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Title:
IMPROVING THE CAPACITY OF A COMPRESSOR REFRIGERATION MACHINE
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2022/161587
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention according to the preamble of claim (1) to improve the capacity of compressor refrigeration machines is achieved by modifying the refrigeration circuit of a refrigeration machine. The prior-art refrigeration circuit consists of the components: compressor (1), condenser (2), filter drier (3), throttle (4), evaporator (5) and piping. A heat exchanger (6) is directly integrated into the refrigerant circuit at the outlet of the pressure side of the compressor. Heat exchangers come in various designs. In addition to the hardware of the heat exchanger, a characterising feature of the process according to the invention for improving capacity is that no medium other than the refrigerant already in the refrigerant circuit or used in the process is used for heat transfer. The heat exchanger (6) transfers the high temperature of the gaseous refrigerant, as compressed by the compressor (1), to the refrigerant, which is now liquid, downstream of the condenser (2), directly before the throttle (4). As a result, a higher temperature and pressure level is achieved in the refrigerant circuit on the pressure side. The higher pressure level on the pressure side therefore has a higher pressure differential to the intake side of the refrigerant circuit. This higher pressure differential generates more cooling capacity at the same power consumption or reduces the power consumption for the same cooling capacity. The desired temperature conditions are adjusted using temperature sensors and commercially available adjusting potentiometers (e.g. rotary switches).

Inventors:
QUAAS, HANS-RAINER (DE)
Application Number:
PCT/EP2021/000098
Publication Date:
August 04, 2022
Filing Date:
August 19, 2021
Export Citation:
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Assignee:
QUAAS, HANS-RAINER (DE)
International Classes:
F25B40/04; F25B43/00
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Claims:
Patentansprüche Der Kältemittelkreislauf von Verdichter-Kältemaschinen (Figur 1) nach dem Stand der Technik, mit Verdichter (1), Verflüssiger (2), Trockner/Filter (3) , Drossel (4), Verdampfer (5) und der Verrohrung wird zur Leistungsverstärkung durch die Einbindung eines Wärmetauschers (6) so modifiziert, dass die Kältemaschine entweder weniger Strom bei unveränderter Kühlleistung benötigt oder aber eine Verbesserung der Kühlleistung bei gleich- bleibender Stromaufnahme, üblicherweise geregelt durch einen Temperatur- bzw.

Leistungsregler, erzielt wird. Der Verdichter hat eine Saugseite (von der Drossel (4) zum Verdichter (1)) und eine Druckseite (vom Verdichter (1) zur Drossel (4)). Die erfindungsgemäße Kühlmaschine ist d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t

1) dass der Prozess im Kältemittelkreislaufs einer Verdichter Kältemaschine nach dem Stand der Technik dahingegen modifiziert wird, dass durch das erfindungsgemäße Einbinden eines Wärmetauschers unmittelbar nach dem Verdichter die hohe Wärme des verdichteten, gasförmigen Kältemittels genutzt wird, um diese Wärme auf das im Verflüssiger, jetzt flüssige und kühler gewordene Kältemittel, unmittelbar vor der Drossel, zu übertragen, ohne ein weiteres Medium zur Wärmeübertragung zu benötigen, als das ohnehin im geschlossenen Kältemittelkreislauf vorhandene Kältemittel. Dadurch wird die Temperatur des flüssigen Kältemittels erhöht. Mit der Temperaturerhöhung erfolgt im geschlossenen Kältemittelkreislauf zugleich auch eine Druckerhöhung.

2) dass der Wärmetauscher nach Anspruch 1 als Wärmetauscher erfindungsgemäß mit voll oder teilweise integriertem Filter oder Filtertrockner ausgeführt ist, der durch seine vergrößerte Oberfläche im Inneren des Wärmetauschergehäuses die Effizienz des Wärmetausches verbessert.

5 3) dass der Wärmetauscher nach Anspruch 1 als koaxialer Röhrenwärmetauscher, gewendelt oder gerade oder als Plattenwärmetauscher ausgeführt wird.

4) dass die Wärmetauscher nach den Ansprüchen 1, 2 und 3 vorzugsweise im Gegenstromprinzip arbeiten. Zur Vermeidung von Wärmeverlusten wird das Gehäuse des Wärmetauschers außen thermisch isoliert.

5) die Kältemaschine mit dem integrierten Wärmetauscher nach den Ansprüchen 1 bis 4 bei Maschinen/Geräten, die mit dem Wärmepumpenprinzip arbeiten, im privaten und industriellen Bereich, sowohl stationär als auch mobil zur Anwendung kommt.

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Description:
Leistungsverstärkung Verdichter-Kältemaschine

Beschreibung

Die Erfindung, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 zur Leistungsverstärkung von Verdichter-Kältemaschinen, bezieht sich auf einen Eingriff in den Kälte-Kreislauf nach dem Stand der Technik (Figur 1) von Kältemaschinen. Kältemaschinen mit Kompresso- ren/Verdichtem, ausgeführt als Kolbenverdichter oder Rotationsverdichter, basieren auf dem Wirkungsprinzip der Wärmepumpe. Erfindungsgemäß wird ein zusätzlicher Wärmetauscher (6 und Figur 2 u. 3) in den Kältemittelkreislauf nach dem Stand der Technik, bestehend aus den Komponenten: Verdichter (1), Verflüssiger (2), Filter oder Filtertrockner (3), Drossel (4), Verdampfer (5) und der Verrohrung, einer Kältemaschine integriert. Der erfindungsgemäße zusätzliche Wärmetauscher muss aufgrund der vorhandenen begrenzten Platzverhältnisse bei Kältemaschinen relativ klein sein, in seiner Wirkungsweise hocheffizient sein und muss von Seiten der Herstellungskosten in einem wirtschaftlichen Verhältnis zum Nutzwert und Marktwert konventioneller Kältemaschinen stehen. Anwendungsbereiche sind: Haushaltsgeräte, so u.a. bei Kühlschränken, Kühltruhen, Gefrierschränken, Gefriertruhen, Kühl- Gefrierkombination, Wärmepumpentrockner, Heizungen und in industriellen Bereichen, so z.B. bei Temperatur-/Klimakammern, Kühlhäusern, Umwelttestanlagen, klimatisierten Rechnerräumen u.a.m.. Das Einsatzfeld von Kältemaschinen findet man in stationären (z.B. Gebäuden), in mobilen Bereichen (Fahrzeuge, Schiffe, Fluggeräte) und bei Prozessen der Herstellung von Waren.

Das wesentliche Merkmal der Erfindung ist die Nutzung der Kompressionswärme des Kältemittels, unmittelbar nach Austritt des gasförmigen und komprimierten Kältemittels aus dem Kompressor (1), zur Nacherwärmung des Kühlmittelkreislaufes unmittelbar vor der Drossel (4). Für diese Nacherwärmung wird ein erfindungsgemäßer Wärmetauscher (6) in den Kreislauf integriert. Als Drossel (4) werden üblicherweise fest eingestellte oder regelbare Expansionsventile oder Kapillare verwendet. In Haushaltsgeräten werden vorzugsweise Kapillare eingesetzt. Die Nacherwärmung des nach dem Verflüssiger flüssigen Kältemittels im Kälte- Kreislauf bewirkt auch einen Anstieg des Drucks. Dadurch erhöht sich die Leistung des Kühlkreislaufs durch die damit verbundene höhere Potentialdifferenz, zwischen der Druckseite und der Saugseite des Kältemittelkreislaufs, bzw. vor und nach der Drossel. Die

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ERSATZBLATT (REGEL 26) Leistungssteigerung wirkt sich als Stromminderverbrauch bei gleicher Kälteleistung oder als höhere Kälteleistung bei gleichem Stromverbrauch aus. Zusätzlich begünstigt der Wärmetauscher (6) mit seiner Einbindung in den Kühlkreislauf vor dem Verflüssiger (2) noch den Verflüssigungsprozess des Kältemittels.

Beispiel*: Tl/pl = T2/p2 ; T 1 bzw. T2 = T + 1 (°K) a) Temperatur - Druck Kühlmittel, unmittelbar nach dem Kompressor: ta = 70 °C; pa - 20 bar b) Temperatur - Druck Kühlmittel, ohne Leistungsverstärkung durch den Wärmetauscher (6) nach dem Verflüssiger (3), vor der Drossel (5): tv = 40 °C; pv = 10 bar. c) Temperatur - Druck Kühlmittel mit Leistungsverstärker durch den Wärmetauscher (6) nach dem Verflüssiger (3) und Wärmetauscher (6), vor der Drossel (5): tvl = 50 °C; pvl = 12 bar. d) Das Delta von z.B. +10 °C und + 2 bar ( hier als Beispiel: c minus b = Delta) bewirkt eine Verbesserung der Kälteleistung oder reduziert den Stromverbrauch bei gleicher Kälteleistung des Geräts im Bereich von ca. 20% .

* in der praktischen Auslegung werden die Kühlkreisläufe üblicherweise berechnet und dann durch Tests optimiert. Kritische Parameter sind die Füllmengen mit Kältemittel nach Gewicht, die Leistung des Verdichters und die Auslegung der Drossel. Die Werte des Beispiels sind nicht exakt berechnet. Die erzielbaren Werte sind auch von der Konstruktion bzw. der Auslegung des Wärmetauschers abhängig.

Ein weiteres wesentliches Merkmal der Erfindung ist die Verwendung eines einzigen Mediums zur Wärmeübertragung in dem geschlossenen Kältemittelkreislauf der Kältemaschine. Als Kältemittel dienen heute handelsübliche, leicht flüchtige Kohlenwasserstoffe mit niedrigem Siedepunkt, wie z.B. Isobutan (R600A), die, entgegen den früher üblichen Kältemitteln, nicht oder kaum klimaschädlich sind. Außer Isobutan sind heute noch weitere Kältemittel, mit ähnlicher Wirkung in Kältemaschinen bzw. Wärmepumpen (z.B. R410A) oder Pkw (z.B. R134A) im Einsatz.

Die Bilder 1 bis 4 zeigen beispielhaft Wärmetauscher, die eingesetzt werden können.

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ERSATZBLATT (REGEL 26) Bezeichnungen Figuren 1 bis 4:

Figur 1 - Kältekreislauf

1 Verdichter (z.B. Kolben oder Rotationsverdichter)

2 V erflüssiger /z.B . Rückseite Kühlschrank

3 Trockner/Filter

4 Drossel (Kapillare oder Expansionsventil - geregelt/ungeregelt)

5 Verdampfer (innen im Kühlgerät/Kühlraum)

6 Wärmetauscher

7 Füll- und Entleerventil ta Temperatur Kältemittel (Gas) Austritt Verdichter (1) pa Druck Austritt V erdichter ( 1 ) tv Temperatur Kältemittel nach Verflüssiger (2) pv Druck nach Verflüssiger (2) tvl Temperatur Kältemittel nach Wärmetauscher (6) pvl Druck nach Wärmetauscher (6)

Figur 2 - Wärmetauscher mit integriertem Filtertrockner

1 - Gehäuse mit thermischer Außenisolierung

2 - Einlass Wärmetauscher

3 - Auslass Wärmetauscher

4 - gewendelte Rohrschlange

5 - Filter oder Filtertrockner

6 - Einlass Rohrschlange

7 - Auslass Filter bzw. Filtertrockner in Drossel

ERSATZBLATT (REGEL 26) Figur 3 - Koaxialer Wärmetauscher

Nicht maßstäblich!

Abmessungen in mm ca. 4-5 Windungen; Höhe 50 mm - 80 mm da = Außendurchmesser: > 50 mm - < 100 mm

Anschlüsse an Kühlkreislauf mittels Kupferfittinge

Anschlüsse inneres Rohr ca. d: 6 mm

Anschlüsse äußeres Rohr ca. d: 6 mm

Koaxiale Rohre des Wärmetauschers:

- inneres Rohr: - Durchströmung = gasförmig; Anschluss Verdichter

- äußeres Rohr: - Durchströmung = flüssig: Anschluss nach Verflüssiger Durchströmungs-Richtung: Gegenstromprinzip oder Gleichstromprinzip

Figur 4 - Filter oder Filtertrockner

1 - Eintritt flüssiges Kältemittel vom Verflüssiger

2 - Austritt flüssiges Kältemittel in die Drossel (Kapillare oder Expansionsventil)

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ERSATZBLATT (REGEL 26)