DE4127754A1 - Zwischenkuehlung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Kühlvorrichtung nach dem Ober­ begriff des Patentanspruchs 1.

Solche Kühlvorrichtungen für zweistufige Verdichter werden beispielsweise in Kälteanlagen verwendet. In solchen Käl­ teanlagen entzieht der im geschlossenen Kältemittelkreis­ lauf angeordnete Verdampfer zum Verdampfen des Kältemit­ tels der Umgebung Wärme, der Verdichter verdichtet das verdampfte Kältemittel auf einen Auslaßdruck und der Ver­ flüssiger verflüssigt das unter dem Auslaßdruck stehende verdampfte Kältemittel unter Wärmeabgabe wieder. Bei bekannten Kälteanlagen haben sich zweistufige Verdichter als vorteilhaft erwiesen.

Das im Verdampfer verdampfte Kältemittel wird von der Nie­ derdruckstufe des zweistufigen Verdichters angesaugt, ver­ dichtet und gelangt über die die Niederdruckstufe mit der Hochdruckstufe verbindende Zwischendruckstufe in die Hochdruckstufe, um dort ein zweites Mal verdichtet zu wer­ den. Zur Begrenzung der Temperatur des Kältemittels beim Verdichten in der Hochdruckstufe wird bei zweistufigen Verdichtern das die Niederdruckstufe verlassende, vorver­ dichtete Kältemittel in bekannter Weise gekühlt. Zur Küh­ lung wird am Ausgang des Verflüssigers abgezweigtes, flüs­ siges Kältemittel unter Entspannung in die Zwischendruck­ stufe zwischen der Niederdruckstufe und der Hochdruck­ stufe eingespritzt und mit dem die Niederdruckstufe ver­ lassenden, verdichteten Kältemittel vermischt. Daraufhin wird diese Mischung in der Hochdruckstufe weiter verdich­ tet. Zur Einspritzung werden in der Regel thermostatisch gesteuerte Expansionsventile oder auch druckgastemperatur­ gesteuerte Ventile oder eine Festdrossel verwendet.

Ein Nachteil thermostatisch gesteuerter Ventile liegt darin, daß für verschiedene Kältemittel unterschiedliche Ventile benutzt werden müssen, weil derartige Ventile exakt auf die Kühlvorrichtung sowie auf das verwendete Kältemittel eingestellt werden müssen. Es ist ein Nachteil druckgastemperaturgesteuerter Ventile, daß diese sehr träge sind.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine regelbare Kühlung des die Niederdruckstufe verlassenden, vorverdichteten Kälte­ mittels zu erzielen, welche unabhängig vom verwendeten Kältemittel ist und eine schnelle Regelung und Absicherung der Temperatur des die Hochdruckstufe verlassenden Gas­ stromes ermöglicht.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.

Die nachstehende Beschreibung von bevorzugten Ausführungs­ formen der Erfindung dient im Zusammenhang mit beiliegen­ der Zeichnung der weiteren Erläuterung. Es zeigen:

Fig. 1 schematisch eine Kühlvorrichtung; Fig. 2 schematisch eine abgewandelte Ausfüh­ rungsform einer Kühlvorrichtung.

Eine in Fig. 1 gezeigte Kälteanlage enthält einen halb­ hermetisch gekapselten zweistufigen Verdichter 1, der eine in einem Gehäuse angeordnete Niederdruckstufe 2, eine Hochdruckstufe 3, eine die Niederdruckstufe 2 mit der Hochdruckstufe 3 verbindende Zwischendruckstufe 12 und einen die Niederdruckstufe 2 und die Hochdruckstufe 3 antreibenden Motor 4 umfaßt, wobei sowohl die Niederdruck­ stufe 2 als auch die Hochdruckstufe 3 jeweils wenigstens ein Niederdruck- bzw. Hochdruck-Kolbenzylinderaggregat aufweisen. Der in Fig. 1 gezeigte Verdichter kann auch als offener Verdichter ausgebildet sein. In diesem Fall befindet sich der Motor außerhalb des Gehäuses. Ferner sind in der Anlage ein Verflüssiger 5, ein Expansionsorgan 6 sowie ein Verdampfer 7 vorgesehen. Am Ausgang des Ver­ flüssigers 5 zweigt vor dem Expansionsorgan 6 eine Leitung 10 ab, welche ein von einer Steuereinheit 8 ansteuerbares Magnetventil 9 sowie ein Expansionsorgan 11 enthält und in die Zwischendruckstufe 12 des zweistufigen Verdichters 1 mündet. Der Motor 4 wird vom Kältemittel der Zwischen­ druckstufe 12 durchströmt. Im zweistufigen Verdichter 1 sind zwei Temperaturfühler 13 und 14 angeordnet. Ein ers­ ter Temperaturfühler 13 fühlt die Temperatur des Kältemit­ telgases vor dessen Eintritt in die Hochdruckstufe 3 ab und ein zweiter Temperaturfühler 14 fühlt die Temperatur am Ausgang der Hochdruckstufe 3 ab. Bei einer anderen (nicht dargestellten) Ausführungsform könnte der Tempera­ turfühler 14 auch innerhalb der Hochdruckstufe 3 angeord­ net sein. Die Temperaturfühler 13 und 14 sind mit der Steuereinheit 8 verbunden.

Die Betriebsweise der Kühlvorrichtung des Verdichters 1 ist folgende:

Das im Verdampfer 7 verdampfte Kältemittel wird vom zwei­ stufigen Verdichter 1 angesaugt und in der Niederdruckstu­ fe 2 zunächst vorverdichtet. Über die Zwischendruckstufe 12 gelangt das vorverdichtete Kältemittel über den Motor 4 in die Hochdruckstufe 3 und wird dort weiter bis zu einem Enddruck verdichtet, worauf es in den Verflüssiger 5 gelangt, wo es unter Wärmeabgabe verflüssigt wird. Das unter hohem Druck stehende Kältemittel wird dann über das Expansionsorgan 6 wieder dem Verdampfer 7 zugeführt.

Im zweistufigen Verdichter 1, der halbhermetisch gekapselt oder offen ausgebildet sein kann, wird durch den Tempera­ turfühler 13 die Temperatur des in der Niederdruckstufe 2 vorverdichteten Kältemittels abgefühlt. Steigt diese Tem­ peratur über einen vorgegebenen Schwellenwert an, so ver­ anlaßt die Steuereinheit 8 das Magnetventil 9, das hinter dem Verflüssiger 5 abgezweigte Kältemittel über das Expan­ sionsorgan 11 in die Zwischendruckstufe 12 im zweistufigen Verdichter 1 einzuspritzen. Das Expansionsorgan 11 ist speziell auf den zweistufigen Verdichter 1 abgestimmt, es ermöglicht eine schnelle und reaktionsarme Verteilung des Kältemittels und verhindert Nachverdampfungserscheinungen im Zylinderbereich der Hochdruckstufe 3. Das Expansionsor­ gan 11 ist so ausgebildet, daß eine Mischung aus flüssiger und gasförmiger Phase des Kältemittels mit einem möglichst hohen Gehalt an gasförmigem Kältemittel und feinstverteil­ ten Restflüssigkeitstropfen austritt. Das flüssige Kälte­ mittel wird vor dem Motor 4 in die Zwischendruckstufe 12 eingespritzt, um zusätzlich eine Abfuhr der Motorwärme des (halbhermetisch gekapselten) Verdichters zu ermöglichen. Bei offenen Verdichtern ist eine Abfuhr der Motorwärme nicht nötig. Die Regelung ist aufgrund der geringen Träg­ heit des Temperaturfühlers 13 und des schnellen Anspre­ chens des Magnetventils 9 sehr präzise.

Wenn die Temperatur des Kältemittels in der Hochdruckstufe 3 des zweistufigen Verdichters 1 bzw. am Ausgang der Hoch­ druckstufe 3, im sogenannten Druckauslaßbereich des Ver­ dichters 1, einen vorgegebenen Schwellenwert überschrei­ tet, was durch den Temperaturfühler 14 festgestellt wird, so kann auf die oben beschriebene Weise mittels des Mag­ netventils 9 und des Expansionsorgans 11 auch dann flüssi­ ges Kältemittel in die Zwischendruckstufe 12 eingespritzt werden, wenn der Temperaturfühler 13 keinen Bedarf meldet.

Übersteigt die Temperatur des Kältemittels am Ausgang der Hochdruckstufe 3 einen weiteren, über dem Regelpunkt lie­ genden Schwellenwert, so ermöglicht die Steuereinheit 8 über einen zusätzlichen (nicht dargestellten) Ausgang die Abschaltung des Verdichters 1 und sichert ihn somit ab.

In Fig. 2 ist eine um einen Unterkühler 15 erweiterte Ausführungsform der Kühlvorrichtung nach Fig. 1 darge­ stellt. Die Betriebsweise der Kühlvorrichtung gemäß Fig. 2 entspricht derjenigen der in Fig. 1 dargestellten Vor­ richtung. Das hinter dem Verflüssiger 5 abgezweigte Kälte­ mittel gelangt über das Magnetventil 9 und das Expansions- Organ 11 sowie über eine Leitung 21 in den Unterkühler 15 und von dort über eine Leitung 22 in die Zwischenleitung 12 des zweistufigen Verdichters 1. Des weiteren wird das flüssige Kältemittel hinter dem Verflüssiger 5 über eine Leitung 23 direkt in den Unterkühler 15 eingeleitet und gelangt aus diesem über eine Leitung 24 und das Expan­ sionsorgan 6 in den Verdampfer 7.

Der Vorteil der Anordnung nach Fig. 2 ist folgender: Derjenige Teil des flüssigen Kältemittels, der über das Magnetventil 9, das Expansionsorgan 11 und die Leitung 21 in den Unterkühler 15 eingespritzt wird, hat nach der Expansion eine geringere Temperatur als derjenige Teil des flüssigen Kältemittels, welcher über die Leitung 23 direkt durch den Unterkühler 15 geleitet wird. Die Funktions­ weise des Unterkühlers 15 ist die eines Wärmetauschers, in dem das durchfließende Kältemittel durch das über das Mag­ netventil 9 in das Expansionsorgan eingespritzte kühlere Kältemittel gekühlt wird. Auf diese Weise kann dem Ver­ dampfer 7 über das Expansionsorgan 6 kälteres Kältemittel zugeführt werden, was sich für die gesamte Kälteanlage als vorteilhaft auswirkt. Die Ansprechtemperatur des Tempera­ turfühlers 13 wird dabei so gewählt, daß über das Expan­ sionsorgan 11 dem Unterkühler 15 immer soviel Kältemittel zugeleitet wird, daß eine Unterkühlung des über Leitung 23 zugeführten flüssigen Kältemittels und im Falle des halb­ hermetisch gekapselten, zweistufigen Verdichters 1 die Abfuhr der Motorverlustwärme gewährleistet ist.

Die Kühlung des in der Zwischendruckstufe 12 befind­ lichen Kältemittelgases kann mit Hilfe der beschriebenen Methode auch bei offenen Verdichtern angewendet werden, wobei hier eine Abfuhr der Motorwärme nicht notwendig ist.

Claims (8)

1. Kühlvorrichtung für einen zweistufigen Verdichter, der zusammen mit einem Verdampfer, einem Verflüssiger und einem Expansionsorgan in einem geschlossenen Käl­ temittelkreislauf einer Kälteanlage angeordnet ist und der eine Niederdruckstufe, eine Hochdruckstufe und eine die Niederdruckstufe und die Hochdruckstufe verbindende Zwischendruckstufe aufweist, wobei das die Niederdruckstufe verlassende, vorverdichtete Käl­ temittel durch vom Verflüssiger abgezweigtes und in die Zwischendruckstufe eingespritztes und entspann­ tes Kältemittel vor einer weiteren Verdichtung in der Hochdruckstufe kühlbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß das die Niederdruckstufe (2) des zweistufigen Ver­ dichters (1) verlassende, vorverdichtete Kältemittel durch vom Verflüssiger (5) abgezweigtes und über ein Expansionsorgan (11) in die Zwischendruckstufe (12) eingespritztes und entspanntes Kältemittel in Abhän­ gigkeit von der Temperatur in der Zwischendruck­ stufe (12) und von der Temperatur hinter der Hoch­ druckstufe (3) vor seiner weiteren Verdichtung in der Hochdruckstufe (2) geregelt kühlbar ist.

2. Kühlvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß das Expansionsorgan (11) so ausgebildet ist, daß am Austritt eine Mischung von gasförmigem und flüssigem Kältemittel mit einem möglichst hohen Gehalt an gasförmigem Kältemittel vorhanden ist.

3. Kühlvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß sowohl die Niederdruckstufe (2) als auch die Hochdruckstufe (3) des zweistufigen Ver­ dichters (1) jeweils wenigstens ein Niederdruck- bzw. Hochdruck-Kolbenzylinderaggregat umfassen.

4. Kühlvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das vom Verflüssiger (5) abgezweigte Kältemittel hinter dem Expansionsorgan (11) und vor seiner Einspritzung in die Zwischen­ druckstufe (12) durch einen Flüssigkeitsunterkühler (15) geleitet wird.

5. Kühlvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeich­ net, daß der Flüssigkeitsunterkühler (15) das vom Verflüssiger verflüssigte Kältemittel abkühlt, bevor es über das Expansionsorgan (6) in den Verdampfer (7) gelangt.

6. Kühlvorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß ein erster Tempera­ turfühler (13) in der Zwischendruckstufe (12) ange­ ordnet ist.

7. Kühlvorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß ein zweiter Tempera­ turfühler (14) am Ausgang der Hochdruckstufe (3) angeordnet ist.

8. Kühlvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß der zweite Temperaturfühler (14) innerhalb der Hochdruckstufe (3) angeordnet ist.