DE2058161A1

DE2058161A1 - Kuehlaggregat,bestehend aus einem Absorptionskaelteapparat und einem waermeleitend damit verbundenen Sekundaersystem

Info

Publication number: DE2058161A1
Application number: DE19702058161
Authority: DE
Inventors: Nicolas Dr-Ing Eber
Original assignee: Electrolux AB
Current assignee: Electrolux AB
Priority date: 1969-12-04
Filing date: 1970-11-26
Publication date: 1971-06-09
Also published as: CH532231A; US3683640A; SE336141B; GB1268325A

Description

Dipl.-Ing. W. Beyer Dipl.-Wirtsch,-Ing. B. Jochem

6 Frankfurt am Main Freiherr-vom-Stein-Straße

In Sachen:

Aktiebolaget Electrolux
Luxbacken 1
Stockholm/Schweden

IKühlaggregat, bestehend aus einem Absorptionskälteapparat und einem wärmeleitend damit verbundenen Sekundärcystem.

Die Erfindung betrifft ein Γ Kühl, aggregat, bestehend aus einem mit einem tragen Hilfsgas betriebenen Absorbtionskälteapparat und einem geschlossenen, mit Verdampfung und Kondensation eines Kältemittels arbeitenden Sekundärsystem. , dessen Kondensator wärmeleitend mit dem Verdampfer des Absorbtionskälteapparats verbunden ist und dessen Verdampfer als Kühler eines Kühloder Gefrierraumes dient·

Bei Absorbtionskälteapparaten, die mit einem trägen Hilfsgas arbeiten, hängt die Anordnung der einzelnen Teile des Verdampfersystems von mehreren Bedingungen ab, die es dem Konstrukteur erschweren, den Verdampfer in jeder Hinsicht so zu gestalten und derart anzuordnen, wie es in einem speziellen Falle wünschenswert wäre» So muß z.B. der Verdampfer um so viel unterhalb des Kondensators liegen, daß das in dem letzteren anfallende Kältemittelkondensat frei in den Verdampfer fließen kann, abhängig lediglich vom hydrostatischen Unterschied. Es muß auch deshalb ein ausreichender Höhenunterschied zwischen diesen beiden Teilen vorhanden sein, weil bei der Inbetriebnahme des Gerätes das im Kondensator gebildete, spezifisch leichte Kondensat in der Lage sein muß, die spezifisch schwerere Absorbtionslösung, die sich

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bei dieser Gelegenheit noch in der Kondensatleitung befindet, zu verdrängen. Außerdem muß der Verdampfer so gestaltet sein, daß sich keine Plüssigkeitsverschlüsse bilden können, welche die Zirkulation des tragen Hilfsgases vorhindert. Gleichzeitig muß auch der Durchmesser des Verdampferrohres verhältnismäßig weit gewählt werden, damit ein zu starker Druckabfall im Gaskreislauf vermieden wird. Der Durchmesser des Verdampferrohres ist jedoch wMerum von Einfluß auf die Gestaltungsmöglichkeit

der zu biegenden Rohre, denn der kleinstmögliche Radius der Rohrkrümmungen hängt vom Rohrdurchmesser ab. Schließlich muß der Verdampfer auch deshalb so weit wie möglich über dem Absorber angeordnet sein, damit eine genügend starke Strömung im Gaskreislaufsystem zustande kommt.

Inxdem mit dem Absorbtionskälteapparat ein geschlossenes Sekundärsystem wärmeleitend verbunden wird, ist es in gewissem Maße möglich, die genannten Einschränkungen in der freien Wahl der Gestaltung und Anordnung des Verdampfers zu umgehen. Derartige Sekundärsysterne sind seit langem bekannt. Sie arbeiten entweder mit einer wärmeübertragenden Flüssigkeit, die infolge Konvektion innerhalb der verschiedenen Teile des Sekundärsystems zirkuliert, oder mit einem flüssigen Kältemittel, welches bei den zu kühlenden Teilen verdampft und dann durch den Verdampfer des Absorbtionskälteapparates wieder kondensiert wird.

In dem Verdampfer eines Absorbtionskälteapparates verdampft Kältemittel, und der Kältemitteldampf vermischt sich mit einer im Kreislauf geführten Hilfsgasströmung. Während fortdauernden Verdampf ens steigt der Partialdruck des Kältemittels in der Gasströmung und damit auch die Verdampfungstemperatur. Bei steigender Temperatur wird auch die Menge des pro Zeiteinheit zu verdampfenden Kältemittels entsprechend der Sättigungskurve für Druck und Temperatur des Kältemittels größer. Die Art dieser Sättigungskurve ist für alle Kältemittel dieselbe.

Aus dem genannten Grunde besteht zwischen der Temperaturcharakteristik des Verdampfers des Absorbtionskälteapparates und der des Kondensators des Sekundärsystems eine Diskrepanä; j, die nicht wieder

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rückgängig zu machende Wärmeübergänge und Verluste zur Folge hat. Wenn eine nicht verdampfende Flüssigkeit zirkuliert, die im Allgemeinen eine konstante spezifische Wärme hat, sind diese

Verluste ein wenig geringer als im Fall eines Sekundärsystems, das mit Verdampfung und Kondensation eines Kältemittels bei gleichförmiger Temperatur arbeitet. Weil jedoch die Anpassungsfähigkeit und die Wärmeübertragungskapazität bei dom letzteren System beträchtlich besser und grosser sind, wird dieses dem zuerst erwähnton System mit zirkulierender Flüssigkeit im allgemeinen vorgezogen.

Die Verluste, welche bei den bisher bekannten Kälteaggregaten, die aus einem Absorbtionskälteapparat und einem mit Verdampfung und Kondensation arbeitenden Sekundärsystem bestehen, sind jedoch

denn
beträchtlich,/die erzielte gleichförmige Kühltemperatur des Sekundärsystems kann nur der höchsten ("wärmsten") Temperatur im Verdampfer des Absorbtionskälteapparates entsprechen. Wenn es also gewünscht ist, das Sekundärsystem bei sehr niedriger Temperatur zu betreiben, muß dem Absorbtionskälteapparat ein Kühleffekt gegeben werden, welcher noch tiefere Temperaturen als die gewünschte erzielt. Es leuchtet ein, daß solche Betriebsweise des Absorbtionskälteapparates zu einem im Verhältnis hohen'Energieverbrauch und einem vergleichsweise niedrigen Wirkungsgrad des gesamten Systems führt. Aus diesem Grunde wurde das geschilderte kombinierte System nur dann angewandt, wenn der Bereich der Betriebstemperatur des Absqrbtionskälteapparates unter allen Umständen nur klein war, wie beispielsweise bei Tiefkühlschränken und Gefrierräumen.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, bei einem Kälteaggregat der eingangsgenannten Art das Sekundärsystem so auszubilden, daß die erwähnten Verluste vermieden werden.

Vorstehende Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Kältemittel des Sekundärsystems ein Gemisch von Flüssigkeiten ist, welches innerhalb der Temperaturgrenzen des Verdampfers des Absorbtionskälteapparates bei verschiedenen Temperaturen verdampft und/oder kondensiert.

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Durch die Erfindung wird auch der Anwendungsbereich der mittels eines Sekundärsystems zu kühlenden Kühlschrankkammern odor sonstigen Kühlgeräte oder -Anlagen erweitert, indqm beispielsweise Kühlschränke mit termischlisolierten Kammern unterschiedlicher Temperatur betrieben werden können. Es ist außerdem möglich, mehrere voneinander getrennte, vorzugsweise kleine Kühlschränke durch einen einzigen Absorbtionskälteapparat und ein oder mehrere Sekundärsysteme zu kühlen. Der erzielte Erfolgt beruht darauf, daß bei Verwendung einer Mischung von zwei Kältemitteln eine befriedigende Angleichung zwischen der Temperaturcharakteristik des Verdampfers des Absorbtionskalteapparates und der des Kondensators des Sekundärsystems errreicht werden kann. Die Verdampfungscharakteristik der Kältemittelmischung im Sekundärsystem, bestehend beispielsweise aus zwei verschiedenen Kältemitteln,hängt zunächst von den Komponenten der Mischung selbst ab, sodann von den Mischungsanteilen, drittens vom Betriebsdruck und viertens von dem Verhältnis der im Sekundärsystem zirkulierenden Flüssigkeitsmenge zur Menge des darin gebildeten Kältemitteldampfes. Dieses Verhältnis widerum hängt von der Belastung des Gekundärsystems ab sowie von seinem Strömungswiderstand, der im wesentlichen eine Funktion des Querschnitts ist. Die Zirkulation der Flüssigkeit im Sekundärsystem kommt durch den darin gebildeten Dampf zustande. Da die Zahl der möglichen Kombinationen verschiedener Kältemittel praktisch unbegrenzt int, beschränkt sich die Erfindung nicht auf irgendwelche speziellen Komponenten. Dio möglichen Mischungen können zunächst angenähert theoretisch ausgesucht werden, wenn die thermodynamischen Eigenschaften der in Betrach gezogenen Komponenten gut genug bekannt sind, beispielsweise in Form von Enthalpie-Mischungs-Diagrammen vorliegen. In solch einem Fall wird man in erster Annäherung eine bestimmte Zusammensetzung des Gemische und der Betriebstemperatur treffen. Die so erhaltene Verdampfungscharakteristik wird dann, vorzugsweise graphisch, mit der entsprechenden Charakteristik des Verdampfers des Absorbtionskalteapparates verglichen. Dann werden die zunächst angenommenen Werte berichtigt, bis eine zufriedenstellende Übereinstimmung gewonnen ist. Als ein Beispiel für eine möglicherweise in Frage kommende Mischung sei eine solche aus "Freon 12" und "Freon 13" mit unge-

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fähr J)O Gewichtsprozent des letzteren Bestandteils genannt.

Die Erfindung wird nachstehend anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen von nach dem hier vorgeschlagenen Prinzip arbeitenden Kühl-aggregaten beschrieben. Es zeigen:

Pig. 1 einen Kühlschrank mit einem Sekundärsystem, welches mit dem Verdampfer eines Absorbtionskälteapparates wärmeleitend verbunden ist,

Pig. 2 einen anderen Kühlschrank, der dieselbe: Art Teile wie der nach Pig. 1 hat, jedoch anders aufgebaut ist,

Pig. 3 die Temperaturkurve eines Verdampfers eines Absorbtionskälteapparates im Vergleich mit der Temperaturkurve des Kondensators eines erfindungsgemäß betriebenen Sekundärsystems.

In Fig. 1 ist mit strichpunktierten Linien ein Kühlschrank angedeutet, der zwei Kammern 1o und 11 hat, die gegenseitig thermisch isoliert sind. Die obere Kammer 1o ist ein Gefrierfach, während die untere Kammer 11 ein Kühlfach bildet. Von diesen beiden Kammern wird über ein nachstehend beschriebenes Sekundärsystem Wärmeenergie abgezogen und zu einem Verdampfer 12 eines Absorbtionskälteapparates transportiert, welcher in herkömmlicher Weise ausgebildet sein kann, so daß auf die Darstellung seiner übrigen Bestandteile verzichtet wurde.

Dem oberen Ende des Verdampfers 12 des Absorbtionskälteapparates wird über eine Leitung 13 flüssiges Kältemittel zugeführt, und dieses Kondensat fließt im Gegenstrom zu einer Hilfsgasströmung, die am unteren Ende 14 eingeleitet wird, durch den Verdampfer 12. Wegon der Wärmezufuhr durch das Sekundärsystem verdampft Kältomittol während soiner ganzen Strömung durch den Verdampfer 12, wodurch das träge Hilfsgas mit Kaltemitteldampf gesättigt wird, welches Gasgemisch dann den Verdampfer 12 an seinem oberen Ende

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15 über eine Anschlußleifcung .verläßt. Die niedrigste Temperatur herrscht dabei am unteren Ende 14 des Verdampfers 12. Zum oberen Endo 15 hin, wo die höchste Temperatur, herrscht, ist ein kontinuierlicher -Temperaturanstieg festzustellen. Die Temperatur des Verdampferrohres wird also vom unteren zum oberen Ende hin beständig grosser.

Das Sekundärsystem, welches mit Verdampfung und Kondensation arbeitet, wird verschlossen, nachdem es evakuiert und danach eine geeignete Mischung flüssiger Kältemittel eingefüllt worden ist. Der Flüssigkeitsstand in einem senkrechten Rohr 1? außerhalb der Kammern 1o und 11 des Kühlschrankes befindet sich dann auf einem Niveau 16. Ein Kondensator 18 des Sekundärsystems ist wärmeleitend mit dem Verdampfer 12 des Absorbtionskälteapparates verbunden, indem z.B. wie in l^?ig. 1 und 2 dargestellt, diese beiden Teile aus parallelliegenden, durch Verschweißung wärmeleitend verbundenen Hohren bestehen. Auf Seiten des Sekundärsystems wird Kältemitteldampf dem oberen Ende des Kondensators 18 zugeführt. Die Kondensation ist so eingestellt, daß die Kältemittelmischung dann am unteren Ende des Kondensators 18 verflüssigt ist. Im Kondensator werden diejenigen Bestandteile des Kältemitteldampfes, welche eine hohe Siedetemperatur haben, oder wenigstens hauptsächlich solche Bestandteile,zuerst kondensiert, und die Kondensation der Bestandteile des Dampfgemisches mit niedriger Siedetemperatur schreitet dann in zunehmender Menge zum unteren Ende des Verdampfers hinirort. Aus dem Kondensator 18 fließt das flüssige Kältemittel in den unteren Toil nines Tieftemperaturvordampfers 19· In dan Gefrier fach 1o von außen eindringende Wärme und mögliichorwolno di<! in oi ngolog lon üogennlitimlon enthaltene Wärme vorurnnohen eine gnwisne Verdampfung im Verdampferteil 19. Es entstehen Dampfblasen, welche im Verdampfer ansteigen und dabei Kondensat durch den Verdampfer hindurch in das Standrohr 17 fördern. Zu diesem Zweck hat das Verdampferrohr 19 nur einen verhältnismäßig kleinen inneren Durchmesser. Im Standrohr 17 trennt sich der Kältemitteldampf von der Kältemittelflüssigkeit. Der Dampf strömt durch eine Dampfleitung 2o zum Kondensator 18, während

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die Flüssigkeit durch das Standrohr 1? in einen Verdampfer 21 des Sekundärsystems für höhere Betriebstemperatur gelangt. Dieser Verdampfer 21 ist in der Kühlkammer 11 installiert, und

es findet auch in ihm infolge Gasblasenbildung eine Strömung des Flüssigkeits- Dampfgemisches in Aufwärtsrichtung statt. Der Verdampfer 21 mündet am oberen Ende in- das Standrohr 17 oberhalb des Flüssigkeitsspiegels 16. Wie die vorstehende. Schilderung deutlich macht, gliedert sich bei diesem .Ausführungsbeispiol das Sekundärsystem in zwei Strömungskreisläufe, welche ein Teil des Systems gemeinsam haben.

Weil der Druck im gesamten Sekundärsystem derselbe ist und die dem bei niedrigerer Temperatur arbeitenden Verdampfer 19 zugeführte flüssige Kälteiitbännsiiurig ■ mehr Bestandteile mit niedriger Siedetemperatur enthält, als die dem Verdampfer 21 zugeleitete flüssige Kaitemittelmischurig, stellt sich ganz selbstätig in dem höher gelegenen Verdampfer 19 eine niedrigere Temperatur ein als in'dem niedriger gelegenen Verdampfer 21. An beiden Verdampfern 19 und 21 ist am unteren Ende jeweils die niedrigste Verdampfungstemperatur zu verzeichnen. Sie steigt über die Länge der Verdampfer jeweils nach oben hin kontinuierlich an. Dies ist kein Nachteil, sondern mit eine Ursache dafür, daß das System als ganzes mit einem sehr hohen Wirkungsgrad arbeiten kann.

Es versteht sich von selbst, daß Fig. 1 nur eine sehr schematische Darstellung ist, die lediglich ganz allgemein zeigen soll, wie das neu vorgeschlagene Kühlaggregat aufgebaut sein kann. Jeder der in diesem Fall vorhandenen beiden Verdampfer ragt dabei in einen thermisch isolierten Raum des Kühlschranks. Falls es gewünscht ist, können zusätzlich Mittel zur Oberflächenvergrößerung an den Verdampfern angebracht sein. Es ist jedoch auch möglich, entweder beide oder nur einen Verdampfer wärmeleitend mit einer inneren Wand aus einem geeigneten Metall des jeweiligen Kühlschrankraumes zu verbinden. Die Verdampfer können auch auf der Außenseite der Innenwand der Kühlschrarikräume innerhalb der diese umgebenden Wärmeisolierung angeordnet sein, wobei sie wiuerum wärmeleitend mit den Innenwänden verbunden sind. Obgleich in den Zeichnungsei P 1,87/^111970 ¹⁰⁹⁸²*^/1183

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figuren nicht dargestellt ist, daß äußere Teile des Systems mit einer Wärmeisolierung versehen sind, so versteht sich dieses im vorliegenden Fall doch von selbst, Sowohl das Standrohr sf^be-k als auch die Leitung 2o und der" durch den Verdampfer des Abr.orbtionskälteapparates und den Kondensator, des Sekundär-· systems gebildete Wärmetauscher sind mit einer Wärmeisolierung einzuschließen. Es wird jedoch deutlich, daß ein Konstrukteur große Freiheit bei der Gestaltung und Anordnung der äußeren Teile des Sekundärsystems hat.

In Fig. 2 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt, bei welchem das Sekundärsystem aus einem einzigen in sich geschlossenen Kreislauf besteht. Im Gegensatz zu Fig. 1, wo das Gefrierfach 1o über dem Kühlfach 11 angeordnet ist, liegt bei der Ausführung nach Fig. 2 ein Gefrierfach 22 unterhalb eines Kühlfaches 23. Der Verdampfer 12 des Absorbtionskälteapparates kann ebenso ausgeführt sein wie nach Fig. 1 und hat auch dieselbe Funktion. Im Kondensator 18 des Sekundärsystems kondensiertes Kältemittelgemisch fließt in ein Standrohr 24 herab, wo der Flüssigkeitsspiegel auf dem Niveau 25 liegt. Von dort wird dns Kondensat in den unteren Teil eines Tieftomperaturverdampferß 26 geleitet, wo die Bestandteile des Kältomittelgeminches, welche einen niedrigen Siedepunkt haben, verdampfen. Die dabei gebildeten Gasblasen führen Kondensat mit sich weiter nach oben in einen mit höherer Temperatur betriebenen Verdampferteil 271 der im Kühlfach 23 installiert ist. Dort setzt sich der Verdampfungsvorgang fort, wobei zum grössten Teil die Mischungsbestandteile mit höherer Siedetemperatur verdampfen. Das Dampfgemisch wird durch eine Leitung 28 zum oberen Teil des Kondensators 18 zurückgeführt. Das Sekundärsystem kann auch in einfacher Weise so ausgestaltet werden, daß der Kältemitteldampf eine Pumpwirkung auf die Flüssigkeit ausübt, welche diese wenigstens teilweise in den Kondensator 18 treibt.

In Fig. 3 sind Temperaturkurven dargestellt, mit denen angedeutet werden soll , welches die idealen Bedingungen für den aus dom Verdampfer 12 und dem Kondensator 18 bestehenden Wärmetauscher s.ind. Die ausgezogen gezeichnete Kurve veranschaulicht

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die über der Länge L des Vordampfers 12 von dessen unterem Ende 14- bis zu seinem oberen Ende 15 aufgetragene Verdampfungstemperatur. Die obere, gestrichelte Kurve bringt die Kondensationstemperatür im Kondensator 18, aufgetragen ebenfalls über der Länge L,zum Ausdruck. Um einen guten'Wirkungsgrad zu erhalten, ist es notwendig, daß an jedem Punkt des Wärmetauschers eine bestimmte CDemperaturdifferenz zwischen Verdampfer 12 und Kondensator 18 besteht, wie dies durch, äen Abstand der beiden Kurven in Fig. 3 dargestellt ist. Gewisse kleinere oder auch grössere Abweichungen in der Parallelität der beiden Kurven, die auf die Wahl der Komponenten des Kältemittelgemischs und die Druckverhältnisse im Absorbtionskälteapparat und dem Sekundärsystem zurückzuführen sind, können in der Praxis hingenommen werden. Auch wenn nicht der gezeichnete Idealzustand erreicht wird, sind Kühlaggregate, deren Sekundärsystem mit einem als geeignet ausgewählten Kältemittelgemisch betrieben werden,vorbekannten Ausführungen deutlich überlegen.

Ansprüche

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Claims

Ansprüche

Kühlaggregat, bestehend aus einem mit einem tragen Hilfsgas betriebenen Absor.ptionskälteapparat und einem geschlossenen, mit Verdampfung und Kondensation eines Kältemittels arbeitenden Sekundärsystem, dessen Kondensator wärmeleitend mit dem Verdampfer des Absorptionskälteapparates verbunden ist und dessen Verdampfer als Kühler eines Kühloder Gefrierraumes dient, dadurch gekennzeichnet, daß das Kältemittel des Sekundärsystoms (17 bis 21 bzw. 18, 24 bis 28) ein Gemisch von Flüssigkeiten ist, welches innerhalb der Temperaturgrenzen des Verdampfers (12) des Absorptionskälteapparates bei verschiedenen Temperaturen verdampft und/oder kondensiert.
2. Kühlaggregat nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kondensator (18) des Sekundärsysteins mit Bezug auf den Strömungsweg des Kältemittels eine Temperaturcharakteristik hat, welche ungefähr gleich der des Verdampfers (12) des Absorbtionskalteapparates ist.
3. Kühlaggregat nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Verdampfer (19> 21) bzw. (26, 27) des Sekundärsystems mit Teilen unterschiedlicher Temperatur in gegenseitig thermisch isolierten Kühl- oder Gefrierräumen (1o, 11) bzw. (22, 23) installiert ist.
4. Kühlaggregat nach Anspruch 3> dadurch gekennzeichnet, daß das Sekundärsystem (18, 24 bis 28) aus einem einzigen Strömungskreislauf besteht, dessen Verdampfer (26, 27) sowohl in einem unteren Gefrierraum (22) als auch in einem oberen Kühlraum (23) installiert ist.

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5. Kühlaggregat nach Anspruch 3, dadurch gekennz ο i c h η et , daß das Sekundärsystem (17 "bis 21) aus zwei miteinander in Verbindung stehenden Kreisläufen besteht, von denen der eine zu einem Gefrierraum (1o) und dor andere zu einem Kühlraum (11) geführt ist.
6. Kühlaggregat nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Verdampfer (19, 21, 26, 27) des Sekundärsystems wenigstens teilweise wärmeleitend mit einer Innenwand eines Kühl- oder Gefrierraumes (1o, 11, 22, 23) verbunden ist.
7. Kühlaggregat nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die wärmeleitende Verbindung zwischen dem Verdampfer (12) des Absorptionskälteapparates und dem Kondensator (18) des Sekundärsystems längs eines Zweikanalrohres besteht, dessen einer Kanal zum Kreislauf des Absorptionskälteapparates und dessen anderer Kanal zum Kreislauf des Sekundärsystems gehört.

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