DE102015111183B4

DE102015111183B4 - Kreislaufverfahren zur Kältebereitstellung mit Kohlendioxid als Kältemittel und Kälteanlage zur Durchführung des Verfahrens

Info

Publication number: DE102015111183B4
Application number: DE102015111183.7A
Authority: DE
Inventors: Robin Langebach; Ullrich Hesse
Original assignee: Technische Universitaet Dresden
Current assignee: Technische Universitaet Dresden
Priority date: 2015-07-10
Filing date: 2015-07-10
Publication date: 2023-05-04
Anticipated expiration: 2035-07-11
Also published as: DE102015111183A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Kreislaufverfahren zur Kältebereitstellung, umfassend die Schritte:a) CO2wird auf einen Hochdruck verdichtet, wobei es sich erwärmt,b) das warme, verdichtete CO2wird rückgekühlt,c) dem CO2wird auf einem Druck oberhalb des Tripeldrucks (T) ein Trägerfluid zugesetzt und das Gemisch aus CO2und Trägerfluid wird auf einen Druck unterhalb des Tripeldrucks (T) entspannt,d) das Gemisch aus CO2und Trägerfluid nimmt als Kältequelle Wärme auf unde) das Gemisch aus CO2und Trägerfluid wird in einer Abscheidevorrichtung (7) aufgetrennt und das abgeschiedene CO2wird nachfolgend wieder verdichtet. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Kälteanlage zur Durchführung des Verfahrens.

Description

Die Erfindung betrifft ein Kreislaufverfahren zur Kältebereitstellung mit Kohlendioxid als Kältemittel und eine Kälteanlage zur Durchführung des Verfahrens.
Die Kältebereitstellung unterhalb von - 50 °C wird in der klassischen Kältetechnik unter Verwendung eines Kaltdampfprozesses aktuell typischerweise mit dem Kältemittel R23 - Trifluormethan und einem weiteren Kreislauf in Kaskadenschaltung realisiert. R23 ist von der American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers (ASHRAE) in der Sicherheitsgruppe A1 gelistet und gilt somit als nicht brennbar oder toxisch. Ökologischer Nachteil des R23 ist das vergleichsweise hohe Treibhauspotential von GWP 14800. Der zukünftige Einsatz von R23 ist daher zumindest fragwürdig. Ein Verbot ist in weiteren Novellierungen der gesetzlichen Rahmenbedingungen denkbar. Zudem ist es kostenintensiv.
Alternative Kältemittel oder Kältemittelgemische für den tiefen Temperaturbereich unter -50°C haben den Nachteil, dass sie im Allgemeinen brennbar und/oder toxisch sind, beziehungsweise bisher nicht grundlegend erforscht und marktreif sind.
Alternative Kälteerzeugungsverfahren, wie beispielsweise der Kaltgasprozess oder der Stirlingprozess bedingen einen hohen apparativen Aufwand zusätzlich zu anderen Komponenten und sind branchenweit zu wenig etabliert. Sie stellen damit eine wenig aussichtsreiche Alternative zur effizienten Kältebereitstellung im Temperaturbereich von unter - 50 °C dar.
Kohlendioxid (CO₂), auch als R744 bezeichnet, ist ein bewährtes und vielfach angewendetes Kältemittel bis zu Temperaturen von etwa - 40 °C. Es ist nicht brennbar und unter üblichen Konzentrationen nicht toxisch. Aufgrund seines Tripelpunktes bei ca. - 56 °C liegt es physikalisch bedingt unterhalb der Tripeltemperatur im festen oder gasförmigen Zustand vor. Der konventionelle Kaltdampfprozess (Phasenwechsel gasförmig-flüssig) setzt gemeinhin jedoch den Phasenwechsel flüssig-gasförmig in einem Kältemittel voraus.
In der NL 9401324 A wird ein Kreislauf beschrieben, bei dem CO₂ auf einen Druck unterhalb des Tripeldrucks entspannt und unter Nutzung der kinetischen Energie in ein Fluidreservoire eingedüst wird. Die dabei entstehenden Festkörperpartikel sublimieren beim Umlauf im Fluid und stellen die benötigte Kälte zur Verfügung. Dadurch ergeben sich folgende Einschränkungen: Das Eindüsen von CO₂ zur Kältebereitstellung in ein Fluidreservoir ist vergleichsweise träge. Zudem bietet das bloße Umwälzen des Trägerfluids auf tiefem Temperaturniveau nicht die Möglichkeit etwaig gelöstes CO₂ aus dem Trägerfluid auszutreiben und damit die Lösungsenthalpie (CO₂ in Trägerfluid) als zusätzlichen Kälteeffekt zu nutzen.
In der US 7 818 971 B2 wird ein Kreislauf beschrieben, bei dem CO₂ unterhalb der Tripelbedingungen direkt durch einen Wärmeübertrager sublimiert wird. Dadurch ergeben sich folgende Einschränkungen: Beim direkten Eindüsen von festem CO₂ in Rohrleitungen oder einen konventionellen Wärmeübertrager kann es an ungünstigen Stellen (Engstellen, Hinterschneidungen) zu Ablagerung und Akkumulation der festen Phase kommen, die zumindest teilweise zum partiellen Blockieren der Komponente und somit zu instationären Kreislaufzuständen führen kann. Es muss also eine gezielte Anpassung der Wärmeübertragergeometrie und der verwendeten Rohrleitungen erfolgen. Selbst dann ist ein kontinuierlicher Betrieb nicht immer gewährleistet.
Aus der EP 2 667 116 A1 geht ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Kühlen hervor, wobei ein unter Druck stehendes flüssiges Trägermedium mit flüssigem Kohlendioxid vermischt und das Gemisch unter Abkühlung entspannt wird. Anschließend wird das bei der Entspannung entstehende gasförmige Kohlendioxid vom flüssigen Trägermedium separiert und das flüssige Trägermedium erneut unter Druck gesetzt.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, CO₂ in einem kontinuierlichen Kreislauf zur Kältebereitstellung auch unterhalb des Tripelpunktes (< - 56 °C) zu nutzen. Die uneingeschränkte Nutzung des Kreislaufs auch oberhalb des Tripelpunktes ist ebenfalls zu gewährleisten.
Die Aufgabe wird durch einen Gegenstand der selbstständigen Patentansprüche gelöst. Weiterbildungen sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung wird insbesondere durch ein Kreislaufverfahren, auch als CO₂-Feststoffkreislaufverfahren bezeichnet, zur Kältebereitstellung gelöst, das die folgenden Schritte umfasst:

a) CO₂ wird auf ein höheres Druckniveau gebracht, wobei es sich erwärmt,
b) das erhitzte CO₂ wird rückgekühlt,
c) dem CO₂ wird auf einem Druck oberhalb des Tripeldrucks (T) ein Trägerfluid zugesetzt und das Gemisch aus CO₂ und Trägerfluid wird auf einen Druck unterhalb des Tripeldrucks (T) entspannt,
d) das Gemisch aus CO₂ und Trägerfluid nimmt als Kältequelle Wärme auf,
e) das Gemisch aus CO₂ und Trägerfluid wird in einem Abscheider aufgetrennt und das abgeschiedene CO₂ wird nachfolgend wieder dem Verdichter zugeführt.

Der Erfindung liegt die erfinderische Idee zugrunde, CO₂ gemeinsam mit einem Trägerfluid auf einen Druck unterhalb des Tripeldrucks zu entspannen und damit die Phasendispersion zu fördern und Agglomerieren beziehungsweise eine Akkumulation von festem CO₂ zu unterbinden. Damit wird der Temperaturbereich unterhalb der Tripeltemperatur kontinuierlich nutzbar gemacht, gleichzeitig besteht die Möglichkeit zur effektiven Wärmeübertragung in weitestgehend bekannten Standardkomponenten. Durch den regelbaren Zustrom kann auch ein Betrieb ohne Trägerfluid erfolgen, etwa bei Anfahren des Kreislaufs oder im Betrieb oberhalb des Tripelpunkts.
Die Lösungsenthalpie des CO₂ kann im Trägerfluid als weitere Kältequelle genutzt werden, sofern das Trägerfluid Mischungseigenschaften mit CO₂ aufweist. Die Nutzung der Lösungsenthalpie ist ein zusätzlicher vorteilhafter Nebeneffekt.
Das Kreislaufverfahren, bei dem CO₂ im festen Zustand verwendet wird, kann damit für Anwendungen bis zu einem Temperaturniveau von ca. - 78 °C, (Sublimationsdruck von CO₂ bei 1 bar) oder sogar darunter eingesetzt werden.
Wenn CO₂ zur Kältebereitstellung auch unterhalb des Tripelpunktes (< - 56 °C) genutzt wird, so kann sich physikalisch bedingt eine feste Phase bilden. Um Probleme der Ablagerung der festen Phase zu vermeiden wird in Schritt c) ein Trägerfluid noch vor der Expansion auf einen Druck unterhalb der Tripelbedingungen zugegeben, welches mit entspannt wird. Idealerweise löst sich das CO₂ zusätzlich im Trägerfluid und es lässt sich somit die Lösungsenthalpie als weiterer Kälteeffekt nutzen.
Das Trägerfluid besitzt vorzugsweise eine Schmelztemperatur, die an die Kreislauftemperaturbedingungen angepasst ist und unterhalb der Temperatur des CO₂ liegt. Weiterhin sollte das Trägerfluid günstige Trägereigenschaften, wie beispielsweise auch bei Umgebungstemperatur in flüssigem Zustand vorliegen, eine geringe Viskosität, eine gute Wärmeleitfähigkeit und Wärmekapazität, eine gute Schmierfähigkeit und gute Benetzungseigenschaften, aufweisen.
Bei der Zusammenführung und Mischung des festen CO₂ mit dem Trägerfluid in Schritt c) kühlt sich das Trägerfluid durch direkte Wärmeübertragung ab, im Idealfall auf die Einbringtemperatur des CO₂. Das CO₂ sublimiert zeitgleich zumindest teilweise unter Bereitstellung von latenter und sensibler Kälte in den gasförmigen Zustand.
Die Rückkühlung des warmen, verdichteten CO₂ erfolgt vorzugsweise in einem als Kondensator oder Gaskühler arbeitenden Wärmeübertrager auf eine Temperatur nahe der Umgebungstemperatur.
Nach der Erfindung wird das in Schritt b) rückgekühlte und unter Hochdruck stehende CO₂ nachfolgend auf einen Mitteldruck expandiert, der oberhalb des Tripelpunktes (T) von CO₂ liegt.
Die Erfindung wird dadurch realisiert, wenn vor dem Schritt c) eine Phasentrennung der flüssigen von der gasförmigen Phase des CO₂ in einem Mitteldruckabscheider erfolgt und das abgeschiedene, kalte CO₂ zur direkten Kühlung von warmem CO₂ bei Mitteldruck oder zur indirekten Kühlung von warmem CO₂ bei Hochdruck verwendet wird.
Vorzugsweise wird das in Schritt e) vom CO₂ abgeschiedene Trägerfluid aus der Abscheidevorrichtung wieder auf ein höheres Druckniveau gebracht und dem Kältemittelkreislauf in Schritt c) wieder zugeführt. Durch diese Ausgestaltung wird neben dem Kältemittelkreislauf ein Trägerfluidkreislauf realisiert.
Nach einer vorteilhaften Ausführung der Erfindung wird zur Abscheidung des CO₂ vom Trägerfluid in Schritt e) eine Temperierung in der Abscheidevorrichtung vorgenommen, wobei eine Temperierung durch Wärmeeintrag oder durch Wärmeabfuhr entsprechend der Erhöhung der Abscheidewirkung für das Gemisch erfolgt.
Des Weiteren wird die Aufgabe der vorliegenden Erfindung durch eine Kälteanlage mit CO₂ als Kältemittel gelöst, welche mindestens die folgenden Komponenten aufweist:

• einen Verdichter, der geeignet ist, das CO₂ auf ein höheres Druckniveau zu bringen,
• einen Wärmeübertrager als Kondensator oder Gaskühler, der geeignet ist, das erwärmte CO₂ rückzukühlen,
• eine Mischvorrichtung und eine Expansionsvorrichtung, in welchen das rückgekühlte CO₂ mit einem Trägerfluid versetzbar und expandierbar ist, wobei die Funktionen des Mischens und Expandierens bevorzugt in einer Anlagenkomponente ausgeführt werden,
• einem Wärmeübertrager zur Kältebereitstellung und
• eine Abscheidevorrichtung zur Abscheidung von CO₂ und Trägerfluid.

Die Vorrichtungen zum Mischen und Entspannen sind vorzugsweise als eine Komponente ausgeführt. Die Funktion des Mischens von CO₂ und Trägerfluid und die Funktion des Expandierens der Mischung kann auch in verschiedenen, zusammenschaltbaren Komponenten erfolgen.
Sollte für die Abscheidung des CO₂ vom Trägerfluid eine Temperierung notwendig oder vorteihaft sein, so wird entsprechend erwärmt oder gekühlt. In die Abscheidevorrichtung ist dann vorzugsweise ein Wärmeübertrager zur Temperierung des Gemisches integriert.
Durch eine Trägerfluidrückführung ist das Trägerfluid vorzugsweise von der Abscheidevorrichtung zur Misch- und Expansionsvorrichtung in den Kältemittelkreislauf rückführbar. Dabei wird das Trägerfluid vorzugsweise durch eine Pumpe gefördert und vor dem Expansionsorgan dem Kreislauf zugeführt oder direkt in den Ejektor gesogen.
Nach der Erfindung ist in der Kälteanlage eine Mitteldruckstufe ausgebildet, wobei ein Expansionsorgan nach dem Wärmeübertrager zur Rückkühlung des CO₂ angeordnet ist. Durch das Expansionsorgan wird das CO₂ vom Hochdruck auf Mitteldruck entspannt. Weiterhin ist ein Mitteldruckabscheider zur Abscheidung von gasförmigem CO₂ nach dem Expansionsorgan angeordnet. Ein zweiter Verdichter ist zur Verdichtung des CO₂ von Mitteldruck auf Hochdruck vor dem Wärmeübertrager zur Rückkühlung angeordnet. Zwischen dem Verdichter zur Verdichtung des CO₂ von Niederdruck auf Mitteldruck und dem Verdichter zur Verdichtung von Mitteldruck auf Hochdruck ist ein Wärmeübertrager angeordnet, wobei das CO₂ nach dem Verdichter auf Mitteldruck mit dem gasförmigen CO₂ aus dem Mitteldruckabscheider zusammengeführt und in der zweiten Verdichtungsstufe vom Verdichter auf Hochdruck verdichtet wird.
Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung ist ein Unterkühlungsgegenströmer für das CO₂ nach dem Wärmeübertrager zur Rückkühlung und vor dem Expansionsorgan von Hochdruck auf Mitteldruck angeordnet, wobei gasförmiges CO₂ nach dem Mitteldruckabscheider dem CO₂ nach dem Wärmeübertrager zur Rückkühlung dient.
Vorteilhaft ist der Wärmeübertrager der Abscheidevorrichtung mit einem regelbaren Sekundärkreislauf zur Kühlung des CO₂ auf der Hochdruckseite geschaltet.
Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile von Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen mit Bezugnahme auf die zugehörigen Figuren. Es zeigen:

1: ein Phasendiagramm des CO₂,
2: ein Prinzipschaubild des Basiskreislaufs mit Hochdruck- und Niederdruckniveau,
3: ein Prinzipschaubild des Kreislaufs mit Hochdruck-, Mitteldruck- und Niederdruckniveau,
4a: Misch- und Expansionsvorrichtung als Ejektor sowie
4b: Misch- und Expansionsvorrichtung als Expander-Verdichter-Kombination.

In welchem Aggregatzustand sich CO₂ befindet, hängt nicht nur von dessen Temperatur, sondern auch vom Druck ab. 1 zeigt ein Phasendiagramm von CO₂. Am Tripelpunkt (T) stehen alle drei Phasen fest (f), flüssig (fl) und gasförmig (g) im Gleichgewicht. Für CO₂ liegt der Tripelpunkt (T) bei 581 kPa und damit weit oberhalb des Atmosphärendrucks, die dazugehörige Temperatur beträgt ungefähr - 56 °C. Damit ist flüssiges (fl) CO₂ unter Normalbedingungen nicht existent, sondern nur unter erhöhtem Druck. CO₂ kann bei Normalbedingungen nur als Gas oder in festem Zustand als Trockeneis vorliegen. Bei Raumtemperatur geht Trockeneis direkt vom festen (f) in den gasförmigen (g) Zustand über, es sublimiert.
2 zeigt eine Kälteanlage 13 in der zunächst CO₂ in einem Verdichter 1 auf ein höheres Druckniveau gebracht wird, wobei es sich, wie beim klassischen Kaltdampfprozess auch, erwärmt. Die Wärme wird in einem Wärmeübertrager entweder durch einen vorgeschalteten Kältekreislauf oder gegen die Umgebung möglichst weit rückgekühlt. Dabei verbleibt es im gasförmigen (überkritischen) Zustand oder kondensiert (subkritisch).
Dem gekühlten und auf hohem Druck befindlichen CO₂ wird nun vor der Expansion ein Trägerfluid zugesetzt, wobei letzteres typischerweise flüssig ist. Das Gemisch aus CO₂ (flüssig/gasförmig) und Trägerfluid (flüssig) wird gemeinsam auf einen Druck unterhalb des Tripeldrucks (T) entspannt. Durch die gemeinsame Entspannung von CO₂ und dem Trägerfluid entsteht ein Gemisch auf einem Temperaturniveau zwischen - 56 °C und - 78 °C und bei Expansion in den Unterdruckbereich (kleiner 1 bar), beziehungsweise durch gezielte Trägerfluidauswahl und Ausnutzung der Lösungsenthalpie, sogar darunter.
Als Trägerfluide für das CO₂ werden beispielsweise Silikonöle, perfluorierte Polyether (PFPE), Kohlenwasserstoffe oder tiefsiedende mineralische oder synthetische Öle eingesetzt.
Das 3-Phasen-Gemisch aus CO₂ (fest/gas) und dem Trägerfluid (flüssig) kann ohne technische Probleme durch einen Wärmeübertrager 5 geleitet werden, wo Wärme zugeführt beziehungsweise Kälte bereitgestellt wird. Die festen Bestandteile des CO₂ sublimieren dabei, es bleibt ein 2-Phasengemisch aus CO₂ (gasförmig) und dem Trägerfluid (flüssig) zurück.
Das verbleibende Gemisch wird nun in einer Abscheidevorrichtung 7, beispielsweise einem Phasenseparator, aufgetrennt. Wenn signifikante Lösungseffekte des CO₂ im Trägerfluid vermutet werden, kann das CO₂ unter Ausnutzung von Wärme aus oberen Teilen des Kreislaufes, beispielsweise durch Unterkühlung des komprimierten CO₂, gezielt ausgetrieben werden, was in 3 prinziphaft durch eine mit einer Punktlinie angedeuteten Leitungsführung gezeigt ist.
Das abgeschiedene CO₂ kann nunmehr wieder dem Verdichter 1 zugeführt werden. Wenn sich noch nennenswerte Kältemengen im Kaltgas befinden, bietet sich die Verwendung eines inneren Wärmeübertragers an, der diese Kälte, etwa zur Unterkühlung des CO₂ auf Hochdruck, verwendet. Das abgeschiedene Trägerfluid wird aus der Abscheidevorrichtung 7 wieder auf ein höheres Druckniveau gebracht und der Kreislauf ist geschlossen. Die Druckerhöhung kann über eine Pumpe 6, wie in 2 dargestellt, erfolgen.
Alternativ zu der in 2 dargestellten Lösung mit einer Pumpe 6 mit Mischstelle als Misch- und Expansionsvorrichtung 4 kann gemäß 4a auch ein Ejektor 15 verwendet werden, der das Trägerfluid ohne Zusatzenergie während der Expansion einsaugt. In 4b ist eine weitere Möglichkeit der Druckerhöhung und Zuführung des Trägerfluids über eine Kombination aus arbeitsleistender Entspannung in einem Expander 16 und der zumindest teilweisen Verwendung der rückgewonnenen Energie in einer Pumpe 6 für das Trägerfluid dargestellt.
Sollten sich, wie auch im abgeschiedenen CO₂, noch nennenswerte Kältemengen durch sensible Wärme befinden, so kann diese Kälte, etwa zur Unterkühlung des CO₂ bei Hochdruck, genutzt werden.
Der in 2 dargestellte Kreislauf 13 lässt sich beispielsweise beim Anfahren der Anlage oder in entsprechend gewünschten Betriebszuständen auch so betreiben, dass die Expansion auf einen Druck oberhalb des Tripelpunkts erfolgt. In diesem Fall ist der Trägerfluidstrom zweckmäßigerweise zu unterbinden.
Eine weitere Ausgestaltung besteht darin, dass der dargestellte Kreislauf 13 als untere Stufe in einer Kältekaskade zum Einsatz kommt. Die Wärmeabgabe im Wärmeübertrager 2 kann damit auch deutlich unterhalb von Umgebungsbedingungen erfolgen.
In 3 ist ein besonders vorteilhafter Kreislauf 14 dargestellt, der eine Kältebereitstellung von Umgebungstemperatur zu einer Temperatur unterhalb des Tripelpunkts realisiert.
Dabei wird CO₂ zunächst in einem Verdichter 8 auf einen höheren Druck gebracht, wobei es sich erwärmt. In einem Wärmeübertrager 9 wird das erwärmte CO₂-Gas bei Hochdruck möglichst effektiv rückgekühlt, hier gegen die Umgebungsluft. Der Wärmeübertrager 9 erfüllt damit die Funktion eines Gaskühlers beziehungsweise eines Kondensators. Das rückgekülte CO₂ ist nunmehr weiter gasförmig oder zumindest teilweise verflüssigt, je nach Temperatur am Austritt des Wärmeübertragers 9.
Danach wird das CO₂ in einem Expansionsorgan 10 zunächst auf einen Mitteldruck oberhalb des Tripeldrucks entspannt und das so entstehende Gemisch aus flüssigem und gasförmigem CO₂ in einen Mitteldruckabscheider 11 geführt. Dort werden flüssiges und gasförmiges CO₂ aufgetrennt.
Das gasförmige CO₂ aus dem Mitteldruckabscheider 11 wird über eine nicht näher bezeichnete Mischstelle mit dem ebenfalls gasförmigen CO₂ aus dem Wärmeübertrager 2 kommend zusammengeführt und dem Verdichter 8 zur Verdichtung auf Hochdruck zugeführt.
Dem flüssigen CO₂ aus dem Mitteldruckabscheider 11 wird nunmehr das Trägerfluid zudosiert. Beide Stoffe werden dann gemeinsam im Expansionsorgan 3 auf einen Niederdruck unterhalb des Tripeldrucks entspannt und durch den Wärmeübertrager 5 geleitet, wo durch Wärmeaufnahme in das Gemisch Kälte bereitgestellt wird. Im Wärmeübertrager 5 wird somit Wärme aus der Anwendung zugeführt.
In der Abscheidevorrichtung 7 werden Trägerfluid und CO₂ wieder aufgetrennt. Hierzu benötigte Wärme wird bei Bedarf durch einen Bypass-Strom aus warmem CO₂ nach dem Wärmeübertrager 9 abgezweigt und über das Regelventil 12 dosiert in die Abscheidevorrichtung 7 gebracht. Der Leitungsverlauf ist prinziphaft mit einer Punktlinie dargestellt. Der so abgekühlte CO₂-Bypassstrom wird dem Kältemittelkreislauf vor dem Expansionsorgan 10 wieder zugeführt.
Das abgetrennte gasförmige CO₂ wird in einem Verdichter 1 vom Niederdruck wieder auf einen höheren Druck, den Mitteldruck, angehoben, hier auf etwa den Druck nach der Expansion durch das Expansionsorgan 10. Das sich bei der Verdichtung erwärmende CO₂ wird zweckmäßigerweise noch einmal gegen Umgebungsbedingungen in einem Wärmeübertrager 2 rückgekühlt, bevor der Strom in der bereits erwähnten Mischstelle mit dem gasförmigen CO₂ aus dem Mitteldruckabscheider 11 zusammengeführt wird.
Das abgetrennte Trägerfluid wird über die Trägerfluidpumpe 6 auf ein höheres Druckniveau gebracht und dem Kreislauf bei Mitteldruck wieder zugeführt. Die alternativen Formen der Druckerhöhung und Dosierung des Trägerfluids gemäß den 4a und 4b können alternativ zur Anwendung kommen.
Bezugszeichenliste

1: Verdichter
2: Wärmeübertrager
3: Expansionsorgan
4: Misch- und Expansionsvorrichtung
5: Wärmeübertrager
6: Trägerfluidpumpe
7: Abscheidevorrichtung
8: Verdichter
9: Wärmeübertrager
10: Expansionsorgan
11: Mitteldruckabscheider
12: Regelventil
13: Kälteanlage mit einstufiger Entspannung
14: Kälteanlage mit mehrstufiger Entspannung
15: Ejektor
16: Expander
T: Tripelpunkt
f: fest
fl: flüssig
g: gasförm ig

Claims

Kreislaufverfahren zur Kältebereitstellung, umfassend die Schritte: a) CO₂ wird auf einen Hochdruck verdichtet, wobei es sich erwärmt, b) das warme, verdichtete CO₂ wird rückgekühlt, c) dem CO₂ wird auf einem Druck oberhalb des Tripeldrucks (T) ein Trägerfluid zugesetzt und das Gemisch aus CO₂ und Trägerfluid wird auf einen Druck unterhalb des Tripeldrucks (T) entspannt, d) das Gemisch aus CO₂ und Trägerfluid nimmt als Kältequelle Wärme auf und e) das Gemisch aus CO₂ und Trägerfluid wird in einer Abscheidevorrichtung (7) aufgetrennt und das abgeschiedene CO₂ wird nachfolgend wieder verdichtet, wobei das in Schritt b) rückgekühlte und unter Hochdruck stehende CO₂ nachfolgend auf einen Mitteldruck expandiert wird, der oberhalb des Tripelpunktes (T) von CO₂ liegt und vor dem Schritt c) eine Phasentrennung der flüssigen von der gasförmigen Phase des CO₂ in einem Mitteldruckabscheider (11) erfolgt und abgeschiedenes, kaltes CO₂ zur direkten Kühlung von warmem CO₂ bei Mitteldruck oder zur indirekten Kühlung von warmem CO₂ bei Hochdruck verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt b) das erhitzte CO₂ in einem Wärmeübertrager (2, 9) als Kondensator oder Gaskühler auf eine Temperatur nahe der Umgebungstemperatur rückgekühlt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das in Schritt e) abgeschiedene Trägerfluid aus der Abscheidevorrichtung (7) wieder auf ein höheres Druckniveau gebracht und dem Kältemittelkreislauf in Schritt c) wieder zugeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass zur Abscheidung des CO₂ vom Trägerfluid in Schritt e) eine Temperierung in der Abscheidevorrichtung (7) erfolgt, wobei eine Temperierung durch Wärmeeintrag oder durch Wärmeabfuhr erfolgt.
Kälteanlage (14) mit CO₂ als Kältemittel zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der vorangehenden Ansprüche, mindestens aufweisend - einen Verdichter (1), der geeignet ist das CO₂ auf ein höheres Druckniveau zu bringen, - einen Wärmeübertrager (2) als Kondensator oder Gaskühler, der geeignet ist das erwärmte CO₂ rückzukühlen, - eine Mischvorrichtung, in welcher das rückgekühlte CO₂ mit einem Trägerfluid versetzbar ist, - eine Expansionsvorrichtung (4), in welcher das Gemisch aus CO₂ und Trägerfluid expandierbar ist, - einen Wärmeübertrager (5) zur Kältebereitstellung, - eine Abscheidevorrichtung (7) zur Abscheidung von CO₂ und Trägerfluid, - eine Mitteldruckstufe, wobei ein Expansionsorgan (10) nach dem Wärmeübertrager (9) angeordnet ist, das CO₂ vom Hochdruck auf Mitteldruck entspannt und wobei ein Mitteldruckabscheider (11) zur Abscheidung von gasförmigem CO₂ nach dem Expansionsorgan (10) angeordnet ist und wobei ein zweiter Verdichter (8) zur Verdichtung des CO₂ von Mitteldruck auf Hochdruck vor dem Wärmeübertrager (9) angeordnet ist und wobei zwischen dem Verdichter (1) zur Verdichtung des CO₂ von Niederdruck auf Mitteldruck und dem Verdichter (8) ein Wärmeübertrager (2) angeordnet ist, wobei das CO₂ nach dem Verdichter (1) mit dem gasförmigen CO₂ aus dem Mitteldruckabscheider (11) zusammengeführt und im Verdichter (8) auf Hochdruck verdichtet wird.
Kälteanlage (14) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Abscheidevorrichtung (7) einen Wärmeübertrager zur Temperierung des Trägerfluid- und CO₂ -Gemisches aufweist.
Kälteanlage (14) nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine Trägerfluidrückführung von der Abscheidevorrichtung (7) zur Misch- und Expansionsvorrichtung (4) ausgeführt ist.
Kälteanlage (14) nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein Unterkühlungsgegenströmer für das CO₂ nach dem Wärmeübertrager (9) und vor dem Expansionsorgan (10) angeordnet ist, wobei gasförmiges CO₂ nach dem Mitteldruckabscheider (11) das CO₂ nach dem Wärmeübertrager (9) kühlt.
Kälteanlage (14) nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeübertrager der Abscheidevorrichtung (7) mit einem regelbaren Bypass zur Kühlung des CO₂ auf der Hochdruckseite geschaltet ist.
Kälteanlage (14) nach einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Mischvorrichtung und die Expansionsvorrichtung (4) in einer Anlagenkomponente ausgebildet sind.