DE1451044A1 - Einrichtung zur Steuerung von Umgebungsbedingungen - Google Patents
Einrichtung zur Steuerung von UmgebungsbedingungenInfo
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Description
Einrichtung zur Steuerung von Umgebungsbedingungen.
Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Steuerung der Umgebungsbedingungen, in welcher ein Arbeitsmittel zur wahlweisen
Erwärmung und Kühlung umgewälzt wird, mit einem Generator, dem Energie für die Verdampfung des Arbeitsmittels
zugeführt wird, einer Turbine, einem Kompressor, einem Kondensator, einem Expansionsventil, einer Pumpe und mit einem
in Wärmeaustausch mit der zu beeinflussenden Umgebung stehenden Verdampfer, in welcher während des KühlVorganges der Turbine
das Gas des Generators für den Antrieb des Kompressors zugeführt wird und in welcher dem Kondensator das Turbinen-Abgas
zu dessen Verflüssigung zugeführt wird, wobei ein Teil des verflüssigten Gases bzw. Arbeitsmittels durch die Pumpe
wieder in dän Generator eingebracht und der andere Teil des im Kondensator verflüssigten Gases dem Expansionsventil zugeführt
wird und das entspannte Arbeitsmittel dem Verdampfer zur Kühlung der Umgebung zugeführt wird, und wobei der Kompressor
auf der Verdampfer-Auslass-Seite das aus dem Verdampfer
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austretende Arbeitsmittel komprimiert und in den Kondensator
fördert. Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass für den Heizvorgang das Arbeitsmittel vom Generator unmittelbar
dem Verdampfer zugeführt wird und vom Verdampfer über die Pumpe wieder in den Generator eingebracht wird.
Die Erfindung bezieht sich, insbesondere auf Klimaanlagen für
die Kühlung oder Heizung von Wohnungen oder Industriegebäuden.
Die heutzutage verwendeten Einrichtungen zur Steuerung der Umgebungsbedingungen
un d insbesondere die Klimaanlagen mit Luftkühlung sind vollelektrische Einrichtungen, oder sie werden
mit Gas betrieben. Elektrische Anlagen sind in Gegenden, in denen die elektrische Energie teuer ist, vom wirtschaftlichen
Standpunkt aus nicht ganz zufriedenstellend, und es sind andere Energieformen wesentlich billiger«
Der grösste Teil der zur Zeit verwendeten gasbetriebenen Klimaanlagen
sind Absorptionen-Klimaanlagen. Derartige Anlagen sind
in der Anschaffung verhältnismässig teuer, insbesondere in solchen Grossen, die für Wohnzwecke geeignet sind, und sie sind
kostspielig zu betreiben und zu unterhalten, was teilweise auf die Korrosionseigenschaften der Arbeitsmittel zurückzuführen
ist. Ausserdem sind für die meisten Klimaanlagen der heute ver-
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wendeten Art getrennte Heizanlagen erforderlich, um bei kaltem
Wetter die Umgebung in gewünschtem Sinne beeinflussen zu können.
Is ist deshalb ein erstes Ziel der Erfindung, eine Einrichtung
für die Beeinflussung der Umgebungsbedingungen, und zwar für die Kühlung und/oder Heizung zu schaffen, welche in erster
Linie auf der Wärmezufuhr zu dem Kreislauf aufbaut.
Es ist ein weiteres Ziel der Erfindung, eine Einrichtung zur Steuerung der Umgebungsbedingungen zu schaffen, die von Sommerauf
Winterbetrieb umgeschaltet werden kann und eine Steueranordnung enthält, die nicht nur einfach und wirksam arbeitet,
sondern auch in den Anschaffungskosten wirtschaftlich ist.
Ein anderes Ziel der Erfindung ist die Schaffung eines vollständig
abgeschlossenen Wärmezufuhrkreises, welcher ein einziges Arbeitsmittel verwendet.
Diese Ziele ergeben sich aus der folgenden Beschreibung im Zusammenhang mit der Zeichnung. In der Zeichnung zeigen:
Fig. 1 eine graphische Darstellung des grundsätzlichen thermodynamischen Kühlkreislaufes,
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Fig. 2 eine graphische Darstellung der Temperatur-Entropie-Beziehung
des Kreislaufes nach Fig. 1 und
Fig. 3 eine schematische Darstellung der Einrichtung zur
Steuerung der Umgebungsbedingungen gemäss der Erfindung mit den hierfür erforderlichen Steuerungen.
Ein Hauptelement der in Fig. 1 gezeigten Anlage ist der Überhitzerkessel
10, der auch als Generator bezeichnet werden kann. Ein weiteres Grundelement ist der Turbokompressor, der allgemein
mit 12 bezeichnet ist und eine Turbineneinheit 14 und
eine Kompressoreinheit 16 enthält, die miteinander durch die Welle 26 verbunden sind. In der Anlage sind auch ein Kondensator
18 und ein Verdampfer 20 vorgesehen. Der Kondensator 18 ,_
enthält das Arbeitsmittel in gasförmig-flüssigem Zustand bei ungefähr 52 0C. Das Arbeitsmittel kann z.B. ein Fluor-Kohlenstoff-Kühlmittel (fluorocarbon refrigerant) sein. Das Arbeitsmittel
befindet sich an der Station 1 in flüssigem Zustand. Diese Station 1 ist der Kondensatorausgange Von hier aus wird
das Arbeitsmittel durch eine elektrisch betriebene Pumpe auf einen höheren Druck und eine etwas höhere Temperatur gebracht.
In dieser Beziehung wird auf den in Fig. 2 .gezeigten Zustand des Arbeitsmittels hingewiesen. Es wird erwähnt, dass die mit
kleinen Buchstaben versehenen Bezeichnungen in Fig. 2 den
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Nummernbezeichnungen in der Darstellung nach Fig. 1 entsprechen.
In dem Kessel oder Generator 10 wird der Flüssigkeit Wärme zugeführt, so dass die Flüssigkeit verdampft wird. Ihr Zustand
an der Station 3 ist in dem Temperatur-Entropie-Diagramm
der Fig. 2 bei 3a dargestellt. Das Arbeitsmittel ist
in dem Kessel vom komprimierten flüssigen Zustand in einen gesättigten oder leicht überhitzten Dampfzustand übergegangen·
Das Arbeitsmittel, welches sich an der Station 3 auf einer
Temperatur von ungefähr 149 0C befindet, wird durch die Turbine
14 entspannt, wodurch seine Temperatur auf etwa 82 G
erniedrigt wird. Die Turbinenausgangsleistung wird für den Antrieb des Kompressors 16 über die Welle 26 verwendet. An
der Station 5 hat sich das aus der Turbine austretende Arbeitsmittel
(Station 4) mit dem aus dem Kompressor austretenden Arbeitsmittel (Station 8) gemischt, so dass sich die Temperatur
des Arbeitsmittelstromes an der Station 5 zwischen den Temperaturen an den Stationen 4 und 8 befindet (siehe 4a, 5&
und 8a in Fig. 2). Durch den Kondensator wird das Arbeitsmittel aus Dampf in eine Flüssigkeit kondensiert, und es tritt
ein Entropie-Abfall des Arbeitsmittels bei einer im wesentlichen konstanten Temperatur von etwa 52 0G auf. Ein Teil des
aus den Kondensator austretenden Arbeitsmittels fliesst un-
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mittelbar dem Expansionsventil 30 zu, welches die Temperatur auf etwa 4 0C an der Station 6 (siehe 6a in Pig. 2) absenkt.
Durch den Verdampfer 20 wird das Arbeitsmittel bei einer im
wesentlichen konstanten Temperatur von 4 0C verdampft, wodurch
ein beträchtliches Anwachsen der Entropie auf die Station 7 (siehe 7& in #ig· 2) bewirkt wird. Die Abkühlung der
Umgebung wird durch die Wärmeabsorption am Verdampfer durchgeführt.
Durch den Kompressor 16 wird dann eine beträchtliche Temperatur- und Druckerhöhung von neuem erreicht.
Fig. 3 zeigt im einzelnen die erfindungsgemässe Einrichtung,
da die in den Fig. 1 und 2 dargestellten Dinge im Allgemeinen bekannt sind.
Die Hauptelemente der Einrichtung nach Fig. 3 entsprechen denjenigen
nach Fig. 1. Der Kreislauf soll zunächst in der Arbeitsweise als Luftkühler, oder allgemein gesagt, als Klimaanlage
beschrieben werden. Normalerweise schliesst der unten in Tig· 3 gezeigte Thermostat den Stromkreis, wenn die Temperatur
der beeinflussten Umgebung über .einen festgesetzten
Wert ansteigt. Hierdurch wird die Schaltung in der Relaisanordnung 42 erregt, wodurch auch die Spule 44 erregt wird.
Durch die Erregung der Spule 44 wird der Doppel schalt er 46
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geschlossen, wodurch, sowohl der Kreis 48 als auch, der Kreis
geschlossen wird. Der Stromkreis 48 öffnet dann das Hauptgasventil
52. Der Schalter 54 ist normalerweise geschlossen,
wenn die Temperatur des Kessels, gemessen durch die Leitung 56, sich unterhalb der maximal zulässigen Grenze befindet. Somit
bewirkt die gesamte Schaltung 48 unter diesen Bedingungen die öffnung des Haupt gas vent ils und die Wärmezufuhr zu dem Kessel.
Der Flüssigkeitsstandsmesser 60 schliesst einen Kreis 50, wenn
der Flüssigkeitsstand zu niedrig ist, wodurch wiederum der Schalter 64 geschlossen wird. Hierdurch, wird die elektrisch angetriebene
Flüssigkeitspumpe 24 in Gang gesetzt, wodurch der Stand des Arbeitsmittels in dem Kessel auf der richtigen Höhe
gehalten wird, da der Elektromotor durch den FlussigkeitsStandsmesser ausgeschaltet wird, wenn der Ist-Stand den Soll-Stand
überschreitet.
Wenn der Druck in dem Kessel auf Grund der Wärmezuführung und
Verdampfung des Arbeitsmittels wesentlich ansteigt, erregt die Druckmessleitung 70 die Umformereinrichtung 72, um das
Magnetventil 74 zu öffnen, wodurch verdampftes Arbeitsmittel
durch die Leitung 76 zur Turbine 14 gelangt (unter diesen Bedingungen
ist die Strömung zu der Leitung 210 unterbrochen). Es wird erwähnt, dass das Magnetventil 74 ein Einfachventil
sein kann oder durch ein Einfach-Sperrventil und ein Dreiweg-
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ventil ersetzt werden kann. Der Kreislauf ist demnach ähnlich,
dem nach Fig. 1# Die durch die Entspannung des Arbeitsmittels erhaltene Turbinenausgangsleistung wird für den Antrieb
des Kompressors 16 verwendet. Das aus der Turbine austretende Arbeitsmittel durchströmt die Leitung 78, während
die aus dem Kompressor austretende Strömung die Leitung 82 durchsetzt. Das gasförmige Mittel wird in den flüssigen Zustand
kondensiert in dem Kondensator 18 und .strömt dann durch das Absperrventil 84 in den Aufnahmebehälter 86.
Der Aufnahmebehälter 86 stromabwärts vom Absperrventil 84- ist
vorgesehen, um das Arbeitsmittel zu sammeln und um eine Vor- ·· richtung vorzusehen, die jederzeit am Pumpeneinlass Arbeitsmittel
bereit hält. Der Aufnahmebehälter bildet auch eine Kammer, in welcher ein Einfüllen und/oder Nachfüllen von Arbeitsmittel
in den Kreislauf durchgeführt werden kann.
Der Ausgangsstrom des Kondensators und des Aufnahmebehälters strömen durch die Leitung 90, bevor sie durch die Leitungen
und 94 geteilt werden. Die Leitung 92 speist die Pumpe 24,
während die Leitung 94 das thermostatische Expansionsventil
über das Zweiweg-Magnetventil 96 speist. Das Arbeitsmittel wird beim Durchgang durch das Expansionsventil beträchtlich
abgekühlt, und es wird anschliessend über die Leitung 98 dem
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Verdampfer 20 zugeführt. Der Temperaturfühler 99 stellt die Merkmale des Arbeitsmittels am Auslass des Verdampfers fest
und steuert entsprechend die öffnung des Expansionsventils
durch Zuführung von mehr oder weniger Arbeitsmittel zu dem Verdampfer 20. Das Expansionsventil und der Temperaturfühler
können von üblicher Bauart sein. Die zu kühlende Luft wird
durch ein Gebläse 100 über die Verdampfer-Wärmeaustauscherfläche
gefördert. Das Gebläse wird durch einen Schalter 102 angelassen, welcher gleichzeitig erregt wird, wenn die Anfangsdruckeinrichtung
72 erregt wird. Dies gilt auch in gleicher
♦
Weise für das Kondensatorgebläse
Weise für das Kondensatorgebläse
Der vom Verdampfer ausgehende Strom gelangt dann durch die
Leitung 110 zu dem Zweiweg-Magnetventil 112 und von da zur Leitung 114 und zu dem Kompressor 16.
Als Sicherheitsvorrichtung für die Turbine ist eine überdrehzahl
-Vorrichtung vorgesehen. Zu diesem Zwecke ist ein schematisch dargestelltes, mit 120 bezeichnetes !Fliehgewicht vorgesehen,
welches normalerweise eine Vorrichtung 122 erregt, welche über die Spule 124 den Schalter 126 betätigt, um
das Magnetventil 74 zu schliessen und das System stillzusetzen. Zur gleichen Zeit öffnet die Spule 130 den Schalter 102, welcher
das Hauptgasventil 52 verschliesst.
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Die Steuerung der Kesselbetriebstemperatur oder des Kesselbetriebsdruckes
erfolgt durch, die Temperaturfülllerleitung 56, welche den "Schalter 54 öffnet oder schliesst, wodurch das
Hauptgasventil auf- oder zugedreht wird und damit die Temperatur des im Kessel enthaltenen Arbeitsmittels in den gesetzten
Grenzen gehalten wird. Biese Einrichtung zur Steuerung der Umgebungsbedingungen kann auch als Heizeinrichtung in den
Wintermonaten verwendet werden durch Schliessen des passend zu dem oder zusammen mit dem Sommer-Winter-Thermostaten angeordneten
Saisons-Schalters 200. Der Thermostat 40 kann ein Doppelskala-Gerät sein, oder er kann auch aus zwei getrennten
Saison-Geräten bestehen, die wechselweise in Tätigkeit gesetzt werden.
Durch Schliessen des Saison-Schalters bewirkt jedes der Magnetventile
74, 112 und 96 einen Arbeitsmittelfluss in andere Leitungen als diejenigen, die während der Verwendung als Klimaanlage
verwendet werden· Das aus dem Kessel austretende erhitzte Arbeitsmittel durchströmt dann das Ventil 74 und gelangt
unmittelbar in die Leitungen 210 und 212, sowie in die Leitung 98} das ist die Einlassleitung für den Verdampfer
Während der winterlichen Heizperiode werden also der Turbokompressor 12 und der Kondensator 18 umgangen und abgeschaltet.
Das erhitzte Arbeitsmittel strömt dann in den Verdampfer 20
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so dass die durcli diesen Verdampfer strömende Luft erhitzt
wird. Danach strömt das Arbeitsmittel in die Leitung 110 und durch das Ventil 112 in die Leitung 214. Darauf strömt
das Arbeitsmittel durch das Ventil 96 und gegebenenfalls zu
der elektrisch betriebenen Arbeitsmittelpumpe 24 und zurück
zum Kessel. Die üblichen Sicherheitseinrichtungen mit Ausnahme der Turbinen-tJberdrehzahlsteuereinrichtung sind in dem
Heizsystem ebenfalls vorhanden.
Obgleich es in der Zeichnung nicht dargestellt ist, ist es selbstverständlich, dass die Betätigung des Saison-Schalters
200 den Stromkreis des Gebläses 104 leicht unterbrechen kann, wenn das Arbeitsmittel nicht durch den Kondensator 18 strömt.
Es ist offensichtlich, dass durch die Erfindung eine sehr einfache
und zuverlässige Einrichtung zur Steuerung der Umgebungsbedingungen geschaffen worden ist. Obgleich gasbetriebene
Klimaanlagen auf dem Markt sind, hat es sich herausgestellt, dass diese nicht nur teuer in der Anschaffung sind, sondern
auch in ihrer Unterhaltung aufwendig sind. Die vorgenannten Absorptions-Systeme sind durch ihre Arbeitsmittel Korrosionsvorgängen unterworfen, so dass für ihre Unterhaltung hohe
Reparaturkosten erforderlich werden. Durch die Erfindung werden eine gedrungene Bauweise, ein guter Wirkungsgrad und gute
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Anpassungsfälligkeit erreicht. Eine Anlage kann zur Kühlung im Sommer und zur Heizung im Winter verwendet werden.
Obgleich nur ein Ausführungst»eispiel der Erfindung erläutert
worden ist, ist es selbstverständlich, dass verschiedene Abwandlungen vorgenommen werden können, ohne dass der Erfindungsgedanke
verlassen wird.
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Claims (14)
- - 13 Patentansprüche.Λ.) Einrichtung zur Steuerung der Umgebungsbedingungen, in welcher ein Arbeitsmittel zur wahlweisen Erwärmung und Kühlung umgewälzt wird, mit einem Generator, dem Energie für die Verdampfung des Arbeitsmittels zugeführt wird, einer Turbine, einem Kompressor, einem Kondensator, einem Expansionsventil, einer Pumpe und mit einem in Wärmeaustausch mit der zu beeinflussenden Umgebung stehenden Verdampfer, in welcher während des KühlVorganges der Turbine das Gas des Generators für den Antrieb des Kompressors zugeführt wird und dem Kondensator das Turbinen-Abgas zu dessen Verflüssigung zugeführt wird, wobei ein Teil des verflüssigten Gases durch die Pumpe wieder in den Generator eingebracht und der andere Teil des im Kondensator verflüssigten Gases dem Expansionsventil zugeführt wird und das entspannte Arbeitsmittel dem Verdampfer zur Kühlung der Umgebung zugeführt wird, und wobei der Kompressor auf der Verdampfer-Auslass-Seite das aus dem Verdampfer austretende Arbeitsmittel komprimiert und in den Kondensator fördert, dadurch gekennzeichnet, dass für den Heizvorgang das Arbeitsmittel vom Generator unmittelbar dem Verdampfer zugeführt wird und vom Verdampfer über die Pumpe wieder in den Generator eingebracht wird.909824/0339
- 2.) Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein stromabwärts vom Generator angeordnetes erstes Ventil vorgesehen ist, welches der Turbine oder der stromaufwärts liegenden Verdampferseite Arbeitsmittel zuführt oder den Arbeitsmitteldurchlass in jeder Richtung verhindert, dass stromabwärts vom Verdampfer ein zweites Ventil vorgesehen ist, welches das Arbeitsmittel dem Kompressor oder einem zwischen Pumpe und Expansionsventil angeordneten dritten Ventil zuführt, so dass die Einrichtung als Heizung betrieben werden kann, indem das Arbeitsmittel vom Generator durch das erste Ventil zum Verdampfer, vom Verdampfer durch das zweite Ventil zum dritten Ventil, durch das dritte Ventil zur Pumpe und zurück in den Verdampfer geleitet wird, und so dass die Einrichtung als Kühlvorrichtung betrieben werden kann, indem das Arbeitsmittel vom Generator* durch das erste Ventil zur !Turbine, von der Turbine zum Kondensator, vom Kondensator zu einem Teil zum Generator und zum anderen Teil durch das dritte Ventil zum Expansionsventil und zum Verdampfer, vom Verdampfer durch das zweite Ventil zum Kompressor und vom Kompressor zum Kondensator geleitet wird.
- 3.) Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erzeugung der Wärmeenergie für den Generator ein mit einer Brennstoffquelle verbundener Brenner vorgesehen ist.90 9824/0339
- 4-.) Einrichtung nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet, dass für die Steuerung des Brennstoffstromes zum Brenner eine von der Turbinendrehzahl "beeinflusste Vorrichtung vorgesehen ist.
- 5.) Einrichtung nach einem der Ansprüche 2 - 4-, dadurch gekennzeichnet, dass die drei Ventile magnetisch betätigbare Ventile sind und dass ein die Ventile betätigender Schalter vorgesehen ist, mit dessen Hilfe die Einrichtung vom Heizbetrieb auf Kühlbetrieb und umgekehrt umgeschaltet werden kann.
- 6.) Einrichtung nach Anspruch 5» dadurch gekennzeichnet, dass in der Schalterstellung für Heizbetrieb ein Winter-Thermostat und in der Schalterstellung für Kühlbetrieb ein Sommer-Thermostat eingeschaltet ist.
- 7.) Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein als Winter- und Sommer-Thermostat arbeitender Zweiskalen-Thermostat vorgesehen ist.
- 8.) Einrichtung nach einem der Ansprüche 2 - 7> dadurch gekennzeichnet, dass für die Steuerung der öffnung des Expansionsventils am Verdampferauslass ein Temperaturfühler vorgesehen ist.909824/0339
- 9·) Einrichtung nach einem der Ansprüche 1-8, dadurch gekenn-r zeichnet, dass ein die Pumpe steuernder, den Flüssigkeitsstand im Generator feststellender Fühler vorgesehen ist. ·
- 10.) Einrichtung nach einem der Ansprüche 1-9» dadurch gekennzeichnet, dass für die Steuerung der vom Generator aufgenommenen Energie ein die Generatortemperatur messender Fühler vorgesehen ist.
- 11.) Einrichtung nach einem der Ansprüche 2-10, dadurch gekennzeichnet, dass eine den Druck im Generator messende Vorrichtung vorgesehen ist, welche das erste Ventil und'die auf die Turbinendrehzahl ansprechende Vorrichtung in Tätigkeit setzt.
- 12.)Einrichtung nach einem der Ansprüche 6-11, dadurch gekennzeichnet, dass die Pumpe und die Brennstoffzufuhr zum Generator durch den in Tätigkeit befindlichen Thermostaten in Betrieb gesetzt werden.
- 13·) Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 - 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung eine Klimaanlage ist.
- 14.) Einrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass vom Generatordruck beeinflusste Gebläse vorgesehen sind,909824/0339·— 17 —welche eine Luftumwälzung um den Verdampfer und den Kondensator bewirken.909824/0 33 9ORIGINAL INSPECTED
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EP0010210A1 (de) * | 1978-10-12 | 1980-04-30 | Carrier Corporation | Krafterzeugungs- und Kühlanlage und Verfahren zum Bedienen dieser Anlage |
Also Published As
Publication number | Publication date |
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GB1019748A (en) | 1966-02-09 |
SE313901B (de) | 1969-08-25 |
US3259176A (en) | 1966-07-05 |
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