DE3833209C1 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Kälte- oder Wärme­ pumpenanlage nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Bei einer bekannten Anlage dieser Art (DE-PS 7 20 735) wird das im Verdampfer nicht verdampfte Kältemittel in einem unterhalb des Verdampfers befindlichen Flüssig­ keitsabscheider gesammelt. Ein der Expansionsvorrichtung zugeordnetes erstes Steuerventil ist als vom Flüssig­ keitsstand im Flüssigkeitsabscheider abhängiger Hoch­ druckschwimmerregler ausgebildet. Mit Hilfe eines zweiten Steuerventils kann flüssiges Kältemittel aus dem Flüssig­ keitsabscheider in eine Zwischenkammer entleert werden. Das zweite Steuerventil ist ein Schaltventil, das ent­ weder beim Ausschalten des Verdichters oder in Abhängig­ keit von einem Zeitschalter geöffnet wird. Der Ausgang der Zwischenkammer ist mit der Kältemittelleitung hinter der Expansionsvorrichtung verbunden. Der Zwischenbehälter gibt das flüssige Kältemittel an den Verdampfer ab, wenn der Verdampferdruck beim Einschalten des Kompressors sinkt.

Bei einer anderen bekannten Kälteanlage (DE-OS 35 11 829) ist ein als Magnetventil ausgebildetes Schaltventil zwischen Flüssigkeitsabscheider und Zwischenkammer vorge­ sehen, das bei Wärmepumpenstillstand öffnet. Der Ausgang der Zwischenkammer ist über ein Rückschlagventil mit der Kältemittelleitung hinter der Expansionsvorrichtung verbunden, die zu einer Injektorvorrichtung in einer oberhalb des Verdampfers befindlichen Vernebelungskammer führt. Die Injektorvorrichtung wird mit Treibdampf von der Druckseite des Verdichters über ein Magnetventil versorgt.

In beiden Fällen ergibt sich eine unkontrollierte Rezir­ kulation des flüssigen Kältemittels.

Es ist ferner eine Kälteanlage bekannt (Danfoss-Katalog "Automatic Controls for Industrial Refrigeration Plants" Druckvermerk KA.00.K1.02, Seite 1), bei der ein Flüssig­ keitsabscheider sowohl das Kältemittel aus der Expan­ sionsvorrichtung als auch das Kältemittel aus den Ver­ dampfern aufnimmt. Der Flüssigkeitsraum dieses Abschei­ ders ist über Pumpen und weitere Einrichtungen, wie Regler und Expansionsventile, mit den Verdampfereingän­ gen verbunden. Mit Hilfe der Pumpen läßt sich das den Verdampfern zuzuführende flüssige Kältemittel genau dosieren. Man kann den Betrieb des Verdampfers optimie­ ren, insbesondere im Hinblick auf eine niedrige Mittel­ temperaturdifferenz. Diese Anlage ist allerdings aufwen­ dig und kompliziert.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Kälte- oder Wärmepumpenanlage der eingangs beschriebenen Art anzugeben, bei der die den Verdampfer durchsetzende Menge des flüssigen Kältemittels auf einfache und billi­ ge Weise über einen breiten Arbeitsbereich einstellbar ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeich­ nenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.

Bei dieser Anlage wird das jeweils abgeschiedene flüssige Kältemittel immer dann, wenn das erste Schaltventil geschlossen ist, über das zweite Schaltventil in die Zwischenkammer entleert und von dort, wenn das erste Schaltventil geöffnet ist, von dem Druck des bei der Expansion entstehenden Kältemitteldampfes dem Verdampfer wieder zugeführt. Durch die Wahl der jeweiligen Öffnungs- und Schließzeiten erhält man eine kontrollierte und nahezu kontinuierliche, pulsierende Rezirkulation und einen der Rezirkulation entsprechenden verbesserten Wärmeübertragungs-Koeffizienten k des Verdampfers. Man kann daher für die gleiche Kälteleistung die Verdampfer­ fläche reduzieren und/oder mit kleinerer Mitteltempera­ turdifferenz arbeiten, d.h. mit einem einen höheren Absolutwert aufweisenden Saugdruck des Verdichters, und damit eine Leistungsersparnis erzielen. Da wegen der Rezirkulation eine kleine Mitteltemperaturdifferenz und nahezu die gleiche Temperatur über die ganze Ver­ dampferoberfläche erreicht wird, weil die gesamte Ver­ dampferfläche mit Flüssigkeit belegt ist, ergibt sich bei Kälteanlagen in Verbindung mit dieser kleineren Mitteltemperaturdifferenz eine reduzierte Austrocknung der gekühlten Ware. Insbesondere kann ein optimaler k-Wert für den Verdampfer auch dann erreicht werden, wenn man mit einer niedrigen Rezirkulationszahl und kleiner Füllung arbeitet. Die Anordnung kann in Verbin­ dung mit den verschiedensten Standardtypen von Verdampfer und Kältemittel verwendet werden.

Die Weiterbildung nach Anspruch 2 erlaubt eine sehr gute Regelung durch Änderung des Verhältnisses der Öff­ nungs- und Schließzeiten jeweils in einer vorgegebenen Zykluszeit. Hierbei lassen sich die Mengen des jeweils neu über die Expansionsvorrichtung zugeführten flüssigen Kältemittels und des rezirkulierenden flüssigen Kältemit­ tels leicht einstellen, wobei Anlagenart, Betriebsver­ hältnisse, Verdampferbelastung u.a. berücksichtigt werden können. Eine solche Steuerung läßt sich leicht durch eine elektronische Steuerschaltung verwirklichen.

Der durch die Ausgestaltung des Anspruchs 3 rasch pulsie­ rende Flüssigkeitsstrom hat eine günstige Wirkung auf den Wärmeübertragungs-Koeffizienten k des Verdampfers. Insbesondere kommt eine kurze Gesamtzykluszeit der Im­ pulsbreitenmodulations-Steuervorrichtung in Betracht, die kleiner als 60 s, vorzugsweise kleiner als 30 s, ist. Infolgedessen bleiben die Verhältnisse im Verdampfer trotz pulsierender Zufuhr des flüssigen Kältemittels nahezu konstant.

Bevorzugte Ausführungsformen der Schaltventile sind in den Ansprüchen 4 und 5 gekennzeichnet.

Eine Alternative nach den Ansprüchen 6 und 7 ergibt eine besonders einfache Ausführungsform. Da der Kältemit­ teldruck von dem Öffnungszustand des zweiten Schaltven­ tils abhängt, wird das erste Schaltventil zeitgleich geschaltet.

Bei der Ausgestaltung nach Anspruch 8 sind alle wesent­ lichen Elemente im topfförmigen Kolben und dem ihn um­ gebenden Zylinder vereinigt.

Mit der Ausgestaltung nach Anspruch 9 wird sicher­ gestellt, daß kein Kältemitteldampf aus der Zwischen­ kammer in Gegenrichtung zu der ablaufenden Flüssigkeit durch die Ventilöffnungen des zweiten Schaltventils strömt und hierdurch den Ablauf behindert. Es läßt sich daher die Ablaufzeit und damit die Öffnungszeit des zweiten Schaltventils verkürzen. Das dritte Schaltventil braucht in seinen Schaltstellungen nicht dicht zu schließen, da der gewünschte Effekt auch dann noch, wenn auch etwas vermindert, auftritt.

Eine besonders einfache Konstruktion bietet die Weiter­ bildung nach den Ansprüchen 10 und 11.

Der Fühler nach Anspruch 12 erfaßt die Entleerungszeit der Zwischenkammer, die entscheidend ist für die Rezirku­ lationszeit und die Steuerung der Schaltventile.

Es kann auch ein Druckfühler nach Anspruch 13 verwendet werden, da sich bei der Entleerung der Druck in der Zwischenkammer ändert, der beim Unterschreiten einer Druckschwelle die Steuerung der Schaltventile beeinflußt.

Besonders günstig ist eine Rezirkulationsrate nach An­ spruch 14, die etwa 1,2 bis 1,5 beträgt. In diesem Be­ reich ergibt sich ein ausreichend erhöhter k-Wert des Verdampfers. Andererseits kann der Flüssigkeitsabscheider verhältnismäßig klein gehalten werden.

Die Erfindung wird nachstehend anhand in der Zeichnung dargestellter, bevorzugter Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematisch dargestellte Anlage gemäß der Erfindung,

Fig. 2 über der Zeit die Stellung des einen Schaltven­ tils,

Fig. 3 über der Zeit die Stellung des anderen Schalt­ ventils,

Fig. 4 in einer Teildarstellung eine abgewandelte Aus­ führungsform,

Fig. 5 in einer Teildarstellung eine weitere Abwandlungs­ form,

Fig. 6 eine weitere Variante einer erfindungsgemäßen Anlage,

Fig. 7 einen Teil eines Verdampfers und

Fig. 8 in einem Diagramm den Wärmeübertragungskoeffi­ zienten k des Verdampfers über der Rezirkulations­ rate R.

Die Kälteanlage der Fig. 1 besitzt einen Verdichter 1, der über eine Druckleitung 2 mit einem Kondensator 3 verbunden ist. Eine Flüssigkeitsleitung 4 führt zu einer Expansionsvorrichtung 5 mit einem als Magnetventil ausgebildeten Schaltventil 6. Die Drosselstelle der Expansionsvorrichtung 5 befindet sich im Schaltventil 6. Eine Verbindungsleitung 7 führt in eine Zwischenkammer 8, von deren Boden eine Leitung 9 ausgeht, die zu einem Verdampfer 10 führt. Dessen Ausgang 11 ist mit einem Flüssigkeitsabscheider 12 verbunden. An der Oberseite setzt eine Saugleitung 13 an, die wieder zum Verdich­ ter 1 führt.

Der Flüssigkeitsabscheider 12 ist durch eine Wand 14 von der Zwischenkammer 8 getrennt. Eine Leitung 15 durch­ setzt diese Zwischenwand 14 und weist ein Schaltventil 16 auf. Bei geöffnetem Schaltventil 16 kann Flüssigkeit aus dem Sumpf 17 des Flüssigkeitsabscheiders 12 in die Zwischenkammer 8 fließen und dort den Sumpf 18 bilden. Das Schaltventil 6 ist als Öffnungsventil und das Schalt­ ventil 16 als Schließventil ausgebildet. Beide Schaltven­ tile werden von einer Steuervorrichtung 19 mit breiten­ modulierten Impulsen über eine Impulsleitung 20 versorgt. Demzufolge sind diese Schaltventile gegensinnig in den Öffnungs- und Schließzustand steuerbar, wie dies Fig. 2 für das Schaltventil 16 und Fig. 3 für das Schaltventil 6 zeigen. Ein Arbeitszyklus umfaßt die Zykluszeit T. Hier­ von ist das Schaltventil 6 während der Zeit a geöffnet und das Schaltventil 16 geschlossen, während für die Zeit b das Umgekehrte gilt. Das Verhältnis der Zeiten a und b kann von der Steuervorrichtung 19 geändert wer­ den. Die Zykluszeit T liegt beispielsweise bei 25 s.

Dies führt zu der folgenden Funktionsweise: Der Verdamp­ fer 10 wird mit so viel flüssigem Kältemittel versorgt, daß am Ausgang 11 des Verdampfers noch ein ausgeprägter Teil des Kältemittels in flüssiger Form vorliegt. Diese Flüssigkeit sammelt sich im Sumpf 17 des Flüssigkeits­ abscheiders 12. Während der Zeit b, in der das Schalt­ ventil 6 geschlossen und das Schaltventil 16 geöffnet ist, läuft diese Flüssigkeit in die Zwischenkammer 8. In der anschließenden Zeit a, wenn die Schaltventile ihre Funktion umkehren, wird diese Flüssigkeit aus dem Sumpf 18 erneut durch den Verdampfer 10 getrieben. Der Antrieb erfolgt unter dem Druck desjenigen Dampfes, der sich bei geöffnetem Schaltventil 6 hinter der Dros­ selstelle der Expansionsvorrichtung 5 bildet und dann in der Zwischenkammer 8 herrscht. Durch Wahl des Verhält­ nisses der Zeiten a und b in der Zykluszeit T läßt sich die Rezirkulationszahl oder -rate R festlegen, die durch das Verhältnis der tatsächlich umlaufenden Kältemittel­ menge zu derjenigen Kältemittelmenge definiert ist, die gerade vollständig im Verdampfer 10 verdampfen wür­ de. Die Rezirkulation erfolgt pulsierend.

Wie Fig. 8 zeigt, steigt der Wärmeübertragungskoeffi­ zient k des Verdampfers mit der Rezirkulationsrate R an, und zwar nahe des Wertes R = 1 steil und bei größe­ ren Werten von R mit einer abflachenden Kurve. Stellt man die Rezirkulationsrate zwischen 1,2 und 1,5 ein, wie es der schraffierte Bereich D angibt, ergibt sich ein verhältnismäßig großer Koeffizient k bei einer ver­ hältnismäßig kleinen Rezirkulationsmenge. Man erhält daher eine gute Kälteleistung mit Flüssigkeitsabschei­ der 12 und Zwischenkammer 8 kleinen Volumens.

Bei der Ausführungsform nach Fig. 4 werden für entspre­ chende Teile um 100 erhöhte Bezugszeichen verwendet. Der wesentliche Unterschied besteht in dem geänderten Schaltventil 116. Dieses besitzt einen feststehenden Zylinder 121 mit einer Deckwand 122, durch die die Ver­ bindungsleitung 10 führt. Der Zylinder weist Ventil­ öffnungen 123 auf. Ein topfförmiger Kolben 124 vermag mit den Topfwänden 125 die Ventilöffnungen 123 abzu­ decken, wie dies in Fig. 4 gezeigt ist. Im Topfboden 126 ist eine Drossel 127 angeordnet. Der Kolben 124 wird in Öffnungsrichtung durch eine Rückstellfeder 128 und in Schließrichtung durch den Druckabfall des durch die Drossel 127 strömenden Kältemittels belastet. Wenn daher das Schaltventil 106 öffnet, geht das Schaltven­ til 116 in die Schließstellung und umgekehrt. Die Funk­ tionsweise ist ähnlich wie in Fig. 1.

Bei der Ausführungsform nach Fig. 5 werden um 200 erhöh­ te Bezugszeichen für gleiche oder gleichartige Teile benutzt. Hier ist das Schaltventil 216 mit einem dritten Schaltventil 229 kombiniert. Zu diesem Zweck ist ein Ventilrohr 230 fest mit dem topfförmigen Kolben 224 verbunden. Dieses durchsetzt eine Ventilhülse 231, die mit Ventilöffnungen 232 versehen ist. Letztere sind in der Öffnungsstellung des Schaltventils 216 vom Ventil­ rohr 230 abgedeckt. In der Schließstellung des Schalt­ ventils 216 wirkt die Stirnseite des Ventilrohrs 230 mit einem Ventilsitz 231 zusammen. Das bedeutet, daß die Saugleitung 213 in der dargestellten Öffnungsstel­ lung des Schaltventils 216 mit dem Dampfraum der Zwi­ schenkammer 208 und in der Schließstellung des Schalt­ ventils 216 mit dem Dampfraum des Flüssigkeitsabschei­ ders 212 verbunden ist. Hierbei stehen die Ventilöffnun­ gen 223 vollständig für den Abfluß der Flüssigkeit aus dem Flüssigkeitsabscheider 212 zur Verfügung, weil kein Kältemitteldampf durch diese Öffnungen in Gegenrichtung gesaugt wird.

Bei der Ausführungsform nach Fig. 6 werden um 300 erhöh­ te Bezugszeichen für gleiche oder gleichartige Teile verwendet. Der Grundaufbau entspricht demjenigen der Fig. 4. Zusätzlich ist am Boden der Zwischenkammer 308 ein Fühler 334 vorgesehen, der den Übergang von Flüssig­ keit zu Dampf detektiert. Sein Signal kann in der Steuer­ vorrichtung 19 verarbeitet werden derart, daß das zweite Schaltventil 6 schließt, wenn Kältemittel in zweiphasigem Zustand die Zwischenkammer 8 verläßt.

Die Flüssigkeitsleitung 304 wird über einen ersten Wärme­ tauscher 335 geführt, der durch Rohrwindungen dieser Leitung 304 am Umfang des Flüssigkeitsabscheiders 312 ausgebildet ist. Parallel hierzu ist die Primärseite eines zweiten Wärmetauschers 336 geschaltet. Am Boden der Zwischenkammer 308 ist ein Drosselkanal 337, bei­ spielsweise in dünnes Röhrchen, angeordnet, das über ein Expansionsventil 338 mit der Sekundärseite des Wärme­ tauschers 336 verbunden ist. Die Leitung 339 führt dann zur Saugleitung 313 des Verdichters 301. Durch diese Leitung kann Öl, daß sich im Sumpf 318 gesammelt hat, zusammen mit einem Anteil flüssigen Kältemittels abge­ führt werden, wobei das Kältemittel nach Expansion und Erwärmung als Dampf in den Verdichter 301 gelangt.

Bei der Ausführungsform nach Fig. 7 ist ein Verdampfer 401 mit mehreren parallelen Einzelkanälen 440 veranschau­ licht. Ein Eingangsverteiler 441 ist am Verdampfer 410 mit ausgeformt, so daß sich eine Baueinheit ergibt. Dieser Verteiler 441 kann auch einstückig mit der Zwi­ schenkammer verbunden sein. Beispielsweise sind am Zwi­ schenkammerboden mehrere Anschlußstutzen vorgesehen.

Abwandlungen von den dargestellten Ausführungsbeispielen sind in vielfacher Hinsicht möglich, ohne den Grundge­ danken der Erfindung zu verlassen. So können die Schalt­ ventile 6, 16 gleichartig als Öffnungs- oder Schließ­ ventile ausgebildet sind und durch zwei inverse Impuls­ reihen gesteuert werden. Flüssigkeitsabscheider und Zwischenkammer können in zwei verschiedenen, über eine Leitung verbindbaren Behältern angeordnet sein.

Claims (14)

1. Kälte- oder Wärmepumpenanlage mit mindestens einem Verdichter, einem Kondensator, einer Expansionsvor­ richtung mit zugeordnetem erstem Steuerventil und einem Verdampfer, die in Reihe geschaltet sind, sowie mit einem Flüssigkeitsabscheider, dessen Dampfraum einerseits mit dem Verdampferausgang und andererseits mit der Saugseite des Verdichters verbunden ist, und mit einer darunter befindlichen Zwischenkammer, die über ein zweites Steuerventil mit Flüssigkeit aus dem Flüssigkeitsabscheider versorgbar und zwecks Rezirkulation der Flüssigkeit mit dem Verdampferein­ gang verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß beide Steuerventile als taktweise betätigbare Ein-Aus- Schaltventile (6, 16; 106, 116; 206, 216; 306, 316) ausgebildet sind, wobei deren Öffnungs- und Schließzu­ stand während des Verdichterbetriebs gegensinnig steuerbar sind, und daß eine Verbindungsleitung (7) vom Ausgang der Expansionsvorrichtung zu der Zwischen­ kammer (8; 108; 208; 308) führt.

2. Kälte- oder Wärmepumpenanlage nach Anspruch 1, gekenn­ zeichnet durch eine Impulsbreitenmodulations-Steuer­ vorrichtung (19) zumindest für das erste Schaltventil (6).

3. Kälte- oder Wärmepumpenanlage nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltventile (6, 16; 106, 116; 206, 216; 306, 316) mit im Vergleich zu den Schaltperioden des Verdichters (1; 301) kurzen Öff­ nungs- und Schließzeiten betreibbar sind.

4. Kälte- oder Wärmepumpenanlage nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Schaltventil (6; 106; 206; 306) ein impulsbreitenmoduliertes Mag­ netventil ist.

5. Kälte- oder Wärmepumpenanlage nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Schaltventil (16) ebenfalls ein impulsbreitenmoduliertes Magnetventil ist, das mittels derselben oder invertierter Steuerim­ pulse betätigbar ist wie das erste Schaltventil (6).

6. Kälte- oder Wärmepumpenanlage nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Schaltventil (116; 216; 316) in Abhängigkeit vom Kältemitteldruck hinter der Expansionsvorrichtung (105; 305) gesteuert ist.

7. Kälte- oder Wärmepumpenanlage nach Anspruch 6, da­ durch gekennzeichnet, daß das zweite Schaltventil (116; 216; 316) einen Kolben (124; 224; 324) aufweist, der in Öffnungsrichtung durch eine Rückschlagfeder (128) und in Schließrichtung vom Druckabfall, der an einer vom Kältemittel durchströmten Drossel (127; 327) auftritt, belastet ist.

8. Kälte- oder Wärmepumpenanlage nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolben (124; 224; 324) topfförmig ausgebildet und in einem Ventil­ öffnungen (123) aufweisenden und mit einer Deckwand (122) versehenen Zylinder (121; 321) am Boden des Flüssigkeitsabscheiders (112; 212; 312) angeordnet ist, wobei die Drossel (127; 327) im Topfboden (126) ausgebildet ist, die Rückstellfeder (128) in das Topfinnere ragt und die Ventilöffnungen (123) durch die Topfwähde (125) übersteuert werden.

9. Kälte- oder Wärmepumpenanlage nach einem der Ansprü­ che 1 bis 8, gekennzeichnet durch ein drittes Schalt­ ventil (229), das bei geschlossenem ersten Schalt­ ventil (216) im wesentlichen den Dampfraum des Flüs­ sigkeitsabscheiders (212) und bei geöffnetem ersten Schaltventil (216) im wesentlichen den Dampfraum der Zwischenkammer (208) mit der Saugseite (213) des Verdichters verbindet.

10. Kälte- oder Wärmepumpenanlage nach Anspruch 9, da­ durch gekennzeichnet, daß die Verschlußstücke des zweiten und dritten Schaltventils (216, 229) mecha­ nisch miteinander verbunden sind.

11. Kälte- oder Wärmepumpenanlage nach Anspruch 8 und 10, dadurch gekennzeichnet, daß ein Ventilrohr (230) mit dem Kolben (224) verbunden ist und diesen durch­ setzt sowie in eine dem zum Verdichter führenden Ausgang vorgeschaltete Ventilhülse (231) mit vom Ventilrohr übersteuerbaren Öffnungen (232) greift.

12. Kälte- oder Wärmepumpenanlage nach einem der Ansprü­ che 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß am Boden der Zwischenkammer (308) ein Fühler (334) angeordnet ist, der den Übergang von Flüssigkeit zum zwei­ phasigen Flüssigkeits-Dampf-Zustand detektiert und in Abhängigkeit hiervon die Steuerung der Schaltven­ tile (306, 316) beeinflußt.

13. Kälte- oder Wärmepumpenanlage nach einem der An­ sprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß in der Zwischenkammer (308) ein Druckfühler angeordnet ist, der beim Unterschreiten einer Druckschwelle die Steuerung der Schaltventile beeinflußt.

14. Kälte- oder Wärmepumpenanlage nach einem der Ansprü­ che 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Rezir­ kulationsrate (R) des Kältemittels etwa 1,2 bis 1,5 beträgt.