DE2155719C3 - Gaskältemaschine - Google Patents
GaskältemaschineInfo
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- 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
- F25B9/002—Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point characterised by the refrigerant
- F25B9/004—Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point characterised by the refrigerant the refrigerant being air
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine Gaskältemaschine mit einer Verdichter- und Expansionseinheit und
gasseitig zwischengeschaltetem Kühler, wobei die Verdichter- und Expansionseinheit aus einem Statorgehäuse
mit parallelen im Abstand zueinander angeordneten Stirnflächen sowie einem in diesem drehbar
gelagerten zylindrischen Rotor mit einer Mehrzahl radial verschiebbarer, dichtend an der Innenwandung
des Statorgehäuses anliegender Flügel besteht und wobei die Innenwandung des Statorgehäuses bezüglich
der Außenfläche des Rotors so ausgebildet ist, daß die zwischen den Flügeln gebildeten Kammern bei Drehung
des Rotors ihr Volumen verändern, und Einlaß und Auslaß des Kühlers im Bereich kleinster Kammervolumina
liegen.
Diese vorbekannte Gaskältemaschine (DF-PS
50
55
60
65 6 55 201) besitzt ein zylindrisches Statorgehäuse, in dem
ein Rotor mit radial angeordneten und in radialer Richtung verschiebbaren Flügeln exzentrisch zur
Statorgehäuseachse drehbar gelagert ist Auf der einen Seite des Rotors wird das Volumen der in den Kammern
eingeschlossenen Luft verringert und in den Wärmetauscher gepumpt, durch den es mit im wesentlichen
konstantem Druck strömt und dabei die Verdichtungswärme abgibt. Aus dem Wärmetauscher strömt die Luft
auf die Expansionsseite des Rotors, wo sie auf dem Weg zur Ausstroßöffnung expandiert Auf dem Umfang des
Statorgehäuses ist eine Ausstoßöffnung angeordnet, aus der die entspannte Kaltluft aus dem Statorgehäuse
durch die Fliehkraft und durch die Rotorflügel ausgestoßen wird. Die Ansaugöffnung für die zu
verdichtende Frischluft ist gegenüber dem äußeren Zylinderdurchmesser des Statorgehäuses nach innen
zurückgesetzt in einer Stirnwand des Gehäuses angeordnet Zur ausreichenden Füllung der Rotorkammern
wird auf der Gaseinlaßseite ein Gebläse verwendet Die Kammervolumen sowohl auf der
Einlaß- als auch auf der Auslaßseite des Wärmetauschers sind gleich groß. Zum Ausgleich der Volumenveränderung
des komprimierten Gases in dem Wärmetauscher durch die dort erfolgende Temperaturverringerung
ist auf der Einlaßseite des Wärmetauschers der Querschnitt der Einlaßöffnung vergrößert ausgebildet.
Dadurch et folgt bereits vor dem Einströmen der verdichtenden Gase in den Wärmetauscher eine
Volumenvergrößerung, die aber erst im Verlaufe der Durchströmung durch den Wärmetauscher infolge der
Abkühlung wieder kompensiert wird. Hierdurch ergibt sich am Eingang des Wärmetauschers ein Rückstau, der
den Wirkungsgrad der Gaskältemaschine wesentlich vermindert. Da auf diese Weise eine Expansion der
Gase im Wärmetauscher erfolgt, fehlt die dadurch frei werdende Energie auf der Expansionsseite des Rotors,
um einen Teil der Kompressionsarbeit kompensieren zu können.
Ein bekannter Kreiskolbenmotor (US-PS 30 57 157) besitzt einen Stator mit ovalem Querschnitt, in dem ein
zylindrischer Rotor mit zu der Statorwandung vorstehenden federnd gehaltenen Flügeln angeordnet ist. Auf
der einen Seite der kleinen Halbachse sind die Ansaug- und Ausstoßöffnungen und auf der anderen Seite die
Einlaß- und Auslaßöffnungen für eine Verbrennungskammer angeordnet. Die durch die Ansaugöffnung
angesaugten Gase werden auf der Kompressionsseite verdichtet und in die Verbrennungskammer abgegeben.
In der Verbrennungskammer erfolgt durch eine Brennstoffverbrennung eine Druckerhöhung, die auf
der Expansionsseite zur Arbeitsgewinnung abgebaut wird. Auch bei diesem Rotationsmotor sind die
Kammervolumen auf der Kompressions- und Expansionsseite gleich groß. Bei einer Umkehrung dieses
Prinzips einer Verbrennungsmaschine ergäben sich die gleichen Nachteile wie bei der eingangs genannten
Gaskältemaschine.
Die Aufgabe der Erfindung ist es, die eingangs genannte Gaskältemaschine so zu verbessern, daß bei
der Verwendung des umgekehrten Brayton-Zyklus ein wesentlich verbesserter Wirkungsgrad über einen
großen Drehzahlbereich erzielbar ist.
Erfindungsgemäß erfolgt die Lösung dieser Aufgabe dadurch, daß das Volumen der zu Beginn der Expansion
it dem Kühlerauslaß verbundenen Kammer, die von den Flügeln gebildet wird, um einen vom Kühlvorgang
abhängigen Betrag kleiner als das Volumen der nach der
Kompression mit dem Kühlereinlaß verbundenen Kammer ist
Durch die Erfindung ist es in vorteilhafter Weise möglich, eine Gaskältemaschine mit wesentlich geringeren
Abmessungen in kompakter Bauweise auszuführen. Es hat sich auch gezeigt, daß eine Volumenverkleinerung
der Kammern auf der Expansionsseite zur Ausgleichung der Gasvolumenverringerung durch die
Kühlung im Wärmetauscher eine wesentliche Verringerung des Geräuschpegels der Gaskältemaschine ergibt, ι ο
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Im nachfolgenden sind an Hand der Zeichnung Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben. Die
Zeichnung zeigt in
F i g. 1 eine auseinandergezogene perspektivische Darstellung eines Ausführungsbeispieles einer Gaskältemaschine,
F i g. 2 einen Querschnitt durch den Rotor und Stator einer bevorzugten Ausführungsform,
Fig.3 eine graphische Darstellung des P-V-Diagramms
der in F i g. 2 gezeigten bevorzugten Ausführungsform,
Fig.4 eine graphische Darstellung des T-S-Diagramms
der bevorzugten Ausführungsform nach F i g. 2,
F i g. 5 eine schematische Darstellung eines Schnittes durch den Rotor und Stator einer anderen Ausführungsform einer Gaskältemaschine mit schematischer Darstellung
einer bewegbaren Wärmeaustauscher-Auslaßöffnung,
Fig.6 eine schematische Schnittdarstellung durch einen Rotor und Stator nach einer weiteren Ausführungsform
mit einem einstellbaren Gleitermittel innerhalb des Rotorkerns zur Zuführung eines gekühlten
Flußmediums zu der Expansionsseite der Vorrichtung,
F i g. 7 eine entsprechende Darstellung durch einen Rotor und Stator einer anderen Ausführungsform,
wobei die Rotorachse exzentrisch gelagert ist und
F i g. 8 einen schematischen Schnitt durch den Rotor und Stator einer weiteren Ausführungsform, bei der der
Rotor innerhalb eines unsymmetrischen Stators in Stellung gebracht ist
Im nachfolgenden ist die Arbeitsweise der Gaskältemaschine beschrieben. In F i g. 1 ist eine auseinandergezogene
perspektivische Darstellung einer Gaskältemaschine mit den zugehörigen wesentlichsten Komponenten
gezeigt Der Stator 1 ist so ausgeführt, daß die Stirnwände genau parallel liegen. Der Querschnitt des
Innenraumes des Stators 1 hat eine elliptische Form. Der Stator 1 ist mit einer Reihe von Durchlässen
versehen, welche derart angeordnet sind, daß durch sie Luft zum richtigen Zeitpunkt hindurchtreten kann. Der
Rotor 4 ist mit einer Reihe von Schlitzen 5 ausgerüstet, die in axialer Anordnung an dem Stator vorgesehen sind
und die der Aufnahme von Flügeln 6 dienen. Die Schlitze sind symmetrisch rund um die Umfangsfläche
des Rotors verteilt, und in die Schlitze sind die Flügel 6 gleitend eingepaßt Die Flügel werden dauernd während
der Drehbewegung des Rotors an der Statoriiinenwand anliegend gehalten, was über einen außerhalb des
Kernes 7 des Rotors wirkenden Druck geschieht. In F i g. 1 sind die beiden Endplatten des Stators nicht
gezeigt, welche mit Lagern und Abdichtungen für die Welle versehen sind und die die Rotor-Flügel-Anordnung
innerhalb des Stators in herkömmlicher Weise fest zusammenhalten. Der gerippte rohrartige Wärmeaustauscher
8 ist unmittelbar oder aber über ein nicht dargestelltes einfaches Rohrsystem direkt mit dem
Einlaß 9 und dem Auslaß 10 der Öffnungen, welche in den Stator eingebracht sind, verbunden.
Der in F i g. 1 schematisch gezeigte Luftkanal 11 ermöglicht die Trennung der mit dem Pfeil 12
gekennzeichneten ankommenden Warmluft von der gekühlten Luft, die mit dem Pfeil 13 angedeutet ist und
zu dem zu kühlenden Raum fließt
Der Rotor 4 wird von einer äußeren Energiequelle Rngetrieben, wobei in der nachfolgenden Beschreibung
von einer entgegengesetzt dem Uhrzeigersinn verlaufenden Drehrichtung ausgegangen wird. Die eingesaugte
Luft fließt in einen mit VNLT bezeichneten, sich drehenden Flügelsegmentraum unter atmosphärischem
Druck ein und die Ausdehnung des Raumsegmentes WVL 7* ist hierbei so definiert daß dieses Raumsegment
zwischen dem in Drehrichtung führenden Flügel 14 und dem rückwärtigen Flügel 15 liegt Wenn sich der Rotor
insgesamt um 360°IZ dreht, wobei Z die Anzahl der
Flügel ist d. h. bei der dargestellten 8-Flügel-Anordnung
um 45°, erfolgt eine Bewegung des Gasvolumens von dom Raum VNLT zu dem Kompressionsvolumen, das
mit VOC bezeichnet ist wobei ein maximales Volumen
erreicht ist. Die rückwärtige Kante des Flügelsegmentes VOC ist durch den Flügel 15 gegeben, wenn dieser
gerade die letzte Einlaßöffnung 3 passiert, bzw. die in F i g. 2 dargestellte Stellung einnimmt
Während einer weiteren Drehung um 45° wird das Flügelvolumensegment auf das Wärmeaustauschervolumen
komprimiert, wobei die Kompressionsseite in den Figuren mit den Buchstaben VHXC gekennzeichnet ist.
Zu diesem Zeitpunkt passiert der vordere Flügel 16, der das Raumvolumen VHXC begrenzt die Einlaßöffnung
9 des Wärmeaustauschers, und die komprimierte Luftmenge wird aus dem Volumensegment VHXQ
wenn der Rotor seine Drehung um weitere 45° fortsetzt, ausgestoßen und in den Wärmeaustauscher 8 geleitet.
Etwas komprimierte Luft wird hierbei über den Totraum V90C geleitet, welcher zwischen den Einlaßöffnungen
9 und den Auslaßöffnungen 10 des Wärmetauschers liegt. Die Kompressionswärme der Luft wird
beim Durchgang durch den Wärmeaustauscher zum großen Teil abgegeben.
Während der Kompression auf der in Fig.2 gezeigten linken Seite ist das erste Flügel-Volumensegment
auf der rechten Seite des Stators durch den Flügel 17 und den Flügel 18 definiert wobei diese Seite als die
Volumen-Expansionsseite mit VHXE bezeichnet ist. Diese Seite nimmt die abgekühlte Luft aus dem
Wärmeaustauscher auf. Die in dem Volumen VHXE enthaltene gekühlte Luft wird nunmehr entspannt und
hierbei weiter abgekühlt, während das Volumen VHXE während der weiteren Drehbewegung um 45° des
Volumensegmentes sich entspannend in eine Stellung gelangt, die als Expansionsvolumen mit VOJibezeichnet
ist, das durch den vorderen Flügel 19 und den rückwärtigen Flügel 18 eingeschlossen ist. In diesem
Entspannungsprozeß wird ein großer Teilbetrag der vorher aufgewendeten Kompressionsarbeit zurückgewonnen,
die auf der linken Seite des Stators erforderlich ist.
Bei den nächsten 90° der Drehbewegung bewegt sich das Volumensegment von VOE zu dem mit VOLT
bezeichneten Entspannvolumen, wodurch die gekühlte Luft durch die Auslaßöffnungen 20 in den zu kühlenden
Raum ausgebracht wird.
Eine vollständige Umdrehung des Rotors 4 leitet eine Luftmenge über einen offenen Kühlzyklus, wie er durch
die Linie a-b-c-d-e- f-g-a in den Fig. 3 und 4
gezeigt ist. Während einer 360°-Drehung führt die Gaskältemaschine die folgenden Arbeitsschritte aus:
1. Ansaugen der Außenluft,
2. Kompression und Erwärmung der Luft,
3. Pumpen der heißen Luft durch den Wärmeaustauscher
und damit Abkühlung der Luft,
4. Entspanr η der unter relativ hohem Druck stehenden kühleren Luft auf Atmosphärendruck,
weitere Absenkung der Temperatur und Zurückgewinnung von Kompressionsarbeit und
5. Ausstoßen und Umwälzen der gekühlten Luft innerhalb des zu kühlenden Raumes.
Die vorliegende Erfindung besteht nun in einer Verringerung des Kammervolumens auf der Expansionsseite
(VHXE- Kompensation).
Eine derartige Kompensation besteht in der Verkleinerung
der Hauptachse 120 der Expansionsseite des Stators, um einen solchen Betrag, daß VHXE den
richtigen Wert erhält (F i g. 8).
Ein anderes Verfahren der Kompensation zur Vergrößerung der Dichte der Luft nach dem Verlassen
des Wärmeaustauschers besteht in der X- Y-Verschiebung
der Rotorachse von der Mitte des Stators in eine Stellung 121, wodurch VHXE um den erforderlichen
Betrag verringert werden kann. Diese Methode ist in F i g. 7 angedeutet.
Ein Verfahren zur variablen Kompensation von VHXE ist mit der in Fig.5 gezeigten Anordnung
erreichbar. Diese Variante der Vorrichtung ist so ausgelegt, daß die Wärmeaustauscherauslaßöffnung 200
seitlich verschoben werden kann, wodurch die Kompensierung von VHXE zum Ausgleich der Dichte-Unterschiede
und zur Aufrechterhaltung maximaler Nutzleistung gewährleistet wird. Die Auslaßöffnungen 200
können entweder an den nicht dargestellten Endpiatten oder an der Statorwandung 201 vorgesehen sein, wobei
eine im wesentlichen flache Sektion 202 in das Innere der Statorwandung in der Nähe der Wärmeaustauscherauslaßöffnung
eingebracht ist, wodurch die Gleitbewegung und die Abdichtung erleichtert wird. Diese
gleitend örtlich veränderbare öffnung kann mit einer einfachen Druckdosenanordnung 203 gesteuert werden
(oder auch mit irgendeinem anderen bekannten Hilfsmittel, welches für derartige Vorgänge geeignet
ist).
Es soll schließlich noch hervorgehoben werden, daß der Stator der beschriebenen Vorrichtung als Rotor
ausgelegt sein kann und umgekehrt
Hierzu 2 Blatt Zeichnungen
Claims (4)
1. Gaskältemaschine mit einer Verdichter- und Expansionseinheit und gasseitig zwischengeschaltetem
Kühler, wobei die Verdichter- und Expansionseinheit aus einem Statorgehäuse mit parallelen im
Abstand zueinander angeordneten Stirnflächen sowie einem in diesem drehbar gelagerten zylindrischen
Rotor mit einer Mehrzahl radial verschiebbarer, dichtend an der Innenwandung des Statorgehäuses
anliegender Flügel besteht und wobei die Innenwandung des Statorgehäuses bezüglich der
Außenfläche des Rotors so ausgebildet ist, daß die zwischen den Flügeln gebildeten Kammern bei
Drehung des Rotors ihr Volumen verändern, und Einlaß und Auslaß des Kühlers im Bereich kleinster
Kammervolumina liegen, dadurch gekennzeichnet,
daß das Volumen der zu Beginn der Expansion mit dem Kühlerauslaß (10) verbundenen
Kammer (VHXE), die von den Flügeln (17, 18) gebildet wird, um einen vom Kühlvorgang abhängigen
Betrag kleiner als das Volumen der nach der Kompression mit dem Kühlereinlaß (9) verbundenen
Kammer (VHXC)IsL
2. Gaskältemaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Volumenänderung der mit
dem Kühlereinlaß und dem Kühlerauslaß verbundenen Kammern (VHXC, VHXE) durch Verschiebung
der Lagerung des Rotors (121) zur Expansionsseite des bezüglich der Kompressions- und Expansionsseite symmetrisch ausgebildeten Statorgehäuses
erreicht wird.
3. Gaskältemaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Volumenänderung der mit
dem Kühlereinlaß und dem Kühlerauslaß verbundenen Kammern (VHXC, VHXE) dadurch erreicht
wird, daß bei gemeinsamer Rotor- und Statorachse der Abstand (120) zwischen Rotoraußenfläche und
Statorinnenwand auf der Expansionsseite kleiner als auf der Kompressionsseite ist.
4. Gaskältemaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Volumenänderung der mit
dem Kühlereinlaß und dem Kühlerauslaß (200) verbundenen Kammern (VHXC, VHXE) durch
Verschiebung des Kühlereinlasses oder des Kühlerauslasses in Richtung zur Kompressionsseite hin
erreicht wird.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19712155719 DE2155719C3 (de) | 1971-11-05 | 1971-11-05 | Gaskältemaschine |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19712155719 DE2155719C3 (de) | 1971-11-05 | 1971-11-05 | Gaskältemaschine |
Publications (3)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE2155719A1 DE2155719A1 (de) | 1973-05-10 |
DE2155719B2 DE2155719B2 (de) | 1981-04-09 |
DE2155719C3 true DE2155719C3 (de) | 1981-11-19 |
Family
ID=5824645
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE19712155719 Expired DE2155719C3 (de) | 1971-11-05 | 1971-11-05 | Gaskältemaschine |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
DE (1) | DE2155719C3 (de) |
Families Citing this family (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US3967466A (en) * | 1974-05-01 | 1976-07-06 | The Rovac Corporation | Air conditioning system having super-saturation for reduced driving requirement |
Family Cites Families (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US2733663A (en) * | 1956-02-07 | Deep well pumping apparatus | ||
DE655201C (de) * | 1935-10-02 | 1938-01-11 | Drehkolben Kraftmaschinen G M | Luftkaeltemaschine |
US2197492A (en) * | 1937-08-16 | 1940-04-16 | Adiel Y Dodge | Air conditioning system |
US3057157A (en) * | 1959-10-08 | 1962-10-09 | William D Close | Rotary engine |
-
1971
- 1971-11-05 DE DE19712155719 patent/DE2155719C3/de not_active Expired
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
DE2155719B2 (de) | 1981-04-09 |
DE2155719A1 (de) | 1973-05-10 |
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Legal Events
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C3 | Grant after two publication steps (3rd publication) | ||
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