DE102007005098A1 - Method for operating a refrigeration cycle - Google Patents

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Abstract

Es wird ein Verfahren zum Betreiben eines Kältekreislaufes, in dem ein ein- oder mehrkomponentiges Kältemittel, vorzugsweise ein Stickstoff-enthaltendrkuliert, wobei zumindest ein Teilstrom des Kältemittels entspannt wird, beschrieben. Erfindungsgemäß erfolgt die Entspannung des Kältemittels in wenigstens zwei in Reihe angeordneten Entspannungsturbinen (X, X') und die Temperatur des Kältemittels am Austritt der Entspannungsturbinen (X, X') oder zumindest an einem der Austritte der Entspannungsturbinen (X, X') liegt über der Sättigungstemperatur des Kältemittels. Hierbei liegt die Temperatur des Kältemittels am Austritt der Entspannungsturbinen (X, X') oder zumindest an einem der Austritte der Entspannungsturbinen (X, X') weniger als 10°C, vorzugsweise weniger als 5°C, insbesondere weniger als 2°C über der Sättigungstemperatur des Kältemittels.A method is described for operating a refrigeration cycle in which a one-component or multi-component refrigerant, preferably a nitrogen-containing one, in which at least one partial flow of the refrigerant is expanded, is described. According to the invention, the expansion of the refrigerant takes place in at least two expansion turbines arranged in series (X, X ') and the temperature of the refrigerant at the outlet of the expansion turbines (X, X') or at least at one of the outlets of the expansion turbines (X, X ') the saturation temperature of the refrigerant. Here, the temperature of the refrigerant at the outlet of the expansion turbines (X, X ') or at least one of the outlets of the expansion turbines (X, X') is less than 10 ° C, preferably less than 5 ° C, in particular less than 2 ° C over the saturation temperature of the refrigerant.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Kältekreislaufes, in dem ein ein- oder mehrkomponentiges Kältemittel, vorzugsweise ein Stickstoff-enthaltendes Kältemittel, besonders bevorzugt Stickstoff, zirkuliert, wobei zumindest ein Teilstrom des Kältemittels entspannt wird.The Invention relates to a method for operating a refrigeration cycle, in which a one- or multi-component refrigerant, preferably a nitrogen-containing Refrigerant particularly preferably nitrogen, circulates, where at least one Partial flow of the refrigerant is relaxed.

Gattungsgemäße Verfahren zum Betreiben von Kältekreisläufen sind aus dem Stand der Technik hinlänglich bekannt. In derartigen Kältekreisläufen wird eine isotherme Kälteleistung mittels Verdampfung des ein- oder mehrkomponentigen Kältemittels erzeugt. Dazu wird das ein- oder mehrkomponentige Kältemittel in einer Entspannungsturbine entspannt. Bisher kommt in derartigen Kältekreisläufen jedoch lediglich eine Entspannungsturbine zur Anwendung. Bei der Verwendung lediglich einer Turbine kann jedoch nicht vermieden werden, dass ein nicht unerheblicher Teil der Kälteleistung dieser Entspannungsturbine über der Kondensationstemperatur des zu entspannenden Kältemittels anfällt und daher nicht genutzt werden kann.Generic method for operating refrigeration circuits from the prior art known. In such refrigeration cycles is an isothermal cooling capacity produced by evaporation of the one- or multi-component refrigerant. This is the one- or multi-component refrigerant in an expansion turbine relaxed. So far, however, comes in such refrigeration circuits only one Expansion turbine for use. When using only However, a turbine can not be avoided that one not negligible part of the cooling capacity this relaxation turbine over the condensation temperature of the refrigerant to be expanded accrues and therefore can not be used.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein gattungsgemäßes Verfahren zum Betreiben eines Kältekreislaufes anzugeben, das die vorgenannten Nachteile vermeidet, insbesondere jedoch die Realisierung eines Kältekreislaufes mit einem gegenüber vergleichbaren Kältekreisläufen höheren Wirkungsgrad ermöglicht.task The present invention is a generic method for operating a refrigeration cycle specify that avoids the aforementioned disadvantages, in particular However, the realization of a refrigeration cycle with one opposite comparable refrigeration circuits higher efficiency allows.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird ein gattungsgemäßes Verfahren zum Betreiben eines Kältekreislaufes vorgeschlagen, das dadurch gekennzeichnet, dass die Entspannung des Kältemittels in wenigstens zwei in Reihe angeordneten Entspannungsturbinen erfolgt und die Temperatur des Kältemittels am Austritt der Entspannungsturbinen oder zumindest an einem der Austritte der Entspannungsturbinen über der Sättigungstemperatur des Kältemittels liegt.to solution This object is a generic method of operation a refrigeration cycle proposed, which is characterized in that the relaxation of the refrigerant takes place in at least two expansion turbines arranged in series and the temperature of the refrigerant at the outlet of the expansion turbines or at least at one of Outlets of expansion turbines above the saturation temperature of the refrigerant lies.

Aufgrund der Tatsache, dass im Falle des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Betreiben eines Kältekreislaufes ein – verglichen mit den zum Stand der Technik zählenden Verfahren – erheblich größerer Anteil der Kälteleistung der Entspannungsturbinen unterhalb der Kondensationstemperatur des verwendeten ein- oder mehrkomponentigen Kältemittels anfällt, kann diese Leistung zur Kondensation genutzt werden. Hieraus resultiert eine wesentliche Erhöhung des Wirkungsgrades des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Betreiben eines Kältekreislaufes. Würde die Kälteleistung über der Kondensationstemperatur erzeugt, kann diese Leistung nur ungenutzt an die Umgebung abgegeben werden.by virtue of the fact that in the case of the inventive method of operation a refrigeration cycle one - compared with the state of the art Procedure - considerably larger proportion the cooling capacity the expansion turbines below the condensation temperature of used on or mehrkomponentigen refrigerant is obtained, can this power can be used for condensation. This results a substantial increase the efficiency of the inventive method for operating a refrigeration cycle. Would the Cooling capacity over the Condensation temperature generated, this power can only be unused be delivered to the environment.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Betreiben eines Kältekreislaufes sind dadurch gekennzeichnet, dass

  • – die Temperatur des Kältemittels an den Austritten der Entspannungsturbinen oder zumindest an einem der Austritte der Entspannungsturbinen weniger als 10°C, vorzugsweise weniger als 5°C, insbesondere weniger als 2°C über der Sättigungstemperatur des Kältemittels liegt,
  • – die Temperatur des Kältemittels an den Austritten aller Entspannungsturbinen über der Sättigungstemperatur des Kältemittels liegt und
  • – die Austrittsseite der ersten Entspannungsturbine mit der Hochdruckseite und/oder der Niederdruckseite des Kältekreislaufes verbindbar ist.
Further advantageous embodiments of the method according to the invention for operating a refrigeration cycle are characterized in that
  • The temperature of the refrigerant at the outlets of the expansion turbines or at least at one of the outlets of the expansion turbines is less than 10 ° C., preferably less than 5 ° C., in particular less than 2 ° C., above the saturation temperature of the refrigerant,
  • - The temperature of the refrigerant at the outlets of all expansion turbines is above the saturation temperature of the refrigerant and
  • - The outlet side of the first expansion turbine with the high pressure side and / or the low pressure side of the refrigeration circuit is connectable.

Das erfindungsgemäße Verfahren zum Betreiben eines Kältekreislaufes sowie weitere Ausgestaltungen desselben seien nachfolgend anhand des in der Figur dargestellten Ausführungsbeispieles näher erläutert.The inventive method for operating a refrigeration cycle as well as further embodiments thereof are described below of the embodiment shown in the figure explained in more detail.

Das in der Figur dargestellte Ausführungsbeispiel weist fünf Wärmetauscher E1 bis E5, einen ein- oder mehrstufige Verdichtereinheit V, einen Abscheider A, zwei Entspannungsventile a und b, zwei Expansionsturbinen X und X' sowie die vorgenannten Bauteile verbindende Leitungen 1 bis 16 auf.The embodiment shown in the figure has five heat exchangers E1 to E5, a single or multi-stage compressor unit V, a separator A, two expansion valves a and b, two expansion turbines X and X 'and connecting the aforementioned components lines 1 to 16 on.

Die nachfolgend beispielhaft angegebenen Temperatur-, Druck- und Durchflussangaben gelten für die Auslegung des beschriebenen Kältekreislaufes als Rein-Stickstoff-Kältekreislauf.The below given by way of example temperature, pressure and flow rates apply to the interpretation of the described refrigeration cycle as a pure nitrogen refrigeration cycle.

Aus dem Abscheider A, über den ein Wärmeaustausch mit einem beliebigen Medium stattfindet, wird das erwärmte Kältemittel mit einer Temperatur von 80.8 K unter einem Druck von 150 kPa abgezogen. Der Wärmeeintrag in den Abscheider A betrage 32 kW. Über die Leitungsabschnitte 12 bis 16 wird das Kältemittel durch die Wärmetauscher E4 bis E1 geführt und dabei auf eine Temperatur von 300 K angewärmt. In den nacheinander durchströmten Wärmetauschern E4 bis E1 erfolgt die Anwärmung des aus dem Abscheider A abgezogenen Kältemittels im Gegenstrom zu dem in den Leitungsabschnitten 3, 4, 9 und 10 den Wärmetauschern E1 bis E4 zugeführten verdichteten Kältemittel.From the separator A, via which a heat exchange with any medium takes place, the heated refrigerant is withdrawn at a temperature of 80.8 K under a pressure of 150 kPa. The heat input into the separator A amounts to 32 kW. About the pipe sections 12 to 16 the refrigerant is passed through the heat exchangers E4 to E1 and thereby warmed to a temperature of 300 K. In the successively flow-through heat exchangers E4 to E1, the heating of the withdrawn from the separator A refrigerant in countercurrent to that in the line sections takes place 3 . 4 . 9 and 10 the heat exchangers E1 to E4 supplied compressed refrigerant.

Vor der Zuführung in die ein- oder mehrstufige Verdichtereinheit V weist das angewärmte Kältemittel einen Druck von 130 kPa auf. In der Verdichtereinheit V wird das Kältemittel auf den gewünschten Kreislaufenddruck von 1520 kPa verdichtet.In front the feeder in the single or multi-stage compressor unit V, the warmed refrigerant a pressure of 130 kPa. In the compressor unit V is the refrigerant to the desired end of cycle pressure of 1520 kPa compressed.

Das verdichtete Kältemittel wird anschließend über Leitung 1 dem Wärmetauscher E5 zugeführt. In diesem erfolgt eine Abführung der Verdichtungswärme gegen ein geeignetes, über Leitung 2 durch den Wärmetauscher E5 geführtes Kühlmedium, wie beispielsweise Wasser. Das aus dem Wärmetauscher E5 austretende Kältemittel weist eine Temperatur von 302 K. Die Durchflussmenge beträgt 828 g Stickstoff/s.The compressed refrigerant is then via line 1 fed to the heat exchanger E5. In this takes place a discharge of the heat of compression against a suitable, via line 2 through the heat exchanger E5 guided cooling medium, such as water. That from the heat exchanger E5 exiting refrigerant has a temperature of 302 K. The flow rate is 828 g nitrogen / s.

Das verdichtete Kältemittel wird nach dem Abführen der Verdichtungswärme im Wärmetauscher E5 über Leitung 3 dem Wärmetauscher E1 zugeführt und in diesem gegen sich selbst abgekühlt. Nach dem Wärmetauscher E1 erfolgt eine Auftrennung des Kältemittels in zwei Kältemittel-Teilströme, wobei ein Teilstrom über Leitung 4 dem Wärmetauscher E2 zugeführt wird, während der zweite Teilstrom über Leitung 5 der ersten von zwei Entspannungsturbinen X und X' zugeführt wird. Die Durchflussmenge des ersten Kältemittel-Teilstromes betrage 168 g Stickstoff/s und die des zweiten Kältemittel-Teilstromes 660 g Stickstoff/s.The compressed refrigerant is after removal of the heat of compression in the heat exchanger E5 via line 3 fed to the heat exchanger E1 and cooled in this against itself. After the heat exchanger E1, the refrigerant is separated into two partial refrigerant streams, wherein a partial flow via line 4 the heat exchanger E2 is supplied, while the second partial flow via line 5 the first of two expansion turbines X and X 'is supplied. The flow rate of the first refrigerant substream amounts to 168 g nitrogen / s and that of the second refrigerant substream to 660 g nitrogen / s.

Der vorerwähnte erste Kältemittel-Teilstrom wird im Wärmetauscher E2 gegen sich selbst weiter abgekühlt und anschließend über die Leitungen 9 und 10 den Wärmetauschern E3 bzw. E4 zugeführt und in diesen ebenfalls gegen sich selbst abgekühlt. Zuletzt wird dieser Kältemittelteilstrom über das in der Leitung 11 vorgesehene Entspannungsventil b in den Abscheider A entspannt.The aforementioned first refrigerant substream is further cooled in the heat exchanger E2 against itself and then via the lines 9 and 10 the heat exchangers E3 and E4 supplied and cooled in this also against itself. Lastly, this partial refrigerant flow is via that in the line 11 provided relaxation valve b relaxed in the separator A.

Der zweite Kältemittel-Teilstrom des aus dem Wärmetauscher E1 abgezogenen Kältemittels wird unter einem Druck von 1490 kPa und mit einer Temperatur von 130 K über Leitung 5 der ersten Entspannungsturbine X zugeführt. In dieser erfolgt eine Entspannung auf einen Zwischendruck von 532 kPa. Der entspannte Kältemittel-Teilstrom, der am Ausgang der Entspannungsturbine X eine Temperatur von 99 K auf weist, wird über Leitung 6 dem Wärmetauscher E3 zugeführt und in diesem gegen den ersten, abzukühlenden Kältemittel-Teilstrom, der dem Wärmetauscher E3 über Leitung 4 zugeführt wird, auf eine Temperatur von 111 K angewärmt.The second partial refrigerant flow of the withdrawn from the heat exchanger E1 refrigerant is under a pressure of 1490 kPa and at a temperature of 130 K via line 5 the first expansion turbine X supplied. In this, a relaxation to an intermediate pressure of 532 kPa. The relaxed refrigerant partial flow, which has a temperature of 99 K at the outlet of the expansion turbine X, is via line 6 fed to the heat exchanger E3 and in this against the first, to be cooled refrigerant partial flow, the heat exchanger E3 via line 4 is warmed to a temperature of 111 K warmed.

Über Leitung 7 wird der zweite Kältemittel-Teilstrom anschließend der zweiten Entspannungsturbine X' zugeführt – er weist am Eingang der Entspannungsturbine X' einen Druck von 530 kPa auf – und in dieser auf den gewünschten End- bzw. Niederdruck von 150 kPa entspannt.Via wire 7 the second refrigerant partial stream is subsequently fed to the second expansion turbine X '- it has a pressure of 530 kPa at the inlet of the expansion turbine X' and in this relaxed to the desired end or low pressure of 150 kPa.

Erfindungsgemäß sind die beiden Entspannungsturbinen X und X' nunmehr derart angeordnet, dass die Temperatur des Kältemittels am Austritt der beiden Entspannungsturbinen X und X' über der Sättigungstemperatur liegt. Hierbei liegt die Temperatur des Kältemittels weniger als 10°C, vorzugsweise weniger als 5°C, insbesondere weniger als 2°C über der Sättigungstemperatur des Kältemittels.According to the invention Both expansion turbines X and X 'now arranged such that the Temperature of the refrigerant at the outlet of the two expansion turbines X and X 'is above the saturation temperature. in this connection is the temperature of the refrigerant less than 10 ° C, preferably less than 5 ° C, in particular less than 2 ° C above the saturation temperature of the refrigerant.

Über Leitung 8 wird der entspannte Kältemittel-Teilstrom, der eine Temperatur von 82 K aufweist, anschließend dem aus dem Abscheider A abgezogenen Kältemittel-Teilstrom in der Leitung 12 zugemischt.Via wire 8th is the relaxed refrigerant partial stream having a temperature of 82 K, then the withdrawn from the separator A refrigerant partial flow in the line 12 admixed.

In der Figur dargestellt sind zwei gestrichelt gezeichnete Leitungen 17 und 18, in denen jeweils ein gestrichelt gezeichnetes Regelventil c bzw. d vorgesehen ist. Diese Leitungen und Regelventile ermöglichen es, die erste Entspannungsturbine X austrittsseitig mit der Hochdruckseite und/oder der Niederdruckseite des Kältekreislaufes zu verbinden.Shown in the figure are two dashed lines 17 and 18 , in each of which a dashed line control valve c or d is provided. These lines and control valves make it possible to connect the first expansion turbine X on the outlet side to the high-pressure side and / or the low-pressure side of the refrigeration cycle.

Mittels dieser Leitungen und Regelventile kann der Druck zwischen den Entspannungsturbinen X und X' auf vergleichsweise einfache Art und Weise so optimiert werden, dass die Temperaturen des Kältemittel(teilstrom)s 6 und 8 an den Austritten beider Entspannungsturbinen X und X' knapp über der Sättigungstemperatur des Kältemittels liegen.By means of these lines and control valves, the pressure between the expansion turbines X and X 'in a comparatively simple manner can be optimized so that the temperatures of the refrigerant (partial flow) s 6 and 8th at the exits of both expansion turbines X and X 'are just above the saturation temperature of the refrigerant.

Das in der Leitung 5 dargestellte Regelventil a dient zum Anfahren und Anhalten der Entspannungsturbinen X und X' sowie zum Androsseln des den Entspannungsturbinen X und X' zugeführten Kältemittelstromes im Teillastfall.That in the line 5 illustrated control valve a is used to start and stop the expansion turbines X and X 'and for throttling the expansion of the turbines X and X' supplied refrigerant flow in the partial load case.

Das erfindungsgemäße Verfahren zum Betreiben eines Kältekreislaufes eignet sich insbesondere für Kältekreisläufe, in denen Stickstoff oder ein Stickstoff-enthaltendes Kältemittel zirkuliert.The inventive method for operating a refrigeration cycle is particularly suitable for Refrigeration circuits, in nitrogen or a nitrogen-containing refrigerant circulated.

Claims (4)

Verfahren zum Betreiben eines Kältekreislaufes, in dem ein ein- oder mehrkomponentiges Kältemittel, vorzugsweise ein Stickstoff-enthaltendes Kältemittel, besonders bevorzugt Stickstoff, zirkuliert, wobei zumindest ein Teilstrom des Kältemittels entspannt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Entspannung des Kältemittels in wenigstens zwei in Reihe angeordneten Entspannungsturbinen (X, X') erfolgt und die Temperatur des Kältemittels am Austritt der Entspannungsturbinen (X, X') oder zumindest an einem der Austritte der Entspannungsturbinen (X, X') über der Sättigungstemperatur des Kältemittels liegt.Method for operating a refrigeration cycle, in which a one- or multi-component refrigerant, preferably a nitrogen-containing refrigerant, particularly preferably nitrogen, circulates, wherein at least a partial flow of the refrigerant is expanded, characterized in that the expansion of the refrigerant in at least two in series arranged expansion turbines (X, X ') takes place and the temperature of the refrigerant at the outlet of the expansion turbines (X, X') or at least at one of the outlets of the expansion turbines (X, X ') is above the saturation temperature of the refrigerant. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur des Kältemittels an den Austritten der Entspannungsturbinen (X, X') oder zumindest an einem der Austritte der Entspannungsturbinen (X, X') weniger als 10°C, vorzugsweise weniger als 5°C, insbesondere weniger als 2°C über der Sättigungstemperatur des Kältemittels liegt.Method according to claim 1, characterized in that that the temperature of the refrigerant at the exits of the expansion turbines (X, X ') or at least at one of the outlets the expansion turbines (X, X ') less than 10 ° C, preferably less than 5 ° C, in particular less than 2 ° C above the saturation temperature of the refrigerant lies. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur des Kältemittels an den Austritten aller Entspannungsturbinen (X, X') über der Sättigungstemperatur des Kältemittels liegt.Method according to claim 1 or 2, characterized that the temperature of the refrigerant at the exits of all expansion turbines (X, X ') over the saturation temperature of the refrigerant is located. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Austrittsseite der ersten Entspannungsturbine (X) mit der Hochdruckseite und/oder der Niederdruckseite des Kältekreislaufes (1, 3 bis 16) verbindbar ist (17, 18).Method according to one of the preceding claims 1 to 3, characterized in that the outlet side of the first expansion turbine (X) with the high pressure side and / or the low pressure side of the refrigeration cycle ( 1 . 3 to 16 ) is connectable ( 17 . 18 ).
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