the expansion machine, e.g. Condensed water. The mixing ratio of the two components is therefore less critical. Another advantage is that displacement machines work with good efficiency even at partial load, which is not the case with turbomachinery without considerable additional mechanical effort.

Zur Aufrechterhaltung optimaler Betriebsparameter sind vorzugsweise ein Drucksensor und ein Feuchtesensor zum Messen der entsprechenden Werte im geschlossenen Kreislauf vorgesehen, um bei Abweichungen von den Sollwerten die erste und/oder zweite Komponente nachfüllen oder ablassen zu können. Bei zu hohem Druck bzw. zu niedrigem Unterdruck kann das Gemisch auf der Hochdruckseite auf einfache Weise abgelassen werden, wenn der Betriebsdruck an dieser Stelle über dem Umgebungsdruck liegt. Liegt er jedoch, z.B. geringfügig, darunter, so kann das Gemisch durch eine entsprechende Vorrichtung abgepumpt werden. Bei Verwendung von ungefährlichen Komponenten im Kältemittel kann das Ablassen bzw. Abpumpen ins Freie ohne Probleme erfolgen, insbesondere wenn Wasser bzw. Luft verwendet werden. Bei zu niedrigem Druck kann am Ausgang der Expansionsmaschine das Gemisch oder die zweite Komponente durch den Unterdruck auf der Niederdruckseite in den Kreislauf eingesaugt werden, ohne daß entsprechende Pumpvorrichtungen erforderlich sind. Im Falle von Luft als zweiter Komponente kann das Einsaugen aus der Umgebungsluft erfolgen. Sollte die Konzentration der ersten Komponente im Verhältnis zur zweiten Komponente zu niedrig sein, z.B. durch vorheriges Ablassen aufgrund zu hohen Druckes, so kann die erste Komponente aus einem Vorratsbehälter oder dergleichen über ein Dosierventil nachgefüllt werden, vorzugsweise am Eingang des Kompressors.To maintain optimal operating parameters, a pressure sensor and a moisture sensor are preferably provided for measuring the corresponding values in a closed circuit, in order to refill the first and / or second component in the event of deviations from the target values to be able to drain. If the pressure is too high or the vacuum is too low, the mixture can be discharged on the high-pressure side in a simple manner if the operating pressure at this point is above the ambient pressure. However, if it is, for example slightly, below, the mixture can be pumped out by a suitable device. When using non-hazardous components in the refrigerant, draining or pumping outdoors can be carried out without any problems, especially if water or air is used. If the pressure is too low, the mixture or the second component can be sucked into the circuit by the negative pressure on the low-pressure side at the outlet of the expansion machine, without corresponding pump devices being required. In the case of air as the second component, it can be sucked in from the ambient air. If the concentration of the first component is too low in relation to the second component, for example due to prior discharge due to excessive pressure, the first component can be refilled from a storage container or the like via a metering valve, preferably at the inlet of the compressor.

Im Fall der Benutzung der Kühlvorrichtung zur Klimatisierung von Räumen ist der Verdampfer zweckmäßigerweise als ein erster Wärmetauscher ausgebildet, über den im Querstrom Außenluft und/oder Rezirkulationsluft bzw. ein anderes Kühlmedium geleitet und den zu klimatisierenden Räumen, insbesondere Aufenthaltsräumen, zugeführt wird. Darüber hinaus ist der Kühler zweckmäßigerweise als ein zweiter Wärmetauscher ausgebildet, und Abluft aus den zu klimatisierenden Räumen wird im Querstrom über den zweiten Wärmetauscher geführt, um die in der Abluft vorhandene Energie zur Kühlung auszunutzen. Eine besonders gute Energieausnutzung kann dann erfolgen, wenn der zweite Wärmetauscher in zwei Abschnitte unterteilt ist, die im Arbeitskreislauf in Serie liegen, und wenn die Abluft aus den zu klimatisierenden Räumen über den kälteren Abschnitt des zweiten Wärmetauschers geführt ist. Eine weitere Verbesserung des Energiehaushaltes kann dann erreicht werden, wenn der erste Wärmetauscher bezüglich des Querstroms als Kondensations-Wärmetauscher ausgebildet ist und wenn das dabei im Kondensationsabschnitt anfallende Kondenswasser, oder auch Frischwasser, in den Querstrom des zweiten Wärmetauschers zur Verdunstung eingespritzt wird. Die hierbei entstehende Verdunstungskälte verbessert den Gütegrad erheblich, ist jedoch nur bis zur Sättigung der im Querstrom durchfließenden Luft möglich.In the case of using the cooling device for the air conditioning of rooms, the evaporator is expediently designed as a first heat exchanger via which outside air and / or recirculation air or another cooling medium is passed in a crossflow and is supplied to the rooms to be air-conditioned, in particular recreation rooms. In addition, the cooler is expediently designed as a second heat exchanger, and exhaust air from the rooms to be air-conditioned is conducted in cross flow over the second heat exchanger in order to utilize the energy present in the exhaust air for cooling. A particularly good use of energy can take place if the second heat exchanger is divided into two sections, which are in series in the working circuit, and if the exhaust air from the rooms to be air-conditioned is led over the colder section of the second heat exchanger. A further improvement in the energy balance can be achieved if the first heat exchanger is related of the cross flow is designed as a condensation heat exchanger and when the condensation water or fresh water obtained in the condensation section is injected into the cross flow of the second heat exchanger for evaporation. The resulting evaporation cold significantly improves the quality, but is only possible up to the saturation of the air flowing in the crossflow.

Um die Expansionsmaschine weniger mit Kondensat zu belasten, ist in den zweiten Wärmetauscher vorzugsweise ein Kondensationsabschnitt integriert, oder diesem nachgeschaltet. Das in diesem Kondensationsabschnitt abgeschiedene Kondensat wird zweckmäßigerweise in einem Sammelbehälter aufgefangen und über eine Dosiereinrichtung am Eingang des ersten Wärmetauschers eingespritzt. Eine weitere Verbesserung des Wirkungsgrades der Vorrichtung kann dadurch erreicht werden, daß in den Kompressor, nämlich zwischen Eingang und Ausgang, Kondensat der ersten Komponente eingespritzt wird und die Kondensatmenge so bemessen ist, daß am Ausgang des Kompressors noch keine Sättigung der zweiten Komponente mit der ersten Komponente erreicht wird. Als Kondensat kann hierbei entweder das im Sammelbehälter aufgefangene Kondensat verwendet werden. Dieses Einspritzen ist besonders bei Verwendung eines Schraubverdichters als Kompressor von Vorteil, da dieser verhältnismäßig unempfindlich für eine zusätzliche Einspritzung von Kondensat ist.In order to load the expansion machine less with condensate, a condensation section is preferably integrated in the second heat exchanger, or is connected downstream of it. The condensate separated in this condensation section is expediently collected in a collecting container and injected via a metering device at the inlet of the first heat exchanger. A further improvement in the efficiency of the device can be achieved in that condensate of the first component is injected into the compressor, namely between the inlet and outlet, and the amount of condensate is dimensioned such that at the outlet of the compressor there is still no saturation of the second component with the first Component is reached. Either the condensate collected in the collecting container can be used as the condensate. This injection is particularly advantageous when using a screw compressor as a compressor, since it is relatively insensitive to an additional injection of condensate.

Um die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Klimatisieren von Räumen auch bei anderen Witterungsbedingungen zum Heizen ausnutzen zu können, ist im Querstrom dem ersten Wärmetauscher ein weiterer, dritter Wärmetauscher nachgeschaltet, über den bei Heizbetrieb im zweiten Wärmetauscher vorgewärmte Außenluft zugeführt wird. Hierdurch ist es möglich, die zugeführte Außenluft und/oder Rezirkulationsluft zunächst über den ersten Wärmetauscher zu kühlen und durch Kondensation zu trocknen, während die Luft dann anschließend auf die gewünschte Raumtemperatur im dritten Wärmetauscher erwärmt wird.In order to be able to use the device according to the invention for air conditioning rooms for heating in other weather conditions, a further, third heat exchanger is connected downstream of the first heat exchanger, via which preheated outside air is supplied in the second heat exchanger during heating operation. This makes it possible to first cool the supplied outside air and / or recirculation air via the first heat exchanger and to dry it by condensation, while the air is then subsequently heated to the desired room temperature in the third heat exchanger.

Anstelle von Luft für die zu klimatisierenden Räume ist es auch möglich, einen anderen Wärmeträger (z.B. Wasser) über den ersten Wärmetauscher im Querstrom zu leiten, der dann über einen entsprechenden Wärmetauscher in den zu klimatisierenden Räumen die Kälte an die Raumluft abgibt. Eine solche Betriebsweise ist z.B. bei Schiffen von Vorteil, um über verhältnismäßig große Entfernungen den Wärmeträger an die zu klimatisierenden Räume heranzuführen.Instead of air for the rooms to be air-conditioned, it is also possible to pass another heat transfer medium (e.g. water) over the first heat exchanger in cross flow, which then releases the cold into the room air via a corresponding heat exchanger in the rooms to be air-conditioned. Such an operation is e.g. advantageous for ships to bring the heat transfer medium to the rooms to be air-conditioned over relatively large distances.

Um bei bestimmten Arbeitsbereichen Probleme durch Kondensation im ersten Wärmetauscher zu vermeiden, kann dieser durch einen Bypass überbrückt sein, der vom Ausgang des Wärmetauschers zum Eingang fördert.In order to avoid problems due to condensation in the first heat exchanger in certain work areas, this can be bridged by a bypass which conveys from the outlet of the heat exchanger to the inlet.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezug auf die beigefügte Zeichnung näher erläutert. Diese Zeichnung zeigt schematisch das Beispiel einer zur Klimatisierung von Räumen benutzten Kühlvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung.The invention is explained below using an exemplary embodiment with reference to the accompanying drawings. This drawing schematically shows the example of a cooling device used for air conditioning rooms according to the present invention.

In der Vorrichtung treibt ein Antriebsmotor 2, insbesondere ein Elektromotor, über eine Welle 6 einen Kompressor 3 an, der im vorliegenden Beispiel als Rotationskolbenverdichter ausgebildet ist. Es können auch andere Verdrängermaschinen wie z.B. Hubkolbenmaschinen, Flügelzellenverdichter, Rootsgebläse, Schraubenverdichter und Membranverdichter verwendet werden.In the device, a drive motor 2, in particular an electric motor, drives a compressor 3 via a shaft 6, which in the present example is designed as a rotary piston compressor. Other displacement machines such as e.g. Reciprocating machines, vane compressors, roots blowers, screw compressors and diaphragm compressors can be used.

Das am Ausgang des Kompressors 3 verdichtete Kältemittel gelangt über eine Leitung 14 an einen Wärmetauscher 4, der aus zwei hintereinandergeschalteten Abschnitten 4a und 4b besteht. In diesem Wärmetauscher 4 bzw. 4a, 4b wird das verdichtete Kältemittel durch Außenluft 9 bzw. Abluft 12a, die durch einen Lüfter 21 abgesaugt wird, zwischengekühlt. Das Kältemittel gelangt dann über eine Leitung 15 zu einer Expansionsmaschine 5, die ebenfalls (wie der Kompressor 3) als Verdrängermaschine ausgebildet ist, im vorliegenden Beispiel als Rotationskolbenmaschine. Diese Expansionsmaschine 5 dient sowohl zur Entspannung des über die Leitung 15 herangeführten Kältemittels als auch zur Rückführung mechanischer Energie über die Welle 6 zum Kompressor 3.The refrigerant compressed at the outlet of the compressor 3 passes via a line 14 to a heat exchanger 4 which consists of two sections 4a and 4b connected in series. In this heat exchanger 4 or 4a, 4b, the compressed refrigerant is intercooled by outside air 9 or exhaust air 12a, which is extracted by a fan 21. The refrigerant then passes through a line 15 to an expansion machine 5, which (like the compressor 3) is also designed as a displacement machine in the present case Example as a rotary piston machine. This expansion machine 5 serves both to relax the refrigerant supplied via the line 15 and to return mechanical energy via the shaft 6 to the compressor 3.

Das in der Expansionsmaschine 5 entspannte Kältemittel gelangt über eine Leitung 13 über einen als Wärmetauscher 7 ausgebildeten Verdampfer über eine Leitung 23 zurück zum Kompressor 3. Im Querstrom gelangt, durch einen Lüfter 22 gefördert, Außenluft 9 und/oder Abluft 12 aus den zu klimatisierenden Räumen 1 durch den Wärmetauscher 7, wird dort gekühlt und gelangt über Leitungen 18 und 11 zum klimatisierenden Raum 1.The refrigerant expanded in the expansion machine 5 passes via a line 13 via an evaporator designed as a heat exchanger 7 via a line 23 back to the compressor 3. In cross flow, conveyed by a fan 22, outside air 9 and / or exhaust air 12 from the rooms to be air-conditioned 1 through the heat exchanger 7, is cooled there and reaches the air-conditioning room 1 via lines 18 and 11.

Als Kältemittel dient ein Gemisch aus einer hochsiedenden ersten Komponente, im vorliegenden Fall Wasser, mit hoher Verdampfungswärme pro Volumen, sowie einem tiefsiedenden Gas, im vorliegenden Fall Luft, als zweite Komponente mit hohem Aufnahmevermögen für die erste Komponente. Da Wasser bei atmosphärischem Druck einen Siedepunkt von 100 °C hat, ist es selbstverständlich nicht geeignet, unter diesen Bedingungen die zu klimatisierenden Räume 1 zu kühlen. Aus diesem Grunde wird der geschlossene Kältemittel-Kreislauf unter Unterdruck betrieben, um die Siedetemperatur der ersten Komponente, im vorliegenden Fall Wasser, auf einen Wert abzusenken, der unterhalb der Temperatur der zu klimatisierenden Räume 1 liegt. Der Unterdruck bei Verwendung von Wasser liegt hierbei im Bereich von 0,2 bar.A mixture of a high-boiling first component, in the present case water, with high heat of vaporization per volume, and a low-boiling gas, in the present case air, serves as the refrigerant as the second component with high absorption capacity for the first component. Since water has a boiling point of 100 ° C. at atmospheric pressure, it is of course not suitable to cool the rooms 1 to be air-conditioned under these conditions. For this reason, the closed refrigerant circuit is operated under negative pressure in order to lower the boiling temperature of the first component, in the present case water, to a value which is below the temperature of the rooms 1 to be air-conditioned. The negative pressure when using water is in the range of 0.2 bar.

Die als Trägermittel dienende zweite Komponente, im vorliegenden Fall Luft, hat ein verhältnismäßig hohes Aufnahmevermögen für die erste Komponente (Wasser), bevor eine Kondensation unter den Betriebsbedingungen stattfindet. Das Mischungsverhältnis der beiden Komponenten ist derart ausgebildet, daß die zweite Komponente (Luft) am Eingang (Leitung 23) des Kompressors 5 gerade mit der ersten Komponente (Wasser) als Dampf gesättigt ist.The second component serving as carrier, in the present case air, has a relatively high absorption capacity for the first component (water) before condensation takes place under the operating conditions. The mixing ratio of the two components is designed such that the second component (air) at the inlet (line 23) of the compressor 5 is just saturated with the first component (water) as steam.

Es ist selbstverständlich auch möglich, statt Wasser und Luft als erste und zweite Komponenten des Kältemittels andere Stoffe zu verwenden, die jedoch ebenfalls ungefährlich sein sollten. Für die erste Komponente kämen z.B. auch Alkohol oder ein Alkohol -Wasser-Gemisch in Frage, während als zweite Komponente jedes beliebige Gas verwendet werden könnte, das ein gutes Aufnahmevermögen für die erste Komponente aufweist.It is of course also possible to use other substances instead of water and air as the first and second components of the refrigerant, which, however, should also be harmless. For the first component, e.g. alcohol or an alcohol-water mixture is also possible, while any gas which has a good absorption capacity for the first component could be used as the second component.

Um in dem Kältemittel-Kreislauf am Ausgang der Expansionsmaschine den notwendigen Unterdruck von z.B. 0,2 bar einzustellen, ist normalerweise keine Vakuumpumpe erforderlich. Auf der Hochdruckseite am Ausgang des Kompressors 3 stellt sich ein höherer Druck ein, der meist oberhalb des atmosphärischen Druckes liegt. Es ist also nur erforderlich, auf der Hochdruckseite, z.B. in der Leitung 14 zwischen dem Kompressor 3 und dem Wärmetauscher 4 ein Überdruckventil 14a zu öffnen, um den Druck in der Leitung 14 entsprechend zu reduzieren. Dies führt dann auch zu einer Druckabsenkung im Niederdruckkreis (Leitungen 13, 23). Liegt der Kompressorenddruck jedoch aus Systemoptimierungsgründen unter dem Umgebungsdruck, dann ist eine Vakuumpumpe erforderlich.In order to achieve the necessary vacuum of e.g. in the refrigerant circuit at the outlet of the expansion machine No vacuum pump is normally required to set 0.2 bar. On the high-pressure side at the outlet of the compressor 3, a higher pressure is set, which is usually above atmospheric pressure. It is only necessary, therefore, on the high pressure side, e.g. to open a pressure relief valve 14a in the line 14 between the compressor 3 and the heat exchanger 4 in order to reduce the pressure in the line 14 accordingly. This then also leads to a drop in pressure in the low-pressure circuit (lines 13, 23). However, if the compressor end pressure is below the ambient pressure for system optimization reasons, then a vacuum pump is required.

Ist der Druck im Kältemittel-Kreislauf zu hoch, so kann über ein Ventil 13a Luft aus der Atmosphäre (oder der Umgebungsluft) angesaugt werden, um den gewünschten Druck auf der Niederdruckseite einzustellen. Das Mischungsverhältnis zwischen der ersten Komponente (Wasser) und der zweiten Komponente (Luft) kann, z.B. bei Wassermangel, durch einen über ein Dosierventil 23b an die Leitung 23 angeschlossenen Vorratsbehälter 23a ergänzt werden, wobei der Vorratsbehälter 23a gegebenenfalls durch geeignete Maßnahmen unter Überdruck stehen muß. Dieses Füllen und Ablassen im Kältemittel-Kreislauf kann durch entsprechende Druck- und/oder Feuchtesensoren (nicht gezeigt) derart gesteuert werden, daß die optimale Einstellung gewährleistet ist. Es wird jedoch darauf hingewiesen, daß Verdrängermaschinen wie hier die Expansionsmaschine 5, wesentlich unempfindlicher als Strömungsmaschinen gegen Kondenswasser sind, so daß ein geringfügiger Anteil von Kondensat hier nicht stört. Es ist sogar von Vorteil, in den Kompressor 3 Wasser (Kondensat) einzuspritzen, um die Verdichtungstemperatur zu reduzieren und den Polytropenexponenten zu verbessern, was den Wirkungsgrad der Anlage erhöht. Dies wird später noch im einzelnen erläutert. Im Gegensatz dazu würde eine Expansionsturbine wesentlich empfindlicher gegen Kondensationswasser sein, weil durch Wassertröpfchen eine ständige Erosion der Turbinenschaufeln stattfinden würde.If the pressure in the refrigerant circuit is too high, air can be drawn in from the atmosphere (or the ambient air) via a valve 13a in order to set the desired pressure on the low pressure side. The mixing ratio between the first component (water) and the second component (air) can be supplemented, for example in the case of a lack of water, by a reservoir 23a connected to the line 23 via a metering valve 23b, the reservoir 23a possibly having to be under pressure by suitable measures . This filling and draining in the refrigerant circuit can be controlled by appropriate pressure and / or moisture sensors (not shown) in such a way that the optimal setting is ensured. However, it is pointed out that displacement machines, such as the expansion machine 5 here, are considerably less sensitive than flow machines against condensed water, so that a small amount of condensate does not interfere here. It is even advantageous to inject water (condensate) into the compressor 3 in order to reduce the compression temperature and improve the polytropic exponent, which increases the efficiency of the system. This will be explained in more detail later. In contrast, an expansion turbine would be much more sensitive to condensation water because water droplets would cause the turbine blades to erode continuously.

Der im Niederdruckbereich angeordnete Wärmetauscher 7 ist im vorliegenden Fall als Kondensations-Wärmetauscher ausgebildet und liefert in einem Kondensationsabschnitt 7a im Querstromkreis Wasser als Kondensat, das aus der zugeführten Außenluft bzw. rezirkulierten Abluft 12 im Wärmetauscher 7 abgeschieden wird. Dieses Kondensationswasser gelangt über eine Leitung 17 zum Wärmetauscher 4, wo es im Querstromkreis (rezirkulierte Abluft 12a) zur zusätzlichen Kühlung eingespritzt wird. Der Querstromkreis des Wärmetauschers 4 gelangt über einen Lüfter 21 ins Freie 10. Ebenso wird der Wärmetauscher 4 mit Außenluft 9 beschickt, die über eine Leitung 19 und ein Ventil 19a normalerweise ins Freie 10 gelangt. Der Wärmetauscher 4 ist in zwei Abschnitte 4a und 4b unterteilt, um eine wirksamere Kühlung im kälteren Abschnitt 4b durch die rezirkulierte Abluft 12a und das an der Stelle 16 eingespritzte Kondenswasser 17 zu erzielen.The heat exchanger 7 arranged in the low-pressure region is designed in the present case as a condensation heat exchanger and, in a condensation section 7a in the cross-circuit, supplies water as condensate, which is separated from the supplied outside air or recirculated exhaust air 12 in the heat exchanger 7. This condensation water reaches the heat exchanger 4 via a line 17, where it is injected in the cross-circuit (recirculated exhaust air 12a) for additional cooling. The cross circuit of the heat exchanger 4 is released into the open 10 via a fan 21. Likewise, the heat exchanger 4 is supplied with outside air 9, which normally passes into the open 10 via a line 19 and a valve 19a. The heat exchanger 4 is divided into two sections 4a and 4b in order to achieve more effective cooling in the colder section 4b by means of the recirculated exhaust air 12a and the condensed water 17 injected at the point 16.

Um nun die zur Klimatisierung vorgesehene Kühlvorrichtung auch zum Heizen der zu klimatisierenden Räume 1 auszunutzen (bei entsprechenden Witterungsbedingungen), ist dem Wärmetauscher 7 ein weiterer Wärmetauscher 8 nachgeschaltet. Diesem Wärmetauscher 8 wird im Querstrom im Wärmetauscher 4 bzw. im Abschnitt 4a vorgewärmte Außenluft 9 über die Leitung 19 und das Ventil 19a zugeführt und ins Freie 10 geleitet, wobei das Ventil 19a entsprechend umgeschaltet wird. Bei einem solchen Heizbetrieb wird die Außenluft 9 bzw. rezirkulierte Luft 12 aus dem zu klimatisierenden Raum 1 zunächst im Wärmetauscher 7 gekühlt und durch Kondensation getrocknet und gelangt dann anschließend über die Leitung 18 sowie über den weiteren Wärmetauscher 8 und die Leitung 11 zum zu klimatisierenden Raum 1.In order to utilize the cooling device provided for the air conditioning also for heating the rooms 1 to be air-conditioned (in appropriate weather conditions), a further heat exchanger 8 is connected downstream of the heat exchanger 7. Preheated outside air 9 is fed to this heat exchanger 8 in cross flow in the heat exchanger 4 or in the section 4a via the line 19 and the valve 19a and is led into the open air 10, the valve 19a being switched over accordingly. In such a heating operation, the outside air 9 or recirculated air 12 from the room 1 to be air-conditioned is first cooled in the heat exchanger 7 and dried by condensation and then passes via line 18 as well as via further heat exchanger 8 and line 11 to room 1 to be air-conditioned.

Um die Expansionsmaschine 5 von Kondensat (im vorliegenden Fall Wasser) zu entlasten, ist der zweite Wärmetauscher 4, hier insbesondere der zweite Abschnitt 4b, mit einem Wasserabscheider 25 versehen, dessen abgeschiedenes Kondensat in einem Sammelbehälter 25a gesammelt wird. Dieses Kondensat wird innerhalb des Kältekreislaufs über eine Dosiereinrichtung 25b wieder am Eingang des Wärmetauschers 7 eingeführt. Gleichzeitig kann das im Sammelbehälter 25a befindliche Kondensat über eine Dosiereinrichtung 25c in den Kompressor 3 zwischen dem Eingang und dem Ausgang eingespritzt werden, wodurch die Verdichtungsendtemperatur reduziert und der Polytropenexponent verbessert und der Wirkungsgrad der Anlage erhöht wird. Diese Einspritzung ist besonders vorteilhaft, wenn als Kompressor ein Schraubenverdichter verwendet wird. Die in den Kompressor eingespritzte Kondensatmenge ist hierbei so bemessen, daß am Ausgang des Kompressors noch keine Sättigung der zweiten Komponente (Luft) mit der ersten Komponente (Wasser) erreicht wird.In order to relieve the expansion machine 5 of condensate (in the present case water), the second heat exchanger 4, here in particular the second section 4b, is provided with a water separator 25, the separated condensate of which is collected in a collecting container 25a. This condensate is reintroduced into the cooling circuit via a metering device 25b at the entrance of the heat exchanger 7. At the same time, the condensate in the collecting container 25a can be injected into the compressor 3 between the inlet and the outlet via a metering device 25c, as a result of which the compression end temperature is reduced and the polytropic exponent is improved and the efficiency of the system is increased. This injection is particularly advantageous if a screw compressor is used as the compressor. The amount of condensate injected into the compressor is dimensioned so that the second component (air) is not yet saturated with the first component (water) at the outlet of the compressor.

Unter bestimmten Betriebs- und Lastbedingungen kann eine Vereisung im Wärmetauscher 7 auftreten. Um dies zu vermeiden, ist zwischen dem Ausgang (Leitung 23) und dem Eingang (Leitung 13) des Wärmetauschers 7 ein Bypass 27 vorgesehen, der am Ausgang des Wärmetauschers 7 vorhandene, aufgewärmte Luft auf den Eingang bei Bedarf zurückführt.Under certain operating and load conditions, icing can occur in the heat exchanger 7. In order to avoid this, a bypass 27 is provided between the outlet (line 23) and the inlet (line 13) of the heat exchanger 7, which bypasses the heated air present at the outlet of the heat exchanger 7 to the inlet if required.

Auch wenn die vorliegende Erfindung in Verbindung mit einer Kühlvorrichtung zum Klimatisieren von Räumen beschrieben wurde, so ist es selbstverständlich auch möglich, die Kühlvorrichtung für andere Kühlzwecke zu verwenden. Schließlich ist es auch möglich, über den Wärmetauscher 7 nicht von den zu klimatisierenden Räumen 1 zirkulierende Luft oder Außenluft zu führen, sondern den zu klimatisierenden Räumen 1 die benötigte Kältemenge über einen anderen Wärmeträger (z.B. Wasser) zuzuführen, und zwar über zusätzliche Wärmetauscher, die in den zu klimatisierenden Räumen angeordnet sind. In einem solchen Fall können die zu den Räumen 1 verlaufenden Leitungen dünner ausgebildet werden, was insbesondere bei großen Entfernungen zwischen der Kältemaschine und den Räumen 1 von Vorteil ist.Although the present invention has been described in connection with a cooling device for air conditioning rooms, it is of course also possible to use the cooling device for other cooling purposes. Finally, it is also possible, via the heat exchanger 7, not to circulate air or outside air from the rooms 1 to be air-conditioned, but rather to supply the required amount of cooling via another heat transfer medium to the rooms 1 to be air-conditioned (For example, water) to be supplied via additional heat exchangers, which are arranged in the rooms to be air-conditioned. In such a case, the lines running to the rooms 1 can be made thinner, which is particularly advantageous in the case of large distances between the refrigerator and the rooms 1.

Claims

Cooling device, in particular for air conditioning rooms, with a cold steam refrigeration machine which has a compressor, a cooler, an expansion device and an evaporator in a closed circuit,
characterized in that
a mixture of a high-boiling first component (eg water) with high heat of vaporization per volume and a low-boiling gas (eg air) is used as the refrigerant as the second component with high absorption capacity for the first component,
that the working pressure is set as negative pressure in the closed circuit so that the boiling temperature of the first component is below the temperature of the rooms (1) to be air-conditioned,
that the mixing ratio of the two components is such that the second component at the inlet (line 23) of the compressor (3) is just saturated with the first component as vapor, and
that an expansion machine (5) is provided as the expansion device, the mechanical output power of which is used to drive the compressor (3) or a compressor stage.

Device according to claim 1,
characterized in that both the compressor (3) and the expansion machine (5) are designed as displacement machines.

Device according to claim 2,
characterized in that at least the compressor (3) is designed as a screw compressor.

Device according to claim 2,
characterized in that both the compressor (3) and the expansion machine (5) are designed as rotary piston machines.

Device according to one of claims 1 to 4,
characterized by a pressure sensor and a moisture sensor for measuring the corresponding values in a closed circuit in order to refill or drain the first and / or second component in the event of deviations from the target values.

Device according to claim 5,
characterized in that if the pressure is too high or the vacuum is too low, the mixture on the high-pressure side (for example line 14 or 15) is drained off or pumped out and if the pressure is too low on the low-pressure side (for example line 13 or 23) the mixture or the second Component is sucked in by the vacuum in the circuit.

Device according to claim 5,
characterized in that if the first component is too low, the first component is refilled from a storage container (23a) via a metering valve (23b), preferably at the inlet (line 23) of the compressor (3).

Device according to one of the preceding claims,
characterized in that the evaporator is designed as a first heat exchanger (7), via which outside air (9) and / or recirculation air (line 12) is passed in cross flow and is supplied to the rooms (1) to be air-conditioned, in particular common rooms.

Device according to claim 8,
characterized in that the cooler is designed as a second heat exchanger (4) and in that exhaust air (12a) from the rooms (1) to be air-conditioned is conducted in cross flow via the second heat exchanger (4).

Device according to claim 9,
characterized in that the second heat exchanger (4) in two Sections (4a, 4b) are divided, which are in series in the working circuit, and that the exhaust air (line 12) from the rooms to be air-conditioned (1) is guided over the colder section (4b) of the second heat exchanger (4).

Device according to one of claims 8 to 10,
characterized in that the first heat exchanger (7) is designed as a condensation heat exchanger with respect to the cross flow, and in that the condensation water (line 17) or fresh water obtained in the condensation section (7a), or fresh water, into the cross flow (at 16) of the second heat exchanger (4 ) is injected for evaporation.

Device according to claim 9,
characterized in that a condensation section (25) is integrated in the second heat exchanger (4; 4a, 4b), or is connected downstream thereof.

Device according to claim 12,
characterized in that the condensate separated in the condensation section (25) is collected in a collecting container (25a) and injected via a metering device (25b) at the inlet (line 13) of the first heat exchanger (7).

Device according to claim 2 or 3,
characterized in that condensate of the first component is injected into the compressor (3) and the amount of condensate is dimensioned such that the second component is not yet saturated with the first component at the outlet of the compressor.

Device according to one of claims 8 to 11,
characterized in that a further, third heat exchanger (8) is connected downstream of the first heat exchanger (7), via which preheated outside air (9) is fed in the second heat exchanger (4) during heating operation.

Device according to one of claims 1 to 7,
characterized in that the evaporator is designed as a first heat exchanger (7) via which another heat transfer medium (for example water) is passed in cross flow and which releases the cold into the room air via heat exchangers in the rooms (1) to be air-conditioned.

Device according to one of the preceding claims,
characterized in that the heat exchanger (7) is bridged by a bypass (27) which conveys from the outlet (line 23) to the inlet (line 13).