DE102014103106B4 - Steam jet refrigeration plant with two working media - Google Patents
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Abstract
Dampfstrahlkühlanlage mit einem Treibmedium aus einem höhermolekularen Stoff oder Stoffgemisch und einem Saugmedium aus einem niedermolekularen Stoff oder Stoffgemisch. Der Treibmedienstrom und der Saugmedienstrom laufen in getrennten Kreisläufen und vereinigen sich bei einer Strahlpumpe (2), die wegen der verwendeten Arbeitsmedien besonders wirkungsvoll arbeitet.Steam jet cooling system with a propellant of a higher molecular weight substance or mixture of substances and a suction medium of a low molecular weight substance or mixture. The propellant flow and the suction medium flow run in separate circuits and combine at a jet pump (2), which works very effectively because of the working media used.
Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine Dampfstrahlkälteanlage für Kühlverbraucher wie Wohn- und Industriegebäude, Lagerhallen und Kühlräume für Lebensmittel.The invention relates to a steam jet refrigeration system for refrigerated consumers such as residential and industrial buildings, warehouses and cold rooms for food.
Wasserdampf-Kältemaschinen sind an sich bekannt (
Durch
Die
Die
Auch die
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Dampfstrahlkälteanlage mit verbessertem Wirkungsgrad anzugeben. Ferner soll die Möglichkeit geschaffen werden, solarthermische Energie direkt zur Kühlung von Gebäuden, Industriehallen, Lebensmitteln und vielem anderen verfügbar zu machen, wenn der Kühlbedarf und das solare Angebot hoch sind.The invention has for its object to provide a steam jet refrigeration plant with improved efficiency. Furthermore, the possibility should be created of making solar thermal energy directly available for the cooling of buildings, industrial halls, food and much more, when the cooling demand and the solar supply are high.
Die erfindungsgemäß neuartige Dampfstrahlkälteanlage baut auf den Prinzipien der bekannten Wasserdampf-Kältemaschinen mit Dampferzeuger, Strahlpumpe, Kondensator und Kaltverdampfer auf, verwendet jedoch zwei unterschiedliche Arbeitsmedien, nämlich einen höhermolekularen Stoff oder Stoffgemisch für den Treibgasstrom und einen niedermolekularen Stoff oder Stoffgemisch für den Sauggasstrom. Das Treibmedium kann auch aus einem Stoff oder Stoffgemisch mit geringerer Verdampfungsenthalpie gegenüber einem Stoff oder Stoffgemisch mit höherer Verdampfungsenthalpie des Saugmediums bestehen.The inventively novel steam jet refrigeration plant builds on the principles of the known water vapor chillers with steam generator, jet pump, condenser and cold evaporator, but uses two different working media, namely a higher molecular weight substance or mixture for the propellant gas stream and a low molecular weight substance or mixture for the suction gas. The propellant may also consist of a substance or mixture with a lower enthalpy of vaporization compared to a substance or mixture with higher enthalpy of enthalpy of absorption of the suction medium.
Ziel ist es, mit einem gegebenen Energieaufwand zur Verdampfung der Fluide einen möglichst hohen massereichen Impulsstrom zu erzeugen. Weiterhin soll auf der Saugseite eine möglichst hohe Verdampfungsenthalpie benötigt werden, weil dies den Kältegewinn der Anlage darstellt. Meist wird das höhermolekulare Gas bei gleicher Geschwindigkeit des Treibstromes den höheren Impuls beinhalten und auch übertragen können. Es kann jedoch auch Fälle geben, in denen zur Verdampfung des höhermolekularen Stoffes auch mehr Energie notwendig ist, so dass in diesen Fällen der Treibstrom nicht aus dem höhermolekularen besteht.The aim is to generate as high a massive pulse stream as possible with a given energy expenditure for the evaporation of the fluids. Furthermore, the highest possible evaporation enthalpy should be required on the suction side, because this represents the cold gain of the system. Most of the higher molecular weight gas at the same speed of the drive current will include the higher impulse and can also transfer. However, there may also be cases in which more energy is needed to vaporize the higher molecular weight material, so that in these cases the driving current does not consist of the higher molecular weight.
Um im Sprachgebrauch einfach zu bleiben, sprechen wir im folgenden nur vom höhermolekularen Treibstrom.In order to remain simple in the language, we only speak in the following about the higher molecular weight drive current.
Im Betrieb der Strahlpumpe mischen sich diese Gasströme in der Mischkammer und werden in dem Kondensator niedergeschlagen. Um im Kreislauf des Treibstromes bzw. des Saugstromes getrennt wiederverwendet zu werden, gibt es eine Separatoreinrichtung zur Trennung des Treibmediums von dem Saugmedium. Das Saugmedium wird dem Kaltverdampfer zugeführt, wo es infolge des von der Strahlpumpe erzeugten Unterdrucks verdampft und dadurch Kälte erzeugt, die dem Kühlverbraucher zugeführt wird. Das Treibmedium wird dem Dampferzeuger zugeführt, der einen Treibgasstrom für die Strahlpumpe erzeugt. Da die Strahlpumpe aufgrund von Impulsaustausch zwischen dem Treibgasstrom und dem Sauggasstrom funktioniert, läuft der Betrieb mit einem höhermolekularem Medium dann wirkungsvoller als mit vergleichsweise gleichartigen Medien des Treibgasstromes und des Sauggasstromes. Der höhermolekulare Treibgasstrom weist eine höhere Impulsdichte auf und kann so einen höheren Unterdruck in dem Kaltverdampfer erzeugen, was zu wirkungsvollerem Verdampfen des Saugmediums führt.During operation of the jet pump, these gas streams mix in the mixing chamber and are deposited in the condenser. In order to be reused separately in the circulation of the motive stream or the suction stream, there is a separator for separating the propellant from the suction medium. The suction medium is fed to the cold evaporator, where it evaporates as a result of the negative pressure generated by the jet pump and thereby generates cold, which is supplied to the cooling consumer. The propellant is supplied to the steam generator, which generates a propellant gas flow for the jet pump. Since the jet pump works due to momentum exchange between the propellant gas stream and the suction gas stream, the operation with a higher molecular weight medium then runs more effectively than with comparatively similar media of the propellant gas stream and the suction gas stream. The high molecular propellant gas stream has a higher pulse density and can thus generate a higher negative pressure in the cold evaporator, resulting in more effective evaporation of the suction medium.
Für das Treibgasmedium und für das Saugmedium sind unterschiedliche Kreisläufe vorgesehen, die von der Strahlpumpe zusammengeführt werden und den Gemischgasstrom bilden, der infolge einer Separatoreinrichtung in den Saugmedienstrom und den Treibmedienstrom aufgeteilt wird.For the propellant gas medium and for the suction medium different circuits are provided, which are combined by the jet pump and form the mixture gas flow, which is divided as a result of a Separatoreinrichtung in the Saugmedienstrom and the propellant stream.
Zu Zwecken der Rekuperation von Wärmeenergie wird Wärmeenergie von dem Gemischgasstrom entnommen und dem Treibmedienstrom zugeführt, bevor dieser den Dampferzeuger erreicht.For purposes of recuperation of heat energy, heat energy is extracted from the mixture gas stream and supplied to the motive medium stream before it reaches the steam generator.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird die Dampfstrahlkühlanlage mit Treibmedium und mit Saugmedium betrieben, die sich nicht oder nur geringfügig mischen lassen, von unterschiedlichen Dichten sind, unterschiedliche Molekülmassen und möglichst unterschiedliche Verdampfungsenthalpien aufweisen. Dies erleichtert die Trennung des Treibmediums von dem Saugmedium und die Separatoreinrichtung kann Teil des Kondensators bilden.According to a preferred embodiment of the invention, the steam jet cooling system is operated with propellant medium and with suction medium, which can not or only slightly mix, are of different densities, different molecular masses and as different evaporation enthalpies. This facilitates separation of the propellant from the suction medium and the separator may form part of the condenser.
Bei der bevorzugten Dampfstrahlkühlanlage wird als Treibmedium ein hochmolekularer, unpolarer Stoff oder Stoffgemisch und als Saugmedium ein niedermolekularer, polarer Stoff oder Stoffgemisch eingesetzt. Als Treibmedium kann dabei ein organischer Stoff oder Stoffgemisch aus der Gruppe der Kohlenwasserstoffe und als Saugmedium Wasser verwendet werden. Das Treibmedium kann von dem Saugmedium durch einen Phasenscheider als Separatoreinrichtung getrennt werden.In the preferred steam jet cooling system, a high molecular weight, nonpolar substance or mixture of substances is used as the driving medium and a low molecular weight, polar substance or substance mixture is used as the suction medium. As the driving medium, an organic substance or mixture of substances from the group of hydrocarbons and water can be used as the suction medium. The propellant can be separated from the suction medium by a phase separator as Separatoreinrichtung.
Es ist auch möglich, das Treibmedium und das Saugmedium aus mischbaren Flüssigkeiten auszuwählen, die sehr unterschiedliche Siedetemperaturen aufweisen. In diesem Fall kann der Kaltverdampfer Teil der Separatoreinrichtung bilden, weil vor allem das Saugmedium im Kaltverdampfer bei dem dort herrschenden Unterdruck absiedet. Bei dieser Fallgestaltung kann Ethylenglykol als Treibmedium und schwerer siedende Komponente sowie Wasser als Saugmedium und leichter siedende Komponente eingesetzt werden. Basierend auf der Erfindung sollen vorzugsweise kleine Dampfstrahlkälteanlagen im Bereich von 1 bis 50 KW als Serienprodukt entwickelt werden. Es sind aber auch große Anlagen bis 1 MW denkbar und konstruierbar. Als Antriebsenergie kann auch solargewonnener Dampf, insbesondere Wasserdampf, verwendet werden. Deshalb kann als Wärmequelle zum Betrieb der Dampfstrahlkälteanlage eine fokussierende Solaranlage oder eine Vakuumröhrenanlage oder eine Flachkollektoranlage als integraler Bestandteil der Dampfstrahlkälteanlage verwendet werden.It is also possible to select the propellant medium and the absorbent medium from miscible liquids which have very different boiling temperatures. In this case, the cold evaporator can form part of the separator device, because above all the suction medium in the cold evaporator at the prevailing negative pressure abiedet. In this case, ethylene glycol can be used as a propellant and heavier boiling component and water as a suction medium and lower boiling component. Based on the invention, preferably small steam jet refrigeration systems in the range of 1 to 50 KW are to be developed as a series product. But there are also large systems up to 1 MW conceivable and constructible. As drive energy and solar-derived steam, in particular steam, can be used. Therefore, as a heat source for operating the steam jet refrigeration system, a focusing solar system or a vacuum tube system or a flat collector system can be used as an integral part of the steam jet refrigeration system.
Es ist jedoch auch möglich, industriell anfallenden Dampf für die Dampfstrahlkälteanlage der Erfindung zu verwenden.However, it is also possible to use industrially generated steam for the steam jet refrigeration system of the invention.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand der Zeichnung beschrieben. Dabei zeigt:
- -
1 eine Dampfstrahlkälteanlage in schematischer Darstellung und - -
2 eine Wärmeenergie-Rückgewinnungseinrichtung in schematischer Darstellung.
- -
1 a steam jet refrigeration plant in a schematic representation and - -
2 a thermal energy recovery device in a schematic representation.
Die Dampfstrahlkälteanlage weist folgende Funktionsbauteile auf: einen Dampferzeuger
Die Anlage wird mit zwei unterschiedlichen Arbeitsmitteln betrieben, die als Treibmedium und Saugmedium bezeichnet werden. Das Treibmedium besteht in einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung aus einem höhermolekularen Stoff oder Stoffgemisch und das Saugmedium besteht aus einem niedermolekularen Stoff oder Stoffgemisch, die bei tiefer Temperatur und Druck überwiegend als Flüssigkeiten vorliegen und sich bei erhöhter Temperatur oder bei angelegtem Unterdruck verdampfen lassen. Das Treibmedium kann auch aus einem Stoff oder Stoffgemisch mit geringerer Verdampfungsenthalpie gegenüber dem Saugmedium bestehen, das eine höhere Verdampfungsenthalpie aufweist. Für jedes dieser Arbeitsmittel gibt es einen unterschiedlichen Kreislauf, die sich jedoch in der Mischkammer der Strahlpumpe
Während
Im Falle von nicht oder nur geringfügig mischbaren Flüssigkeiten des Treibmediums und des Saugmediums weisen diese unterschiedliche Dichten und zudem möglichst unterschiedliche Siedetemperaturen auf. Solche Flüssigkeiten bilden unterschiedliche Schichten in dem Kondensator
In der Ausführungsform mit nicht mischbaren Flüssigkeiten wird als Treibmedium ein hochmolekularer unpolarer Stoff oder Stoffgemisch eingesetzt und ein niedermolekularer polarer Stoff oder Stoffgemisch als Saugmedium verwendet. Als Treibmedium kommt ein organischer Stoff oder Stoffgemisch aus der Gruppe der Kohlenwasserstoffe in Betracht, z.B. Pentan, Hexan, Heptan, Oktan, Nonan oder andere in ihrer Wirkung ähnliche Stoffe wie Dieselöl. Wegen der geringen Verdampfungsenthalpie und dem hohen Molekulargewicht kommen insbesondere auch Fluorcarbone oder perfluorierte Polyether bzw. ein Gemisch aus Stoffen beider Gruppen sowie auch andere Moleküle mit ähnlichen Stoffdaten in Frage. Als Saugmedium kommt vor allem Wasser oder Solaranlageflüssigkeit in Betracht, wie dieses zum Betrieb bei Solaranlagen verwendet wird. Die Verdampfungsenthalpie des Treibmediums ist sehr viel geringer als die Verdampfungsenthalpie von polaren Stoffen, beispielsweise Wasser. Dies bedeutet, dass die unpolaren Stoffe in vielfacher Menge mit einer Wärmemenge verdampft werden können, die für eine einfache Menge bei polaren Stoffen (Wasser) benötigt wird. Mit einer Kilowattstunde Energie kann man die 7-fache Stoffmenge an Oktan verdampfen, verglichen mit Wasser. Dies bedeutet, dass man bei dem Dampferzeuger prinzipiell weniger Energie benötigt, als wenn Wasser als Treibmedium Anwendung findet. Zu der Verdampfungsenthalpie muss jedoch noch die Aufheizenthalpie gerechnet werden, die benötigt wird, um das Treibmedium von der Temperatur im Kondensator auf die Temperatur im Dampferzeuger zu bringen. Da die vorgeschlagenen, unpolaren Stoffe im Gasstrom eine geringere Schallgeschwindigkeit gegenüber Wasserdampf aufweisen, wird zur Erzielung des gleichen Impulsstromes (wie bei Wasser) ein größerer Massestrom angewendet, womit man die gleiche Saugleistung/Kühlleistung erreicht, wie bei Wasser als Treibmedium. In die Betrachtung geht somit noch ein, dass bei den vorgeschlagenen unpolaren Stoffen die aufzuheizende Menge größer ist als im Falle der Verwendung von Wasser als Treibmedium. Somit gibt es gegenläufige Effekte der Verringerung der Verdampfungsenthalpie und der Erhöhung der Aufheizenergie, zwischen denen ein positiver Gesamteffekt übrig bleibt.In the embodiment with immiscible liquids, a high molecular weight nonpolar substance or substance mixture is used as the driving medium and a low molecular weight polar substance or substance mixture is used as the suction medium. As the driving medium is an organic substance or mixture of substances from the group of hydrocarbons into consideration, e.g. Pentane, hexane, heptane, octane, nonane or other similar in their effect substances such as diesel oil. Because of the low enthalpy of vaporization and the high molecular weight, in particular fluorocarbons or perfluorinated polyethers or a mixture of substances of both groups as well as other molecules with similar material data come into question. As a suction medium is mainly water or solar fluid into consideration, as this is used for operation in solar systems. The evaporation enthalpy of the propellant is much lower than the enthalpy of vaporization of polar substances, for example water. This means that the nonpolar substances can be evaporated in a multitude with an amount of heat that is needed for a simple amount of polar substances (water). With a kilowatt hour of energy you can vaporize 7 times the amount of octane, compared to water. This means that in principle less energy is required in the steam generator than when water is used as the driving medium. However, the enthalpy of enthalpy of evaporation still has to be calculated, which is needed to bring the propellant from the temperature in the condenser to the temperature in the steam generator. Since the proposed, non-polar substances in the gas stream have a lower speed of sound than water vapor, a larger mass flow is used to achieve the same pulse current (as in water), which achieves the same suction / cooling performance, as with water as a propellant. The consideration is thus still that in the proposed non-polar substances, the amount to be heated is greater than in the case of the use of water as a propellant. Thus, there are opposing effects of reducing the enthalpy of vaporization and increasing the heating energy, leaving a positive overall effect between them.
Der positive Effekt führt zu Verbesserungen im Wirkungsgrad der Dampfstrahlkälteanlage. Dies sei am Beispiel Oktan als Treibmedium und Wasser als Saugmedium besprochen. Der Oktan-Treibgasstrom gelangt aus dem Dampferzeuger
Die Förderung des Saugmediums, hier Wasserdampf, erfolgt durch einen Impulsaustausch zwischen dem Treibmedium (Oktan) und dem Saugmedium (Wasser). Es zeigt sich, dass der höhermolekulare Treibgasstrom den niedermolekularen Sauggasstrom besonders wirkungsvoll mitreißt, verglichen mit dem Fall, dass sowohl für den Treibgasstrom als auch für den Sauggasstrom Wasserdampf benutzt wird.The promotion of the suction medium, here water vapor, is effected by an exchange of pulses between the driving medium (octane) and the suction medium (water). It turns out that the high molecular propellant gas stream entrains the low molecular weight suction gas stream particularly effectively compared to the case where water vapor is used for both the propellant gas stream and the suction gas stream.
Die Wärmebilanz der Anlage kann noch dadurch verbessert werden, dass Wärmeenergie von dem abzukühlenden Gemischgasstrom der durch die zum Kondensator
Beispiel:Example:
In dem vor dem Wärmeübertrager
Wie aus
Bei der Verwendung von nicht oder nur geringfügig mischbaren Flüssigkeiten wird die Separatoreinrichtung
Die Erfindung ist auch bei mischbaren Flüssigkeiten für das Treibmedium und das Saugmedium anwendbar, wenn diese Flüssigkeiten weit auseinander liegende Siedetemperaturen aufweisen. Als Treibmedium und schwerer siedende Komponente wird Ethylenglykol genannt und als Saugmedium und leichter siedende Komponente wird Wasser genannt. Für diese Wahl der Arbeitsmittel kann die Funktionseinheit „Separatoreinrichtung“ in den Kaltverdampfer
Bei der Auswahl des Treibmediums und des Saugmediums spielt noch das Absenken des Dampfdruckes des Treibmediums eine Rolle. Dadurch kann eine großvolumige Düse in der Strahlpumpe
Die Dampfstrahlkälteanlage kann als Kompaktanlage in der Produktionsweise eines Kühlschrankes, d.h. ohne Flanschverbindungen zwischen den Geräteteilen hergestellt werden, vielmehr sollen Löt- oder Schweißverbindungen zwischen den Geräteteilen angewendet werden, um eine vollständige Kapselung zu erzielen. Die vollständige Kapselung soll eine Entlüftung des Gerätes während der Lebensdauer nicht notwendig machen. Das Teillastverhalten soll durch Zweipunktregelung und Wärmespeicher ermöglicht werden. Die Regelungstechnik soll auf Mikroprozessorbasis erfolgen, um preislich günstig zu sein.The steam jet refrigeration system can be used as a compact system in the production mode of a refrigerator, i. are made without flange connections between the parts of the device, but soldering or welding connections between the parts of the device are used to achieve a complete encapsulation. The complete encapsulation should not make it necessary to vent the device during its service life. The partial load behavior should be made possible by two-point control and heat storage. The control technology should be done on a microprocessor basis to be priced low.
Gegenüber Absorptionskältemaschinen oder Adsorptionskältemaschinen können mit der neuen Dampfstrahlkälteanlage folgende Vorteile erzielt werden:
- Keine beweglichen, Kälteenergie erzeugenden Teile. Dadurch ist ein wartungsfreier Betrieb möglich.
- No moving, cold energy generating parts. This makes maintenance-free operation possible.
Die Anlage wird mit Wärmeenergie betrieben. Elektrische Energie wird nur zur Steuerung/Regelung in geringem Maße benötigt. Als Kältemittel werden Wasser und umweltverträgliche Arbeitsmittel verwendet. Die verwendeten Flüssigkeiten werden im geschlossenen Kreislauf geführt. Damit ist die Umweltbelastung der Anlage bei Havarie und Entsorgung wesentlich geringer als bei den Absorptionskälteanlagen und Adsorptionskälteanlagen.The plant is operated with thermal energy. Electrical energy is needed only for control / regulation to a small extent. The refrigerant used is water and environmentally friendly work equipment. The liquids used are conducted in a closed circuit. Thus, the environmental impact of the system in case of damage and disposal is much lower than in the absorption refrigeration and Adsorptionskälteanlagen.
Wegen der einfachen Bauform der Dampfstrahlkälteanlage sind deutlich geringere Baukosten als Serienprodukt zu erwarten.Due to the simple design of the steam jet cooling system, significantly lower construction costs than series products are to be expected.
Bei einer Kälteleistung von 20 kW und einem angestrebten Gütewert COP von 0,5 ist ein bereitzustellender thermischer Wärmestrom von 40 kW gefordert. Bei der Anwendung von thermischen Solaranlagen als Wärmequellen kann ein solcher benötigter Wärmestrom während des Sommers zur Zeit des größten Kühlbedarfs leicht bereitgestellt werden.With a cooling capacity of 20 kW and a target value of COP of 0.5, a thermal heat flow of 40 kW is required. When using solar thermal systems as heat sources, such a required heat flow during the summer at the time of the largest cooling demand can be easily provided.
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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R012 | Request for examination validly filed | ||
R016 | Response to examination communication | ||
R018 | Grant decision by examination section/examining division | ||
R082 | Change of representative |
Representative=s name: BLUMBACH ZINNGREBE PATENTANWAELTE PARTG MBB, DE |
|
R020 | Patent grant now final | ||
R119 | Application deemed withdrawn, or ip right lapsed, due to non-payment of renewal fee |