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Verfahren und Vorrichtung zur Kühlung einer Kammer Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Kühlen einer Kammer mit durchströmender Luft als Kühlmittel unter Verwendung wechselweise einsetzbarer Regeneratoren zur Erzeugung niedriger Temperaturen von -70 C bis -l60 C.
Es ist bekannt, dass Luftkühlanlagen eine ebenso lange Lebensdauer haben wie Kohlensäure- und Ammoniakkühlanlagen.
Sie wurden jedoch infolge ihrer geringen Wirtschaftlichkeit bei Erzielung unbedeutender Minus- Temperaturen (bis -40 C), hervorgerufen durch den niedrigen Wirkungsgrad des Kompressions- und Expansionsvorganges, fast gänzlich durch Dampfkühlanlagen verdrängt.
Durch Einschluss eines Regenerationsvorgangs in den Luftzyklus wurden die thermodynamischen Eigenschaften der Luftkühlanlagen wesentlich verbessert, insbesondere in Fällen, bei denen die Kühlanlage in einem weiten Bereich der Grenztemperatu- ren betrieben werden soll.
Es sind unter anderem Luftturbokompressor- Kühlanlagen bekannt, in welchen die Abkühlung durch eine Expansion der Atmosphärenluft in einer (Expansions)-turbine von Atmosphärendruck auf einen niedrigeren Druck erzeugt wird. In solchen Anlagen wird die Atmosphärenluft durch einen vorher abgekühlten Regenerator geleitet, wo sie auf der Aussenfläche des Regeneratoreinsatzes ihre Feuchtigkeit absetzt; danach wird sie auf eine gewisse negative Temperatur (beispielsweise bis zur Temperatur -50 C) abgekühlt und gelangt schliesslich in eine Expansionsturbine, in welcher eine Expansion der Luft auf einen niedrigeren Druck und somit eine weitere Abkühlung stattfindet.
Nach der Expansionsturbine wird die Luft zur Kühlkammer geleitet, wo sie durch die zu kühlenden Objekte wieder Wärme aufnimmt, beispielsweise eine Temperatur von -50 C erreicht.
Nach der Kühlkammer gelangt die Luft in einen zweiten Regenerator, in welchem sie den Regenera- toreinsatz abkühlt und die hier früher abgesetzte Feuchtigkeit absorbiert. Aus dem Regenerator strömt die Luft in einen Kompressor, in dem sie auf Atmosphärendruck verdichtet und erwärmt wird, um in die Atmosphäre auszuströmen. Die Regeneratoren werden von Zeit zu Zeit umgeschaltet, wodurch der rege- nerative Wärmeaustausch erzielt wird.
In einer Kühlanlage, nach obigem Schema betrieben, ist kein Lufttrockner und kein Wärmeaustau- scher zur Wärmeabführung vorhanden., welche üblicherweise in Kältemaschinen verwendet werden, da die durch den Kompressor angewärmte Luft in die Umgebung ausgestossen wird, sollte sie nicht für irgendwelche andere Zwecke nutzbar gemacht werden.
Der Nachteil eines solchen Betriebsverfahrens der Luftkühlanlagen besteht darin, dass in der Kühlkammer ein Unterdruck herzustellen ist, was die Herstellung von Kühlkammern grösseren Umfangs erschwert.
Falls eine nach dem oben beschriebenen Schema arbeitende Kühlanlage unter Druck betrieben wird, so kann ein Unterdruck in der Kühlkammer vermieden werden, jedoch muss dann zur Wärmeabführung nach dem Kompressor ein voluminöser Wärmeaus- tauscher, gewöhnlich des Luft-Wassertyps, eingebaut werden.
Die vorliegende Erfindung bezweckt die obengenannten Schwierigkeiten beim Betrieb von Luftkühl- anlagen mit Regeneratoren auf die Weise zu beseitigen, dass die Luft aus der Atmosphäre über einen
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vorgekühlten Regenerator durch eine Kühlkammer geleitet und danach in einer arbeitsleistenden Maschine zur Expansion gebracht wird, worauf sie durch einen zweiten zu kühlenden Regenerator von einem Kompressor angesaugt, auf Atmosphärendruck verdichtet und ausgestossen wird.
Ein solches Verfahren ermöglicht es, die Kühlanlage ohne Unterdruck in der Kühlkammer zu betreiben, und es erübrigen sich der Lufttrockner für Atmosphärenluft und der Wärmeaustauscher zur Ableitung der Wärme aus dem Kreislauf.
Die Erfindung ist vorwiegend, jedoch nicht aus- schliesslich, für die Kälteerzeugung bei verschiedenen technologischen Vorgängen z. B. für das Einfrieren von Lebensmitteln, insbesondere von Fischen, bestimmt.
Das -Verfahren kann sowohl für Anlagen mit Axial- bzw. Zentrifugalturbinen und Kompressoren als auch für Anlagen, welche zur Kompression und Expansion der Luft Kolben- oder Schraubenmaschinen nutzen, verwendet werden.
Als Regenerator kann ein beliebiger Wärmeaus- tauscher genutzt werden, in welchem ein regenerati- ver Wärmeaustausch erfolgen kann.
Abb. 1 zeigt ein schematisches Beispiel einer Luftkühlanlage, in welcher das Verfahren ausgeführt wirrt.
Abb. 2 stellt das T-S-Diagramm für das vorgeschlagene Verfahren dar.
Die Kühlanlage enthält: eine Entspannungsturbine 1, einen Kompressor 2, zwei Regeneratoren 3 und 4, eine Kühlkammer 5, ein Getriebe 6, zwei Ventile 7 und 8 und einen Umführungskanal 9.
Atmosphärenluft .gelangt durch den Einlassstut- zen und durch das Ventil 7 zum bereits durch die Ex- pansionsturbine abgekühlten Regenerator 3; sie wird beim Durchgang desselben gekühlt und scheidet die in ihr enthaltene Feuchtigkeit auf dem Einsatz des Regenerators ab; danach gelangt die Luft über das Ventil 8 in die Kühlkammer 5, wo sie sich durch die abzuführende Wärme bei der Abkühlung der darin befindlichen Gegenstände erwärmt.
Nach der Kühl- kammer gelangt die Luft in die Expansionsturbine 1 und wird dem Expansionsvorgang unterzogen, entsprechend sinkt auch ihre Temperatur. Im Idealfalle wird der Anwärmungsgrad der Luft in der Kühlkammer dem Abkühlungsgrad in der Turbine gleichkommen. Die Turbine arbeitet mit einer Druckdifferenz vom Druck in der Kühlkammer zum Druck am Eintritt in den Kompressor 2.
Die in der Expansionsturbine 1 abgekühlte Luft gelangt über das Ventil 8 in den zweiten Regenerator 4, um beim Durchströmen dessen Einsatz zu kühlen und die früher abgesetzte Feuchtigkeit zu absorbieren.
In Kompressor 2 wird die Luft bis zum Atmo- sphärendruck verdichtet und in heissem Zustand über das Rohr 10 ausgestossen, sofern der Wärmeeinhalt dieser Luft nicht für andere Zwecke ausgenutzt wird. Von Zeit zu Zeit werden die Regeneratoren umgeschaltet, wodurch ein regenerativer Wärmeaustausch und eine ununterbrochene Zuführung kalter Luft zur Kühlkammer gewährleistet wird.
Die Leistung der Turbine 1 dient zum Antrieb des Kompressors 2; ausserdem wird über das Getriebe 6 die für den Kompressorantrieb zusätzliche Leistung von einer separaten Leistungsquelle der Turbokühlanlage zugeführt.
Bis zur Erreichung des Betriebspunktes, also in der Zeit, in der die Kühlleistung der Maschine zur Abkühlung der Konstruktionsteile der Maschine selbst verbraucht wird, bleibt die Kühlkammer 5 abgeschaltet und die Luft strömt aus dem Regenerator 3 über den Umfühningskanal 9 direkt zu der Turbine 1. Der Umführungskanal ermöglicht somit, innerhalb kurzer Zeit die Maschine auf das notwendige Temperaturniveau am Eintritt der Kühlkammer zu bringen.
Ausserdem gewährt der Umführungskanal während des Betriebes die Möglichkeit, die Arbeit des Turbokompressors in Abhängigkeit von der Wärme- belastung der Kühlkammer zu regeln.
Zur Druckregelung in der Kühlkammer und ins- besondere zum Ausgleich der pneumatischen Druckverluste auf dem Wege vom Eintritt in die Maschine bis zur Kühlkammer wird vor dem Ventil 7 oder vor der Kühlkammer 5, falls benötigt, ein zusätzlicher Ventilator eingebaut.
Abb. 2 veranschaulicht im T-S-Diagramm den Arbeitsverlauf der Anlage nach dem vorgeschlagenen Verfahren.
Wie aus Abb. 2 ersichtlich ist, entspricht der Ab- kühlungsverlauf der Luft in dem zuerst zu durchströmenden Regenerator dem Abschnitt a-b der schematischen Darstellung. Der Abschnitt b-c entspricht der Anwärmung der Luft in der Kühlkammer bei Abkühlung verschiedener Gegenstände. Der Abschnitt c-d gibt die Expansion der Luft in der Turbine wieder.
Der Abschnitt d-e entspricht der Anwärmung der Luft im zweiten Regenerator bei Abkühlung des Regeneratoreinsatzes; der Abschnitt e-g entspricht der Kompression der Luft im Verdichter. In dem Punkt g erfolgt das Ausstossen der aufgeheizten Luft aus der Anlage und somit die Ableitung der Wärme aus dem Kreislauf.
Unter Berücksichtigung der obigen, bevorzugten Ausführungsweise der Erfindung ergeben sich für eine ausgeführte Anlage als Beispiel folgende Kennwerte:
EMI2.134
<tb> Kälteleistung <SEP> I <SEP> 26 <SEP> 000 <SEP> kGal/Stunde
<tb> Eintrittstempenatur <SEP> bei <SEP> der <SEP> von.
<SEP> -70 <SEP> C
<tb> Kühlkammer <SEP> bis <SEP> --130 <SEP> C
<tb> Anwärmung <SEP> der <SEP> Luft <SEP> A <SEP> .t <SEP> = <SEP> 30
<tb> in <SEP> der <SEP> Kühlkammer
<tb> Luftverbnauch <SEP> ,der <SEP> Anlage <SEP> 1 <SEP> kg/sec
<tb> Leistungsaufwand <SEP> N <SEP> = <SEP> 55 <SEP> bis, <SEP> 70 <SEP> kw
Es soll darauf hingewiesen werden, dass infolge der hohen Wirkungsgrade des Kompressors und der Turbine ein Kältezustand von -80 C und tiefer am
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Kühlkammereintritt gewährleistet wird, wobei die Werte der Leistungsziffer günstiger liegen als bei den üblichen zweistufigen Dampfkältemaschinen.
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Method and device for cooling a chamber The subject matter of the invention is a method and device for cooling a chamber with air flowing through as the coolant using alternately usable regenerators for generating low temperatures of -70 C to-160 C.
It is known that air cooling systems have as long a service life as carbonic acid and ammonia cooling systems.
However, as a result of their low economic efficiency with the achievement of insignificant minus temperatures (down to -40 C), caused by the low efficiency of the compression and expansion process, they were almost entirely replaced by steam cooling systems.
By including a regeneration process in the air cycle, the thermodynamic properties of the air cooling systems have been significantly improved, especially in cases in which the cooling system is to be operated in a wide range of limit temperatures.
Among other things, air turbo compressor cooling systems are known in which the cooling is generated by an expansion of the atmospheric air in an (expansion) turbine from atmospheric pressure to a lower pressure. In such systems, the atmospheric air is passed through a previously cooled regenerator, where it deposits its moisture on the outer surface of the regenerator insert; then it is cooled to a certain negative temperature (for example down to a temperature of -50 C) and finally reaches an expansion turbine, in which the air is expanded to a lower pressure and thus further cooling takes place.
After the expansion turbine, the air is directed to the cooling chamber, where it absorbs heat again through the objects to be cooled, for example reaching a temperature of -50 C.
After the cooling chamber, the air reaches a second regenerator, in which it cools the regenerator insert and absorbs the moisture that was previously deposited here. From the regenerator, the air flows into a compressor, where it is compressed to atmospheric pressure and heated in order to escape into the atmosphere. The regenerators are switched from time to time, whereby the regenerative heat exchange is achieved.
In a cooling system, operated according to the above scheme, there is no air dryer and no heat exchanger for heat dissipation, which are usually used in refrigeration machines, since the air heated by the compressor is expelled into the environment, it should not be used for any other purposes be made.
The disadvantage of such an operating method for the air cooling systems is that a negative pressure has to be created in the cooling chamber, which makes the production of cooling chambers of a larger size more difficult.
If a cooling system working according to the scheme described above is operated under pressure, then a negative pressure in the cooling chamber can be avoided, but a large heat exchanger, usually of the air-water type, must then be installed after the compressor to dissipate heat.
The present invention aims to eliminate the above-mentioned difficulties in the operation of air cooling systems with regenerators in such a way that the air from the atmosphere via a
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The pre-cooled regenerator is passed through a cooling chamber and then made to expand in a machine performing work, whereupon it is sucked in by a second regenerator to be cooled by a compressor, compressed to atmospheric pressure and expelled.
Such a method makes it possible to operate the cooling system without negative pressure in the cooling chamber, and the air dryer for atmospheric air and the heat exchanger for removing the heat from the circuit are unnecessary.
The invention is mainly, but not exclusively, for the generation of cold in various technological processes, e.g. B. intended for freezing food, especially fish.
The method can be used for systems with axial or centrifugal turbines and compressors as well as for systems that use piston or screw machines to compress and expand the air.
Any heat exchanger, in which a regenerative heat exchange can take place, can be used as a regenerator.
Fig. 1 shows a schematic example of an air cooling system in which the method is carried out.
Fig. 2 shows the T-S diagram for the proposed method.
The cooling system contains: an expansion turbine 1, a compressor 2, two regenerators 3 and 4, a cooling chamber 5, a transmission 6, two valves 7 and 8 and a bypass duct 9.
Atmospheric air arrives through the inlet connection and through the valve 7 to the regenerator 3, which has already been cooled by the expansion turbine; it is cooled as it passes through it and separates the moisture it contains on the insert of the regenerator; then the air passes through the valve 8 into the cooling chamber 5, where it is heated by the heat to be dissipated when the objects located therein are cooled.
After the cooling chamber, the air enters the expansion turbine 1 and is subjected to the expansion process; its temperature also falls accordingly. In the ideal case, the degree of heating of the air in the cooling chamber will be the same as the degree of cooling in the turbine. The turbine works with a pressure difference between the pressure in the cooling chamber and the pressure at the inlet to the compressor 2.
The air cooled in the expansion turbine 1 reaches the second regenerator 4 via the valve 8 in order to cool its insert as it flows through it and to absorb the moisture previously deposited.
In the compressor 2, the air is compressed to atmospheric pressure and expelled in a hot state via the pipe 10, provided that the heat content of this air is not used for other purposes. From time to time the regenerators are switched over, which ensures a regenerative heat exchange and an uninterrupted supply of cold air to the cooling chamber.
The power of the turbine 1 is used to drive the compressor 2; In addition, the additional power for the compressor drive is supplied from a separate power source to the turbo cooling system via the transmission 6.
Until the operating point is reached, i.e. during the time in which the cooling capacity of the machine is used to cool the structural parts of the machine itself, the cooling chamber 5 remains switched off and the air flows from the regenerator 3 via the bypass duct 9 directly to the turbine 1. The bypass channel thus enables the machine to be brought to the required temperature level at the entry of the cooling chamber within a short time.
In addition, the bypass channel allows the turbo compressor to work depending on the heat load on the cooling chamber during operation.
To regulate the pressure in the cooling chamber and in particular to compensate for the pneumatic pressure losses on the way from the entry into the machine to the cooling chamber, an additional fan is installed in front of the valve 7 or in front of the cooling chamber 5, if required.
Fig. 2 shows in the T-S diagram the work flow of the system according to the proposed method.
As can be seen from Fig. 2, the cooling process of the air in the regenerator through which the flow is first carried out corresponds to section a-b of the schematic illustration. Section b-c corresponds to the heating of the air in the cooling chamber when various objects are cooled. Section c-d shows the expansion of the air in the turbine.
Section d-e corresponds to the heating of the air in the second regenerator as the regenerator insert cools down; the section e-g corresponds to the compression of the air in the compressor. At point g, the heated air is expelled from the system and thus the heat is dissipated from the circuit.
Taking into account the above, preferred embodiment of the invention, the following characteristic values result for an implemented system as an example:
EMI2.134
<tb> Cooling capacity <SEP> I <SEP> 26 <SEP> 000 <SEP> kGal / hour
<tb> Entry temperature <SEP> at <SEP> the <SEP> of.
<SEP> -70 <SEP> C
<tb> cooling chamber <SEP> to <SEP> --130 <SEP> C
<tb> Heating <SEP> of the <SEP> air <SEP> A <SEP> .t <SEP> = <SEP> 30
<tb> in <SEP> of the <SEP> cooling chamber
<tb> Air consumption <SEP>, the <SEP> system <SEP> 1 <SEP> kg / sec
<tb> Service expenditure <SEP> N <SEP> = <SEP> 55 <SEP> to, <SEP> 70 <SEP> kw
It should be pointed out that due to the high efficiency of the compressor and the turbine, a cold state of -80 C and below am
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Cooling chamber entry is guaranteed, with the values of the coefficient of performance being more favorable than with the usual two-stage steam chillers.