DK149400B - Anlaeg til opvarmning eller koeling med et vendbart koelemiddelkredsloeb - Google Patents

Description

i 149400

Opfindelsen angår et anlæg til at opvarme eller køle med et vendbart kølemiddelkredsløb og af den i krav l's indledning angivne art.

5 Et sådant anlæg kendes fra DE-offentliggøreIsesskrift 24 29 009. Ved dette anlæg er foruden stemplets drøvlekanal også gennemstrømningskanalen udformet som en drøvleventil.

Ved køledrift (med åben ringkanal) bevirker strømningskanalen alene drøvlingen, medens stemplets drøvlekanal og gennemstrøm-10 ningskanalen, der så er koblet i serie ved opvarmning (med lukket ringkanal) i fællesskab bevirker drøvlingen. Gennemstrømningskanalen medvirker således i begge strømningsretninger ved drøvlingen. På grund af, at de to kanaler ved opvarmning er koblet efter hinanden, fremkommer en forholdsvis stor total-15 længde for drøvleventilen. Dette kan for så vidt være en ulempe, fordi der herved sættes en forholdsvis lav nedre grænse for gennemstrømningsmængden og dermed for det driftsområde, hvori anlægget kan arbejde. For det andet er det også vanskeligt at optimere drøvlingsstrækningen for begge strømningsretnin-20 ger, da drøvlingsstrækningens anpasning til den ene strømnings retning også påvirker drøvlingsstrækningen for den anden strømningsretning.

Fra US patentskrift 31 70 304 kendes et anlæg for opvarmning 25 og køling med et vendbart kølemiddelkredsløb, ved hvilke disse ulemper for så vidt er undgået, idet der dér er tilvejebragt en særskilt ekspansionsventil for hver strømningsretning.

Til hver af disse ekspansionsventiler skal der dog tilknyttes en særskilt omløbsledning med hver en kontraventil, og der 30 kræves en forholdsvis kompliceret styreindretning for de to ekspansionsventiler. Dette forøger fremstillingsomkostningerne og medfører, at anlægget er tilsvarende udsat for afbrydelser og forstyrrelser.

35 Det er den foreliggende opfindelses formål at videreudforme et anlæg til opvarmning eller køling med et vendbart kølemiddelkredsløb af den i krav l's indledning angivne art på en * 2 149400 sådan måde, at drøvlingen i begge strømningsretninger sker ved forskellige konstruktionsdele, uden at man må tage hensyn til ulemperne ved en styreindretning og de dermed forbundne ekstra konstruktive omkostninger.

5

Dette formål tilgodeses ved, at det indledningsvist omtalte anlæg ifølge opfindelsen er ejendommelig ved det i den kendetegnende del af krav 1 anførte.

Ved at udforme anlægget til opvarmning eller køling på denne måde sker drøvlingen i begge strømningsretninger alene gennem drøvlingskanalen for den pågældende ekspansionsventils stempel. Drøvlingsstrækningen kan derfor i begge strømningsretninger have en forholdsvis kort længde. Anlægget kan således fungere over et forholdsvis bredt driftsområde. Desuden kan de to drøvlingskanaler for de to strømningsretninger optimeres uafhængigt af hinanden. En yderligere fordel består i, at de to ekspansionsventiler kan anbringes umiddelbart nabostillet ved indløbet til den tilhørende varmeveksler, således at eks-2Q pansionen i begge strømningsretninger finder sted umiddel bart før indløbet til varmevekslerslangen. Slutteligt har anlægget ifølge opfindelsen en meget enkel konstruktion. Der kræves ikke nogen ekstra styringsindretninger og de dertil hørende omkostninger spares.

25 I det følgende forklares opfindelsen under henvisning til tegningen, hvor fig. 1 skematisk viser et køle- og varmeanlæg ifølge opfindel-30 fig. 2 en ekspansionsventil til anvendelse i anlægget ifølge fig. 1 set fra siden i snit, gi- fig. 3 et snit efter linien 3-3 i fig. 2, og fig. 4 et hastighedsdiagram, som viser den soniske profil 149400 3 af et konventionelt kølemiddel, når dettes tilstand skifter fra en væske til en damp, og sammenligning af denne soniske profil med strømprofiler for kølemiddel, der passerer gennem et konventionelt kapillarrør og en drøvleventil ifølge nærvæ-5 rende opfindelse.

Det i fig. 1 viste anlæg til opvarmning og køling med et omkob-leligt eller vendbart kølemiddelkredsløb har to varmevekslere 11, 12, der begge har en køleslange 13 henholdsvis 13'. Køle-10 middelslangerne 13, 13' er indbyrdes forbundet ved hjælp af en kølemiddelledning 14, hvori der er anbragt to ekspansionsventiler 15 og 16.

En kompressor 17 er via et udløbsrør 18 og et indløbsrør 19 15 forbundet med en ventil 20, som gennem ledninger 22 og 23 er forbundet med rørslangerne 13, 13' for de to varmevekslere.

Ved omstilling af ventilen 20 kan forbindelsen mellem varmevekslerne og kompressorens indløb henholdsvis udløb vendes. Ved en køleproces er kompressorens indløbsledning 19 forbundet 20 med varmeveksleren 12 gennem ledningen 22,og udløbsledningen 18 er forbundet med varmeveksleren 11 gennem ledningen 23. Varmeveksleren 11 virker som kondensator, medens varmeveksleren 12 virker som fordamper. Herved drøvles det fra varmeveksleren 11 til varmeveksleren 12 strømmende kølemiddel.

25 Når anlægget arbejder som varmepumpe, omstilles ventilen, hvorved kølemidlets strømningsretning vendes og virkemåden for de to varmevekslere vendes ved drøvling af kølemiddel i modsat retning. Ekspansionsapparatet bestående af de to 30 ekspansionsventiler er egnet til automatisk at svare på køle midlets strømretningsskift for at drøvle kølemidlet i den krævede retning. Ekspansionsapparatet, som er indskudt, leverer herved den krævede kølemiddelgennemstrømningsmængde over et meget stort driftsområde.

35

Som nævnt er de to ekspansionsventiler 15 og 16 anbragt i kølemiddelledningen 14. Begge virker på samme måde, men drøvler kølemiddel i modsat retning. Følgelig beskrives kun en af 4 149400 disse ventiler.

Som det fremgår af fig. 2, har ekspansionsventilen 15 et cylindrisk hus 30 med udvendigt gevind i begge ender indrettet 5 til at forbindes med omløbermøtrikker 31, 32 på kølemiddelled ningen (fig. 1). En strømningskanal 35, som er koaksial med huset, strækker sig fra ekspansionsventilen 15's venstre side ind i huset. Strømningskanalen 35's diameter er i hovedsagen lig med kølemiddelledningens indre diameter og kan derfor udrøvlet optage strømmen. Kanalen 35 munder ind i en ringkanal 36 med større diameter, der fra den modsatte ende er boret ind i huset eller er fremstillet på anden måde. Denne ringkanal 36's åbne ende har en indsats 37, der har en konisk indre åbning 38, der tilspidses til kølemiddelledningens indre •^5 diameter. En O-ring er anbragt i en ringnot i indsatsen 37's ydre overflade og tjener til at tætne indsatsen 37 over for ringkanalen 36's indre væg.

Et frit forskydeligt stempel 45 er glidende lejret i ringkana-20 len 36. Stemplet har en centralt anbragt drøvlekanal 46 og et antal på omkredsen formede aksialt forløbende noter 47, der virker som strømningskanaler. Stemplet 45 har en forudbestemt længde, således at det kan glide frit i aksial retning i ringkanalen 36. Stemplet har to parallelle endeflader 48 25 og 49. Den venstre endeflade 48 kan ligge an imod ringkanalen 36's endevæg 50 og den højre endeflade 48 kan ligge an imod en flade 52 på indsatsen 37's indre ende.

Dybden af hver not 47 i stemplet er mindre end den radiale 30 dybde af endevsggen eller ringskulderen 50, således at noterne 47 lukkes, når stemplet ligger an imod ringskulderen, se fig.

2. Når stemplet 45 derimod ligger an imod indsatsen 37 er noterne 47 åbne mod indsatsen 37's koniske indre kanal. Det kombinerede strømningstværsnit af noterne er i hovedsagen 35 lig med eller en smule større end strømningstværsnittet i kølemiddelledningen 14, hvorved noterne kan føre en strøm, der mindst er så stor som den, der kan føres igennem kølemiddel 1edningen.

149400 5

En keglestubformet ansats befinder sig ved hver ende af stemplet 45. Den venstre ansats 55 (fig. 2) har en cirkulær grundflade ved endefladen 49 med en diameter, som er en smule mindre end kanalen 35's indre diameter. Ansatsen, som er aksial med g stemplet, er anbragt i strømningskanalen, når stemplet er bevæget til slutstilling, som vist, hvorved stemplet 45 er rettet korrekt ind i ringkanalen 36 og til at sikre lukning af noterne 47 mod ringskulderen 50.

Den højife ansats 56 har en keglestubformet ydre overflade, der er tilpasset til indsatsen 37's konisk forløbende åbning.

Når stemplet er forskudt til sin af indsatsen 37 begrænsede højre endestilling er ansatsen 56 anbragt i den koniske åbning 38 og samvirker dermed til tilvejebringelse af en ringkanal, 15 som indsnævres skråt fra en større diameter ved noterne 47 til en mindre diameter ved indløbet til kølemiddelledningen.

Som følge heraf bliver kølemiddel, der strømmer gennem noterne 47, ført ind i kølemiddelledningen med en minimal turbulens.

2q Under drift drøvler ekspansionsventilen 15 kølemidlet, når det strømmer fra varmeveksleren 12 til varmeveksleren 11.

Under indflydelse af det strømmende kølemiddel bevæges stemplet til den i fig. 2 viste stilling og lukker derved noterne 47 imod ringskulderen 50, hvorved kølemiddel tvinges til at passere 25 igennem drøvlekanalen 46. Der foregår således en drøvling af kølemidlet fra højtrykssiden til lavtrykssiden.

Tilsvarende bliver stemplet, når kredsløbet vendes, og kølemiddel strømmer i den modsatte retning, automatisk bevæget til 3q den anden slutstilling liggende an imod indsatsen 37. Noterne 47, som nu er åbne mod åbningen 38 i indsatsen 37 danner nu en strømningskanal med minimal strømningsmodstand og muliggør derved en udrøvlet strømning forbi drøvlekanalen til kølemiddelledningen 14's nedstrømsområde.

35

Som det fremgår af fig. 1 er to ekspansionsventiler anbragt i kølemiddelledningen. Ekspansionsventilerne 15, 16 arbejder i modsat retning. Når kølemiddel f.eks. ved varmedrift strømmer 6 149400 fra varmeveksleren 12 til varmeveksleren 11, bevæges ekspansionsventilen 15's stempel 45 automatisk under påvirkning af strømmen til en lukkestilling for at lukke noterne, hvorved kølemidlet drøvles fra drøvlekanalen 46 til varmeveksleren 5 11. Samtidigt bevæges det modsat lejrede stempel i ekspansions ventilen 16 automatisk hen til åben stilling, således at køle— midlet udrøvlet kan strømme igennem ekspansionsventilen 16.

Når anlægget indstilles til køling og strømningsretningen gennem kølemiddelledningen vendes, bevæges de to stempler 10 i de to ekspansionsventiler automatisk til modsatte slutstillin- ger til drøvling af kølemiddel ind i varmeveksleren 12. Stemplet 45’s drøvlekanal 46 udgør et ekspansionsapparat med en fastlagt geometri. Drøvlekanalen 46's længde og dermed længden af stemplet kan være meget lille, f.eks. i forhold til kapilar-15 rør eller lignende.

Til bedre forståelse af virkemåden af drøvlekanalen forklares den soniske hastighedsprofil for et typisk kølemiddel under henvisning til fig. 4. Som det er vist med kurverne 60, der 20 er fuldt optrukne linier, har lydhastighedsprofilet for et typisk kølemiddel en stor diskontinuitet ved nullinien. Nulmængde brugt her refererer til tilstanden af kølemidlet, når den første dampboble formes deri, når kølemidlet overgår fra en underkølet væsketilstand til damptilstand. Som det fremgår 25 af kurven, forbliver I-ydhastigheden af et underkølét :væskeformet kølemiddel i begyndelsen konstant, når væsken nænner sig nul-kvalitet. Dette er vist grafisk som den vandrette kurve imellem tilstandspunkterne 1 og 2 . Typisk er hastigheden af det' underkølede væskeformede kølemiddel ca. 1500 m pr. sekund. Så snart 30 den første dampboble er' dannet i væsken, dvs. når kvaliteten af kølemidlet først bliver mættet, falder lydhastigheden for kølemidlet drastisk til en væsentlig lavere værdi, typisk til omkring ca-. 12 m pr. sekund. Tilstandspunktet 3 repræsenterer den soniske hastighed på vådblandingssiden af nul-kvalitets-35 linien. Da kvaliteten af blandingen forøges, jo mere damp der dannes, stiger lydhastigheden for kølemidlet gradvis, som vist ved hjælp af den fuldttrukne kurve 60, der forløber 149400 7 mellem tilstandspunkterne 3 og 4. Det skal forstås, at skemaet af illustrative hensyn ikke er i korrekt målestoksforhold, og hastighedstilstandspunktet 4 er reelt væsentligt under lydhastigheden for den underkølede væske. Det skal endvidere 5 forstås, at lydhastigheden, som anvendt under henvisning til kurven 60, repræsenterer hastigheden af lydbølger, der passerer gennem kølemidlet, og ikke til hastigheden af den involverede strøm.

10 Hastighedsprofilet for et typisk kølemiddel, der strømmer gennem et kapillarrør, er illustreret ved den punkterede kurve 62 i fig. 4. Den underkølede strøm, der kommer ind i kapillarrøret, er under såvel lydhastigheden for det underkølede væskeformede kølemiddel som lydhastigheden for den mættede væske 15 ved nul-kvalitet (tilstandspunkt 3). Da damp dannes i kapillar røret, vil trykket i røret falde, hvilket forårsager en forøgelse af strømningshastigheden. I praksis stiger strømmens hastighed hurtigere end kølemidlets lydhastighed. Ved tilstandspunktet 7 skærer de to kurver hinanden. Dette repræsenterer drøv-20 lingspunktet for kapillårrøret, som forekommer ved enden af røret. Hvis dette ikke var tilfældet, ville strømmen gennem røret blive supersonisk, et fænomen som er uopnåeligt i en fast geometrisk kanal. Som det kan ses, bliver på dette tidspunkt den maksimale strøm gennem røret stabil. Desuden kan drøvlings-25 punktet ikke forskydes opstrøms, fordi dette ville frembringe et trykfald i kapillarrøret, som igen ville kræve supersoniske strømninger. Som et resultat heraf bliver strømmen drøvlet ved en endelig værdi, og kapillarrøret kan ikke optage yderligere dampkrav ved lavere fordampertryk.

30 . .

Drøvlekanalen i stemplet ifølge opfindelsen har en fast geometri, men anvender et andet princip end det sædvanlige kapillarrør. Forholdet mellem diameter og længde af drøvlekanalen er specielt formet til muliggørelse af, at strømhastigheden for den 35 underkølede væske, der kommer ind i kanalen, forbliver under væskens lydhastighed, men over den mættede væskes lydhastighed ved nul-kvalitet. Hastighedsprofilet for drøvlekanalen er

Claims (1)

149400 vist ved den punkterede kurve 64 i fig. 4. Strømmen igennem drøvlekanalen forbliver subsonisk, så længe væsken forbliver underkølet. Ved mætningspunktet vil kølemidlet imidlertid øjeblikkelig blive supersonisk og forblive supersonisk, fordi 2 hastigheden af den våde blandingsstrøm, som det er nævnt i det foregående, forøges hurtigere end kølemidlets lydhastighed. Derfor må drøvlingspunktet for drøvlekanalen vise sig ved nul-kvalitet-linien. Da drøvlingspunktet kun kan vise sig ved enden af en fast geometrisk kanal, virker drøvlekanalen 1g kontinuerligt til at føre underkølet kølemiddel derigennem uanset fordampertrykket. Som følge heraf vil enhver brat fordampning af kølemidlet ske umiddelbart udenfor eller efter drøvlekanalen ved et punkt, hvor trykket i strømmen er drøvlet ned til fordampertryk. Som det kan ses, må afgangstrykket ^ i strømmen, hvis enden af drøvlekanalen nås før strømmen drøvlesr blive lig med fordampertrykket. Hvis det ikke gør det, dvs. hvis fordampningstrykket er sænket, hæves automatisk strømningshastigheden, indtil afgangstrykket er lig med fordampertrykket. Strømningshastigheden reguleres således automatisk 2q ved hjælp af ekspansionsventilen til opfyldelse af fordampe rens krav. Det skal også bemærkes, at længden af noten, som er udformet i stemplet, er meget lille, og længden af stemplet er tilsvarende lille. Som følge heraf kan stemplet bæres i en lille.fitting, som kan forbindes direkte i kølemiddelled-25 ningen, som vist i fig. 1. Patentkrav. 2q 1. Anlæg til opvarmning eller køling med et vendbart kølemid delkredsløb, bestående af en kompressor, to varmevekslere, hvilke to varmeveksleres ene side via en omkoblelig og dermed varmemiddelstrømningen vendende ventil efter valg er forbundet med en kompressors indløb eller udløb, en kølemiddelled-35 ning, der forbinder de to varmeveksleres andre sider med hinan den, og af et i begge strømningsretninger drøvlende ekspansionsapparat med en i kølemiddelledningen anbragt ekspansions-