DE2603682A1

DE2603682A1 - Ventilanordnung fuer kaelteanlagen

Info

Publication number: DE2603682A1
Application number: DE19762603682
Authority: DE
Inventors: Leif Nielsen
Original assignee: Danfoss AS
Current assignee: Danfoss AS
Priority date: 1976-01-31
Filing date: 1976-01-31
Publication date: 1977-08-11
Also published as: JPS5295357A; JPS581314B2; DE2603682B2; DE2603682C3; US4106691A; GB1564072A; DK35377A

Description

Ventilanordnung für Kälteanlagen

Die Erfindung bezieht sich auf eine Ventilanordnung für Kälteanlagen zur Anordnung zwischen Kondensator, insbesondere luftgekühltem Kondensator, und Verdampfer, mit zwei hintereinandergeschalteten Drosselstellen, von denen die erste in Schließrichtung unter dem Einfluß des Mitteldrucks zwischen den Drosselstellen und in Öffnungsrichtung durch eine Öffnungskraft belastet sowie bezüglich des Kondensatordrucks im wesentlichen entlastet ist und von denen die zweite durch ein thermostatisches Expansionsventil gebildet ist.

Wenn zwischen Kondensator und Verdampfer lediglich ein thermostatisches Expansionsventil geschaltet ist, das mit einem von der Überhitzungstemperatur des Verdampfers abhängigen Arbeitselement arbeitet, treten Schwierigkeiten auf, wenn der Kondensatordruck schwankt. Insbesondere bei luftgekühlten Kondensatoren können sich im Sommer Kondensatordrücke einstellen, die 5-10 Mal größer sind als im Winter. Da ein größerer Druckunterschied bei einer gegebenen ÖffnungsStellung des Ventils zu einer höheren Durchflußmenge führt, ergeben sich im Sommer ganz andere Regelabhängigkeiten als im Winter.

Aus diesem Grund ist es bereits bekannt, ein Vorschaltventil als erste Drosselstelle und das thermostatische Expansionsventil als zweite Drosselstelle hintereinanderzuschalten. Bei einer bekannten Ventilanordnung wird das Vorschaltventil in Schließrichtung durch den Mitteldruck zwischen den beiden Drosselstellen und in

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öffnungsrichtung durch einen mit Luft gefüllten Balg belastet. Die Abmessungen des Balges sind so getroffen, daß sich bezüglich des Kondensatordrucks im wesentlichen eine Entlastung ergibt. Bei dieser Anordnung wird daher der Mitteldruck annähernd auf

dem
einem Wert gehalten, der/Luftdruck im Balg entspricht. Damit wird zwar der Einfluß des schwankenden Kondensatordrucks weitgehend berücksichtigt; äußere Einflüsse haben aber noch einen störenden Einfluß auf das Regelverhalten.

Bei einer anderen bekannten Ausführungsform wird die vorgeschaltete erste Drosselstelle in Schließrichtung vom Kondensatordruck und in Öffnungsrichtung vom Verdampferdruck und einer Differenzfeder belastet. Auch hiermit kann ein zu hoher Kondensatordruck derart abgebaut werden, daß das thermostatische Expansionsventil auch im Winterbetrieb mit einem verhältnismäßxg großen Öffnungsquerschnitt arbeiten kann, wie er an sich für den Sommerbetrieb notwendig ist. Hierbei stellt sich ein von der jeweiligen Druckbelastung und von der Öffnungsstellung der beiden Drosselstellen abhängiger Mitteldruck ein.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Ventilanordnung der eingangs beschriebenen Art anzugeben, bei der die Regelcharakteristik des Expansionsventils in noch stärkerem Maße unabhängig von äußeren Einflüssen ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Öffnungskraft durch den auf eine Druckfläche wirkenden Verdampferdruck und eine annähernd konstante Differenzkraft, z.B. einer Differenzfeder, vorgegeben ist.

Bei dieser Konstruktion wird dafür gesorgt, daß der Mitteldruck immer um eine vorgegebene Differenz größer ist als der Verdampferdruck. Da demnach am thermostatischen Expansionsventil immer dieselbe Druckdifferenz anliegt, ergibt sich unter allen Betriebsumständen dieselbe Regelcharakteristik. Dies ist unabhängig davon, welche Druckverhältnisse im Kondensator aufgrund unterschiedlicher Kondensatortemperaturen und welche Druckverhältnisse im Verdampfer in Abhängigkeit von Kühlraumtemperatur, Lauf des

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Kompressors ο. dgl. herrschen. Zur Erzeugung der Differenzkraft kann eine Differenzfeder, eine Gasfeder o„ dgl. dienen.

Es hat sich gezeigt, daß bei einer gegebenen Öffnungsstellung der zweiten Drosselstelle trotz genauer Konstanthaltung der Differenz zwischen Mitteldruck und Verdampferdruck die Kälteleistung des hindurchgelassenen Kältemittels mit steigendem Kondensatordruck etwas abnimmt. Offenbar beruht dieses Phänomen auf einer Änderung des Wärmeinhalts (Enthalpie) des Kältemittels in Abhängigkeit vom Kondensatordruck und der damit verbundenen Kondensatortemperatur. Diese Abweichung von der gewünschten Konstanz läßt sich dadurch beseitigen, daß die erste Drosselstelle bezüglich des Kondensatordrucks teilweise so entlastet ist, daß eine zusätzliche Öffnungskraft entsteht. Die Teilentlastung kann ohne weiteres so gewählt werden, daß eine praktisch vollständige Kompensation erfolgt.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist dafür gesorgt, daß die erste Drosselstelle durch eine zylindrische Düse und einen in diese greifenden Kegel gebildet ist, daß ein mit dem Kegel über einen Schaft verbundenes Arbeitselement, z. B. ein Kolben, auf der einen Seite vom Mitteldruck und auf der anderen Seite vom Verdampferdruck und einer Differenzfeder belastet ist, und daß der Schaft den mit dem Kondensator verbundenen Zuflußraum durchsetzt und auf der dem Kegel gegenüberliegenden Seite eine kolbenartige Verdickung aufweist, deren Querschnittsfläche annähernd der Querschnittsfläche des Kegels entspricht. Bei dieser Konstruktion kann die Düse durch Wahl des Querschnitts der kolbenartigen Verbindung vom Kondensatordruck entlastet werden. Andererseits ist die Querschnittsfläche des Arbeitselements von der Querschnittsfläche der Düse unabhängig. Man kann daher ausreichend große Stellkräfte aufbrisen. Als Arbeitselement kommt nicht nur ein Kolben, sondern auch eine Membran oder ein Balg in Betracht.

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Die zur Kompensation erwünschte teilweise Entlastung erreicht man sehr einfach dadurch, daß die kolbenartige Verdickung eine etwas kleinere Querschnittsfläche als der Kegel hat.

Ein sehr einfacher Aufbau ergibt sich, wenn der Schaft einen Durchgangskanal aufweist, der den Raum zwischen den Drosselstellen mit der einen Seite des Arbeitselements verbindet.

Günstig ist es ferner, wenn ein gemeinsames Ventilgehäuse vorgesehen ist, in das von einander entgegengesetzten Seiten her zwei Ein- bzw. Aufsätze angesetzt sind, die je eine Drosselstelle mit zugehörigem Arbeitselement aufweisen. Das Ventilgehäuse hat einen Eintrittsstutzen und einen Austrittsstutzen, kann also wie ein normales Expansionsventil in den Leitungszug eingebaut werden. Die beiden Ein- bzw. Aufsätze lassen sich je für sich fertigen und justieren und dann in das gemeinsame Ventilgehäuse einbauen.

Die Erfindung wird nachstehend anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße Ventilanordnung,

Fig. 2 ein Schaltbild für den Einbau dieser Ventilanordnung und

Fig. 3 in einem Diagramm die Kälteleistung über der Druckdifferenz zwischen Kondensatordruck und Verdampferdruck.

Ein Ventilgehäuse 1 hat einen Eintrittsstutzen 2 und einen Austrittsstutzen 3. Es weist einen ersten Einsatz 4 für eine erste Drosselstelle 5 und einen zweiten Einsatz 6 für eine zweite Drosselstelle 7 auf.

Der erste Einsatz 4 besitzt eine zylindrische Düse 8, die mit einem Kegel 9 zusammenwirkt. Ein Ventilschaft 10 setzt sich in

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einer kolbenartigen Verdickung 11 fort, die in einer Gehäusebohrung 12 geführt ist. Das andere Ende des Schaftes 10 ist mit einem Kolben 13 verbunden, der in einem Zylinder 14 geführt ist. Er unterteilt das Innere des Zylinders in einen ersten Raum 15, der über einen durch den Schaft hindurch verlaufenden Kanal 16 mit einem Raum 17 zwischen den beiden Drosselstellen 5 und 7 verbunden ist, und einen zweiten Raum 18, der über einen Stutzen 19 mit dem Kondensator verbunden ist und daher den Druck P_Q führt sowie eine Differenzfeder 20 aufweist. Diese stützt sich einerseits am Kolben 13 und andererseits an einer Platte 21 ab, die mittels einer Stellschraube 22 axial verstellt werden kann, um den Sollwert der Feder festzulegen. Düse 8, zylindrische Bohrung 12 und Zylinder 14 sind an einem ersten Einsatzteil 23 ausgebildet, das von einem zweiten am Gehäuse 1 anschraubbaren Aufsatz 24 übergriffen wird. Der Einsatz 6 bildet ein thermostatisches Expansionsventil. Ein Ventilkegel 25 wirkt mit einer Düse 26 zusammen, die von einem Einsatzteil 27 niedergehalten wird. Ein Aufsatz 28 ist am Gehäuse 1 anschraubbar. Dieser Aufsatz trägt eine Membran 29, die einen Druckraum 30 abschließt, der über ein Kapillarrohr 31 mit einem Fühler am Verdampferausgang in Verbindung steht. Der Innenraum 32 ist über einen Stutzen 33 wiederum mit dem Verdampferdruck P_ versorgt. Eine Sollwertfeder 34, die mittels einer Stellschraube 35 einstellbar ist, erlaubt eine genaue Festlegung des TemperaturSollwerts.

In Fig. 2 ist eine Schaltung für eine Kälteanlage veranschaulicht, in der ein Kompressor 36 gasförmiges Kältemittel in einen Kondensator 37 fördert, der über ein Gebläse 38 mit Luft gekühlt wird. Auf diese Weise verflüssigtes Kältemittel wird in einem Sammler 39 gesammelt. Es wird über die in Fig. 1 veranschaulichte Ventilanordnung 40, bestehend aus der ersten Drosselstelle 5 und der zweiten Drosselstelle 7, in den Verdampfer 41 geleitet. Ein Fühler 42 am Verdampferausgang steht über das Kapillarrohr 31 mit dem die zweite Drosselstelle 7 bildenden thermostatischen Expansionsventil in Verbindung. Eine Leitung 43 leitet den Verdampferdruck P_Q an die beiden Drosselstellen 5 und 7. Daher steht am Eintrittsstutzen 2 der Kondensatordruck P₁, und am

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Austrittsstutzen der Verdampferdruck P_Q an, während im Raum 17 zwischen den beiden Drosselstellen ein Zwischendruck P vor-

handen ist·

Die Arbeitsweise ist wie folgt. Das erste Drosselorgan 5 wird unter dem Einfluß der Differenzfeder 20 und des Verdampferdrucks P_Q in die Offenstellung gebracht. Ein Kondensatordruck P^ wird an dieser Drosselstelle auf den Mitteldruck P_m abgebaut· Die Drosselstelle nimmt daher eine Lage ein, in der dieser Mitteldruck P_m um einen durch die Differenzfeder vorgegebenen Wert über dem Verdampferdruck P liegt. Steigt der Kondensatordruck, so würde auch der Mitteldruck steigen; dies führt aber zu einem Schließen der Drosselstelle, bis sich wieder ein Gleichgewicht einstellt. Die zweite Drosselstelle 7 steht daher immer unter der Druckdifferenz P - P . Dies ergibt eine definierte Regelkennlinie unabhängig vom Kondensatordruck und vom Verdampferdruck·

In Fig. 3 ist schematisch über der Differenz ΔΡ » P^ - P_Q die normalerweise in Kcal/h gemessene Kälteleistung Q_Q des durchströmenden Kältemittels in Prozenten für die volle Offenstellung veranschaulicht. Wenn nur die zweite Drosselstelle 7 vorhanden wäre, ergäbe sich die strichpunktierte Kurve I. Mit steigendem Kondensatordruck nimmt auch die Durchflußmenge zu.

Wenn die erste Drosselstelle vollständig vom Kondensatordruck entlastet ist, also die Querschnittsfläche des Kegels 9 gleich der Querschnittsfläche der kolbenartigen Verdickung 11 ist, ergibt sich die Kurve II. Sie hat eine geringfügig fallende Tendenz mit steigendem ΔΡ.

Wenn dagegen die Querschnittefläche des Kegels 9 etwas größer gewählt wird als die Querschnittsfläche der kolbenartigen Verdickung 11, also nur eine teilweise Entlastung vom Kendensatordruck erfolgt, kann man eine Kurve III erzielen, die eine praktisch konstante Kälteleistung darstellt.

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Claims

Patentansprüche

\Λ . Ventilanordnung für Kälteanlagen zur Anordnung zwischen ~" Kondensator, insbesondere luftgekühltem Kondensator, und Verdampfer, mit zwei hintereinandergeschalteten Drosselstellen, von denen die erste in Schließrichtung unter dem Einfluß des Mitteldrucks zwischen den Drosselstellen und in Öffnungsrichtung durch eine Öffnungskraft belastet sowie bezüglich des Kondensatordrucks im wesentlichen entlastet ist und von denen die zweite durch ein thermostatisches Expansionsventil gebildet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnungskraft durch den auf eine Druckfläche wirkenden Verdampferdruck(P₀)und eine annähernd konstante Differenzkraft, z.B. einer Differenzfeder (20), vorgegeben ist.
2. Ventilanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Drosselstelle bezüglich des Kondensatordrucks (P^) teilweise so entlastet ist, daß eine zusätzliche Öffnungskraft entsteht.
3. Ventilanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Drosselstelle (5) durch eine zylindrische Düse (8) und einen in diese greifenden Kegel (9) gebildet ist, daß ein mit dem Kegel über einen Schaft (10) verbundenes Arbeitselement, z.B. ein Kolben (13)» auf der einen Seite vom Mitteldruck (P ) und auf der anderen Seite vom Verdampferdruck (P₀) und einer Differenzfeder (20) belastet ist, und daß der Schaft den mit dem Kondensator (37) verbundenen Zuflußraum durchsetzt und auf der dem Kegel gegenüberliegenden Seite eine kolbenartige Verdickung (11) aufweist, deren Querschnittsfläche annähernd der Querschnittsfläche des Kegels entspricht.
4. Ventilanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die kolbenartige Verdickung (11) eine etwas kleinere Querschnittsfläche als der Kegel (9) hat.
5. Ventilanordnung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Schaft (10) einen Durchgangskanal (16) aufweist, der

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den Raum (17) zwischen den Drosselstellen (5, 7) mit der einen Seite des Arbeitselements (13) verbindet.

Ventilanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein gemeinsames Ventilgehäuse (1) vorgesehen ist, in das von einander entgegengesetzten Seiten her zwei Ein- bzw. Aufsätze (4, 6) angesetzt sind, die je eine Drosselstelle (5, 7) mit zugehörigem Arbeitselement (12, 29) aufweisen.

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