WO2022161587A1 - Leistungsverstärkung verdichter-kältemaschine - Google Patents
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Definitions
- the invention relates to an intervention in the refrigeration circuit according to the prior art ( Figure 1) of refrigeration machines. Cooling machines with compressors, designed as piston compressors or rotary compressors, are based on the principle of the heat pump. According to the invention, an additional heat exchanger (6 and Figures 2 and 3) in the refrigerant circuit according to the prior art, consisting of the components: compressor (1), condenser (2), filter or filter drier (3), throttle (4), Integrated evaporator (5) and the piping, a chiller.
- the additional heat exchanger according to the invention must be relatively small due to the limited space available in refrigeration machines, be highly efficient in its mode of operation and, in terms of production costs, have to be in an economic relationship to the utility and market value of conventional refrigeration machines.
- Areas of application are: Household appliances, such as refrigerators, freezers, chest freezers, fridge-freezers, heat pump dryers, heaters and in industrial areas, such as temperature/climate chambers, cold stores, environmental test systems, air-conditioned computer rooms and many more in stationary (e.g. buildings), in mobile areas (vehicles, ships, aircraft) and in processes of manufacturing goods.
- the essential feature of the invention is the use of the heat of compression of the refrigerant immediately after the gaseous and compressed refrigerant has exited the compressor (1) to reheat the refrigerant circuit immediately before the throttle (4).
- a heat exchanger (6) according to the invention is integrated into the circuit for this reheating.
- Fixed or controllable expansion valves or capillaries are usually used as the throttle (4).
- Capillaries are preferably used in household appliances.
- SUBSTITUTE SHEET (RULE 26) Increased performance results in reduced power consumption with the same cooling capacity or as higher cooling capacity with the same power consumption.
- the heat exchanger (6) with its integration into the cooling circuit before the condenser (2), also promotes the liquefaction process of the refrigerant.
- the cooling circuits are usually calculated and then optimized through tests.
- Critical parameters are the refrigerant charge by weight, the capacity of the compressor and the design of the throttle.
- the values in the example are not calculated exactly. The achievable values also depend on the construction or design of the heat exchanger.
- Another essential feature of the invention is the use of a single medium for heat transfer in the closed refrigerant circuit of the refrigeration machine.
- Today, commercially available, highly volatile hydrocarbons with a low boiling point, such as isobutane (R600A) are used as refrigerants, which, unlike the refrigerants used in the past, are not or hardly harmful to the climate.
- isobutane there are other refrigerants in use today that have a similar effect in refrigeration machines or heat pumps (e.g. R410A) or cars (e.g. R134A).
- FIGS 1 to 4 show examples of heat exchangers that can be used.
- compressor e.g. piston or rotary compressor
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Abstract
Die Erfindung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs (1) zur Verbesserung der Leistung von Verdichter-Kältemaschinen erfolgt durch eine Modifikation des Kältekreislauf einer Kältemaschine. Der Kältekreislauf nach dem Stand der Technik besteht aus den Komponenten Verdichter (1), Verflüssiger (2), Filtertrockner (3), Drossel (4), Verdampfer (5) und der Verrohrung. Ein Wärmetauscher (6) wird unmittelbar am Auslass der Druckseite des Verdichters in den Kältekreislauf integriert. Es gibt verschieden Ausführungen von Wärmetauschern. Ein kennzeichnendes Merkmal des erfindungsgemäßen Prozesses zur Leistungsverstärkung ist neben der Hardware des Wärmetauschers, dass kein weiteres Medium zur Wärmeübertragung benutzt wird, als das bereits im Kältekreislauf bzw. im Prozess verwendete Kältemittel. Der Wärmetauscher (6), überträgt die hohe Temperatur, des durch den Verdichter (1) gasförmigen und komprimierten Kältemittels, auf das nach dem Verflüssiger (2) jetzt flüssige Kältemittel unmittelbar vor der Drossel (4). Dadurch wird im Kältemittelkreislauf auf der Druckseite ein höheres Temperatur- und Druckniveau erreicht. Das höhere Druckniveau der Druckseite weist dadurch eine höhere Druckdifferenz zur Saugseite des Kältekreislaufs auf. Diese höhere Druckdifferenz erzeugt mehr Kälteleistung bei gleichem Strom bedarf oder vermindert den Strombedarf, bei gleich bleibender Kälteleistung. Die Einstellung der gewünschten Temperaturverhältnisse erfolgt über Temperaturfühler und handelsübliche Einstellpotentiometer (z.B. Drehschalter).
Description
Leistungsverstärkung Verdichter-Kältemaschine
Beschreibung
Die Erfindung, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 zur Leistungsverstärkung von Verdichter-Kältemaschinen, bezieht sich auf einen Eingriff in den Kälte-Kreislauf nach dem Stand der Technik (Figur 1) von Kältemaschinen. Kältemaschinen mit Kompresso- ren/Verdichtem, ausgeführt als Kolbenverdichter oder Rotationsverdichter, basieren auf dem Wirkungsprinzip der Wärmepumpe. Erfindungsgemäß wird ein zusätzlicher Wärmetauscher (6 und Figur 2 u. 3) in den Kältemittelkreislauf nach dem Stand der Technik, bestehend aus den Komponenten: Verdichter (1), Verflüssiger (2), Filter oder Filtertrockner (3), Drossel (4), Verdampfer (5) und der Verrohrung, einer Kältemaschine integriert. Der erfindungsgemäße zusätzliche Wärmetauscher muss aufgrund der vorhandenen begrenzten Platzverhältnisse bei Kältemaschinen relativ klein sein, in seiner Wirkungsweise hocheffizient sein und muss von Seiten der Herstellungskosten in einem wirtschaftlichen Verhältnis zum Nutzwert und Marktwert konventioneller Kältemaschinen stehen. Anwendungsbereiche sind: Haushaltsgeräte, so u.a. bei Kühlschränken, Kühltruhen, Gefrierschränken, Gefriertruhen, Kühl- Gefrierkombination, Wärmepumpentrockner, Heizungen und in industriellen Bereichen, so z.B. bei Temperatur-/Klimakammern, Kühlhäusern, Umwelttestanlagen, klimatisierten Rechnerräumen u.a.m.. Das Einsatzfeld von Kältemaschinen findet man in stationären (z.B. Gebäuden), in mobilen Bereichen (Fahrzeuge, Schiffe, Fluggeräte) und bei Prozessen der Herstellung von Waren.
Das wesentliche Merkmal der Erfindung ist die Nutzung der Kompressionswärme des Kältemittels, unmittelbar nach Austritt des gasförmigen und komprimierten Kältemittels aus dem Kompressor (1), zur Nacherwärmung des Kühlmittelkreislaufes unmittelbar vor der Drossel (4). Für diese Nacherwärmung wird ein erfindungsgemäßer Wärmetauscher (6) in den Kreislauf integriert. Als Drossel (4) werden üblicherweise fest eingestellte oder regelbare Expansionsventile oder Kapillare verwendet. In Haushaltsgeräten werden vorzugsweise Kapillare eingesetzt. Die Nacherwärmung des nach dem Verflüssiger flüssigen Kältemittels im Kälte- Kreislauf bewirkt auch einen Anstieg des Drucks. Dadurch erhöht sich die Leistung des Kühlkreislaufs durch die damit verbundene höhere Potentialdifferenz, zwischen der Druckseite und der Saugseite des Kältemittelkreislaufs, bzw. vor und nach der Drossel. Die
1
ERSATZBLATT (REGEL 26)
Leistungssteigerung wirkt sich als Stromminderverbrauch bei gleicher Kälteleistung oder als höhere Kälteleistung bei gleichem Stromverbrauch aus. Zusätzlich begünstigt der Wärmetauscher (6) mit seiner Einbindung in den Kühlkreislauf vor dem Verflüssiger (2) noch den Verflüssigungsprozess des Kältemittels.
Beispiel*: Tl/pl = T2/p2 ; T 1 bzw. T2 = T + 1 (°K) a) Temperatur - Druck Kühlmittel, unmittelbar nach dem Kompressor: ta = 70 °C; pa - 20 bar b) Temperatur - Druck Kühlmittel, ohne Leistungsverstärkung durch den Wärmetauscher (6) nach dem Verflüssiger (3), vor der Drossel (5): tv = 40 °C; pv = 10 bar. c) Temperatur - Druck Kühlmittel mit Leistungsverstärker durch den Wärmetauscher (6) nach dem Verflüssiger (3) und Wärmetauscher (6), vor der Drossel (5): tvl = 50 °C; pvl = 12 bar. d) Das Delta von z.B. +10 °C und + 2 bar ( hier als Beispiel: c minus b = Delta) bewirkt eine Verbesserung der Kälteleistung oder reduziert den Stromverbrauch bei gleicher Kälteleistung des Geräts im Bereich von ca. 20% .
* in der praktischen Auslegung werden die Kühlkreisläufe üblicherweise berechnet und dann durch Tests optimiert. Kritische Parameter sind die Füllmengen mit Kältemittel nach Gewicht, die Leistung des Verdichters und die Auslegung der Drossel. Die Werte des Beispiels sind nicht exakt berechnet. Die erzielbaren Werte sind auch von der Konstruktion bzw. der Auslegung des Wärmetauschers abhängig.
Ein weiteres wesentliches Merkmal der Erfindung ist die Verwendung eines einzigen Mediums zur Wärmeübertragung in dem geschlossenen Kältemittelkreislauf der Kältemaschine. Als Kältemittel dienen heute handelsübliche, leicht flüchtige Kohlenwasserstoffe mit niedrigem Siedepunkt, wie z.B. Isobutan (R600A), die, entgegen den früher üblichen Kältemitteln, nicht oder kaum klimaschädlich sind. Außer Isobutan sind heute noch weitere Kältemittel, mit ähnlicher Wirkung in Kältemaschinen bzw. Wärmepumpen (z.B. R410A) oder Pkw (z.B. R134A) im Einsatz.
Die Bilder 1 bis 4 zeigen beispielhaft Wärmetauscher, die eingesetzt werden können.
2
ERSATZBLATT (REGEL 26)
Bezeichnungen Figuren 1 bis 4:
Figur 1 - Kältekreislauf
1 Verdichter (z.B. Kolben oder Rotationsverdichter)
2 V erflüssiger /z.B . Rückseite Kühlschrank
3 Trockner/Filter
4 Drossel (Kapillare oder Expansionsventil - geregelt/ungeregelt)
5 Verdampfer (innen im Kühlgerät/Kühlraum)
6 Wärmetauscher
7 Füll- und Entleerventil ta Temperatur Kältemittel (Gas) Austritt Verdichter (1) pa Druck Austritt V erdichter ( 1 ) tv Temperatur Kältemittel nach Verflüssiger (2) pv Druck nach Verflüssiger (2) tvl Temperatur Kältemittel nach Wärmetauscher (6) pvl Druck nach Wärmetauscher (6)
Figur 2 - Wärmetauscher mit integriertem Filtertrockner
1 - Gehäuse mit thermischer Außenisolierung
2 - Einlass Wärmetauscher
3 - Auslass Wärmetauscher
4 - gewendelte Rohrschlange
5 - Filter oder Filtertrockner
6 - Einlass Rohrschlange
7 - Auslass Filter bzw. Filtertrockner in Drossel
ERSATZBLATT (REGEL 26)
Figur 3 - Koaxialer Wärmetauscher
Nicht maßstäblich!
Abmessungen in mm ca. 4-5 Windungen; Höhe 50 mm - 80 mm da = Außendurchmesser: > 50 mm - < 100 mm
Anschlüsse an Kühlkreislauf mittels Kupferfittinge
Anschlüsse inneres Rohr ca. d: 6 mm
Anschlüsse äußeres Rohr ca. d: 6 mm
Koaxiale Rohre des Wärmetauschers:
- inneres Rohr: - Durchströmung = gasförmig; Anschluss Verdichter
- äußeres Rohr: - Durchströmung = flüssig: Anschluss nach Verflüssiger Durchströmungs-Richtung: Gegenstromprinzip oder Gleichstromprinzip
Figur 4 - Filter oder Filtertrockner
1 - Eintritt flüssiges Kältemittel vom Verflüssiger
2 - Austritt flüssiges Kältemittel in die Drossel (Kapillare oder Expansionsventil)
4
ERSATZBLATT (REGEL 26)
Claims
Patentansprüche Der Kältemittelkreislauf von Verdichter-Kältemaschinen (Figur 1) nach dem Stand der Technik, mit Verdichter (1), Verflüssiger (2), Trockner/Filter (3) , Drossel (4), Verdampfer (5) und der Verrohrung wird zur Leistungsverstärkung durch die Einbindung eines Wärmetauschers (6) so modifiziert, dass die Kältemaschine entweder weniger Strom bei unveränderter Kühlleistung benötigt oder aber eine Verbesserung der Kühlleistung bei gleich- bleibender Stromaufnahme, üblicherweise geregelt durch einen Temperatur- bzw.
Leistungsregler, erzielt wird. Der Verdichter hat eine Saugseite (von der Drossel (4) zum Verdichter (1)) und eine Druckseite (vom Verdichter (1) zur Drossel (4)). Die erfindungsgemäße Kühlmaschine ist d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t
1) dass der Prozess im Kältemittelkreislaufs einer Verdichter Kältemaschine nach dem Stand der Technik dahingegen modifiziert wird, dass durch das erfindungsgemäße Einbinden eines Wärmetauschers unmittelbar nach dem Verdichter die hohe Wärme des verdichteten, gasförmigen Kältemittels genutzt wird, um diese Wärme auf das im Verflüssiger, jetzt flüssige und kühler gewordene Kältemittel, unmittelbar vor der Drossel, zu übertragen, ohne ein weiteres Medium zur Wärmeübertragung zu benötigen, als das ohnehin im geschlossenen Kältemittelkreislauf vorhandene Kältemittel. Dadurch wird die Temperatur des flüssigen Kältemittels erhöht. Mit der Temperaturerhöhung erfolgt im geschlossenen Kältemittelkreislauf zugleich auch eine Druckerhöhung.
2) dass der Wärmetauscher nach Anspruch 1 als Wärmetauscher erfindungsgemäß mit voll oder teilweise integriertem Filter oder Filtertrockner ausgeführt ist, der durch seine vergrößerte Oberfläche im Inneren des Wärmetauschergehäuses die Effizienz des Wärmetausches verbessert.
5
3) dass der Wärmetauscher nach Anspruch 1 als koaxialer Röhrenwärmetauscher, gewendelt oder gerade oder als Plattenwärmetauscher ausgeführt wird.
4) dass die Wärmetauscher nach den Ansprüchen 1, 2 und 3 vorzugsweise im Gegenstromprinzip arbeiten. Zur Vermeidung von Wärmeverlusten wird das Gehäuse des Wärmetauschers außen thermisch isoliert.
5) die Kältemaschine mit dem integrierten Wärmetauscher nach den Ansprüchen 1 bis 4 bei Maschinen/Geräten, die mit dem Wärmepumpenprinzip arbeiten, im privaten und industriellen Bereich, sowohl stationär als auch mobil zur Anwendung kommt.
6
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