DE2119558C2 - Verfahren zur Expansion flüssigen Kältemittels in einer Kälteanlage mit einem Schraubenkompressor sowie Schraubenkompressor zur Durchführung des Verfahrens - Google Patents

Description

60

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Expansion flüssigen Kältemittels in einer Kälteanlage mit einem Schraubenkompressor, die weiterhin einen Kondensator, ein Expansionsventil sowie einen Verdampfer aufweist, wobei zur Spaltabdichtung, Kühlung und Schmierung des Schraubenkompressors Flüssigkeit in dessen Kompressionsraum eingespritzt wird.

Bei üblichen Kühlsystemen mit geschlossenem Kreislauf, die einen Kompressor enthalten, wird stets ein Expansionsventil in die Leitung zwischen dem Kondensator und dem Verdampfer eingeschaltet, wobei die Funktion dieses Ventils darin besteht, daß der hohe Druck an der mit dem Kondensator verbundenen stroraaufwärtigen Seite des Ventils auf den niedrigeren Druck des mit der stromabwärtigen Seite des Ventils verbundenen Verdampfers reduziert wird. Bei den in der Praxis bekannten Kühlsystemen wurde cjs gesamte flüssige Kältemittel bei allen Betriebszuständen durch dieses Ventil hindurchgeschickt.

Ein weiteres Problem bei derartigen Kühlsystemen besteht darin, daß die Arbeitsspalte zwischen den Rotoren und dem Gehäuse abgedichtet werden müssen, damit das erforderliche Druckverhältnis bei mäßigen Geschwindigkeiten mit einem hohen volumetrischen Wirkungsgrad aufrechterhalten werden kann.

Es ist bekannt, zur Gasabdichtung, zur Schmierung oder Kühlung des Kältemittelgases öl einzuspritzen. Da das öl keine gasförmige Phase einnimmt sondern vollständig flüssig bleibt bildet es ein gutes Schmiermittel für den Kompressorrotor oder die Kompressorrotoren, und zugleich bildet es eine Abdichtung, um einen Verlust des Kältemittelgases durch die Arbeitsspalte in entgegengesetzter Richtung zur Hauptströmung des durch den Kompressor getriebenen Gases zu verhindern. Die ölek«pritzung hat jedoch zwei sehr schwerwiegende Nachteile. Einerseits wird eine spezielle Ausrüstung benötigt um das Öl von dem vom Kompressor abgegebenen Gas zu trennen und das öl zu kühlen und zum Einspritzpunkt zurückzuleiten, und andererseits verbleibt trotz der verwendeten Ölabscheidungsvorrichtung stets ein kleiner Ölanteil in dem in den Kondensator eintretenden Kältemittelgas. Dieser als Verunreinigung anzusehende ölanteil im Kältemittel durchdringt eventuell das ganze System, so daß das Kältemittel verdünnt wird und unter Umständen chemisch reagiert, so daß der Wirkungsgrad des Kühlsystems allmählich abnimnv Dies ist ein schwerwiegender Nachteil, weil heutzutage Kühlsysteme meist als geschlossene Systeme ausgebildet werden, die über mehrere Jahre ohne Wartung arbeiten sollen.

Es ist auch bekannt, das flüssige Kältemittel als Schmier- und Dichtungsmittel zu verwenden, wodurch die mit der Verwendung von Öl verbundenen Nachteile beseitigt werden können.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art zu schaffen, bei dem sich auf einfache Weise und problemlos die Spaltabdichtung, Kühlung und Schmierung des Schraubenkompressors erreichen läßt.

Die gestellte Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß wenigstens ein Teil des im Kondensator anfallenden flüssigen Kältemittels als in den Schraubenkompressor einzuspritzende Flüssigkeit dem Kompressionsraum des Schraubenkompressors im Bereich seiner Hochdruckseite zugeführt, durch die Druckdifferenz im Schraubenkompressor über dessen Arbeitsspalte unter Expansion zu dessen Niederdruckseite getrieben, von dort entnommen und dem Verdampfer zugeführt wird, und daß die Menge des in den Schraubenkompressor eingespritzten flüssigen Kältemittels derart bemessen wird, daß wenigstens ein erheblicher Teil des vom Schraubenkompressor aus dem Verdampfer angesaugten Kältemittelgases aus dem über den Schraubenkompressor dem Verdampfer

zugeführten Kältemittel erzeugt wird.

Die Erfindung sieht also vor, daß anstelle bzw. neben dem üblicherweise in Kältesystemen verwendeten Expansionsventil der Kompressor selbst als Drosselventil genutzt wird, wobei über das übliche Drosselventil allenfalls ein Teil des flüssigen Kältemittels entspannt wird.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert in der schematisch ein die Erfindung verkörperndes Kühlsystem dargestellt \s>

In der Zeichnung ist an einem Kompressor A ein Einlaß für ein gasförmiges Kältemittel bei B und ein Auslaß fär das komprimierte Gas bsi C vorgesehen. Nachdem das komprimierte Gas in einem Kondensator D kondensiert worden ist, kehrt wenigstens ein Teil des entstehenden flüssigen Kältemittels zur Hochdruckseite des Kompressors bei E zurück und wird nach Durchlaufen dieser Maschine an der Niederdruckseite bei F entnommen und dann einem Verdampfer G zugeführt. Das flüssige Kältemittel nimmt im Verdampfer G wieder gasförmigen Zustand an und wird zum Kompressorgaseiniaß B zurückgeführt Gegebenenfalls können Pumpen für die Flüssigkeitsleitungen 7 vischen dem Kondensator D und dem Kompressorflüssigkeitseinlaß Fund zwischen dem Kompressorflüssigkeitsauslaß Fund dem Verdampfer G erforderlich sein, je nach den relativen Positionen der Kühlkreisbauteile.

Es könnte auch ein Gegenstrom von Flüssigkeit und Gas in denselben Rohrleitungen am Einlaß zum oder am Auslaß vom Kompressor erfolgen, insbesondere wenn die verschiedenen Komponenten der Anlage dicht beieinander angeordnet sind. Flüssigkeit und Gas würden dann durch die gleichen öffnungen in den Kompressor eintreten und diesen verlassen.

Flüssigkeitsexpansion im Kompressor ist thermodynamisch wirksamer als eine Expansion der Flüssigkeit außerhalb des Kompressors durch ein Expansionsventil, weil das Spülgas sofort nach seiner Bildung ohne weitere Expansion auf den Verdampferdruck herunter wieder komprimiert wird. Außerdem ist das komprimierte Gas ste i an oder nahe der Sättigungstemperatur, und folglich entstehen im Kompressor keine hohen Temperaturen, und die unökonomischen Effekte der Überhitzung werden vermieden.

Da ein Kompressor benötigt werden kann, der über einen weiten Bereich von Zuständen arbeitet, ist gegebenenfaiiS eine Steuerung des Fiüssigkeitsstroms notwendig. Bei hohen Verdampferdrücken wird die Flußmenge des Kältemittels für eine gegebene Größe und Geschwindigkeit groß sein, während die Druckdifferenz, die dazu tendiert, die Flüssigkeit durch dieselben Arbeitsspalte zu treiben, klein sein wird. Wenn der Verdampferd/uck fällt, geht der Kühlmitteldurchsatz herunter, aber die Druckdifferenz über dem Kompressor nimmt zu. Aufgrund dieses Druckabfalles kann es erforderlich sein, dab man einen Teil des Flüssigkeitsstroms außerhalb des Kompressors zum Verdampfer führt, wobei ein Expansionsventil H verwendet wird. Statt dessen kann die Flüssigkeit auch dem Kompressor an einer variablen Zahl von Eingangspunkten zugeführt werden, oder es kann innerhalb des Kompressors selbst ein Nebenschluß für einen FlUssigkeitsteil vorgesehen werden.

Die Erfindung bietet die folgenden weiteren Möglichkeiten:

a) Die Verwendung von Kälteflüssigkeit zur Schmierung der Kompressorlager; diese können Kugellager oder Rollenlager an den Enden de? Rotoren sein.

b) Die Verwendung der Flüssigkeit zur Schmierung und/oder Kühlung der Arbeitsflächen der Rotoren

in Maschinen, bei denen kein äußeres Getriebe vorgesehen ist In diesem Fall kann es wünschenswert sein, die Rotoren aus ungleichen Werkstoffen herzustellen, von denen einer vorzugsweise ein ίο Werkstoff mit niedriger Friktion ist; die Maschine

ist dann weniger anfällig für ein Fressen, falls sie zeitweilig trockenlaufen sollte.

c) Wenn ein Getriebe vorgesehen ist können die Getriebeteile in der Kälteflüssigkeit laufen.

π d) Die Berieselung des Motorlagers mit Kälteflüssigkeit bei einem hermethisch abgeschlossenen System.

e) Das Einspritzen eines Teils oder der gesamten Flüssigkeit die durch den Kompressor zurückläuft durch ein oder mehrere in einem oder beiden Rotoren vorgesehene Löcher.

f) Die Steuerung der Kompressorkapazität durch Verwendung eines variablen ÖffnuDgsbereiches am Einlaß und/oder Auslaß.

g) Die Verwendung eines Kompressors mit an beiden Enden entgegengesetzten Schraubenrotoren. Dies vereinfacht die Lageranordnung, so daß das Schwimmen der Lager in Kälteflüssigkeit ein angemessenes Mittel für die Schmierung wird.

h) Die innere, mit dem Kühlmittel in Berührung stehende Fläche des Kompressors bleibt nicht glatt, sondern wird bearbeitet oder in anderer Weise behandelt so daß sie eine Struktur erhält, in der Kälteflüssigkeit zurückgehalten wird, und durch die auch der Rückfluß an Flüssigkeit unter dem

Druckgradienten vermindert würde,
i) Die Einlaßöffnungen zum Kompressor für die zurückfließende Flüssigkeit könnten Stöpsel aus porösem Material wie z. B. aus Sintermetall enthalten, so daß die Flüssigkeit hindurchströmen würde, aber ein Rückfluß von Dampf aufgrund der Oberflächenspannung verhindert würde. Eine solche Anordnung ist insbesondere dann wertvoll, wenn mehrere Flüssigkeitseingangsöffnungen verwendet werden und nicht alle von inner dem Gas mit demselben Druck und zur gleichen Zeit ausgesetzt sind.

j) Ein Teil oder alle Oberflächen eines oder beider Rotoren oder des Gehäuses können aus einer

:n Schicht aus porösem Material, wie z. B. Sintermetall bestehen, so daß wenigstens ein Teil der Kälteflüssigkeit von der Hochdruckzone zur Niederdruckzont des Kompressors durch dieses poröse Material fließen kann.

k) Die Rotorachsen des Kompressors können vertikal angeordnet werden, so daß die Schwerkraft entweder den Flüssigkeitsstrom unterstützt otier diesem entgegenwirkt, wobei die Spielräume entsprechend zu bemessen sind.

I) Der Strom eines Teils oder der gesamten Kälteflüssigkeit vom Kondensator zurück zum Kompressor kann auch stattfinden in Fällen, in denen übliche Schmiermittel verwendet werden, um die Friktion zu verringern, oder für eine teilweise Abdichtung, vorausgesetzt, daß die gegenseitige Löslichkeit von Schmiermittel und Kühlmittel gering ist. Die thermodynamischen Vorteile einer mehrstufigen Flüssigkeitsexpansion

und Kühlung sind noch vorhanden, m) Die Verwendung einer Anzahl von Steuerventilen zur Regulierung der Verteilung der Kälteflüssigkeit zwischen verschiedenen Einspritzpunkten in das Kompressorgehäuse, die Rotoren oder in beide.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (8)

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Expansion flüssigen Kältemittels in einer Kälteanlage mit einem Schraubenkompressor, die weiterhin einen Kondensator, ein Expansionsventil sowie einen Verdampfer aufweist, wobei zur Spaltabdichtung, Kühlung L-nd Schmierung des Schraubenkompressors Flüssigkeit in dessen Kompressionsraum eingespritzt wird, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein Teil des im Kondensator anfallenden flüssigen Kältemittels als in den Schraubenkompressor einzuspritzende Flüssigkeit dem Kompressionsraum des Schraubenkompressors im Bereich seiner Hochdruckseite zugeführt, durch die Druckdifferenz im Schraubenkompressor über dessen Arbeitsspalte unter Expansion zu dessen Niederdruckseite getrieben, von dort entnommen und dem Verdampfer zugeführt wird, und daß die Menge des in den Schraubenkompressor eingespritzten flüssigen Kältemittels derart, bemessen wird, daß wenigstens ein erheblicher Teil des vom Schraubenkompressor aus dem Verdampfer angesaogien Kältemittelgases aus dem über den Schraubenkompressor dem Verdampfer zugeführten Kältemittel erzeugt wird.

2. Schraubenkompressor zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Arbeitsspalt am Niederdruckende größer als am HochdruckemJe ist

3. Schraubenkompressor nach Anspruch 2, da- JO durch gekennzeichnet, daß der Gegenstrom von flüssigem Kältemittel und Kältemittelgas in denselben Rohrleitungen am Einlaß zum und/oder Auslaß vom Kompressor erfolgt.

4. Schraubenkompressor ;<ach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet.daß das in einem Nebenschlußweg vorgesehene Expa< Jonsventil, durch das ein Teil des flüssigen Kältemittels vom Kondensator zum Verdampfer zurückfließen kann, im Kompressorgehäuse angeordnet ist.

5. Schraubenkompressor nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Kompressor eine variable Zahl von Eintrittsstellen für das flüssige Kältemittel enthält.

6. Schraubenkompressor nach einem der Ansprüehe 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssigkeitseintrittsstellen Stöpsel aus porösem Material, z. B. Sintermetall enthalten.

7. Schraubenkompressor nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß in den Rotoren des Kompressors ein oder mehrere Löcher zur Einspeisung des flüssigen Kältemittels vorgesehen sind.

8. SchraubenKompressor nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Innenseite des Kompressorgehäuses zur Zurückbehaltung von flüssigem Kältemittel aufgerauht oder strukturiert ist.