CH623125A5 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Kältemittel-Strömungssteuereinrichtung zum Drosseln des Kältemittel-Stromes und Aufrechterhalten eines minimalen Druckunterschiedes zwischen der Hochdruckseite und der Niederdruckseite einer Kältemaschine sowohl im Betrieb mit Nennbelastung als auch im Betrieb mit niedrigerer Belastung.

In bekannten Kältemaschinen grosser Leistung ist ein Kompressor vorgesehen, der gasförmiges Kältemittel aus einem Verdampfer absaugt, komprimiert und in einen Kondensator fördert, in welchem abgekühlt und kondensiert wird. An den Kondensator ist normalerweise ein Speicher angeschlossen, der im Kondensator gebildetes flüssiges Kältemittel aufnimmt, bevor dieses dem Verdampfer zugeleitet wird. Der Speicher enthält in der Regel Kältemittel sowohl in der flüssigen als auch in der gasförmigen Phase. Der Stand des flüssigen Kältemittels im Speicher hängt vom Druckunterschied zwischen der Hochdruckseite und der Nieder-druckseite der Maschine sowie von der Belastung der Maschine ab. Selbstverständlich sind der Kondensator und der Speicher auf der Hochdruckseite der Maschine angeordnet, während der Verdampfer auf der Niederdruckseite angeordnet ist. Der Kältemittelstrom vom Speicher zum Verdampfer wird durch einen Ventilmechanismus geregelt, der eine von der Belastung der Maschine abhängige Kältemittelmenge durchlässt, wobei automatische Steuermittel, wie z. B. An-saug-Leitschaufeln, Strömungsmengen entsprechend der Maschinenbelastung aufrecht erhalten. Die bekannten Ventilmechanismen für die Weiterleitung geeigneter Kältemittelmengen aus dem Speicher in den Verdampfer sind so ausgelegt, dass sie zwei Betriebszuständen einer Kältemaschine hoher Leistung gerecht werden, nämlich dem Betriebszustand bei Nennbelastung und dem Betriebszustand bei niedriger Belastung.

Für den Betrieb bei Nennbelastung ist im Speicher ein Schwimmerventil angeordnet, das die richtige Kältemittelmenge entsprechend dem Flüssigkeitsstand im Speicher durchlässt. Der Flüssigkeitsstand im Speicher ist seinerseits von der Belastung der Maschine abhängig. Der Verdampfer enthält eine Vielzahl von Röhren, die normalerweise in einem Röhrenbündel angeordnet sind und durch die ein von der Maschine zu kühlendes Medium in Wärmeaustauschbeziehung mit dem Kältemittel im Verdampfer strömt. Unter diesen Bedingungen reicht die vom zu kühlenden Medium an das Kältemittel abgegebene Wärme aus, um ein kräftiges Sieden des flüssigen Kältemittels im Verdampfer zu bewirken. Das siedende Kältemittel benetzt dann alle Röhren im Verdampfer, wodurch ein optimaler Wämeübergang zwischen dem Medium und dem Kältemittel gegeben ist.

Anderseits ist bei niedrigen Belastungen das Kältemittel im Speicher überwiegend im gasförmigen Zustand, wobei der Flüssigkeitsstand so niedrig ist, dass er das Schwimmerventil nicht öffnen kann. Zudem gibt das Medium bei niedrigen Belastungen eine relativ kleine Wärmemenge ab, so dass das Kältemittel nicht genügend kräftig siedet, um alle Röhren zu benetzen. Wenn aber die Röhren, besonders diejenigen in den oberen Reihen des Röhrenbündels, nicht vollständig benetzt werden, sinkt der Wirkungsgrad des Verdampfers. In langen Perioden mit niedrigen oder sehr niedrigen Belastungen kann der Betrieb der Kältemaschine unstabil werden. Um diesen praktischen Schwierigkeiten zu begegnen, sind verschiedene elektrische, pneumatische und mechanische Eirichtungen bekannt geworden, die das Schwimmerventil unabhängig vom Flüssigkeitsstand im Speicher in Abhängigkeit von einer Betriebscharakteristik der Kälte5

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maschine betätigen können. Die infolge der ferngesteuerten Betätigung dieser Einrichtungen durchgelassene Menge an gasförmigem und flüssigem Kältemittel sorgt durch Bewegung des flüssigen Kältemittels im Verdampfer für einen hohen Verdampferwirkungsgrad bei niedrigen Belastungen. Sie 5 stabilisiert ferner den Betrieb der Kältemaschine, in dem zwischen der Hochdruckseite und der Niederdruckseite ein genügender Druckunterschied aufrecht erhalten wird.

Die bekannten Kältemittel-Strömungssteuereinrichtungen enthalten also zwei getrennte Strömungssteuermechanismen, 10 von denen der eine nur bei Bedingungen mit normalen Belastungen- und der andere nur bei Bedingungen mit niedrigen Belastungen wirksam ist. Ein Nachteil solcher Einrichtungen besteht darin, dass sie zahlreiche bewegte Teile aufweisen, wodurch ihre Zuverlässigkeit und die Grösse und Form des jj Speichers nachteilig beeinflusst werden können. Zudem sind die bei niedrigen Belastungen wirksamen Steuermechanismen in der Regel elektrisch, mechanisch und/oder pneumatisch kompliziert, so dass für ihre Einstellung, Wartung und Reparaturen- ein hohes fachliches Können erforderlich ist. 20

Die Aufgabe der Erfindung hat daher darin bestanden,

eine Strömungssteuereinrichtung zu schaffen, die sowohl bei Nennbetriebsbedingungen als auch im Betrieb mit niedrigen Belastungen wirksam ist und die dabei mechanisch einfach und zuverlässig sein und für den Zusammenbau, Reparatu- 25 ren und Unterhalt nur ein minimales Können erfordern kann.

Die erfindungsgemässe Kältemittel-Strömungssteuereinrichtung der eingangs angegebenen Art ist gekennzeichnet durch eine Ventilsitzplatte mit einer kreisrunden Öffnung für den Durchtritt von Kältemittel, ein Ventilglied mit einer 30 konischen Oberfläche an einem Ende, die mit der kreisrunden Öffnung zusammenwirkt, um den Kältemittelstrom durch dieselbe zu regulieren, und mit einem Schaft am anderen Ende, einen an der Ventilsitzplatte befestigten Ventilgliedträger zum gleitbaren Halten des Ventilgliedes derart, dass 35 dieses zwischen einer Schliessstellung und einer Offenstellung bezüglich der kreisrunden Öffnung längs einer Linie verschiebbar ist, die mit der Achse des Ventilgliedes zusammenfällt und auf der Ebene der kreisrunden Öffnung senkrecht steht und diese Ebene im Zentrum der kreisrunden 40 Öffnung schneidet, wobei sowohl in der Schliessstellung als auch in der Offenstellung jeweils ein ringförmiger Spalt vorbestimmter Weite für den Durchtritt von Kältemittel im Betrieb der Kältemaschine mit der niedrigeren Belastung bzw. im Betrieb mit Nennbelastung vorhanden ist, und ein 45 federndes Element, das zwischen dem Ventilglied und dem Ventilgliedträger mit der Achse des Ventilgliedes mindestens annähernd zusammenfallender Wirkungslinie wirksam ist und dafür sorgt, dass das Ventilglied im Betrieb der Kältemaschine mit der niedrigeren Belastung gegen die Schliessstellung 50 und im Betrieb mit der Nennbelastung gegen die Offenstellung geschoben wird.

Für die genaue Einstellung der vorbestimmten Weite des Spaltes in der Schliessstellung des Ventilgliedes kann zwischen der Ventilsitzplatte und dem Ventilgliedträger eine 55 abschälbare Unterlegscheibe angeordnet sein.

Anhand der Zeichnung wird nachstehend ein Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläutert. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 eine schematische Ansicht einer Kältemaschine, 6Q wobei der Verdampfer-Kondensator-Abschnitt der Maschine im Schnitt dargestellt ist und wobei in einem Strömungssteuermechanismus der Maschine ein Ventilglied in einer Schliessstellung gezeigt ist,

Fig. 2 eine Teilansicht eines Speicherabschnittes der fi5 Kältemaschine gemäss Fig. 1, wobei im Steuermechanismus das Ventilglied in Offenstellung gezeigt ist,

Fig. 2a in einem Ausschnitt einen Querschnitt durch eine konische Oberfläche des Ventilgliedes und die kreisrunde Ventilöffnung, wobei die gegenseitige Anordnung derselben bei in Schliessstellung befindlichem Ventilglied dargestellt ist und

Fig. 3 eine aufgeschnittene perspektivische Ansicht des Strömungssteuermechanismus.

In Fig. 1 ist eine Zentrifugal-Kältemaschine 1 für die Kühlung einer relativ grossen Menge von Wasser oder Sole dargestellt. Kältemaschinen dieser Art werden zum Kühlen von Wasser oder Sole verwendet, die in einem geschlossenen Kreislauf zirkulieren, welcher einen Teil einer Luftkondi-tionierungsanlage bildet. Die Maschine 1, die einen Kompressor 2 enthält, welcher von einem durch das Kältemittel gekühlten Motor angetrieben wird, besitzt ein Gehäuse 12, das die Verdampfer-Kondensator-Einheit der Maschine aufnimmt. Eine Trennwand 4 in dem Gehäuse 12 trennt einen Hochdruck-Kondensatorabschnitt 5 von einem Niederdruck-Verdampferabschnitt 6. Im Verdampferabschnitt 6 ist ein Röhrenbündel 7 angeordnet, das vom zu kühlenden Wasser durchströmt ist.

Ein Kältemittelspeicher 10 nimmt gasförmiges und flüssiges Kältemittel auf, das vom Kondensator 5 über Öffnungen 11 und 11' abgegeben wird. Die Hochdruckseite der Kältemaschine ist von der Niederdruckseite durch eine Wand 13 dieses Speichers 10 getrennt, an der ein Strömungssteuermechanismus 14 für den Kältemittelstrom angeordnet ist.

Gemäss Fig. 3 besitzt der Strömungssteuermechanismus 14 eine Ventilsitzplatte 20, ein Ventilglied 25 mit einer konischen Oberfläche 26 an einem Ende, einen Ventilgliedträger 30 und eine Schraubenfeder 35. Die Ventilsitzplatte 20 weist eine kreisrunde Öffnung 21 auf, die mit der konischen Oberfläche 26 des Ventilgliedes 25 zusammenwirkt. In gleichen Abständen vom Zentrum der kreisrunden Öffnung 21 sind mehrere auf einem Umfang in Abständen voneinander angeordnete Löcher 23 zum Anschrauben der Ventilsitzplatte 20 an der Wand 13 vorgesehen (Fig. 2). Der Ventilgliedträger 30 ist eine starre, einstückige Konstruktion mit einem ringförmigen Element 31, einer kreisrunden hinteren Abschlussplatte 32, einer zylindrischen Ventilglied-Führung 33, die die hintere Abschlussplatte durchsetzt und von dieser nach vorn ragt, und mehreren parallelen, starren Rippen 34. Der Ventilgliedträger wird über das ringförmige Element 31 mittels Schrauben 22 so an der Ventilsitzplatte

20 befestigt, dass die Achse der zylindrischen Führung 33 auf der Ebene der kreisrunden Öffnung 21 senkrecht steht und durch das Zentrum dieser Öffnung geht. Das Ventilglied 25 weist am Ende eines abgesetzten Schaftes mit kreisrundem Querschnitt einen konischen Abschnitt auf, der mit der kreisrunden Öffnung 21 zusammenwirkt. Der abgesetzte Schaft besteht aus einem Führungsabschnitt 27,

dessen Aussendurchmesser geringfügig kleiner ist als der Innendurchmesser der zylindrischen Ventilglied-Führung 33 und der daher mit einem Gleitsitz in diese Führung passt, und einem Anschlagabschnitt 28, dessen Aussendurchmesser gleich dem Aussendurchmesser der zylindrischen Ventilglied-Führung 33 ist und der die Gleitbewegung des Ventilgliedes 25 auf eine Strecke begrenzt, deren Grösse von der Betriebscharakteristik der Maschine abhängt. Die Bewegung des Ventilgliedes 25 in Richtung gegen die kreisrunde Öffnung

21 wird von einem Anschlagring 29 begrenzt. Die Schraubenfeder 35 hat eine mit der Achse des Ventilgliedes 25 zusammenfallende Wirkungslinie und drückt das Ventilglied in Richtung gegen die Öffnung 21. Die Feder ist von der zylindrischen Führung 33 und vom Anschlagabschnitt 28 des Ventilgliedes 25 geführt. Die Federkonstante ist so gewählt, dass nur ein geringer Anstieg des Druckunterschiedes am Ventilglied erforderlich ist, um dieses aus einer Mittelstellung in eine ganz geöffnete Stellung zu bringen.

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Im zusammengebauten Zustand des Strömungssteuermechanismus 14 ist das von der zylindrischen Führung 33 geführte Ventilglied 25 zwischen der in Fig. 1 und 2a dargestellten Schliessstellung und der in Fig. 2 gezeigten Offenstellung verschiebbar. Die Schliessstellung des Ventilgliedes 5 25 ist durch den Anschlagring 29 bestimmt, und zwar derart, dass zwischen der konischen Oberfläche 26 und der kreisrunden Öffnung 21 ein ringförmiger Spalt verbleibt, dessen Grösse in Abhängigkeit von der Betriebscharakteristik der Kältemaschine voreingestellt wird. Der schmale Spalt zwi- 10 sehen der konischen Oberfläche 26 des Ventilgliedes und der kreisrunden Öffnung 21, der in der Schliessstellung des Ventilgliedes vorhanden ist, ist in Fig. 2a dargestellt. Um die Einstellung des ringförmigen Spaltes auf die vorbestimmte Grösse beim Zusammenbau zu erleichtern, ist zwischen der 15 Ventilsitzplatte 20 und dem ringförmigen Element 31 des Ventilgliedträgers 30 eine abschälbare ringförmige Unterlegscheibe 40 angeordnet. Dank der Verwendung dieser abschälbaren Unterlegscheibe kann die vorbestimmte Grösse des ringförmigen Spaltes sehr genau eingestellt werden. 20

In der Offenstellung hat der ringförmige Spalt zwischen der konischen Oberfläche 26 des Ventilgliedes und der kreisrunden Öffnung 21 der Ventilsitzplatte eine Grösse, die ebenfalls in Abhängigkeit von der Betriebscharakteristik der Kältemaschie vorbestimmt ist. Die Spaltweite ist bestimmt 25 durch den Abstand zwischen dem Anschlagabschnitt 28 des Ventilgliedes in dessen Schliessstellung und der zylindrischen Führung 33. Eine hohe Genauigkeit der Weite des ringförmigen Spaltes in der Offenstellung des Ventilgliedes wird auch bei relativ grossen Toleranzen im maximalen Weg des Ventil- 30 gliedes erreicht, weil das Verhältnis der Änderung der Spaltweite zur Änderung des axialen Abstandes wesentlich kleiner als 1 ist. Wenn beispielsweise die Erzeugende der konischen Oberfläche 26 mit der Achse einen Winkel von 20° bildet,

dann ist das genannte Verhältnis etwa 1:3. 35

Im Betrieb des Kältemittel-Strömungssteuermechanismus wird bei solchen Betriebsbedingungen, bei denen der Druckunterschied zwischen der Hochdruckseite und der Niederdruckseite einen vorbestimmten, von der Betriebscharakteristik der Maschine abhängigen Minimalwert übersteigt, 40 das Ventilglied durch diesen Druckunterschied aus der Schliessstellung in die Offenstellung geschoben. Wie schon erwähnt, ist wegen der kleinen Federkonstante der Feder 35 schon eine kleine Änderung des Druckunterschiedes über den genannten Minimalwert hinaus ausreichend, um das 45 Ventilglied ganz in die Offenstellung zu verbringen.

Der Kältemittelstrom von der Hochdruckseite auf die Niederdruckseite bei einem Druckunterschied über dem genannten Minimalwert kann als Strom bei normalen Betriebsbedingungen bezeichnet werden, bei denen das Ventilglied in der Offenstellung verbleibt. Unter diesen Bedingungen liegt der Spiegel des flüssigen Kältemittels im Speicher 10 gewöhnlich über der kreisrunden Öffnung 21. Da die Strömung durch die kreisrunde Öffnung unter Druck erfolgt, werden die konisch verlaufenden Stromlinien weitgehend von der Feder 35 und der Ventilgliedführung 33 weg gelenkt, wodurch die Korrosionswirkung des Kältemittels auf den Ventilgliedschaft und dessen zylindrische Führung auf ein Minimum beschhränkt bleibt. Festkörper im Kältemittel, welche durch ein Schutzsieb 41 hindurchtreten, werden durch die konische Strömung ebenfalls von der zylindrischen Führung 33 weg gelenkt, so dass sie sich nicht in der Führung 33 ansammeln.

Wenn der Druckunterschied zwischen der Hochdruckseite und der Niederdruckseite unter den vorbestimmten Minimalwert sinkt, wenn also Bedingungen herrschen, die als Betriebsbedingungen mit geringer Förderhöhe bezeichnet werden können, dann bewegt sich das Ventilglied 25 in die Schliessstellung. Dadurch wird die Menge des vom Speicher 10 zum Verdampfer 6 strömenden Kältemittels drastisch reduziert. Daher wird sich Kältemittel im Speicher 10 und folglich auch im Kondensator 5 ansammeln. Dieses Kältemittel wird dem Verdampfer 6 entzogen. Als Folge dieser Kältemittelverschiebung steigen sowohl im Verdampfer als auch im Kondensator die Austrittstemperaturunterschiede, wodurch der Druckunterschied in der Maschine angehoben wird. Dieser Prozess geht weiter, bis ein Gleichgewichtszustand erreicht ist, in welchem der Druckunterschied über dem genannten Minimalwert liegt.

Bei niedriger Belastung der Maschine kann das Kältemittel im Speicher 10 sowohl im flüssigen als auch im gasförmigen Zustand vorliegen, jedoch überwiegend im gasförmigen Zustand, so dass der Flüssigkeitsspiegel gewöhnlich unter der Höhe der kreisrunden Öffnung 21 liegt. Um den Wirkungsgrad des Verdampfers hoch zu halten, ist es aber erwünscht, dem Verdampfer sowohl flüssiges als auch gasförmiges Kältemittel zuzuführen, damit die Flüssigkeit im Verdampfer in Bewegung bleibt und alle Röhren des Röhrenbündels benetzt. Dies wird mit dem von der kreisrunden Öffnung 21 und dem Ventilglied 25 gebildeten ringförmigen Spalt erreicht. Dieser ringförmige Spalt erhöht bei niedrigen Belastungen nicht nur den Wirkungsgrad des Verdampfers, sondern stabilisiert auch den im Kurzschluss von der Hochdruckseite auf die Niederdruckseite fliessenden Dampfstrom.

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1 Blatt Zeichnungen

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1. Kältemittel-Strömungssteuereinrichtung zum Drosseln des Kältemittelstromes und Aufrechterhalten eines minimalen Druckunterschiedes zwischen der Hochdruckseite und der Niederdruckseite einer Kältemaschine sowohl im Betrieb mit Nennbelastung als auch im Betrieb mit niedrigerer Belastung, gekennzeichnet durch eine Ventilsitzplatte (20) mit einer kreisrunden Öffnung (21) für den Durchtritt von Kältemittel, ein Ventilglied (25) mit einer konischen Oberfläche (26) an einem Ende, die mit der kreisrunden Öffnung (21) zusammenwirkt, um den Kältemittelstrom durch dieselbe zu regulieren, und mit einem Schaft (27, 28) am anderen End, einen an der Ventilsitzplatte (20) befestigten Ventilgliedträger (30) zum gleitbaren Halten des Ventilgliedes (25) derart, dass dieses zwischen einer tSchliessstellungund einer Offenstellung bezüglich der kreisrunden Öffnung (21) längs einer Linie verschiebbar ist, die mit der Achse des Ventilgliedes (25) zusammenfällt und auf der Ebene der kreisrunden Öffnung (21) senkrecht steht und diese Ebene im Zentrum der kreisrunden Öffnung schneidet, wobei sowohl in der Schliessstellung als auch in der Offenstellung jeweils ein ringförmiger Spalt vorbestimmter Weite für den Durchtritt von Kältemittel im Betrieb der Kältemaschine mit der niedrigeren Belastung bzw. im Betrieb mit Nennbelastung vorhanden ist, und ein federndes Element (35), das zwischen dem Ventilglied (25) und dem Ventilgliedträger (30) mit der Achse des Ventilgliedes mindestens annähernd zusammenfallender Wirkungslinie wirksam ist und dafür sorgt, dass das Ventilglied (25) im Betrieb der Kältemaschine mit der niedrigeren Belastung gegen die Schliessstellung und im Betrieb mit der Nennbelastung gegen die Offenstellung geschoben wird.

2. Strömungssteuereinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Schaft (27, 28) des Ventilgliedes (25) abgesetzt ist und einen Führungsabschnitt (27) und einen Anschlagabschnitt (28) aufweist und dass der Ventilgliedträger (30) eine einstückige, starre Konstruktion ist, die ein ringförmiges Element (31) aufweist, welches mit einer kreisrunden hinteren Abschlussplatte (32) über mehrere parallele Rippen (34) starr verbunden ist, wobei das ringförmige Element (31) dazu eingerichtet ist, den Ventilgliedträger (30) konzentrisch zur kreisrunden Öffnung (21) der Ventilsitz-platte (20) an dieser zu befestigen, und wobei die kreisrunde hintere Abschlussplatte (32) eine zylindrische Ventilglied-Führung (33) aufweist, die die Abschlussplatte (32) durchsetzt und von dieser nach vorn ragt, die Achse der Ventilglied-Führung (33) auf dem ringförmigen Element (31) und der hinteren Abschlussplatte (32) senkrecht steht und durch deren Zentren geht, der Innendurchmesser der Ventilglied-Führung (33) mit dem Führungsabschnitt (27) des Ventilgliedschaftes einen Gleitsitz bildet und der Aussendurch-messer der Ventilglied-Führung (33) gleich dem Aussen-durchmesser des Anschlagabschnittes (28) des Ventilgliedschaftes ist, um das Ventilglied (25) bei seiner Verschiebung längs seiner Achse zwischen der Schliessstellun gund der Offenstellung zu führen.

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PATENTANSPRÜCHE

3. Strömungssteuereinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das federnde Element (35) eine zwischen dem konischen Abschnitt des Ventilgliedes (25) und der kreisrunden hinteren Abschlussplatte (32) des Ventilgliedträgers (30) wirkende Schraubenfeder ist, die auf der zylindrischen Ventilglied-Führung (33) und auf dem Anschlagabschnitt (28) des Ventilgliedschaftes geführt ist.

4. Strömungssteuereinrichtung nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch eine abschälbare ringförmige Unterlegscheibe (40) zwischen der Ventilsitzplatte (20) und dem Ventilgliedträger (30) zur Einstellung der vorbestimmten Weite des ringförmigen Spaltes in der Schliessstellung des Ventilgliedes (25).