EP2212627A1 - Refrigerator - Google Patents
RefrigeratorInfo
- Publication number
- EP2212627A1 EP2212627A1 EP08802795A EP08802795A EP2212627A1 EP 2212627 A1 EP2212627 A1 EP 2212627A1 EP 08802795 A EP08802795 A EP 08802795A EP 08802795 A EP08802795 A EP 08802795A EP 2212627 A1 EP2212627 A1 EP 2212627A1
- Authority
- EP
- European Patent Office
- Prior art keywords
- heat
- heat exchanger
- heat exchangers
- medium
- piston
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Withdrawn
Links
Classifications
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
- F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
- F25B9/00—Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point
- F25B9/14—Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point characterised by the cycle used, e.g. Stirling cycle
Definitions
- a chiller which operates on the principle of a circular process with six state changes: two isochores, two isobars, two isotherms.
- the cold air machine left-handed Joule process
- non-mechanical refrigeration circuits such as those of the adsorption refrigeration machine, are not relevant to comparison with the subject matter of this invention.
- the object of the present invention is to provide a refrigeration process with improved efficiency as well as a refrigeration machine using this process.
- this object is achieved by a refrigeration process in which six changes in state of a trapped working gas between two temperature levels occur in the following order: isochoric heat absorption, isothermal compression (compression), isobaric liquefaction, isochoric heat release, isothermal expansion (expansion) , isobaric evaporation.
- the compression and the relaxation take place simultaneously by a compressor.
- the cooling process takes place in parallel but offset in time in several heat exchangers. This allows an even higher efficiency can be achieved.
- the cooling process preferably takes place at least in three heat exchangers. It is particularly advantageous if the cooling process takes place in six heat exchangers. det. The advantage of this is that then each step of the process is performed simultaneously by a heat exchanger.
- a refrigerating machine comprising: at least one heat exchanger having two regions which are fluidly interconnected by a closure device such that the gaseous and liquid state agent flows from one half to the other and flows smoothly can distribute.
- the one area of the heat exchanger is surrounded by a warm medium and the other area is flowed around by a cold medium.
- Means for turning the heat exchanger are provided to flow liquid fluid from one area of the heat exchanger to the other area.
- a working cylinder is provided which is selectively connected to a portion of the heat exchanger by a connecting tube and a valve when the valve is in its open position and is separate from the heat exchanger when the valve is in its closed position.
- a control device is provided which selectively actuates the valves and the closure device to carry out the steps of the above-described refrigeration process.
- the two regions of the heat exchanger are thermally insulated from each other by insulation.
- the warm and the cold medium can each be gaseous or liquid.
- connection between the warmed and cooled half can be temporarily closed by the closure device.
- the refrigerator has at least three heat exchangers. In particular, it is preferable that the refrigerator has six heat exchangers. The advantage of this is that then each step of the process is performed simultaneously by a heat exchanger.
- a refrigerating machine in which the heat exchangers are arranged in a star shape around the longitudinal axis of the working cylinder and the connecting pipes off alternately connected to both sides of the working cylinder.
- the heat exchangers are rigidly connected to the working cylinder and are suspended with this rotatable about the common longitudinal axis.
- a motor for rotating the heat exchanger and the working cylinder is provided, and wherein conducting means are provided which direct the hot and the cold medium so that the individual heat exchangers during one half of the rotation through the cold medium and during the other half of the rotation through the warm medium are led.
- the working cylinder is a double-acting working cylinder in which the compressions and expansions take place not only on one side but on both sides of the piston.
- the control device for controlling the valves is preferably a cam.
- the chiller may advantageously be used as a heat pump to generate heat that may be delivered to a heating system or other process by removing this heat from a colder gaseous or liquid medium.
- the chiller can be used advantageously for the heating and evaporation radiant heat and for the cooling and liquefaction, the heat are emitted by radiation, rather than deliver it to gaseous or liquid medium.
- a refrigerator arrangement which consists of several refrigerators according to one of the preceding claims, which are placed in series behind the other in the warm and cold medium, wherein the warm medium flows through the individual chillers in succession cascade and wherein the temperature Flow through the heat exchanger of the individual chillers decreases.
- the cool medium flows through the same chillers in the opposite direction in the reverse order cascade-like, the temperature of the cool medium during the für- flow of the heat exchanger of the individual chillers increases and wherein a temperature difference between the warm and the cool medium is maintained.
- the goal is to achieve very high cooling or heating.
- the present invention is a refrigeration machine having a high refrigeration rate with six state changes.
- this chiller which can also be used as a heat pump, a heat exchange between two media is to be effected by external work, the heat flow from the medium with the lower temperature to the medium with the higher temperature.
- the compressor may consist of a cylinder with pistons, which is used to simplify the description below.
- Fig. 1 is a schematic representation of a refrigerator model, in which the essential components and their relationship are shown to each other to represent the realization of the refrigeration cycle.
- valve control as a cam with cam-controlled valves.
- Fig. 3 is a schematic representation of a rotor of a refrigerator with six heat exchangers.
- Fig. 4A is a description of the symbols used in Figs. 4B and 4C.
- 4B is a representation of bars 1 to 4 of the refrigeration process.
- 4C is a representation of bars 5 and 6 of the refrigeration process.
- Fig. 5 is a pressure-enthalpy diagram for C2H 2 F2, refrigerant R134a, as a working substance.
- FIG. 6 shows a P-V diagram with reference to the P-H diagram shown in FIG. 5.
- Fig. 7 is a Ts diagram with respect to the Ph diagram shown in Fig. 5.
- a refrigerator 100 according to the present invention comprises six heat exchangers 10, each consisting of two halves. Each heat exchanger 10 is connected to a compressor cylinder 20 through a connecting pipe 30. In the connecting tube 30 is a valve 40.
- the compressor cylinder 20 has a double-acting piston 22.
- each heat exchanger 10 consists of two halves 11, 12 which are thermally insulated by an insulation 13.
- Each heat exchanger 10 has opposite pipe pairs 14 (in the drawing, two pipe pairs 14 are shown for each heat exchanger 10), which are each connected to each other via a common closure device 16.
- the shutter 16 is opened as shown at "A” and "X"
- the tubes of each tube pair 14 are connected together. If the closure device 16 is closed, then the connection between the two tubes of the individual pairs of tubes is sealed gas-tight.
- the individual tubes of the heat exchangers 10 may have ribs 15, as shown, or they may be smooth. Also, the heat exchangers 10 need not be made of tubes, but may take any other form which is pressure resistant. The two halves 11, 12 of the heat exchanger 10 may also be different. It depends solely on the appropriate heat exchange.
- the closure device 16 is arranged between the two halves 11, 12 of the heat exchanger 10. In the present embodiment, the closure device 16 is spring-biased to a closed position.
- An actuating device 17 opens the closure device 16.
- the actuating device 17 consists in the present embodiment of a roller 18 which rolls on a cam plate 19.
- the piston 22 is doubly effective. While it is compressed on one side of the piston 22, is relaxed or sucked on the other side.
- the piston 22 can be driven in different ways. For example, it can be controlled by a crankshaft and a piston rod or pleu- or be driven by a linear electric motor. As a result, the compressions and expansions can take place not only on one side but on both sides of the piston 22. While compression takes place on one side, expansion takes place on the other.
- the double action of the piston during each movement of the piston the working gas is compressed into a heat exchanger 10, while at the same time the working gas is sucked from another heat exchanger 10.
- valves 40 between the heat exchangers 10 and compressor cylinders 20 are mechanically open and close in the present embodiment.
- the valves 40 each have a plunger 41 and a roller 42.
- the valves 40 are arranged in a star shape around a cam disk 50 around.
- the cam plate 50 has cams 51 and a base circle 52.
- Other types of valve controls such as e.g. Magnetic or pneumatic valves, but are also used.
- the valve A is opened while the valves B and C are closed.
- the valves 40 are located in the connecting pipe 30.
- the heat exchangers 10 are arranged in a star shape around the compressor cylinder 20 and fixedly connected thereto. One half of the heat exchanger 10 is connected to the front and the other half on the back of the compressor cylinder 20.
- the heat exchangers 10 are shown as simple tubes 14, which, however, represent a gallery of tubes 14. In the middle of the cam plate 50 of FIG. 2 can be seen.
- An unillustrated engine is provided to rotate the entire assembly of the heat exchangers (heat exchanger block) about the central axis. The direction of rotation is counterclockwise.
- FIGS. 3, 4A-4C show a representation of the process flow on the basis of the model shown in FIG.
- the respective piston movement, the valve position and the position of the closure device between the individual heat exchanger halves, the progress of the individual heat exchangers within a rotation are shown schematically.
- the closure device 8 is shown as a circle with bars. If the beam is aligned parallel to the longitudinal axis of the heat exchanger 10, then the closure device 16 is opened. If the bar is transverse to the longitudinal axis of the heat exchanger 10, it is closed.
- Valves that are opened with the plunger from the cam and closed with spring pressure are shown "from above.” The operation corresponds to the representation in Fig. 2.
- This type of valves can best represent, but it can be any other Type of suitable valves are used.
- the heat exchangers 10 revolve around the central axis according to the arrows shown.
- the areas where the valves 40 are opened and the shutters are closed are shown in the figures.
- the compressor cylinder 20 can be seen from the front side and is shown in Fig. 3 as a circle. On the basis of this representation, the course of the refrigeration cycle process will be explained.
- Fig. 3 the direction of rotation is indicated by arrows.
- the separation of the individual state changes of the working substance are identified by the numbers on the outside of the rotor consisting of the heat exchangers 10 and the working cylinder 20. These numbers are also registered at corresponding points in the thermodynamic diagrams in Figs. 5-7.
- the valve 40 opens and further vapor of the working substance is pressed out of the compressor cylinder 20 through the piston 22 into the heat exchanger 10.
- the pressure within the heat exchanger 10 increases.
- the adiabatic heat of the compression is dissipated by the warm medium, so that an isothermal compression takes place. Since the pressure in the heat exchanger 10 is higher than the vapor pressure of the working fluid, the working fluid liquefies.
- the valve 40 closes. In Figs. 5 to 7, this process is shown as the distance (2) - (3).
- the working fluid is liquefied until the vapor pressure of the working fluid is reached at the temperature of the warm medium.
- the liquefaction heat is dissipated by the warm medium.
- the heat exchangers 10 are designed so that this process is completed when the position (4) is reached. In Figs. 5 to 7, this process is shown as the distance (3 ⁇ - (4).
- the closure device 16 is opened.
- the condensate of the working fluid can now flow into the cooled half 11 of the heat exchanger 10 (condenser).
- the heat exchange between the medium and the working substance cools the condensate down to the lower temperature level of the cool medium. Due to the, at this temperature low vapor pressure of the working fluid, more steam is condensed until the vapor pressure of the working fluid is reached at this temperature.
- the entire mass of the working substance is cooled at the position (5) to the lower temperature level. Since during the entire route the VoIu menu in the heat exchanger 10 remains unchanged (valve 40 closed, shutter 16 open), the cooling takes place at the same volume. In Figs. 5 to 7, this process is shown as the distance (4 ⁇ - (5).
- the valve 40 is opened in the position (5). From the compressor cylinder 20, the working fluid is sucked out by a negative pressure from the heat exchanger 10. The pressure falls below the vapor pressure of the working substance at the lower temperature. To get the vapor pressure, the working fluid evaporates. Since heat is constantly supplied by the cool medium, this evaporation takes place at a constant temperature. There is thus an isothermal expansion and evaporation. In the position (6), the valve 40 closes. In Figs. 5 to 7, this process is shown as the distance (5) - (6).
- the working fluid evaporates until the vapor pressure of the working fluid is reached at the lower temperature.
- the heat of vaporization is brought about by the cool medium.
- the heat exchangers 10 are designed so that this process is completed when the position (1) is reached again. In Figs. 5 to 7, this process is shown as the route (6) - (1).
- FIGS. 4A to 4C the alternation of the processes in the various heat exchangers and the relationship between them and the compressor cylinder 20 can be understood.
- the rotation of 10 has progressed by 60 ° at each bar shown.
- the piston 3 changes direction after a rotation by 60 ° and has completed three complete cycles (back and forth) during a complete revolution of the rotor consisting of the heat exchangers and the compressor cylinder.
- the piston will complete exactly as many cycles as heat exchangers 10 are connected to one side of the compressor cylinder 20.
- the number of heat exchangers is a multiple of three. Furthermore, an advantageous possibility that the Number of heat exchangers is a multiple of six. Then a correspondingly connected working cylinder can be selectively connected at its one side to a heat exchanger to be pumped straight into, and at its opposite side it can be connected to another heat exchanger from which it is to be pumped straight out.
- the main difference of this invention with the prior art is that several heat exchangers consisting of evaporator and condenser, are operated simultaneously, but the processes of the refrigeration cycle process take place staggered in each heat exchanger, but the state changes expansion and compression always at each heat exchanger by the same Compressor be triggered.
- This invention is also characterized by a higher theoretical efficiency than the conventional refrigeration circuits.
Landscapes
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Abstract
The invention relates to a refrigerator, which, in contrast to conventional refrigerators, consists of a number of heat exchangers (10), which are divided into two halves, in which the same cyclic refrigerating process takes place at the same time but temporally offset. However, all the heat exchangers are supplied by the same compressor (20). During certain sections of time, a cool medium (evaporator) flows around the one half of the heat exchanger and a warm medium (liquefier) around the other half. The refrigerating cycle consists of six changes of state: isochoric heating, isothermal expansion, isobaric liquefaction, isochoric cooling, isothermal compression and isobaric evaporation. In the model described, the compressor is a piston compressor, which acts in two ways, in that a connection to the heat exchangers can be established on both sides of the piston over valves at specified times within a cycle period. The piston is driven by a linear motor or by a crankshaft and connecting rod. While the working gas is being compressed on one side of the piston in the heat exchanger, it is aspirated on the other side from a different heat exchanger. It is pointed out that other types of compressors may also be used. Because of the six changes of state realized with this machine, a new cycle is formed, with which an efficiency (refrigeration number) is achieved, which exceeds that of conventional refrigerators or heat pumps.
Description
Kältemaschine Technisches Gebiet Refrigeration technical area
Bei der vorliegenden Erfindung handelt es sich um eine Kältemaschine, welche nach dem Prinzip eines Kreisprozesses mit sechs Zustandsänderungen arbeitet: zwei Isochoren, zwei Isobaren, zwei Isothermen.In the present invention is a chiller, which operates on the principle of a circular process with six state changes: two isochores, two isobars, two isotherms.
In dieser Kältemaschine finden mehrere der oben beschriebenen Kälteprozesse gleichzeitig, aber zeitlich versetzt, statt. Die Zustandsänderungen Expansion und Kompression der einzelnen Kreisprozesse werden durch einen gemeinsamen Kälteverdichter bewirkt.In this chiller find several of the above-described cooling processes simultaneously, but offset in time instead. The state changes expansion and compression of the individual cycle processes are effected by a common refrigeration compressor.
Stand der TechnikState of the art
Es werden für Kühlzwecke und als Wärmepumpen verschiedene Kältemaschinenprozesse angewendet, die nachfolgend kurz beschrieben werden:Various cooling machine processes are used for cooling purposes and as heat pumps, which are briefly described below:
Die Kaltluftmaschine (linksläufiger Joule-Prozess)The cold air machine (left-handed Joule process)
Bei diesem Prozess wird Luft bei Umgebungstemperatur angesaugt und isentrop verdichtet. Die adiabatisch aufgewärmte Luft wird danach isobar abgekühlt und anschließend isentrop entspannt. Letztendlich wird die Luft wieder isobar erwärmt. Dieser Prozess wird vorwiegend bei der Flugzeugklimatisierung sowie bei der Bergwerksbewetterung eingesetzt.In this process, air is sucked in at ambient temperature and compressed isentropically. The adiabatically heated air is then cooled isobaric and then isentropically relaxed. Finally, the air is heated isobarically again. This process is mainly used for aircraft air conditioning and mine ventilation.
Philips-Gaskältemaschine (linksläufiger Stirling-Prozess)Philips gas refrigerator (left-handed Stirling process)
Dieser geschlossene Prozess wird vorwiegend zur Verflüssigung von Luft und anderen Gasen eingesetzt. Der theoretische Prozess besteht aus folgenden Zustandsänderungen: isotherme Verdichtung im Kompressionsraum isochore Abkühlung im Regenerator isotherme Entspannung im Expansionsraum isochore Erwärmung im Regenerator
Dampfkältemaschine (Plank-Prozess)This closed process is mainly used for the liquefaction of air and other gases. The theoretical process consists of the following state changes: isothermal compression in the compression chamber isochore cooling in the regenerator isothermal expansion in the expansion chamber isochoric heating in the regenerator Steam chiller (plank process)
Dieser Prozess wird in verschiedenen Varianten in der allgemeinen Kältetechnik bei Kühlschränken, Kühlräumen, Kaltwassererzeugung usw. eingesetzt. Der theoretische Prozess besteht im Wesentlichen aus folgenden Zustandsänderungen:This process is used in different variants in the general refrigeration of refrigerators, cold rooms, chilled water production, etc. The theoretical process essentially consists of the following state changes:
- isentrope Verdichtung mittels eines Verdichters- isentropic compression by means of a compressor
- isobare (auch isotherme) Abkühlung in einem Verflüssigerisobaric (also isothermal) cooling in a condenser
- isenthalpe Entspannung durch Drosselung durch ein Expansionsventil oder eine Kapillare- isenthalpe relaxation by throttling through an expansion valve or capillary
- isobare (auch isotherme) Erwärmung in einem Verdampferisobaric (also isothermal) heating in an evaporator
Weitere nicht auf mechanischer Arbeit begründete Kältekreisläufe, wie zum Beispiel jener der Adsorbtionskältemaschine, sind für den Vergleich mit dem Gegenstand dieser Erfindung nicht relevant.Other non-mechanical refrigeration circuits, such as those of the adsorption refrigeration machine, are not relevant to comparison with the subject matter of this invention.
Das Ziel der vorliegenden Erfindung ist, einen Kälteprozess mit verbessertem Wirkungsgrad sowie eine Kältemaschine vorzusehen, die diesen Prozess einsetzt.The object of the present invention is to provide a refrigeration process with improved efficiency as well as a refrigeration machine using this process.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird dieses Ziel durch einen Kälteprozess erreicht, in welchem in einem Kreisprozess sechs Zustandsänderungen eines eingeschlossenen Arbeitsgases zwischen zwei Temperaturebenen in folgender Reihenfolge ablaufen: isochore Wärmeaufnahme, isotherme Verdichtung (Kompression), isobare Verflüssigung, isochore Wärmeabgabe, isotherme Entspannung (Expansion), isobare Verdampfung.According to the present invention, this object is achieved by a refrigeration process in which six changes in state of a trapped working gas between two temperature levels occur in the following order: isochoric heat absorption, isothermal compression (compression), isobaric liquefaction, isochoric heat release, isothermal expansion (expansion) , isobaric evaporation.
Vorzugsweise erfolgen bei diesem Kälteprozess die Verdichtung und die Entspannung gleichzeitig durch einen Verdichter.Preferably, in this cooling process, the compression and the relaxation take place simultaneously by a compressor.
Vorzugsweise findet der Kälteprozess parallel aber zeitlich versetzt in mehreren Wärmetauschern statt. Dadurch kann ein noch höherer Wirkungsgrad erreicht werden.Preferably, the cooling process takes place in parallel but offset in time in several heat exchangers. This allows an even higher efficiency can be achieved.
Der Kälteprozess findet vorzugsweise zumindest in drei Wärmetauschern statt. Besonders vorteilhaft ist es, wenn der Kälteprozess in sechs Wärmetauschern stattfin-
det. Der Vorteil dabei ist, dass dann jeder Schritt des Prozesses gleichzeitig von einem Wärmetauscher ausgeführt wird.The cooling process preferably takes place at least in three heat exchangers. It is particularly advantageous if the cooling process takes place in six heat exchangers. det. The advantage of this is that then each step of the process is performed simultaneously by a heat exchanger.
Weiterhin wird das Ziel der Erfindung durch eine Kältemaschine erreicht, die Folgendes aufweist: mindestens einen Wärmetauscher mit zwei Bereichen, welche durch eine Verschlussvorrichtung strömungsmittelmäßig so miteinander verbunden sind, dass der Arbeitsstoff im gasförmigen und flüssigen Aggregatzustand von einer Hälfte zur anderen hinüber fließen und sich gleichmäßig verteilen kann. Der eine Bereich des Wärmetauschers wird dabei von einem warmen Medium umströmt und der andere Bereich wird von einem kalten Medium umströmt. Mittel zum Wenden des Wärmetauschers sind vorgesehen, um flüssiges Strömungsmittel von einem Bereich des Wärmetauschers in den anderen Bereich fließen zu lassen. Ein Arbeitszylinder ist vorgesehen, der durch ein Verbindungsrohr und ein Ventil selektiv mit einem Bereich des Wärmetauschers verbunden ist, wenn das Ventil in seiner offenen Position ist, und von dem Wärmetauscher getrennt ist, wenn das Ventil in seiner geschlossenen Position ist. Weiterhin ist eine Steuervorrichtung vorgesehen, welche die Ventile und die Verschlussvorrichtung selektiv betätigt, um die Schritte des oben beschriebenen Kälteprozesses auszuführen.Furthermore, the object of the invention is achieved by a refrigerating machine comprising: at least one heat exchanger having two regions which are fluidly interconnected by a closure device such that the gaseous and liquid state agent flows from one half to the other and flows smoothly can distribute. The one area of the heat exchanger is surrounded by a warm medium and the other area is flowed around by a cold medium. Means for turning the heat exchanger are provided to flow liquid fluid from one area of the heat exchanger to the other area. A working cylinder is provided which is selectively connected to a portion of the heat exchanger by a connecting tube and a valve when the valve is in its open position and is separate from the heat exchanger when the valve is in its closed position. Furthermore, a control device is provided which selectively actuates the valves and the closure device to carry out the steps of the above-described refrigeration process.
Vorteilhafterweise sind bei der Kältemaschine die zwei Bereiche des Wärmetauschers durch eine Isolation thermisch voneinander isoliert. Das warme und das kalte Medium können dabei jeweils gasförmig oder flüssig sein.Advantageously, in the refrigerating machine, the two regions of the heat exchanger are thermally insulated from each other by insulation. The warm and the cold medium can each be gaseous or liquid.
Bei der Kältemaschine kann vorteilhafterweise die Verbindung zwischen der gewärmten und gekühlten Hälfte durch die Verschlussvorrichtung vorübergehend geschlossen werden.In the chiller advantageously the connection between the warmed and cooled half can be temporarily closed by the closure device.
Es ist vorzuziehen, dass die Kältemaschine zumindest drei Wärmetauscher aufweist. Insbesondere ist vorzuziehen, dass die Kältemaschine sechs Wärmetauscher aufweist. Der Vorteil dabei ist, dass dann jeder Schritt des Prozesses gleichzeitig von einem Wärmetauscher ausgeführt wird.It is preferable that the refrigerator has at least three heat exchangers. In particular, it is preferable that the refrigerator has six heat exchangers. The advantage of this is that then each step of the process is performed simultaneously by a heat exchanger.
Vorteilhaft ist eine Kältemaschine bei der die Wärmetauscher sternförmig um die Längsachse des Arbeitszylinders angeordnet sind und die Verbindungsrohre ab-
wechselnd an beiden Seiten des Arbeitszylinders angeschlossen sind. Dabei sind die Wärmetauscher starr mit dem Arbeitszylinder verbunden und sind mit diesem um die gemeinsame Längsachse drehbar aufgehängt. Weiterhin ist ein Motor zum Drehen der Wärmetauscher und des Arbeitszylinders vorgesehen, und wobei Leitmittel sind vorgesehen, die das warme und das kalte Medium so leiten, dass die einzelnen Wärmetauscher während einer Hälfte der Umdrehung durch das kalte Medium und während der anderen Hälfte der Umdrehung durch das warme Medium geführt werden.Advantageously, a refrigerating machine in which the heat exchangers are arranged in a star shape around the longitudinal axis of the working cylinder and the connecting pipes off alternately connected to both sides of the working cylinder. The heat exchangers are rigidly connected to the working cylinder and are suspended with this rotatable about the common longitudinal axis. Furthermore, a motor for rotating the heat exchanger and the working cylinder is provided, and wherein conducting means are provided which direct the hot and the cold medium so that the individual heat exchangers during one half of the rotation through the cold medium and during the other half of the rotation through the warm medium are led.
Bei der Kältemaschine ist vorzuziehen, dass der Arbeitszylinder ein doppelt wirksamer Arbeitszylinder ist, bei dem die Kompressionen und Expansionen nicht nur auf der einen Seite sondern auf beiden Seiten des Kolbens stattfinden.In the refrigerating machine, it is preferable that the working cylinder is a double-acting working cylinder in which the compressions and expansions take place not only on one side but on both sides of the piston.
Die Steuervorrichtung zur Steuerung der Ventile ist vorzugsweise eine Kurvenscheibe.The control device for controlling the valves is preferably a cam.
Die Kältemaschine kann vorteilhafterweise als Wärmepumpe genutzt werden, um Wärme zu erzeugen, die an eine Heizungsanlage oder einen anderen Prozess abgegeben werden kann, indem diese Wärme einem kälteren gasförmigen oder flüssigen Medium entzogen wird.The chiller may advantageously be used as a heat pump to generate heat that may be delivered to a heating system or other process by removing this heat from a colder gaseous or liquid medium.
Bei der Kältemaschine kann vorteilhafterweise für die Erwärmung und Verdampfung Strahlungswärme genutzt werden und für die Kühlung und Verflüssigung die Wärme durch Strahlung abgegeben werden, anstatt sie an gasförmiges oder flüssiges Medium abzugeben.In the chiller can be used advantageously for the heating and evaporation radiant heat and for the cooling and liquefaction, the heat are emitted by radiation, rather than deliver it to gaseous or liquid medium.
Besondere Vorteile ergeben sich, wenn eine Kältemaschinenanordnung vorgesehen wird, die aus mehreren Kältemaschinen nach einem der vorhergehenden Ansprüche besteht, die in Reihe hintereinander in dem warmen und kalten Medium aufgestellt werden, wobei das warme Medium die einzelnen Kältemaschinen kaskadenartig nacheinander durchströmt und wobei die Temperatur beim Durchströmen der Wärmetauscher der einzelnen Kältemaschinen abnimmt. Das kühle Medium durchströmt dabei dieselben Kältemaschinen in entgegengesetzter Richtung in umgekehrter Reihenfolge kaskadenartig, wobei die Temperatur des kühlen Mediums beim Durch-
strömen der Wärmetauscher der einzelnen Kältemaschinen zunimmt und wobei eine Temperaturdifferenz zwischen dem warmen und dem kühlen Medium erhalten bleibt. Das Ziel ist dabei eine sehr hohe Kühlung bzw. Erwärmung zu erzielen.Particular advantages arise when a refrigerator arrangement is provided, which consists of several refrigerators according to one of the preceding claims, which are placed in series behind the other in the warm and cold medium, wherein the warm medium flows through the individual chillers in succession cascade and wherein the temperature Flow through the heat exchanger of the individual chillers decreases. The cool medium flows through the same chillers in the opposite direction in the reverse order cascade-like, the temperature of the cool medium during the Durch- flow of the heat exchanger of the individual chillers increases and wherein a temperature difference between the warm and the cool medium is maintained. The goal is to achieve very high cooling or heating.
Bei der vorliegenden Erfindung handelt es sich um eine Kältemaschine, die mit sechs Zustandsänderungen eine hohe Kältezahl aufweist. Mit dieser Kältemaschine, die auch als Wärmepumpe genutzt werden kann, soll durch externe Arbeit ein Wärmeaustausch zwischen zwei Medien bewirkt werden, wobei der Wärmefluss von dem Medium mit der tieferen Temperatur zum Medium mit der höheren Temperatur erfolgt.The present invention is a refrigeration machine having a high refrigeration rate with six state changes. With this chiller, which can also be used as a heat pump, a heat exchange between two media is to be effected by external work, the heat flow from the medium with the lower temperature to the medium with the higher temperature.
Im Prinzip handelt es sich um eine Anzahl Wärmetauscher in denen Verdampfung und Verflüssigung stattfinden, die alle, jedoch nicht gleichzeitig, mit einem Verdichter verbunden sind. Der Verdichter kann aus einem Zylinder mit Kolben bestehen, was zur Vereinfachung der Beschreibung nachfolgend zu Grunde gelegt wird.In principle, these are a number of heat exchangers in which evaporation and liquefaction take place, all but not simultaneously connected to a compressor. The compressor may consist of a cylinder with pistons, which is used to simplify the description below.
Kurze Beschreibung der ZeichnungShort description of the drawing
In der Zeichnung zeigen die Figuren Folgendes:In the drawing, the figures show the following:
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Kältemaschinenmodels, in der die wesentlichen Komponenten und deren Beziehung zueinander aufgezeigt werden, um die Realisierung des Kältekreislaufes darzustellen.Fig. 1 is a schematic representation of a refrigerator model, in which the essential components and their relationship are shown to each other to represent the realization of the refrigeration cycle.
Fig. 2 die Ventilsteuerung als Nockenscheibe mit nockengeführten Ventilen.Fig. 2, the valve control as a cam with cam-controlled valves.
Fig. 3 eine schematische Darstellung eines Rotors einer Kältemaschine mit sechs Wärmetauschern.Fig. 3 is a schematic representation of a rotor of a refrigerator with six heat exchangers.
Fig. 4A eine Beschreibung der in den Figuren 4B und 4C verwendeten Symbole.Fig. 4A is a description of the symbols used in Figs. 4B and 4C.
Fig. 4B eine Darstellung von Takten 1 bis 4 des Kälteprozesses.4B is a representation of bars 1 to 4 of the refrigeration process.
Fig. 4C eine Darstellung von Takten 5 und 6 des Kälteprozesses.4C is a representation of bars 5 and 6 of the refrigeration process.
Fig. 5 ein Druck-Enthalpie-Diagramm für C2H2F2, Kältemittel R134a, als Arbeitsstoff.Fig. 5 is a pressure-enthalpy diagram for C2H 2 F2, refrigerant R134a, as a working substance.
Fig. 6. ein P-v-Diagramm bezogen auf das in Fig. 5 dargestellte P-h-Diagramm.6 shows a P-V diagram with reference to the P-H diagram shown in FIG. 5.
Fig. 7 ein T-s-Diagramm bezogen auf das in Fig. 5 dargestellte P-h-Diagramm.
Wie am besten in den Figuren 1 und 3 zu sehen, weist eine Kältemaschine 100 gemäß der vorliegenden Erfindung aus sechs Wärmetauschern 10 auf, die jeweils aus zwei Hälften bestehen. Jeder Wärmetauscher 10 ist mit einem Verdichterzylinder 20 durch ein Verbindungsrohr 30 verbunden. In dem Verbindungsrohr 30 befindet sich ein Ventil 40. Der Verdichterzylinder 20 weist einen doppelt wirksamen Kolben 22 auf.Fig. 7 is a Ts diagram with respect to the Ph diagram shown in Fig. 5. As best seen in Figures 1 and 3, a refrigerator 100 according to the present invention comprises six heat exchangers 10, each consisting of two halves. Each heat exchanger 10 is connected to a compressor cylinder 20 through a connecting pipe 30. In the connecting tube 30 is a valve 40. The compressor cylinder 20 has a double-acting piston 22.
Wie in Fig. 1 dargestellt, besteht jeder Wärmetauscher 10 aus zwei Hälften 11, 12 die durch eine Isolierung 13 thermisch isoliert werden. Jeder Wärmetauscher 10 weist gegenüberliegende Rohrpaare 14 auf (in der Zeichnung sind für jeden Wärmetauscher 10 zwei Rohrpaare 14 dargestellt), die jeweils über eine gemeinsame Verschlusseinrichtung 16 miteinander verbunden sind. Ist die Verschlusseinrichtung 16 geöffnet, wie bei „A" und „X" dargestellt, sind die Rohre eines jeden Rohrpaares 14 miteinander verbunden. Ist die Verschlusseinrichtung 16 geschlossen, so ist die Verbindung zwischen den beiden Rohren der einzelnen Rohrpaare gasdicht abgesperrt.As shown in Fig. 1, each heat exchanger 10 consists of two halves 11, 12 which are thermally insulated by an insulation 13. Each heat exchanger 10 has opposite pipe pairs 14 (in the drawing, two pipe pairs 14 are shown for each heat exchanger 10), which are each connected to each other via a common closure device 16. When the shutter 16 is opened as shown at "A" and "X", the tubes of each tube pair 14 are connected together. If the closure device 16 is closed, then the connection between the two tubes of the individual pairs of tubes is sealed gas-tight.
Die einzelnen Rohre der Wärmetauscher 10 können Rippen 15 aufweisen, wie dargestellt, oder sie können glatt sein. Die Wärmetauscher 10 brauchen auch nicht aus Rohren hergestellt sein, sondern können irgendeine andere Form annehmen, welche druckbeständig ist. Die beiden Hälften 11 , 12 der Wärmetauscher 10 können auch unterschiedlich sein. Es kommt allein auf den geeigneten Wärmeaustausch an.The individual tubes of the heat exchangers 10 may have ribs 15, as shown, or they may be smooth. Also, the heat exchangers 10 need not be made of tubes, but may take any other form which is pressure resistant. The two halves 11, 12 of the heat exchanger 10 may also be different. It depends solely on the appropriate heat exchange.
Die Verschlussvorrichtung 16 ist zwischen den beiden Hälften 11, 12 des Wärmetauschers 10 angeordnet. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist die Verschlussvorrichtung 16 in eine geschlossene Position federvorgespannt. Eine Betätigungsvorrichtung 17 öffnet die Verschlussvorrichtung 16. Die Betätigungsvorrichtung 17 besteht im vorliegenden Ausführungsbeispiel aus einer Rolle 18, die auf einer Nockenscheibe 19 rollt.The closure device 16 is arranged between the two halves 11, 12 of the heat exchanger 10. In the present embodiment, the closure device 16 is spring-biased to a closed position. An actuating device 17 opens the closure device 16. The actuating device 17 consists in the present embodiment of a roller 18 which rolls on a cam plate 19.
Vom Kältemittelverdichter sind nur die Hauptkomponenten gezeigt, d. h. der Verdichterzylinder 20 und der Kolben 22. Der Kolben 22 ist doppelt wirksam. Während auf der einen Seite des Kolbens 22 verdichtet wird, wird auf der anderen Seite entspannt oder angesaugt. Der Kolben 22 kann auf unterschiedlichen Weisen angetrieben werden. Er kann zum Beispiel durch eine Kurbelwelle und eine Kolbenstange oder Pleu-
elstange oder auch durch einen elektrischen Linearmotor angetrieben werden. Dadurch können die Kompressionen und Expansionen nicht nur auf der einen Seite sondern auf beiden Seiten des Kolbens 22 stattfinden. Während auf der einen Seite eine Kompression stattfindet, findet gleichzeitig auf der anderen Seite eine Expansion statt.From the refrigerant compressor, only the main components are shown, ie the compressor cylinder 20 and the piston 22. The piston 22 is doubly effective. While it is compressed on one side of the piston 22, is relaxed or sucked on the other side. The piston 22 can be driven in different ways. For example, it can be controlled by a crankshaft and a piston rod or pleu- or be driven by a linear electric motor. As a result, the compressions and expansions can take place not only on one side but on both sides of the piston 22. While compression takes place on one side, expansion takes place on the other.
Bei dem hier beschriebenen Ausführungsbeispiel, wird durch die Doppelwirkung des Kolbens bei jeder Bewegung des Kolbens das Arbeitsgas in einen Wärmetauscher 10 hinein komprimiert, während gleichzeitig das Arbeitsgas aus einen anderen Wärmetauscher 10 abgesaugt wird.In the embodiment described here, the double action of the piston during each movement of the piston, the working gas is compressed into a heat exchanger 10, while at the same time the working gas is sucked from another heat exchanger 10.
Die Ventile 40 zwischen den Wärmetauschern 10 und Verdichterzylinder 20 sind im vorliegenden Ausführungsbeispiel mechanisch zu öffnen und zu schließen. Wie am besten in Fig. 2 gezeigt, weisen die Ventile 40 jeweils einen Stößel 41 und eine Rolle 42 auf. Die Ventile 40 sind sternförmig um eine Nockenscheibe 50 herum angeordnet. Die Nockenscheibe 50 weist Nocken 51 und einen Grundkreis 52 auf. Andere Arten von Ventilsteuerungen, wie z.B. Magnet- oder Pneumatikventile, sind jedoch ebenso einsetzbar. In der Darstellung ist das Ventil A geöffnet während die Ventile B und C geschlossen sind. Die Ventile 40 befinden sich im Verbindungsrohr 30.The valves 40 between the heat exchangers 10 and compressor cylinders 20 are mechanically open and close in the present embodiment. As best shown in FIG. 2, the valves 40 each have a plunger 41 and a roller 42. The valves 40 are arranged in a star shape around a cam disk 50 around. The cam plate 50 has cams 51 and a base circle 52. Other types of valve controls, such as e.g. Magnetic or pneumatic valves, but are also used. In the illustration, the valve A is opened while the valves B and C are closed. The valves 40 are located in the connecting pipe 30.
Wie am besten in Fig. 3 zu sehen, sind die Wärmetauscher 10 sternförmig um den Verdichterzylinder 20 angeordnet und mit diesem fest verbunden. Die eine Hälfte der Wärmetauscher 10 ist an der Vorderseite und die andere Hälfte auf der Rückseite des Verdichterzylinders 20 angeschlossen. Die Wärmetauscher 10 sind als einfache Rohre 14 dargestellt, die jedoch eine Galerie von Rohren 14 repräsentieren. In der Mitte ist die Nockenscheibe 50 aus Fig. 2 zu sehen. Ein nicht gezeigter Motor ist vorgesehen, um die gesamte Anordnung der Wärmetauscher (Wärmetauscherblock) um die Mittelachse zu drehen. Die Drehrichtung ist gegen den Uhrzeigersinn. Diejenige Hälfte 12 der Wärmetauscher 10, an die das Verbindungsrohr 30 zum Verdichterzylinder 20 angeschlossen ist, wird durch ein warmes Medium umströmt bzw. umflossen, während die andere Hälfte 11 durch ein Kühlmedium umströmt bzw. umflossen wird.
Der Betrieb der Kältemaschine läuft ab wie im Folgenden dargelegt. In den Figuren 3, 4A - 4C sind die Takte der Kältemaschine nacheinander gezeigt. Fig. 4A - 4C zeigen eine Darstellung des Prozessablaufes auf der Basis des in Fig. 3 gezeigten Modells. Die jeweilige Kolbenbewegung, die Ventilstellung und die Stellung der Verschlusseinrichtung zwischen den einzelnen Wärmetauscherhälften, die Fortschritte der einzelnen Wärmeüberträger innerhalb einer Rotation sind schematisch dargestellt. Zwischen den Wärmetauscherhälften 11 , 12 wird die Verschlusseinrichtung 8 als Kreis mit Balken gezeigt. Ist der Balken parallel zur Längsachse des Wärmetauschers 10 ausgerichtet, dann ist die Verschlusseinrichtung 16 geöffnet. Steht der Balken quer zur Längsachse des Wärmetauschers 10, so ist sie geschlossen.As best seen in Fig. 3, the heat exchangers 10 are arranged in a star shape around the compressor cylinder 20 and fixedly connected thereto. One half of the heat exchanger 10 is connected to the front and the other half on the back of the compressor cylinder 20. The heat exchangers 10 are shown as simple tubes 14, which, however, represent a gallery of tubes 14. In the middle of the cam plate 50 of FIG. 2 can be seen. An unillustrated engine is provided to rotate the entire assembly of the heat exchangers (heat exchanger block) about the central axis. The direction of rotation is counterclockwise. The half 12 of the heat exchanger 10, to which the connecting pipe 30 is connected to the compressor cylinder 20 is flowed around by a warm medium or circulated, while the other half 11 flows around or is surrounded by a cooling medium. Operation of the chiller will proceed as set forth below. In FIGS. 3, 4A-4C, the cycles of the refrigerator are shown one after the other. FIGS. 4A-4C show a representation of the process flow on the basis of the model shown in FIG. The respective piston movement, the valve position and the position of the closure device between the individual heat exchanger halves, the progress of the individual heat exchangers within a rotation are shown schematically. Between the heat exchanger halves 11, 12, the closure device 8 is shown as a circle with bars. If the beam is aligned parallel to the longitudinal axis of the heat exchanger 10, then the closure device 16 is opened. If the bar is transverse to the longitudinal axis of the heat exchanger 10, it is closed.
Ventile, die mit dem Stößel von der Nockenscheibe geöffnet und mit Federdruck geschlossen werden, sind „von oben" dargestellt. Die Funktionsweise entspricht der Darstellung in Fig. 2. Diese Art der Ventile lässt sich zur Erläuterung am besten darstellen, es kann aber jeder andere Art von geeigneten Ventilen eingesetzt werden.Valves that are opened with the plunger from the cam and closed with spring pressure are shown "from above." The operation corresponds to the representation in Fig. 2. This type of valves can best represent, but it can be any other Type of suitable valves are used.
Die Wärmetauscher 10 kreisen um die Mittelachse entsprechend den dargestellten Pfeilen. Die Bereiche, in denen die Ventile 40 geöffnet und die Verschlusseinrichtungen geschlossen sind, sind in den Figuren gezeigt. Der Verdichterzylinder 20 ist von der Stirnseite zu sehen und wird in Fig. 3 als Kreis gezeigt. Anhand dieser Darstellung soll der Ablauf des Kältekreisprozesses erklärt werden.The heat exchangers 10 revolve around the central axis according to the arrows shown. The areas where the valves 40 are opened and the shutters are closed are shown in the figures. The compressor cylinder 20 can be seen from the front side and is shown in Fig. 3 as a circle. On the basis of this representation, the course of the refrigeration cycle process will be explained.
In Fig. 3 wird die Rotationsrichtung mit Pfeilen angezeigt. Die Trennung der einzelnen Zustandsänderungen des Arbeitsstoffes sind mit den Nummern an der Außenseite des aus den Wärmetauschern 10 und dem Arbeitszylinder 20 bestehenden Rotors gekennzeichnet. Diese Nummern sind auch an entsprechenden Punkten in den thermodynamischen Diagrammen in Fig. 5 bis 7 eingetragen.In Fig. 3, the direction of rotation is indicated by arrows. The separation of the individual state changes of the working substance are identified by the numbers on the outside of the rotor consisting of the heat exchangers 10 and the working cylinder 20. These numbers are also registered at corresponding points in the thermodynamic diagrams in Figs. 5-7.
Der Ablauf der einzelnen Zustandsänderungen wird nachfolgend kurz beschrieben.The sequence of the individual state changes is briefly described below.
1-2 Isochore Wärmaufnahme1-2 isochore heat absorption
In Fig. 3 hat der Wärmetauscher 10 in der Position (1) soeben die Kühlstrecke verlassen. Der enthaltene Arbeitstoff ist vollständig verdampft. Die Verschlusseinrichtung 16 ist geschlossen. Bei der weiteren Rotation bewegt sich die innere Wärme-
tauscherhälfte 12 in die Heizstrecke und wird dort gewärmt. Da die Verschlusseinrichtung 16 und das Ventil 40 geschlossen sind, ist der Dampf des Arbeitsstoffes in einen Raum mit konstantem Inhalt eingeschlossen. Durch den Wärmeaustausch mit dem umströmenden Medium erwärmt sich der Arbeitsstoff bei konstantem Volumen auf die Temperatur des warmen Mediums. Der Druck nimmt zu. In den Fig. 5 bis 7 ist dieser Vorgang als die Strecke (1) -(2) gezeigt.In Fig. 3, the heat exchanger 10 in the position (1) has just left the cooling section. The contained material has completely evaporated. The closure device 16 is closed. During further rotation, the internal heat exchanger half 12 in the heating section and is warmed up there. Since the closure device 16 and the valve 40 are closed, the vapor of the working substance is enclosed in a space with constant content. Due to the heat exchange with the circulating medium, the working fluid heats up at a constant volume to the temperature of the warm medium. The pressure increases. In Figs. 5 to 7, this process is shown as the route (1) - (2).
2-3 Isotherme Verdichtung2-3 isothermal compression
Sobald der Wärmetauscher 10 die Position (2) in Fig. 3 erreicht, öffnet sich das Ventil 40 und weitere Dampf des Arbeitsstoffes wird aus dem Verdichterzylinder 20 durch den Kolben 22 in den Wärmetauscher 10 hinein gepresst. Der Druck innerhalb des Wärmetauschers 10 erhöht sich. Die adiabate Wärme der Verdichtung wird durch das warme Medium abgeführt, so dass eine isotherme Verdichtung stattfindet. Da der Druck im Wärmetauscher 10 höher ist als der Dampfdruck des Arbeitsstoffes, verflüssigt sich der Arbeitsstoff. In der Position (3) schließt das Ventil 40. In den Fig. 5 bis 7 ist dieser Vorgang als die Strecke (2)-(3) gezeigt.As soon as the heat exchanger 10 reaches position (2) in FIG. 3, the valve 40 opens and further vapor of the working substance is pressed out of the compressor cylinder 20 through the piston 22 into the heat exchanger 10. The pressure within the heat exchanger 10 increases. The adiabatic heat of the compression is dissipated by the warm medium, so that an isothermal compression takes place. Since the pressure in the heat exchanger 10 is higher than the vapor pressure of the working fluid, the working fluid liquefies. In the position (3), the valve 40 closes. In Figs. 5 to 7, this process is shown as the distance (2) - (3).
3-4 Isobare Verflüssigung3-4 isobaric liquefaction
Beim vorherrschenden Überdruck im Wärmetauscher 10 verflüssigt sich der Arbeitsstoff solange bis der Dampfdruck des Arbeitsstoffes bei der Temperatur des warmen Mediums erreicht ist. Die Verflüssigungswärme wird durch das warme Medium abgeführt. Die Wärmetauscher 10 sind so ausgelegt, dass dieser Vorgang abgeschlossen ist, wenn die Position (4) erreicht wird. In den Fig. 5 bis 7 ist dieser Vorgang als die Strecke (3}-(4) gezeigt.In the prevailing overpressure in the heat exchanger 10, the working fluid is liquefied until the vapor pressure of the working fluid is reached at the temperature of the warm medium. The liquefaction heat is dissipated by the warm medium. The heat exchangers 10 are designed so that this process is completed when the position (4) is reached. In Figs. 5 to 7, this process is shown as the distance (3} - (4).
4-5 Isochore Wärmeentnahme4-5 Isochore heat removal
In Position (4) wird die Verschlusseinrichtung 16 geöffnet. Das Kondensat des Arbeitsstoffes kann nun in die gekühlte Hälfte 11 des Wärmetauschers 10 (Verflüssiger) strömen. Durch den Wärmeaustausch zwischen Medium und Arbeitsstoff wird das Kondensat bis auf die untere Temperaturebene des kühlen Mediums abgekühlt. Durch den, bei dieser Temperatur niedrigen Dampfdruck des Arbeitsstoffes, wird weitere Dampf kondensiert, bis der Dampfdruck des Arbeitsstoffes bei dieser Temperatur erreicht ist. Die gesamte Masse des Arbeitsstoffes ist bei der Position (5) auf die untere Temperaturebene abgekühlt. Da während der gesamten Strecke das VoIu-
men im Wärmetauscher 10 unverändert bleibt (Ventil 40 geschlossen, Verschlusseinrichtung 16 geöffnet) findet die Abkühlung bei gleichem Volumen statt. In den Fig. 5 bis 7 ist dieser Vorgang als die Strecke (4}-(5) gezeigt.In position (4), the closure device 16 is opened. The condensate of the working fluid can now flow into the cooled half 11 of the heat exchanger 10 (condenser). The heat exchange between the medium and the working substance cools the condensate down to the lower temperature level of the cool medium. Due to the, at this temperature low vapor pressure of the working fluid, more steam is condensed until the vapor pressure of the working fluid is reached at this temperature. The entire mass of the working substance is cooled at the position (5) to the lower temperature level. Since during the entire route the VoIu menu in the heat exchanger 10 remains unchanged (valve 40 closed, shutter 16 open), the cooling takes place at the same volume. In Figs. 5 to 7, this process is shown as the distance (4} - (5).
5-6 Isotherme Expansion5-6 Isothermal expansion
Das Ventil 40 wird in der Position (5) geöffnet. Vom Verdichterzylinder 20 wird der Arbeitsstoff durch einen Unterdruck aus dem Wärmetauscher 10 abgesaugt. Der Druck fällt unter den Dampfdruck des Arbeitsstoffes bei der unteren Temperatur. Um den Dampfdruck zu erhalten, verdampft der Arbeitsstoff. Da vom kühlen Medium ständig Wärme zugeführt wird, findet diese Verdampfung bei gleich bleibender Temperatur statt. Es findet somit eine isotherme Expansion und Verdampfung statt. In der Position (6) schließt das Ventil 40. In den Fig. 5 bis 7 ist dieser Vorgang als die Strecke (5)-(6) gezeigt.The valve 40 is opened in the position (5). From the compressor cylinder 20, the working fluid is sucked out by a negative pressure from the heat exchanger 10. The pressure falls below the vapor pressure of the working substance at the lower temperature. To get the vapor pressure, the working fluid evaporates. Since heat is constantly supplied by the cool medium, this evaporation takes place at a constant temperature. There is thus an isothermal expansion and evaporation. In the position (6), the valve 40 closes. In Figs. 5 to 7, this process is shown as the distance (5) - (6).
6-1 Isobare Verdampfung6-1 isobaric evaporation
Bei Unterdruck im Wärmetauscher 10 verdampft der Arbeitsstoff solange bis der Dampfdruck des Arbeitsstoffes bei der unteren Temperatur erreicht ist. Die Verdampfungswärme wird durch das kühle Medium herbeigeführt. Die Wärmetauscher 10 sind so ausgelegt, dass dieser Vorgang abgeschlossen ist, wenn die Position (1 ) wieder erreicht wird. In den Fig. 5 bis 7 ist dieser Vorgang als die Strecke (6)-(1 ) gezeigt.At reduced pressure in the heat exchanger 10, the working fluid evaporates until the vapor pressure of the working fluid is reached at the lower temperature. The heat of vaporization is brought about by the cool medium. The heat exchangers 10 are designed so that this process is completed when the position (1) is reached again. In Figs. 5 to 7, this process is shown as the route (6) - (1).
In den Figuren 4A bis 4C kann die wechselweise Änderungen der Vorgänge in den verschiedenen Wärmetauschern und die Beziehung untereinander und zum Verdichterzylinder 20 nachvollzogen werden. Die Rotation der 10 ist bei jedem dargestellten Takt um 60° weiter fortgeschritten. Anhand des dargestellten Ablaufes ist festzustellen, dass der Kolben 3 nach einer Rotation um 60° die Richtung wechselt und bei einer vollständigen Umdrehung des aus den Wärmetauschern und dem Verdichterzylinder bestehenden Rotors drei vollständige Takte (hin und zurück) vollzogen hat. Bei dieser Konstruktion wird der Kolben genau so viele Zyklen vollziehen wie Wärmetauscher 10 an einer Seite des Verdichterzylinders 20 angeschlossen sind.In FIGS. 4A to 4C, the alternation of the processes in the various heat exchangers and the relationship between them and the compressor cylinder 20 can be understood. The rotation of 10 has progressed by 60 ° at each bar shown. Based on the sequence shown, it should be noted that the piston 3 changes direction after a rotation by 60 ° and has completed three complete cycles (back and forth) during a complete revolution of the rotor consisting of the heat exchangers and the compressor cylinder. In this construction, the piston will complete exactly as many cycles as heat exchangers 10 are connected to one side of the compressor cylinder 20.
Es wird in Betracht gezogen, dass bei der Kältemaschine die Anzahl der Wärmetauscher ein Vielfaches von drei ist. Weiterhin ist eine vorteilhafte Möglichkeit, dass die
Anzahl der Wärmetauscher ein Vielfaches von sechs ist. Dann kann ein entsprechend angeschlossener Arbeitszylinder selektiv an seiner einen Seite mit einem Wärmetauscher verbunden werden, in den gerade hinein gepumpt werden soll, und an seiner gegenüber liegenden Seite kann er mit einem anderen Wärmetauscher verbunden werden, aus dem gerade heraus gepumpt werden soll.It is considered that in the refrigerator, the number of heat exchangers is a multiple of three. Furthermore, an advantageous possibility that the Number of heat exchangers is a multiple of six. Then a correspondingly connected working cylinder can be selectively connected at its one side to a heat exchanger to be pumped straight into, and at its opposite side it can be connected to another heat exchanger from which it is to be pumped straight out.
Der Hauptunterschied dieser Erfindung zum Stand der Technik ist, dass mehrere Wärmetauscher, bestehend aus Verdampfer und Verflüssiger, gleichzeitig betrieben werden, wobei die Abläufe des Kältekreisprozesses aber zeitlich versetzt in jedem Wärmetauscher stattfinden, die Zustandsänderungen Expansion und Kompression jedoch immer bei jedem Wärmetauscher durch den gleichen Verdichter ausgelöst werden.The main difference of this invention with the prior art is that several heat exchangers consisting of evaporator and condenser, are operated simultaneously, but the processes of the refrigeration cycle process take place staggered in each heat exchanger, but the state changes expansion and compression always at each heat exchanger by the same Compressor be triggered.
Die Funktionsweise dieser Erfindung weicht von allen anderen herkömmlichen Kältekreisläufen durch die sechs erforderlichen Zustandsänderungen ab. Gängige Kreisläufe haben essentiell (abgesehen von Überhitzungen des Arbeitsstoffdampfes oder integrierten Zwischenkreisläufen) vier Zustandsänderungen.The operation of this invention differs from all other conventional refrigeration cycles by the six required state changes. Common cycles have essentially four state changes (apart from overheating of the working vapor or integrated intermediate circuits).
Diese Erfindung zeichnet sich darüber hinaus durch einen höheren theoretischen Wirkungsgrad als die herkömmlichen Kältekreisläufe aus.
This invention is also characterized by a higher theoretical efficiency than the conventional refrigeration circuits.
Claims
1. Kälteprozess, in welchem in einem Kreisprozess sechs Zustandsänderungen eines eingeschlossenen Arbeitsgases zwischen zwei Temperaturebenen in folgender Reihenfolge ablaufen: isochore Wärmeaufnahme, isotherme Verdichtung (Kompression), isobare Verflüssigung, isochore Wärmeabgabe, isotherme Entspannung (Expansion), isobare Verdampfung.1. refrigeration process in which six changes in state of an enclosed working gas between two temperature levels occur in a cycle in the following order: isochoric heat absorption, isothermal compression (compression), isobaric liquefaction, isochoric heat release, isothermal expansion, isobaric evaporation.
2. Kälteprozess nach Anspruch 1, wobei die Verdichtung und die Entspannung gleichzeitig durch einen Verdichter erfolgen.2. Refrigeration process according to claim 1, wherein the compression and the relaxation take place simultaneously by a compressor.
3. Kälteprozess nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Kälteprozess parallel aber zeitlich versetzt in mehreren Wärmetauschern stattfindet.3. cooling process according to claim 1 or 2, wherein the cooling process takes place in parallel but offset in time in a plurality of heat exchangers.
4. Kälteprozess nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Kälteprozess zumindest in drei Wärmetauschern stattfindet.4. Refrigeration process according to one of the preceding claims, wherein the cooling process takes place at least in three heat exchangers.
5. Kälteprozess nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Kälteprozess in sechs Wärmetauschern stattfindet.5. Refrigeration process according to one of the preceding claims, wherein the cooling process takes place in six heat exchangers.
6. Kältemaschine, die Folgendes aufweist: mindestens einen Wärmetauscher mit zwei Bereichen, welche durch eine Verschlussvorrichtung strömungsmittelmäßig so miteinander verbunden sind, dass der Arbeitsstoff im gasförmigen und flüssigen Aggregatzustand von einem Bereich zum anderen hinüber fließen und sich gleichmäßig verteilen kann; wobei der eine Bereich des Wärmetauschers von einem warmen Medium umströmt wird und der andere Bereich von einem kalten Medium umströmt wird; Mittel zum Leiten von flüssigem Strömungsmittel von einem Bereich des Wärmetauschers in den anderen Bereich; einen Arbeitszylinder, der durch ein Verbindungsrohr und ein Ventil selektiv mit einem Bereich des Wärmetauschers verbunden ist, wenn das Ventil in seiner offenen Position ist, und von dem Wärmetauscher getrennt ist, wenn das Ventil in seiner geschlossenen Position ist; eine Steuervorrichtung, welche die Ventile und die Verschlussvorrichtung selektiv betätigt, um die Schritte des Kälteprozesses nach Anspruch 1 auszuführen.6. A refrigeration machine, comprising: at least one heat exchanger having two regions which are fluidly interconnected by a closure device such that the gaseous and liquid state agent may flow from one region to the other and evenly distribute; wherein one area of the heat exchanger flows around a warm medium and the other area is surrounded by a cold medium; Means for conducting liquid fluid from an area of the Heat exchanger in the other area; a working cylinder selectively connected to a portion of the heat exchanger by a connecting pipe and a valve when the valve is in its open position and separated from the heat exchanger when the valve is in its closed position; a control device that selectively actuates the valves and the closure device to perform the steps of the refrigeration process of claim 1.
7. Kältemaschine nach Anspruch 6 wobei die zwei Bereiche des Wärmetauschers durch eine Isolation thermisch voneinander isoliert sind.7. A refrigerator according to claim 6 wherein the two regions of the heat exchanger are thermally insulated from each other by an insulation.
8. Kältemaschine nach Anspruch 6 oder 7, wobei das warme und das kalte Medium jeweils gasförmig oder flüssig sein können.8. A refrigerator according to claim 6 or 7, wherein the hot and the cold medium can each be gaseous or liquid.
9. Kältemaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Verbindung zwischen der gewärmten und gekühlten Hälfte durch die Verschlussvorrichtung vorübergehend geschlossen werden kann.9. chiller according to one of the preceding claims, wherein the connection between the heated and cooled half can be temporarily closed by the closure device.
10. Kältemaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die zumindest drei Wärmetauscher aufweist.10. chiller according to one of the preceding claims, which has at least three heat exchangers.
11. Kältemaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die sechs Wärmetauscher aufweist.11. Refrigerating machine according to one of the preceding claims, which has six heat exchangers.
12. Kältemaschine nach einem der Ansprüche 10 bis 13, wobei die Wärmetauscher sternförmig um die Längsachse des Arbeitszylinders angeordnet sind und die Verbindungsrohre abwechselnd an beiden Seiten des Arbeitszylinders angeschlossen sind, wobei die Wärmetauscher starr mit dem Arbeitszylinder verbunden sind und mit diesem um die gemeinsame Längsachse drehbar aufgehängt sind, wobei ein Motor zum Drehen der Wärmetauscher und des Arbeitszylinders vorgesehen ist, und wobei Leitmittel vorgesehen sind, die das warme und das kalte Medium so lei- ten, dass die einzelnen Wärmetauscher während einer Hälfte der Umdrehung durch das kalte Medium und während der anderen Hälfte der Umdrehung durch das warme Medium geführt werden.12. A refrigerator according to any one of claims 10 to 13, wherein the heat exchangers are arranged in a star shape around the longitudinal axis of the working cylinder and the connecting pipes are alternately connected to both sides of the working cylinder, wherein the heat exchangers are rigidly connected to the working cylinder and with this about the common longitudinal axis are rotatably suspended, wherein a motor for rotating the heat exchanger and the working cylinder is provided, and wherein guide means are provided, the warm and the cold medium so lei- that the individual heat exchangers are guided through the cold medium during one half of the revolution and through the warm medium during the other half of the revolution.
13. Kältemaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Arbeitszylinder ein doppelt wirksamer Arbeitszylinder ist, bei dem die Kompressionen und Expansionen nicht nur auf der einen Seite sondern auf beiden Seiten des Kolbens stattfinden.13. chiller according to one of the preceding claims, wherein the working cylinder is a double-acting cylinder, in which the compression and expansion take place not only on one side but on both sides of the piston.
14. Kältemaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Steuervorrichtung eine Kurvenscheibe ist.14. Refrigerating machine according to one of the preceding claims, wherein the control device is a cam.
15. Kältemaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Kältemaschine als Wärmepumpe genutzt wird, um Wärme zu erzeugen, die an eine Heizungsanlage oder einen anderen Prozess abgegeben werden kann, indem diese Wärme einem kälteren gasförmigen oder flüssigen Medium entzogen wird.15. A refrigerator according to one of the preceding claims, wherein the refrigerator is used as a heat pump to generate heat that can be delivered to a heating system or other process by this heat is removed from a colder gaseous or liquid medium.
16. Kältemaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei für die Erwärmung und Verdampfung Strahlungswärme genutzt wird und für die Kühlung und Verflüssigung die Wärme durch Strahlung abgegeben wird, anstatt sie an gasförmiges oder flüssiges Medium abzugeben.16. A refrigerator according to any one of the preceding claims, wherein for the heating and evaporation radiant heat is used and for the cooling and liquefaction, the heat is emitted by radiation, rather than deliver it to gaseous or liquid medium.
17. Kältemaschinenanordnung, die aus mehreren Kältemaschinen nach einem der vorhergehenden Ansprüche besteht, die in Reihe hintereinander in dem warmen und kalten Medium aufgestellt werden, wobei das warme Medium die einzelnen Kältemaschinen kaskadenartig nacheinander durchströmt und wobei die Temperatur beim Durchströmen der Wärmetauscher der einzelnen Kältemaschinen abnimmt, wobei das kühle Medium dieselben Kältemaschinen in entgegengesetzter Richtung in umgekehrter Reihenfolge kaskadenartig durchströmt, wobei die Temperatur des kühlen Mediums beim Durchströmen der Wärmetauscher der einzelnen Kältemaschinen zunimmt und wobei eine Temperaturdifferenz zwischen dem warmen und dem kühlen Medium erhalten bleibt, und zwar mit dem Ziel eine sehr hohe Kühlung bzw. Erwärmung zu erzielen. 17. refrigerating machine arrangement, which consists of a plurality of refrigerating machines according to one of the preceding claims, which are placed in series one behind the other in the hot and cold medium, wherein the warm medium flows through the individual chillers in succession cascade and wherein the temperature decreases as it flows through the heat exchanger of the individual chillers in which the cool medium cascades through the same refrigerating machines in the opposite direction in the reverse order, the temperature of the cool medium increasing as it flows through the heat exchangers of the individual refrigerating machines and maintaining a temperature difference between the warm and the cool medium remains, with the aim of achieving very high cooling or heating.
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