DE1501175B2 - Kühlanlage mit einem dem Verdampfer vorgeschalteten Drosselventil - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Kühlanlage mit einem dem Verdampfer vorgeschalteten Drosselventil, das in Abhängigkeit von Druck- und Temperaturänderungen des Kältemittels am Ausgang des Verflüssigers derart gesteuert wird, daß bei einer Erhöhung des Kältemitteldrucks und einer Erniedrigung der Kältemitteltemperatur das Drosselventil öffnet, und umgekehrt.

In dem älteren deutschen Patent 1 501 172 ist eine Klimaanlage dieser Art vorgeschlagen, bei der das Drosselventil derart geregelt ist, daß es den Verdampfer mit flüssigem Kältemittel vom Verflüssiger ständig in dem Maße beschickt, in dem flüssiges Kältemittel im Verdampfer und in einem im Speicher der Klimaanlage untergebrachten Wärmeaustauscher zusammengenommen verdampft wird. Das hierzu erforderliche druckabhängige Drosselventil muß für große Kühlanlagen erhebliche Abmessungen haben. Dies führt zu Herstellungsschwierigkeiten; derart große Ventile sind nicht handelsüblich und müssen ill Sonderanfertigung bestellt werden.

Aus der USA.-Patentschrift 2 571 625 ist ein Drosselventil für eine Kühlanlage bekannt, das von einem Steuerventil mittels eines Betätigungsdruckmittels gesteuert wird. Das Steuerventil spricht auf Druck- und Temperaturänderungen des Kältemittels am Verdampferausgang derart' an, daß bei einer Erhöhung des Kältemitteldruckes und einer Erniedrigung der

ίο Kältemitteltemperatur das Drosselventil schließt und umgekehrt. Diese Einrichtung ist für trockene Verdampfer geeignet, bei denen das Kältemittel bereits als überhitzer Dampf den Verdampfer verläßt. Das gesteuerte Drosselventil soll gerade dazu dienen, das Eindringen von flüssigen Kältemittelresten in den Verdichter zu verhindern. Im vorliegenden Falle handelt es sich dagegen um einen nassen Verdampfer, bei dem der Rückfluß flüssigen Kältemittels in den Kompressor auf anderem Wege, nämlich durch einen zwischengeschalteten Sammelbehälter mit Wärmeaustauscher verhindert wird.

Die Erfindung hat die Aufgabe, die Kühlanlage nach der erwähnten älteren Patentanmeldung so weiterzuentwickeln, daß sie auch bei großen Leistungen ein verhältnismäßig kleines gesteuertes Drosselventil erfordert, das billig herzustellen und einzubauen ist.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist erfindungsgemäß das Drosselventil von einem (wie erwähnt, an sich bekannten) das Drosselventil mit einem Betätigungsdruckmittel beaufschlagenden Steuerventil gesteuert, das seinerseits auf die Druck- und Temperaturänderungen des Kältemittels am Ausgang des Verflüssigers anspricht.

Vorzugsweise ist dem Steuerventil ein normalerweise geschlossenes Pilotventil parallel geschaltet, das bei einem bestimmten Druckabfall des Kältemittels am Auslaß des Verdampfers sich öffnet, um ein Verarmen des Verdampfers bei sehr niedrigen Außentemperaturen zu verhindern. Ferner kann dem Steuerventil in der Betätigungsdruckleitung ein normalerweise geöffnetes Pilotventil vorgeschaltet sein, das sich bei einem bestimmten Druckanstieg des Kältemittels am Auslaß des Verdampfers schließt, um so eine Überlastung oder eine selbsttätige Abschaltung des Kompressors beim Anlaufen der Kühlanlage unter hoher Umgebungstemperatur zu verhindern.

Die Erfindung wird nachstehend an Hand der Zeichnung beschrieben. Hierin sind

F i g. 1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Kühlanlage,

F i g. 2 eine Schnittdarstellung des vom Verdampfer gesteuerten Pilotventils in F i g. 1,
F i g. 3 eine Schnittdarstellung des vom Verflüssi-

ger betätigten Steuerventils in F i g. 1 und

F i g. 4 eine Schnittdarstellung des Hauptdrosselventils in Fig. 1.

Gemäß F i g. 1 ist der in bekannter Weise hermetisch geschlossene Kältemittelkompressor C mit gekapseltem Elektromotor CM über eine Druckgasleitung 10 mit dem einen Ende der Verflüssigerschlange 11 verbunden. Das andere Ende des Verflüssigers ist über eine Druckflüssigkeitsleitung 12 und einen im Sammler 13 untergebrachten Wärmetauscher (nicht dargestellt) mit dem Einlaß des Hauptdrosselventils 14 verbunden, dessen Auslaß über das Rohr 15 mit dem Einlaß eines Verdampfers 16 verbunden ist, von dessen Auslaß ein Rohr 17

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Zürn Dom des Sammlers 13 führt. Der Sammler 13, dessert Aufbau im einzelnen bekannt ist, steht über ein Saugrohr 18 mit der Saugseite des Kompressors C in Verbindung,

Die Hochdruckleitung 12 ist ferner an einer Stelle zwischen dem Sammler 13 und dem Drosselventil 14 mit einem Rohr 20 verbunden, das über ein Ventil 21 zu den Einlassen eines Steuerventils 22 und eines Pilotventils 23 führt. Die Auslässe der Ventile 22 und 23 sind über ein Rohr 24 und ein Magnetventil 25 mit der Oberseite der Schieberkammer 26 des Drosselventils 14 verbunden.

Das Pilotventil 23 besitzt eine Membrankammer 30, in der eine Membran 31 (F i g. 2) ausgespannt ist. Das Abteil der Kammer 30 unterhalb der Membran 31 ist über ein Kapillarrohr 32 mit dem Rohr 17 verbunden. Zwischen Einlaß und Auslaß des Ventils 23 befindet sich eine Scheidewand mit einem Ventilsitz 35. Ein Ventilkörper 36 unterhalb des Ventilsitzes 35 ist über eine Ventilspindel 37 mit der Membran 31 verbunden, während eine zwischen der Membran 31 und der Oberseite der Kammer 30 befindliche Schraubenfeder 38 den Ventilkörper 36 zu öffnen sucht.

Das Ventil 21 ist in gleicher Weise wie das Ventil 23 aufgebaut, jedoch ist es auf Schließung bei einem anderen Druck eingestellt. Die eine Seite seiner Membrankammer 39 ist über ein Kapillarrohr 40 mit dem Rohr 32 verbunden.

Das Steuerventil 22 besitzt eine Membrankammer 41 mit einer Membran 42 und eine Scheidewand 43 mit einem Ventilsitz 44 zwischen Einlaß und Auslaß. Ein Ventilkörper 45 oberhalb des Ventilsitzes 44 ist über eine Ventilspindel 46 mit der Membran 42 verbunden. Eine die Spindel 46 umgebende Schraubenfeder 47, die zwischen der unteren Wand der Kammer 41 und der Oberseite des Ventilkörpers 45 eingespannt ist, sucht das Ventil zu schließen. Der Raum oberhalb der Membran 42 ist über ein Kapillarrohr 50 mit einer Thermometerkugel 51 verbunden, die an einer Stelle zwischen dem Speicher 13 und dem Verflüssiger 11 in wärmeleitender Berührung mit der Leitung 12 steht. Der Raum der Kammer 41 unterhalb der Membran 42 steht über ein Kapillarrohr 52 an einer Stelle in der Nähe der Thermometerkugel 51 mit dem Inneren des Rohres 12 in Verbindung.

Wie F i g. 4 zeigt, ist in der Schieberkammer 25 des Drosselventils 14 ein Kolbenschieber 55 verschiebbar. Die Scheidewand 56 trennt Einlaß und Auslaß des Drosselventils 14 und ist mit einem Ventilsitz 57 versehen. Ein Ventilkörper 58 unterhalb des Ventilsitzes 57 ist über eine Spindel 59 mit dem Schieber 55 verbunden und eine zwischen dem Ventilkörper 58 und dem Boden des Ventils 14 befindliche Schraubenfeder 60 sucht das Ventil 58 zu schließen. Der Schieber 55 weist einen Druckausgleichskanal 61 auf.

Gemäß Fig. 1 wird das Ventil 25 von einem Elektromagneten 65 betätigt, der über Adern 66 und 69 mit der Netzleitung Ll und über die Ader 70 und den Schaltkontakt S 2 des Starters MS mit der Netzleitung L1 verbunden ist. Der Kompressormotor CM ist einerseits unmittelbar mit der Netzleitung L1 und andererseits über den Schaltkontakt SL des Motorstarters MS und die Ader 66 mit der Netzleitung LI verbunden. Ferner ist die Betätigungswicklung des Starters MS über den Schalter TS des Thermostaten T und die Adern 67 und 68 an die Netzleitungen Ll und Ll angeschlossen.

Arbeitsweise

Wenn die am Thermostaten Γ eingestellte Kühlgüttemperatur überschritten wird, schließt der Thermostat den Schalter TS, wodurch der Motofstarter MS anzieht. Ef schließt seine Kontakte S1 und S 2. Infolgedessen läuft der Kompressormotor CM an,

id und gleichzeitig kommt der Magnet 65 unter Strom und öffnet das Ventil 25. Der Kompressor C liefert Druckgas über die Leitung 10 zum Verflüssiger 11. Das verflüssigte Kältemittel Strömt Vom Verflüssiger 11 durch das Rohr 12 und den Wärmetauscher im Sammler 13 zum Drosselventil 14, das die in den Verdampfer 16 gelangende Kältemittelmenge bestimmt. Das dort verdampfte Kältemittel und das nicht verdampfte flüssige Kältemittel strömen aus dem Verdampfer 16 durch das Rohr 17 in deri Sammler 13, wo sich das Gas von der Flüssigkeit trennt und allein über das Saugrohr 18 in den Kompressor C zurückströmt.

Das Ventil 21 ist so eingestellt, daß es im Normalbetrieb offen ist, so daß flüssiges Kältemittel aus dem Rohr 12 zu den Einlassen der Steuerventile 22 und 23 gelangen kann. Die Einstellung des Ventils 21 ist so getroffen, daß es zu schließen beginnt, wenn der Druck am Ausgang des Verdampfers 16 einen bestimmten Wert, z. B. 5,7 Atm., übersteigt.

Das Pilotventil 23 ist im Normalbetrieb, wenn der Verdampferdruck normal ist, geschlossen und öffnet sich nur, wenn der Verdampfer 16 an Kältemittel zu verarmen beginnt.

Im Normalbetrieb stellt das Steuerventil 22 das Drosselventil 14 so ein, daß es dem Verdampfer 16 das Kältemittel in gleicher Menge zuführt, in welcher es im Verflüssiger 11 kondensiert wird, wobei eine bestimmte Unterkühlung von z. B. — 12° C bei einer Verflüssigungstemperatur von 38° C aufrechterhalten wird. Eine Temperaturzunahme des flüssigen Kältemittels im Rohr 12 wirkt über die Thermometerkugel 51, das Kapillarrohr 50 und die Membran 42 des Ventils 22 auf den Ventilkörper 45, so daß das Ventil 22 sich weiter schließt und der Flüssigkeitsdruck oberhalb des Schiebers 55 des Drosselventils 14 abnimmt, wodurch der Ventilkörper 58 sich stärker schließt und mehr flüssiges Kältemittel im Verflüssiger 11 zurückhält, wodurch die Drosselwirkung und damit die Unterkühlung der Flüssigkeit verstärkt wird. Ein erhöhter Flüssigkeitsdruck im Rohr 12 wirkt über das Kapillarrohr 52 und die Membran 42 auf den Ventilkörper 45 des Steuerventils 22 im Sinne einer öffnung desselben ein, wodurch der Flüssigkeitsdruck oberhalb des Steuerschiebers 55 erhöht und der Ventilkörper 58 des Drosselventils 14 stärker geöffnet wird. Wenn die Kondensationsgeschwindigkeit des Kältemittels im Verflüssiger 11 zunimmt und das Drosselventil 14 hierfür nicht genügend offen ist, staut sich die Flüssigkeit im Verflüssiger 11, bis der Druck so weit ansteigt oder die Temperatur so weit absinkt, daß das Steuerventil 22 das Drosselventil 14 stärker öffnet und umgekehrt. Ändert sich die Kondensationsgeschwindigkeit, so stellt das Steuerventil 22 jeweils das Drosselventil 14 derart nach, daß das letztere das Kältemittel dem Verdampfer 16 im gleichen Maße zuführt, in welchem es im Verflüssiger 11 kondensiert wird, was der Verdampfungsgeschwindigkeit im

Verdampfer 16 und dem Sammler 13 entspricht, wodurch sich eine ständige Überfütterung des Verdampfers 16 mit flüssigem Kältemittel ergibt.

Bei anomalen Betriebsbedingungen, z.B. sehr niedrigen Außentemperaturen oder anderen Bedingungen, die zu sehr niedrigen Kondensationsdrücken führen, kann es vorkommen, daß die Abkühlung des flüssigen Kältemittels in der Umgebung des Thermometers 51 nicht ausreicht, um das Steuerventil 22 zu einer ausreichenden öffnung des Drosselventils 14 zu bringen, so daß der Verdampfer 16 fortschreitend an flüssigem Kältemittel verarmt. In solchen Fällen spricht das Pilotventil 23 über das Kapillarrohr 32 auf den verringerten Kältemitteldruck im Rohr 17 am Auslaß des Verdampfers 16 an, und infolge des Druckabfalls unterhalb der Membran 31 des Ventils 23 kann die Feder 38 den Ventilkörper 36 öffnen, wodurch Druckflüssigkeit zur Oberseite des Steuerschiebers 55 gelangt, so daß das Drosselventil 14 sich ausreichend öffnet, um die Weiterversorgung des Verdampfers 16 mit Kältemittel zu sichern.

Die Druckausgleichsbohrung 61 im Steuerschieber 55 ermöglicht den Druckausgleich zwischen der Oberseite des Steuerschiebers und dem Ventilauslaß 15, wodurch die Feder 60 den Ventilkörper 58 im Sinne einer Schließung des Ventils 14 verschieben kann.

Beim Einschalten der Kühlanlage können besondere Probleme auftreten. Wenn es sich z.B. um eine Wasserkühlanlage handelt, die bei einer Außentemperatur von 40° C arbeiten muß, so beträgt die Ausgangstemperatur des zu kühlenden Wassers oft 32° C und mehr. Das bedeutet, daß der Kompressor bei sehr hohen Ansaugdrücken und entsprechend hohen Auslaßdrücken arbeiten muß, bis das Wasser auf eine Temperatur unter 13° C abgekühlt ist. Der Verflüssiger ist zwar z.B. für den Betrieb bei einer Außentemperatur von etwa 46° C bemessen, aber nur, wenn die Wassertemperatur am Ausgang des Wasserkühlers etwa 10° C beträgt. Infolgedessen ist der Kompressor anfangs stark überlastet und wird ständig durch seinen Überlastschalter oder Uberdruckschalter ausgeschaltet. Das Pilotventil 21 verhindert das. Wenn der Verdampferdruck über 5,7 Atm. ansteigt, wird das Ventil 21 über das Kapillarrohr 40 teilweise geschlossen, wodurch die dem Steuerventil 22 bzw. dem Pilotventil 23 zugeführte Flüssigkeitsmenge abnimmt und das Drosselventil 14 sich stärker schließt, so daß der Verdampfer verarmt und dadurch übermäßige Kältemitteldrücke und eine entsprechende Überlastung des Kompressormotors vermieden werden.

Stellt der Thermostat T eine ausreichende Temperaturerniedrigung des Kühlgutes fest, so öffnet er seinen Schalter TS, wodurch der Motorstarter MS abfällt und durch öffnung der Kontakte 51 und 52 den Kompressormotor CM sowie den Elektromagneten 65 stromlos macht. Infolgedessen schließt sich das Ventil 25 in der Steuerleitung 24, so daß der Flüssigkeitsdruck oberhalb des Steuerschiebers 55 aufhört und die Feder 60 den Ventilkörper 58 infolge der Ausgleichsbohrung schließen kann.

Da sich die Ventile 21, 22, 23 und 25 in der Flüssigkeitsdruckleitung für die Schieberkammer 26 des Drosselventils 14 befinden, können sie verhältnismäßig klein sein. Beispielsweise genügen zur Steuerung eines Drosselventils 14 mit einer Belastbarkeit von 28,8 X 10⁶ kg-Cal Steuerventile mit einer Belastbarkeit von 21,8 X 10⁴ kg-Cal.

Das vorstehend beschriebene Ausführungsbeispiel betraf eine nichtreversible Anlage mit Verflüssiger und Verdampfer. Die Erfindung kann aber auch bei Wärmepumpen und anderen Anordnungen verwendet werden, bei denen der Verdampfer als Wasseroder Flüssigkeitskühler dient und/oder der Kondensator flüssigkeitsgekühlt ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

Patentansprüche:

1. Kühlanlage mit einem dem Verdampfer vorgeschalteten Drosselventil, das in Abhängigkeit von Druck- und Temperaturänderungen des Kältemittels am Ausgang des Verflüssigers derart gesteuert wird, daß bei einer Erhöhung des Kältemitteldrucks und einer Erniedrigung der Kältemitteltemperatur das Drosselventil öffnet, und umgekehrt, dadurch gekennzeichnet, daß das Drosselventil (14) von einem an sich bekannten, das Drosselventil mit einem Betätigungsdruckmittel beaufschlagenden Steuerventil (22) gesteuert ist, das seinerseits auf die Druck- und Temperaturänderungen des Kältemittels am Ausgang des Verflüssigers (11) anspricht,

2. Kühlanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dem Steuerventil (22) ein normalerweise geschlossenes Pilotventil (23) parallel geschaltet ist, das bei einem bestimmten Druckabfall des Kältemittels am Auslaß des Verdampfers (16) sich öffnet.

3. Kühlanlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß dem Steuerventil (22) in der Betätigungsdruckleitung (20) ein normalerweise geöffnetes Pilotventil (21) vorgeschaltet ist, das sich bei einem bestimmten Druckanstieg des Kältemittels am Auslaß des Verdampfers schließt.

4. Kühlanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch ein in der Betätigungsdruckleitung liegendes Absperrventil (25), das beim Abschalten des Kompressors geschlossen und beim Einschalten des Kompressors geöffnet wird.

5. Kühlanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Einlaß der Betätigungsdruckleitung (20) in Verbindung mit dem Kältemittelkreislauf steht.

6. Kühlanlage nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Betätigungsdruckleitung (20) zwischen dem Verflüssiger (11) und dem Drosselventil (14) an die Kältemittelleitung (12) angeschlossen ist.