DE3141202A1

DE3141202A1 - Verfahren zur kaelteerzeugung in kompressorkuehlsystemen

Info

Publication number: DE3141202A1
Application number: DE19813141202
Authority: DE
Inventors: Efim Semenovi&ccaron; Bondar; Igor Petrovi&ccaron; Naumenko; Vladimir Aleksandrovi&ccaron; Nikolsky; Vladimir Nikolaevi&ccaron; Orlov; Vladimir Ivanovi&ccaron; Kiev Tichonov; Evgenij Nikolaevi&ccaron; Moskva Va&scaron;nov; Valerij Fedorovi&ccaron; Vozny; Valerij Michailovi&ccaron; Kiev Yagodin
Original assignee: VNI EX K I ELEKTRO
Current assignee: VNI EX K I ELEKTRO
Priority date: 1980-10-16
Filing date: 1981-10-16
Publication date: 1982-06-03
Also published as: IT1139228B; ATA438981A; GB2133031A; FR2492511A1; PL233464A1; DE3141202C2; AT392570B; GB8327021D0; GB2133031B; PL132450B1; GB2085565A; FR2492511B1; IT8124519A0; GB2085565B

Description

3U1202

Vsesojuzny Nauchno-Issledovatelsky Experimentalno-Kons truktorsky Institut Elektroby tovykh Mashin i Priborov . " Kiev, UdSSR

Verfahren zur Kälteerzeugung in Kompressorkühlsystemen

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Kälteerzeugung in Kühlsystemen mit Kompressxonskühlaggregaten, die Anwendung dieses Verfahrens auf Kompressionskühlschränke "mit mindestens zwei Kältekämmern sowie'Kältemittel zur Durchführung des Verfahrens.

Allgemein bekannt ist ein Verfahren zum Einfrieren und zur Aufbewahrung von Produkten in Haushaltskühlschränken mit Kompressionskühlaggregat, das darauf beruht, daß die.Produkte in eine oder mehrere Kühlkammern eingebracht werden, wobei in der Tiefkühlkammer, die zum Einfrieren und zur Dauerlagerung dient, die Temperatur beim Einfrieren -24 ⁰C und bei der Dauer-

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lagerung -18 ⁰C nicht überschreiten darf, und in der Kühlkammer zur kurzzeitigen Aufbewahrung eine Temperatur im Bereich von O bis * 5 ⁰C aufrechterhalten wird.' Unter einer kurzzeitigen Aufbewahrung werden dabei Aufbewahrungsdauern von 2 bis 7 Tagen und unter Dauerlagerung Lagerzeiten bis zu 10 Monaten, je nach Art des Produkts, verstanden.

Diese Temperaturbedingungen werden durch Anwendung bekannter Kühlverfahren erzeugt.

Ein energetisch besonders günstiges Verfahren beruht auf der Kälteerzeugung mit einem Dampfkompressionsaggregat, in dem das Kältemittel in einem geschlossenen Kreislauf zirkuliert. Im Verdampfer siedet, dh verdampft das Kältemittel bei einem erniedrigten Druck P und niedriger Temperatur. Die erforderliche Verdampfungswärme wird den abzukühlenden Objekten entzogen, wodurch ihre Temperatur absinkt. Der gebildete Dampf wird durch den Verdichter abgesaugt, in diesem auf einen Verflüssigungsdruck P' verdichtet und dem Kondensator zugeführt, in dem es mit Wasser oder Luft abgekühlt wird. Da dem Dampf Wärme entzogen wird, kondensiert dieser. Das erhaltene flüssige Kältemittel wird durch ein Drosselorgan geleitet, in dem seine Temperatur und sein Druck sinken, und anschließend zur neuerlichen Verdampfung in den Verdampfer zurückgeleitet , was einem Arbeitszyklus des Kühlaggregats, entspricht.

Es ist allgemein bekannt, daß es zur Steigerung der Wirtschaftlichkeit des Betriebs von Kompressionskühlaggregaten erforderlich ist, die spezifische Kälteleistung zu. erhöhen, indem beispielsweise die spezifische Volumenkälteleistung des Kühlaggregats erhöht oder der Fördergrad des Verdichters gesteigert wird. Es ist ferner bekannt, daß der Fördergrad des Verdichters dem Förderdruck umgekehrt und dem Ansaugdruck direkt proportional ist.

Zur Erreichung der Gefriertemperatur, dh von Temperaturen von -24 ⁰C oder darunter, werden Dampfkompressionskälteaggregate mit großen P-/P -Verhältnissen und folglich einem niedrigen Fördergrad und damit einer niedrigen spezifischen Kälteleistung verwendet. .

Zur Kälteerzeugung sind ferner Verfahren bekannt, bei denen zwei- und mehrstufige Kälteaggregate verwendet werden; bei diesem Verfahren wird das Kältemittel nicht sofort, sondern stufenweise, dh in zwei oder mehreren Stufen unter Zwischenkühlung der zum. Teil verdichteten Dämpfe vom Siededruck auf den Verflüssigungsdruck verdichtet.

Das Verhältnis des Förderdrucks zum Saugdruck des Kältemittels in jeder Stufe ist dabei kleiner als das Verhältnis des Verflussigungsdrucks zum Siededruck, die zyklisch durchlaufen werden.

In den zwei- oder mehrstufigen Kompressionskälte-

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aggregaten, die bei bekannten Verfahren zur Kälteerzeugung verwendet werden, liegt ein geschlossener Kühlmittelkreislauf vor, wobei als Kältemittel Ammoniak und fluorhaltige gesättigte Kohlenwasserstoffe, hauptsächlich Methan-und Äthanderivatc,verwendet werden.

Die bekannten Verfahren ermöglichen die Erzeugung von Kälte auf einem Niveau von -24. ⁰C und darunter. Ferner können Temperaturen im Bereich von 0 ⁰C bis +5 ⁰C erzeugt werden, die zur Kühllagerung benötigt werden.

Die bekannten Verfahren sind jedoch infolge der aufeinanderfolgenden Verdichtung des Kältemittels in mehreren Stufen unter Zwischenkühlung der zum Teil verdichteten Dämpfe kompliziert.

Zur Durchführung dieser bekannten Verfahren zur Kälteerzeugung sind entsprechend komplizierte Aggregate erforderlich, die' aus mehreren Verdichtern, Drosseln, Kühlern, Verdampfern und anderen Baugruppen bestehen. Hinzu kommt, daß die Verwendung mehrerer Verdichter den Energieverbrauch erhöht und die Zuverlässigkeit verringert.

Zur Kälteerzeugung auf einem Temperaturniveau von 0 ⁰C bis +5 ⁰C sowie -18 ⁰C und darunter ist es ferner bekannt, für jeden Temperaturbereich ein separates Kühlaggregat zu verwenden, wobei die Kühlaggregate nach dem bekannten Dampfkompressionszyklus arbeiten, wobei als Kältemittel hauptsächlich Difluor-

dichlormethan eingesetzt wird.

Diese bekannte Verfahrensweise führt jedoch zu einer niedrigen spezifischen Kälteleistung auf dem Tieftemperaturnxveau sowie einem erhöhten Energieverbrauch. Dies ist darauf zurückzuführen, daß zur Erzeugung tiefer Temperaturen (-18 ⁰C und darunter) eine große Differenz zwischen dem Siedepunkt und dem Kondensationspunkt und folglich ein großer Wert des Verhältnisses von Verflüssigungsdruck P₁ zu Siededruck P erforderlich ist. Mit zunehmendem Verhältnis dieser Drucke nimmt der Fördergrad und der Wirkungsgrad, des Verdichters ab, wodurch die spezifische Kälteleistung des Kühlaggregats absinkt und der Energieverbrauch erhöht wird.

Zur Erzeugung von Kälte auf Temperaturniveaus, die die Abkühlung, das Einfrieren und die Lagerung von Produkten bei geringerem Energieaufwand gewährleisten, sind schließlich auch Verfahren bekannt, bei denen der herkömmliche Arbeitszyklus von Dampfkompressionskühlaggregaten durch zusätzliche Verfahrensstufen kompliziert ist, und zwar durch Akkumulieren des flüssigen Kältemittels und teilweise Verdampfung vor der·Drosselung sowie durch Zirkulation des -flüssigen Kältemittels in zwei Kreisläufen, von denen jeder einen Verdampfer zur Verdampfung des Kältemittels auf dem Temperaturniveau +5 ⁰C bis O ⁰C sowie von -18 ⁰C und darunter aufweist.

Obgleich diese Verfahren den Energieaufwand

geringfügig verringern, sind für ihre Realisierung kompliziert aufgebaute Kühlaggregate erforderlich, die verringerte Zuverlässigkeit besitzen.

Gleichzeitig kann ein optimaler Wärmeaustausch durch Verwendung eines aus einem Gemisch verschiedener Komponenten bestehenden Kältemittels erzielt werden, was eine Erhöhung des Wirkungsgrads der Verdichtung und damit eine Steigerung der spezifischen Kälteleistung des Kühlaggregats erlaubt.

■ Eine hohe spezifische Kälteleistung kann bekanntlich mit Gemischen von Kältemitteln erzielt werden, die jeweils unterschiedliche Siedepunkte aufweisen. Eine Besonderheit solcher Mehrkomponenten-Kältemittel liegt darin, daß aus dem verdichteten Gemisch, in der ersten Kondensationsstufe die höhersiedende Komponente und in der zweiten Kondensationsstufe die niedriger siedende Komponente kondensiert. Die kondensierten Komponenten dehnen sich aus und sieden auf verschiedenen Temperaturniveaus, wodurch die entsprechend geforderten Kühlbzw Einfriertemperaturen erzielt werden.

Die Verwendung von binären oder aus mehr als zwei Komponenten bestehenden Kältemitteln erlaubt es, verschiedene Siedepunkte in den Verdampfern ohne irgendwelche zusätzliche Vorrichtungen zu erzielen.

Ein bekanntes Verfahren zur Kälteerzeugung mit einem in einem geschlossenen Kreislauf arbeitenden · einstufigen Kompressionskühlaggregat beruht darauf,

daß das Kältemittel in Form eines Gemischs von auf verschiedenen Temperaturniveaus siedenden Komponenten in

2 einem Verdichter auf einen Druck von 1,96 MPa (20 kp/cm ) verdichtet, durch Kondensation der höhersiedenden Komponente zum Teil verflüssigt und durch Abkühlung des DirektStroms mit dem Rückstrom in einem Regenerativ— wärmeaustauscher-vollständig verflüssigt wird, die im· flüssigen Zustand nicht mischbaren Komponenten in einer Homögenisierungszone zu einem homogenen Gemisch vermischt werden, das erhaltene' homogene Gemisch auf einen

2 .

Druck von 294 kPa (3 kp/cm ) gedrosselt und dieses Gemisch durch Verdampfung der niedriger siedenden Komponente in der entsprechenden Zone des Verdampfers zum Teil verdampft und das Gemisch durch Verdampfung der höhersiedenden Komponente im Regenerativwärmeaustauscher vollständig verdampft wird.

Als niedriger siedende Komponente wird CO₂ verwendet, dessen Siedepunkt unter Normalbedingungen -79,8 ⁰C beträgt; als höhersiedende Komponente wird beispielsweise Difluordichlormethan eingesetzt-, das -unter Normalbedingungen einen Siedepunkt von -29,8 ⁰C aufweist.

Dieses Verfahren gestattet es, eine zur Kühlung von Produkten sowie zum Einfrieren und zur Dauerlagerung erforderliche Temperatur zu erzeugen, weist jedoch eine niedrige spezifische Kälteleistung und einen bedeutenden Energieverbrauch auf.

'.Bekannte Kältemittel für in einem geschlossenen Zyklus -.arbeitende Dampfkompressionskühlaggregate sind Gemische verschiedener Gaskompbnenten, zu denen Äthan

— 1 ^ —

und Propan gehören. .

Diese Kältemittel weisen eine ungenügende spezifische Volumenkälteleistung auf und führen im Betrieb entsprechender Kühlaggregate bei Kompressionsdrucken von 0,8 bis 1,4 MPa (8 bis
schaftlichkeit.

2
1,4 MPa (8 bis 14 kp/cm ) zu einer nur.geringen Wirt-

Bekannt sind ferner Kältemittel für in einem ge- · schlossenen Zyklus arbeitende Kompressionskühlaggregate, die Difluordichlormethan und ein Gemisch ..von Kohlenwasserstoffen, und zwar Äthan in einer Menge von 20 bis 40 VaI.-%, Propan in einer Menge von 10 bis 30 Vol.^-%, ■ Isobutan in einer Menge von 10 bis 30 Vol.-% und n-Butan in einer Menge von 10 bis 30 Vol.-% enthalten.

Solche Kältemittel sind jedoch explosions- und brandgefährlich, was ihre Verwendung beispielsweise in Haushaltskühlschränken ausschließt, an die hohe Anforderungen hinsichtlich der Explosions- und Brandsicherheit gestellt werden.

Die Verwendung solcher Kältemittel bringt ferner ■gravierende Probleme bei der Serienfertigung von Kühlschränken mit sich.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Kälteerzeugung in Kompressorkühlsystemen zum Gefrieren und zur Lagerung von Produkten sowie ein Kältemittel zu seiner Durchführung anzugeben, mit denen die spezifische Kälteleistung bei der Erzeugung der geforderten Temperaturbedingungen sowohl auf

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dem Kühlniveau als auch auf dem Einfrier- und Dauerlagerungsniveau erzielt werden kann·.

Die Aufgabe wird anspruchsgemäß gelöst.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Kälteerzeugung mit Kompressionskühlschränken beruht auf der Verwendung eines Kältemittels aus einem Gemisch von bei unterschiedlichen Temperaturen siedenden Komponenten, bei dem das Kältemittel auf.den Betriebsdruck verdichtet, bis zur Bildung eines Dampf-Flüssigkeits-Gemischs teilweise verflüssigt, danach vollständig verflüssigt, abgekühlt, gedrosselt und teilweise und danach vollständig verdampft wird; das erfindungsgemäße Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, daß die vollständige Verflüssigung des Kältemittels vor seiner Abkühlung durch Auflösen derjenigen Komponenten, die beim Betriebsdruck in der Dampfphase •vorliegen, in den beim Betriebsdruck verflüssigten Komponenten vorgenommen wird.

Das -Erfindungskonzept kann entsprechend auf zahlreichen Gebieten zur Kälteerzeugung in Kompressorkühlsystemen eingesetzt werden, beispielsweise in der Nahrungsmittelindustrie, für Haushaltszwecke sowie in-der Medizin zur Kühlung.und zum Einfrieren sowie zur kurzzeitigen Aufbewahrung und zur Dauerlagerung beliebiger Produkte, beispielsweise von Lebensmitteln als auch etwa von biologischen Produkten und auch auf zahlreichen anderen technischen Gebieten eingesetzt werden, wo es darauf ankommt, Kälte auf einem Niveau von -24 ⁰C und darunter .bei" zugleich minimalem Aufwand an elektrischer Energie zu erzeugen μηα, aufrechtzuerhalten. ' .

Um eine vollständige Verflüssigung des Kältemittels

herbeizuführen, wird dies zweckmäßigerweise auf einen Druck ve
dichtet.

2 Druck von 0,98 bis 1,4 MPa (10 bis 14 kp/cm ) vorver-

Bei der Anwendung des Erfindungskonzepts beispielsweise auf Haushaltskompressionskühlschränke, die min-, destens zwei Kältekammern aufweisen, von denen die eine eine Tiefkühlkammer zum Einfrieren und zur Dauerlagerung von Produkten und die andere eine Kühlkammer zur kurzzeitigen Aufbewahrung von Produkten ist, ist es erfindungsgemäß günstig, das Kältemittel zur Kälteerzeugung in der Tiefkühlkammer teilweise und zur Kälteerzeugung in der Kühlkammer vollständig zu verdampfen, wobei das Kältemittel zweckmäßig auf einen Druck von

49 bis 294 kPa (0,5 bis 3 kp/cm²) gedrosselt wird.

Erfindungsgemäß kann ein Kältemittel auf der Basis von Difluordichlormethan verwendet werden, das ferner mindestens eine Komponente mit einem Siedepunkt unter Normalbedingungen zwischen -55 und -85 ⁰C, beispielsweise CO₀ oder Trifluormonochlormethan oder Trifluormonobrommethan, in einer Menge von 10 bis 50 Vol.-%, eine Komponente mit einem Siedepunkt unter Normalbedingungen zwischen -30 und -55 ⁰C, beispielsweise Difluormonochlormethan oder Propan, in einer Menge von 10 bis

50 Vol.-I und mindestens eine Komponente mit einem Siedepunkt unter Normalbedingungen zwischen +16 und -30 ⁰C, beispielsweise Difluormonochloräthan, Difluormonochlorbrommethan oder Octafluorcyclobutan/ in einer Menge von 10 bis 75 VoI»-% enthält, wobei das Difluordichlormethan in einer Menge von 10 bis 50 VoI--% eingesetzt wird.

Das erfindungsgemäße Kältemittel kann ferner folgende Zusammensetzungen aufweisen:

Trifluormonochlormethan 10-50

Difluormonochlormethan 10-15

Octafluorcyclobutan 20-70

Difluordichlormethan Rest

Difluordichlormethan . 10-15

Trifluormonobrommethan . 10-50

Octafluorcyclobutan 20—70

Difluormonochlormethan Rest

oder · .

voi:-%

. Difluordichlormethan ₄ ' 10-15

Trif luormonochlormethan ■' 10-50

Difluormonochlorathan 20-70

Difluormonochlormethan " Rest

Difluordichlormethan ' iO-15

Trifluormonochlormethan 10-50

DifluormQnochlorbrommethan ■ 10-70

Dif luormonochlormethan .: Rest

■ - ' 3.U1202

Difluordichlormethan 10-20

Trifluormonochlormethan 5-30

Octafluorcyclobutan 20-60

Trifluormonobrommethan 5-30

Difluormonochlormethan Rest

CO₂ 10-45

Difluordichlormethan 10-35

Difluormonochlormethan 10-35

Difluormonochloräthan 25-75.

Die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Kälteerzeugung unter den obigen Bedingungen sowie das zu seiner Durchführung dienende erfindungsgemäße Kältemittel führen zu einer bedeutenden Erhöhung der spezifischen Kälteleistung, der Wirtschaftlichkeit sowie der Zuverlässigkeit entsprechender Kühlaggregate.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezug auf die Zeichnung näher erläutert; es zeigen:

Fig. 1: den Betriebszyklus eines Haushalts-

Kompressorkühlschranks im·Temperatur-Entropie-Diagramm

und

Fig. 2: eine schematische Darstellung-eines

Kühlaggregats zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Das Verfahren zum Einfrieren sowie zur Aufbewahrung von Produkten beispielsweise in Haushalts-Kompressorkühlschränken besteht darin, daß die Produkte in eine 'oder mehrere Kühlkammern eingebracht werden, in denen die erforderlichen Temperaturbedingungen erzeugt werden.

In der Tiefkühlkammer, die zum Einfrieren und zur Dauerlagerung dient, wird eine Temperatur von -24 ⁰C oder darunter beam Gefrieren und eine Temperatur von •etwa -18 ⁰C bei der Dauerlagerung aufrechterhalten. In der Kühlkammer zur kurzzeitigen Aufbewahrung wird unter allen Betriebsbedingungen des Kühlschranks eine Temperatur im Bereich von O bis +5 ⁰C aufrechterhalten. Solche Temperaturbedingungen werden dadurch ermöglicht, daß das Kältemittel der nachstehend erläuterten Abfolge von Verfahrensschritten unterworfen wird, die auch in den Fig. 1 und 2 erläutert sind.

Das' Kältemittel wird zunächst in einem Verdichter λ_ (Fig. 2) verdichtet (Prozeß I-II in" Fig. 1) ,·dann unter Abfuhr der Wärme g. in die Umgebung abgekühlt (Prozeß II-III) und dann in einem Kondensator 2^ bis zur Bildung eines Dampf-Flüssigkeits-Gemischs zum Teil kondensiert. Die nichtkondensierten komponenten "des Kältemittels lösen sich in den kondensierten'Komponenten (Prozeß III-IV) unter Abfuhr der Wärme q₂ auf. Dann wird das Kältemittel einem Verdampfer-Wärmeaustaus.cher 3_ "zugeführt, in dem es auf eine Temperatur T abgekühlt wird (Prozeß IV-V); anschließend wird das Kältemittel in einer Drossel _4 unter Absenkung der Temperatur von Ty auf T gedrosselt (Prozeß V-VI) und danach einem ' Verdampfer -5_ der Tiefkühlkammer unter Abfuhr der Wärme -q_

aus dieser Kammer zugeführt (Prozeß VI-VII), wobei das Kältemittel erwärmt und nur zum Teil verdampft wird' und-somit teilweise'als Dampf und,teilweise als Flüssigkeit 'vorliegt. Das teilweise im Dampfzustand und teilweise im Flüssigkeitszustand vorliegende Kältemittel gelangt dann -in den Verdampfer-Wärmeaustauscher 3^, in dem es vollständig verdampft, wobei es die Wärme q. aus der Kühlkammer zur kurzzeitigen Aufbewahrung von Produkten abführt und die Wärme q^ dem aus dem Kondensator 2_ in den Wärmeaustauscher 3^ eintretenden verdichteten Kältemittel entzieht. ■

Das Kältemittel gelangt schlieBlich zur neuerlichen Verdichtung in den Verdichter JU ·

Dabei ist das Verhältnis P₁ZP₉ des Drucks des'verdichteten Kältemittels (im folgenden kurz als Kältemittel bezeichnet) und des entspannten Kältemittels (Verdichtungsverhältnis) bedeutend geringer als bei den ber kannten Verfahren. So erreicht beispielsweise das Verdichtungsverhältnis im Verdichter von Kühlaggregaten ■ auf der Basis der üblichen Verfahrensweise zum Einfrieren und zur Aufbewahrung bei Verwendung von Freon-12 als Kältemittel den Wert 14. Der optimale Wert des'Verdichtungsverhältnisses nach dem erfindungsgemäßen Ver-' fahren beträgt 3 bis 5. Die Senkung des Verdichtungsverhältnisses führt zu einer Zunahme des Fördergrads des Verdichters, der dem Verhältnis der realen Stundenförderleistung des Verdichters zur idealen, vom Kolben geleisteten Stundenvolumen, entspricht. Die Senkung des Verdichtungsverhältnisses von 14 auf 4 führt zu einer

- 20 -

zwei- bis dreifachen Erhöhung des Wirkungsgrads des Verdichters und folglich zu einer bedeutenden Steigerung des Wirkungsgrads des Kühlaggregats.

Hierdurch kann wiederum der Energieaufwand beim Einfrieren und der Aufbewahrung von Produkten gesenkt werden. ■

Zur vollständigen Verflüssigung wird das Kältemittel auf einen Druck von 0,98 bis 1,37 MPa (10 bis

2 '

14 kp/cm ) verdichtet. Zur restlo.sen Verdampfung- genügt es, das Kühlmittel auf einen Druck von 49 bis

2
294 kPa (0,5 bis 3 kp/cm ) zu drosseln.

Wenn das Kältemittel auf einen Druck unterhalb

0,98 MPa (10 kp/cm²) oder oberhalb 1,37 MPa (14 kp/cm²)

2 verdichtet, und auf einen Druck unterhalb 49 kPa (0,5 kp/cm )

2
oder oberhalb 294 kPa (3 kp/cm ) gedrosselt wird, kann durch die Verflüssigung des Kältemittels und seine Verdampfung die angestrebte Erhöhung der spezifischen Kälteleistung des Kühlaggregats nicht erzielt werden.

Die folgenden Beispiele erläutern die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Das im dampfförmigen und im flüssigen -Zustand befindliche Kältemittel wird im Verdichter ]_ auf einen Druck von .0,98 bis 1,37 MPa (10 bis 14 kp/cm²) verdichtet und einem Kondensator 2_ zugeführt. Im Kondensator _2 wird das Kältemittel abgekühlt, -indem es Wärme an-die Umgebung (Luft oder Wasser) abgibt. Infolge der

t» (· C

■ ' 3ΗΊ202

Wärmeabfuhr von den Dämpfen des Kältemittels kondensieren seine höhersiedenden Komponenten, was bedeutet, daß das Kältemittel zum· Teil bis zur Bildung eines Dampf- ■ Flüssigkeits-Gemischs unter Beibehaltung des erhöhten Drucks verflüssigt wird. " ' ■

Bei diesem Druck und einer Temperatur von 20 bis .· 45 ⁰C wird das Kältemittel durch die Auflösung derjenigen Komponenten, die niedriger sieden und unter diesen Bedingungen in dampfförmigem Zustand vorliegen,.in den verflüssigten Komponenten vollständig verflüssigt.

Das verflüssigte Kältemittel wird.im .Wärmeaustauscher 3_ mit der durch die teilweise Verdampfung des Kältemittels· im Verdampfer gebildeten Dampf-Flüssigkeits-Emulsion abgekühlt, die dem Wärmeaustauscher im Rückstrom zugeführt wird.

Das abgekühlte Kältemittel wird dann durch eine Drossel-_4_, in der der Druck und die Temperatur gesenkt werden, dem Verdampfer !5 zugeführt. Bei der Drosselung wird der Druck des Kältemittels auf 49 bis 294 kPa

2
(0,5 bis 3 kp/cm ) gesenkt.

Im Verdampfer 5_ siedet (verdampft) das Kältemittel, wobei die erforderliche Verdampfungswärme den abzukühlenden Objekten entzogen wird, deren Temperatur hierdurch bis auf -30 ⁰C sinkt. Dabei kommt es zu einer teilweisen Verdampfung, bei der der größte Teil der niedriger siedenden Komponenten verdampft. Nach dem Austritt der Dampf-Flüssigkeits-Emulsion aus dem Verdampfer 5 hört

die Verdampfung der niedriger siedenden Komponenten auf, und die höhersiedenden Komponenten des Kältemittels beginnen zu verdampfen. Der Prozeß der vollständigen Verdampfung des Kältemittels wird im Wärmeaustauscher 3_ durchgeführt, indem die zum Sieden' des Kältemittels benötigte Wärme dem Direktstrom durch Wärmeaustausch zwischen dem Direktstrom und dem Rückstrom entzogen wird.

Die gebildeten Dämpfe des·Kältemittels werden durch. den Verdichter _1_ ^zur neuerlichen Verdichtung abgesaugt, wodurch der Betriebszyklus des Aggregats geschlossen wird.

Besonders günstig ist es, den Förderdruck auf

1,18 MPa (1.2 kp/cm²) und den Saugdruck auf 294 kPa

2
(3 kp/cm· ) zu halten."

Durch die Auflösung der nichtverflüssigten Komponenten des Kältemittels in seinen verflüssigten Komponenten" bei der Realisierung des Kältezyklus in einstufigen KompressorkühLaggregaten kann eine vollständige Verflüssigung des Kältemittels bei einem niedrigeren Kondensationsdruck und folglich auch bei einem niedrigeren Förderdruck erzielt werden. Hierdurch wird es möglich, das Verhältnis von Förderdruck zu Saugdruck zu verringern, was die spezifische Kälteleistung des Aggregats erhöht und den Wirkungsgrad des Verdichters durch entsprechende Senkung der Energieverluste darin steigert.

Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens

■ ■ · 3HI

muß das Kältemittel so gewählt weiden, daß es die Er- ■ · zielung der geforderten Temperaturen auf den entsprechenden Temperaturniveaus bei erniedrigtem optimalen Verdichtungsgrad erlaubt.

Um dieses Ziel zu erreichen", enthält das Kältemittel Difluordichlormethan mit einem" Siedepunkt unter Normalbedingungen von -29,8 ⁰C sowie Komponenten '

mit einem Siedepunkt unter Normalbedingungen zwischen -55 und -85 ⁰C, eine Komponente mit einem Siedepunkt unter Normalbedingungen zwischen -30 und -55 ⁰C und Komponenten mit einem Siedepunkt bei · Normalbedingungen zwischen +16 und .-30 ⁰C.

Als solche Komponenten kommen beliebige bekannte Verbindungen in Frage, beispielsweise CO₂, Trifluormonochlormethan und Trifluormonobrommethan mit einem Siedepunkt unter Normalbedingungen (Normalsublimationspunkt) von -79,8, -81 bzw -57,75 ⁰C, Difluormonochlor- . methan und Propan mit einem Siedepunkt unter Normalbedingungen von -40,8 bzw. -40 ⁰C, Difluormonochloräthan, Difluormonochlorbrommethan und Octaf luorcy.clobutan mit einem Siedepunkt unter Normalbedingungen von -9,25, -3,4 bzw. -5,8 ⁰C .

Der geringste Aufwand und folglich der größte Effekt kann unter Verwendung von Kältemitteln erzielt werden, die folgende Zusammensetzung aufweisen:

1. Difluordichlormethan, Trifluormonochlormethan, Difluormonochlormethan und Difluormonochloräthan;

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2. CO«, Difluordichlormethan, Difluormonochlormethan und Difluormonochloräthan;

3. Trifluormonochlormethan, Difluormonochlormethan, Octafluorcyclobutan und Difluordichlormethan ;

4. Dif-luordichlormethan, Trif luormonochlormethan, Difluormonochloräthan und Difluormonochlormethan ;

5. Difluordichlormethan, Trifluormonochlormethan, Difluormonochlorbrommethan und Difluormonochlormethan; ·

6. Difluordichlormethan, Trifluormonochlormethan, Octafluorcyclobutanj Trifluormonobrommethan und Difluormonochlormethan.

Es·können auch beliebige ändere im Rahmen des Erfindungskonzepts mögliche Kombinationen angewandt werden.

Die Komponenten sind dabei in folgenden Verhältnissen einzusetzen:

Trifluormonochlormethan 10-50

Difluormonochlormethan 10-15

Octafluorcyclobutan . 20-70

Difluordichlormethan Rest

Dif luordichlormethan ·.. '10-15

Trifluormonobrommethan 10-50

Octafluorcyclobutan 20-70

Difluormonochlormethan " Rest

Difluordichlormethan Trifluormonochlormethan Difluormonochloräthan Difluormonochlormethan

Difluordichlormethan Trifluormonochlormethan Octafluorcyclobutan Trifluormonobrommethan Difluormonochlormethan

CO ■
2

Difluordichlormethan

Difluormonochlormethan Difluormonochloräthan

Vol.
TO -
10 -
20 -
.r%
- 15
- 50
- 70
Rest

Vol.-%

10 - 20 5-30

20 - 60 •5-30

Rest

VoI-.-%

10 -.10 -

10 -25 -

Wenn die niedrigsiedenden Komponenten in geringeren Mengen und die hochsiedenden Komponenten in größeren, · . Mengen als oben angegeben eingesetzt werden, können in den Kammern des Kühlschranks die erforderlichen Temperaturbedingungen nicht erzielt werden, was bedeutet, daß in der Kühlkammer zur kurzzeitigen Aufbewahrung die Temperatur auf unterhalb 0 °C absinkt, während in der Tiefkühlkammer die Temperatur -18 ⁰C nicht erreicht wird.

Wenn die niedrigsiedenden Komponenten andererseits

in größeren Mengen und die hochsiedenden Komponenten in geringeren Mengen verwendet werden, lösen sich die niedrigsiedenden Komponenten nicht vollständig in den' hochsiedenden Komponenten auf, was wiederum zur Folge hat, daß in der Kühlkammer die erforderlichen Temperaturbedingungen nicht erzielt werden können, dh die Temperatur in dieser Kammer auf Werte über +5 ⁰C ansteigt.

Jedes Kältemittel ist ein Gemisch von Komponenten, die in Ballons oder ähnlichen Behältern aufbewahrt werden. Aus jedem Behälter läßt man zur Gemischherstellung jeweils eine solche Menge der flüssigen Komponente in einen gemeinsamen Sammelbehälter fließen, deren Volumen dem vorgegebenen Volumprozentsatz dieser Komponente · im Gemisch entspricht. Hierbei wird zunächst diejenige Komponente im Sammelbehälter vorgelegt _r die den niedrigsten Dampfdruck der verflüssigten Gase aufweist, und zwar Octafluorcyclobutan, Difluormonochloräthan, Difluomonochlorbrommethan und Difluordichlormethan, worauf dann die Gase mit höherem Dampfdruck im verflüssigten Zustand, dh Difluormonochlormethan, Trifluormonobrommethan und Trifluormonochlormethan, zugesetzt werden.

Im folgenden sind Beispiele für mögliche Varianten der Kombination der Komponenten zur 'Herstellung erfindungsgemäßer Kältemittel angegeben.

Beispiel 1 ·

Difluordichlormethan, CO₂, Difluormonochlormethan und Dif luormonochlprä;than werden zu einem Kältemittel

-^: '-*. ■'' ' ■ . 3U120Z

folgender Zusammensetzung gemischt:

Difluordichlormethan ■ 20

CO₂ . . ■ 14

Difluormonochlormethan 20

Difluormonochloräthan 46 .

Dieses Kältemittel erlaubt bei der Verwendung in Haushalts-Kompressorkühlschränken einen Verdichtungsgrad von 4 bis 5 und erzeugt die erforderlichen Temperaturbedingungen in den Kühlkammern, und zwar in der Kühlkammer zur kurzzeitigen Aufbewahrung eine Temperatur von 0 bis +5 °C und in der Tiefkühlkainmer eine Temperatur von. nicht höher als -24 ⁰C zum Einfrieren und von -18 ⁰C zur Dauerlagerung.

Beispiel 2

In einem Behälter werden Difluordichlormethan, Trifluormonochlormethan, Difluormonochlormethan und Octafluorcyclobutan zu einem Kältemittel folgender Zusammensetzung gemischt:

Difluordichlormethan 22

Trifluormonochlormethan 10

Trifluormonobrommethan 22

Difluormonochlormethan . 22

Octafluorcyclobutan . 24.

Dieses Kältemittel erlaubt-einen Verdichtungsgrad des Verdichters von 4 bis 5 und die Aufrechterhaltung folgender Temperaturbedingungen: in der Kühlkammer 0 bis +5 °C und in .der Tiefkühlkammer nicht höher als -24 ⁰C zum Einfrieren und -18 ⁰C zur Dauerlagerung.

Beispiel 3

In einem Behälter, werden Difluordichlormethah, Trifluormonochlormethan, Difluormonochlormethan und Difluormonochloräthan zu einem Kältemittel folgender Zusammensetzung gemischt:

Difluordichlormethan 25

Trifluormonochlormethan ' 20

' . Difluormonochlormethan . 25 ■ ·

Difluormonochloräthan 20.

Beispiel 4 " · .

Nach dem obigen Verfahren wird ein Kältemittel folgender Zusammensetzung hergestellt:

Difluordichlormethan 10

Trifluormonochlormethan 15

-Difluormonochlormethan 25

Dif luormonochloräthan .50.

Beispiel 5 · ' " ·

VoI-.-%

Difluordichlormethan 20

Trifluormonochlormethan 20'

Difluormonochlormethan 10

Difluormonochloräthan 50.

Beispiel 6 ' .. . ·

Vol.-'-έ

Difluordichlormethan ' 20 Trifluormonochlormethan 15

Difluormonochlormethan . 25

Difluormonochloräthan 40.

Die in den Beispielen 3 bis 6 angegebenen Kältemittel gewährleisten einen Verdichtungsgrad von 4 bis und die Erzeugung der oben angeführten Temperaturbedingungen in den entsprechenden Kältekammern von Kompressorkühlschränken. . ■

Die erforderlichen Temperaturbedingungen können ferner auch durch folgende weiteren Kältemittel erzielt werden:

Beispiel 7

VoI.-

Difluordichlormethan - 15 Trifluormonobrommethan ■ 50 Octafluoxcyclobutan 20

Difluormonochlormethan " 15

Beispiel 8

VoI.-

Difluordichlormethan . 15 . Trifluormonobrommethan 30

Octafluorcyclobutan · 40 Difluormonochlormethan . '15.

Beispiel 9

VoI.-

Difluordichlormethan 10

Trifluormonobrommethan 10

Octafluorcyclobutan 70

Difluormonochlormethan ' 10

Beispiel 10

VoI.-

Difluordichlormethan 15

Trifluormonochlormethan 50

Difluormpnochloräthan 20

Dif luormonochlormethan -T 5 .

Beispiel 11

Vol. 15 ■ 20 50 15.

Beispiel 12

10 10 70 10

Beispiel 13

Difluordichlormethan Trifluormonochlormethan Diflüormonochlorbrommethan Difluormonochlormethan

Vol.

. 15-■ 50

20

15

Beispiel 14

Difluordichlormethan Trifluormonochlormethan Difluormonochlorbrommethan Difluormonochlormethan

Beispiel 15

18 20

⁴⁴ 18

10 10 70 10

Beispiel 16 Beispiel 17

Difluordichlormethan ■ 15

Octafluorcyclobutan -60

Difluormonochlormethan 15

Trifluormonochlormethan 5

Trifluormonobrommethan 5»

Difluordichlormethan 29

Octafluorcyclobutan 36

Difluormonochlormethan . 11

Trifluormonochlormethan 12

Trifluormonobrommethan ■ 12

Beispiel .1 8

Difluordichlormethan- 10

Octafluorcyclobutan ■ ■ . 20

Difluormonochlormethan ■ 10

Trifluormonochlormethan 30'

Trifluormonobrommethan 30.

Experimentelle Untersuchungen haben ergeben, da. die maximale spezifische Kälteleistung von mit den erfindungsgemäßen Kältemitteln betriebenen Kühlaggregaten bedeutend höher ist als bei Verwendung herkömmlicher Kältemittel. · ' . '

Außerdem kann eine Senkung der Äbkühltemperatur durch Erhöhung des Prozentanteils an Komponenten im Ge-

misch erzielt werden, deren Siedepunkt bei· Atmo.sphärendruck unterhalb —50 ⁰C liegt, wobei jedoch die spezifische Kälteleistung des Kühlaggregats dann etwas absinkt.

Die spezifische Kälteleistung des Kühlaggregats steigt bei Erhöhung des Prozentgehalts an Komponenten im Gemisch, deren Siedepunkt bei Atmosphärendruck oberhalb -10 ⁰C liegt, bedeutend an. Hierbei sbeigt jedoch die Abkühltemperatur, die sogar in die Nähe des Siedepunkts der am höchsten siedenden Komponente kommen, kann.

JV

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Claims

Ansprüche

Verfahren zur. Kälteerzeugung mit Kompressionskühlaggrega'ten

unter Verwendung eines Kältemittels aus einem Gemisch von bei unterschiedlichen Temperaturen siedenden Komponenten

durch. Verdichtung des Kältemittels auf den Betriebsdruck, teilweise Verflüssigung bis zur Bildung eines Dampf-Flüssigkeits-Gemischs, vollständige Verflüssigung, Abkühlung> Drosselung, teilweise und vollständige Verdampfung des Kältemittels,

dadurch

gekennzeichnet

daß die vollständige Verflüssigung des Kältemittels vor seiner Abkühlung durch Auflösen derjenigen Komponenten, die beim Betriebsdruck in der Dampfphase vorliegen, in den beim Betriebsdruck verflüssigten Komponenten .vorge~ nommen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Kältemittel auf einen Druck von 0,98 bis 1,37 MPa

(10 bis 14 kp/cm )

verdichtet wird.

53O-P89Ο25-Μ-6Ί-SF-Bk

3. Verfahren, nach Anspruch 1 oder 2 zur Kälteerzeugung in • Kompressionskühlschränken mit mindestens zwei Kältekammern, von denen eine eine Tiefkühlkammer zum Einfrieren und zur Dauerlagerung von Produkten und die andere eine Kühlkammer zur kurzzeitigen Aufbewahrung von Produkten ist, dadurch gekennzeichnet, daß zur Kälteerzeugung in der Tiefkühlkammer das Kältemittel teilweise und in der Kühlkammer vollständig verdampft wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur teilweisenund danach zur vollständigen Verdampfung

. das Kältemittel auf einen Druck von. 49 bis 294 kPa (0,5

2
bis 3 kp/cm ) gedrosselt wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein Kältemittel auf der Basis von Difluordichlormethan verwendet wird, das mindestens eine Komponente mit einem Siedepunkt unter Normalbedingungen zwischen -55 und -85 ⁰C, eine Komponente mit einem Siedepunkt unter Normalbedingungen zwischen -30 und-55 ⁰C und mindestens eine Komponente mit einem Siedepunkt unter Normalbedingungen zwischen + 16 'und -30 ⁰C enthält.

6. Anwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 5 auf die Kälteerzeugung in Haushaltskühlschränken.

7. Kältemittel zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch folgende Zusammensetzung:.' " ·

3U1202 *: Γ:

Diflüordichlormethan 10 - 50

mindestens eine Komponente mit einem Siedepunkt bei Normalbedingungen zwischen -55 und

. -85 ⁰C 10 - 50

eine Komponente mit einem Siedepunkt bei Normalbedingungen zwischen -30 und -55 ⁰C 10 - 50

und

mindestens eine Komponente mit einem Siedepunkt bei Normalbedingungen zwischen +16 und -30 ⁰C 10 - 75.

8. Kältemittel nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß

mit einem Siedepunkt
es als Komponente/bei Normalbedingungen zwischen -55 und -85 ⁰C CO₂ oder Trifluormonochlormethan oder Trifluormonobrommethan, als Komponente mit einem Siedepunkt^:bei Normalbedingungen zwischen -30 und -55 ⁰C Difluormono-^ chlormethan, Propan und als Komponente mit einem Siedepunkt bei Normalbedingungen zwischen +16 und -30 ⁰C Difluormonochloräthan, Difluormonochlorbrommethan und Octafluorcyclobutan enthält.

9. Kältemittel nach Anspruch 7 oder 8, gekennzeichnet durch folgende Zusammensetzung:

Trifluormonochlormethan 10-50

Difluormonochlormethan 10-15

Octafluorcyclobutan 20 -

Diflüordichlormethan Rest.

10. Kältemittel nach Anspruch 7 oder 8, gekennzeichnet durch folgende Zusammensetzung:

Difluordichlormethan 10-15

Trifluormonobrommethan 10-50

Octafluorcyclobutan 20-70

Difluormonochlormethan Rest.

11. Kältemittel nach Anspruch 7 oder 8, gekennzeichnet durch ' folgende Zusammensetzung:

Difluordichlormethan ' 10-15

Trifluormonochlormethan 10-50

Dif luormonochloräthan 20*- - 70

' Difluormonochlormethan Rest.

12. Kältemittel nach Anspruch 7 oder 8, gekennzeichnet durch folgende Zusammensetzung:

Difluordichlormethan 10-15

Trifluormonochlormethan 10-50

Difluormonochlorbrommethan 10-70

. · Dif luormoikich'lorme than Rest.

•13. Kältemittel nach Anspruch 7 oder 8, gekennzeichnet durch folgende Zusammensetzung:

Difluordichlormethan 10 - 20

Trifluormonochlormethan 5-30

Octafluorcyclobutan 20-60

Trifluormonobrommethan 5-30

Difluormonochlormethan Rest.

14. Kältemittel nach Anspruch 7 oder 8,, gekennzeichnet .durch folgende Zusammensetzung:

VoI,-%

CO₂ · .10-45

Difluordichlormethan 10-35

• Difluormonochlormethan 10-35

Difluormonochloräthan 25 -

15. Kältemittel nach Anspruch 16, gekennzeichnet durch folgende Zusammensetzung:

CO₂ 14

Difluordichlormethan 20

Difluormonochloräthan · . 46

Difluormonochlormethan .20.

16. Kältemittel nach Anspruch 7 oder 8, gekennzeichnet durch folgende Zusammensetzung:

Trifluormonochlormethan 10

Trifluormonobrommethan 22

Difluormonochlormethan ■ 22

Difluordichlormethan 22

Octaf luorcyclobutan ·■ 24.

17. Kältemittel nach Anspruch 11, gekennzeichnet durch fol gende Zusammensetzung:

■ Vol.-%

Trifluormonochlormethan . 20 .

Difluormonochlormethan 25

Difluordichlormethan 15

Difluormonochloräthan 40.