DE102016105334A1

DE102016105334A1 - Verfahren zur Tieftemperaturkühlung

Info

Publication number: DE102016105334A1
Application number: DE102016105334.1A
Authority: DE
Inventors: Joachim Germanus; Peter Röllig
Original assignee: Institut fuer Luft und Kaeltetechnik Gemeinnuetzige GmbH
Current assignee: Institut fuer Luft und Kaeltetechnik Gemeinnuetzige GmbH
Priority date: 2015-12-15
Filing date: 2016-03-22
Publication date: 2017-06-22
Anticipated expiration: 2036-03-23
Also published as: DE102016105334B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Tieftemperaturkühlung einer Kühlumgebung (12) im Bereich unterhalb von –50 °C mittels eines umweltverträglichen, nicht brennbaren, flüssigen Kühlmittels (11), das in einem Kühlkreislauf (10) zirkuliert. Nach Aufnahme von Wärmeenergie in der Kühlumgebung (12) wird das Kühlmittel (11) durch Zugabe von Trockeneisschnee (21) rückgekühlt. Erfindungsgemäß sublimiert der Trockeneisschnees (21) nach dem Dispergieren im Kühlmittel (11) und entzieht diesem Wärmeenergie. Als Kühlmittel (11) werden Hydrofluorether, Perfluorketone, Polyfluorpolyether oder Gemische derselben verwendet. Anwendung findet das Verfahren beim Betrieb von Prüf- und Umweltsimulationskammern, bei der Gefriertrocknung oder bei Prozessen in der Tieftemperaturmedizin und -biologie.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Tieftemperaturkühlung im Bereich unterhalb von –50 °C unter Verwendung eines im Kreislauf strömenden Kühlmittels.
Ein spezielles Anwendungsgebiet der Kältetechnik ist die Bereitstellung von Kühlleistung im Temperaturbereich unterhalb von –50 °C. Kühlung in diesem Bereich wird beispielsweise für den Betrieb von Prüf- und Umweltsimulationskammern, bei der Gefriertrocknung oder für Prozesse in der Tieftemperaturmedizin und -biologie benötigt.
Für derartige Anwendungen wird gegenwärtig überwiegend das Kältemittel R23 (Trifluormethan) mit einem Normalsiedepunkt von –82,2 °C benutzt. Für tiefere Temperaturen wird das Kältemittel R14 (Tetrafluormethan) mit einem Normalsiedepunkt von –128 °C verwendet.
Nachteilig an diesen Stoffen sind deren umweltschädliche Eigenschaften, da sie stark zum anthropogen verursachten Treibhauseffekt beitragen, wenn sie in die Atmosphäre gelangen. Ein Maß für die klimaschädliche Wirkung einer chemischen Verbindung ist das Treibhauspotential- auch bekannt als Global Warming Potential (GWP) oder CO₂-Äquivalent. Es beschreibt die Wirkung einer chemischen Verbindung, mit der diese zum Treibhauseffekt beiträgt. Als Vergleichsbasis dient Kohlendioxid mit einem GWP von 1. Die Kältemittel R23 und R14 besitzen demgegenüber mit 14800 bzw. 7390 sehr hohe Treibhauspotentiale.
In der EU Verordnung 517-2014 sind bereits eine Reihe von Treibhauspotential-Grenzwerte bei Verwendung fluorierter Treibhausgase festgelegt; zum Beispiel gilt für Haushaltskühl- und -gefriergeräte bereits seit 1. Januar 2015 ein GWP von maximal 150. Gesetzliche Regelungen wie diese führen dazu, dass für eine Vielzahl von Kühltechnikanlagen die bislang angewandten Kältemittel ersetzt werden müssen.
Für die Kühlung im Bereich unter –50 °C existieren bislang keine technisch ausgereiften Lösungen mit alternativen Kältemitteln. Grundsätzlich kommen aliphatische Kohlenwasserstoffe, wie zum Beispiel R50 (Methan, Normalsiedepunkt –161,5 °C) oder R170 (Ethan, Normalsiedepunkt –88,6 °C) als Kältemittel in Frage. Nachteilig ist deren Brennbarkeit, weshalb der Einsatz in technischen Anwendung streng reglementiert oder verboten ist.
Auch Kohlendioxid (CO2) ist als Kältemittel bereits seit Beginn der Kältetechnik als Arbeitsstoff bekannt und verwendet worden. Wegen seiner Ungiftigkeit und des Eingebundenseins in den biologischen Kreislauf gilt Kohlendioxid als nahezu klimaneutrales Kältemittel. Aufgrund dieser positiven Eigenschaften wird Kohlendioxid bei der Suche nach klimaverträglichen Technologien zur Kälteerzeugung in zunehmendem Maße als Kältemittel für Kompressionsanlagen und Wärmepumpen in Erwägung gezogen.
Neben dem direkten Einsatz von Kohlendioxid als Kältemittel ist dessen mittelbare Verwendung zur Kühlung eines im Kreislauf geführten Kühlmittels bekannt. In US 2 507 866 ist ein Verfahren beschrieben, bei dem mittels Trockeneisblöcken, d. h. Kohlendioxid in festem Aggregatzustand, innerhalb eines Sublimators dem Kühlmittel Wärmeenergie entzogen wird. Nachteilig ist die Brennbarkeit der angewandten Kühlmittel Aceton oder Methanol ebenso wie die Verwendung der Trockeneisblöcke mit ihrer geringen spezifischen Oberfläche.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Tieftemperaturkühlung bereitzustellen, das mittels eines im Kreislauf geführten, umweltverträglichen, ungiftigen und nicht brennbaren Kühlmittels eine effiziente Kühlung im Bereich unterhalb von –50 °C ermöglicht.
Nach Maßgabe der Erfindung werden Hydrofluorether, Perfluorketone, Polyfluorpolyether oder Gemische derselben als flüssige Kühlmittel zur Kühlung einer Kühlumgebung, zum Beispiel einer Umweltsimulationskammer, verwendet.
Das Kühlmittel zirkuliert in einem Kühlkreislauf zwischen einem oder mehreren Wärmeübertragern, die sich innerhalb der Kühlumgebung befinden, und einem außerhalb derselben angeordneten Sublimator. Im Folgenden wird der Singular für den Wärmeübertrager verwendet. Beim Durchströmen durch den Wärmeübertrager nimmt das Kühlmittel Wärmeenergie auf und bewirkt den erstrebten Kühleffekt in der Kühlumgebung.
Das erwärmte Kühlmittel wird danach, zum Beispiel mittels einer Kühlkreislaufpumpe, in den Sublimator gefördert. Hier wird das Kühlmittel mit einem Kältemittel vermengt, welches anschließend innerhalb des Kühlmittels sublimiert. Dadurch wird dem Kühlmittel die für die Sublimation des Kältemittels erforderliche Wärmeenergie entzogen. Das abgekühlte Kühlmittel strömt abschließend vom Sublimator zurück zum Wärmeübertrager. Durch die fortwährende Zirkulation des Kühlmittels im Kühlkreislauf wird kontinuierlich Wärme aus der Kühlumgebung abtransportiert und deren Temperatur im angestrebten Niveau gehalten.
Erfindungsgemäß wird als Kältemittel Kohlendioxid verwendet, welches in Form von Trockeneisschnee in den Sublimator eingebracht wird. Im Kühlmittel wird der Trockeneisschnee mittels geeigneter Vorrichtungen dispergiert, wobei die Vermengung im einfachsten Fall durch das Einbringen des Trockeneisschnees in Verbindung mit der vorhandenen Strömung des Kühlmittels durch den Sublimator bewirkt wird.
Der Sublimator ist mit dem flüssigen Kühlmittel bis zu einer definierten Höhe gefüllt. Über dem Flüssigkeitsspiegel befindet sich eine Atmosphäre aus Kohlendioxid. Um sicherzustellen, dass die Sublimation des Trockeneisschnees stattfindet, muss der Druck im Sublimator so eingestellt werden, dass dieser immer unterhalb des Tripelpunktdruckes von Kohlendioxid (5,2 bar) liegt. Im Fall eines nach außen nicht abgedichteten Sublimators ist diese Bedingung unter normalen atmosphärischen Druckverhältnissen auf der Erdoberfläche immer erfüllt.
Nach dem Sublimieren des Trockeneisschnees löst sich das gasförmige Kohlendioxid im Kühlmittel oder gast aus dem Kühlmittel aus. Das nicht gelöste Kohlendioxid sammelt sich im Sublimator über dem Flüssigkeitsspiegel und wird, zum Beispiel mit Unterstützung durch eines angeschlossenen Verdichters, abgesaugt.
Der Vorteil des erfindungsgemäß für die Abkühlung des Kühlmittels verwendeten Trockeneisschnees ist, dass dieser aus einer Vielzahl feiner Kohlendioxidpartikel bzw. -kristalle besteht, womit eine hohe spezifische Oberfläche des Trockeneisschnees einhergeht. Die resultierende große Kontaktfläche zum Kühlmittel bewirkt einen effektiven Wärmeübergang bei der Sublimation und daraus folgend eine schnelle und intensive Kühlung des Kühlmittels.
Die als Kühlmittel verwendeten Hydrofluorether, Perfluorketone oder Polyfluorpolyether weisen eine Reihe vorteilhafter Eigenschaften für den Einsatz in der Kältetechnik auf: sie sind zum Beispiel in einem großen Temperaturbereich flüssig und besitzen eine niedrige Viskosität. Letztere ist besonders wichtig für den energieeffizienten Transport des Kühlmittels im Kühlkreislauf.
Sie sind zudem sowohl ungiftig als auch umweltverträglich. So liegen zum Beispiel die Treibhauspotentiale besonders geeigneter Substanzen wie Methoxynonafluorbutan oder Dodecafluor-2-methylpentan-3-on unterhalb von 500.
Ein weiterer Vorteil ist, dass Hydrofluorether, Perfluorketone oder Polyfluorpolyether nicht brennbar sind. Die Sicherheitsvorkehrungen im Umgang mit diesen Stoffen sind folglich erheblich weniger aufwendig als zum Beispiel bei Verwendung von Kohlenwasserstoffen in der Kältetechnik.
Im Weiteren wird auf spezifische Ausgestaltungen der Erfindung eingegangen.
Es kann vorgesehen sein, dass der Trockeneisschnee in einem an den Sublimator angeschlossenem Trockenschneerohr durch Verdüsen von flüssigem Kohlendioxid erzeugt wird. Das flüssige Kohlendioxid wird aus einer Kältemittelzuleitung über ein Expansionsventil in das Trockenschneerohr eingeleitet. Unter normalen atmosphärischen Bedingungen erfolgt der Phasenübergang des flüssigen Kohlendioxids entsprechend dem Phasendiagramm zum einen Teil zu festem Kohlendioxid und zum anderen Teil zu gasförmigem Kohlendioxid. Aufgrund der Verdüsung entsteht das feste Kohlendioxid als Trockeneisschnee in Form sehr feiner Kohlendioxidpartikel bzw. -kristalle. Der Vorteil der Erzeugung des Trockeneisschnees mittels des Trockenschneerohrs ist der geringe gerätetechnische Aufwand. Das erforderliche flüssige Kohlendioxid wird großtechnisch hergestellt und ist preisgünstig verfügbar.
Weiterhin kann in dieser Ausgestaltung der Erfindung das aus dem Sublimator abgesaugte, gasförmige Kohlendioxid mittels einer an den Sublimator angeschlossenen Rückverflüssigungsanlage in den flüssigen Aggregatzustand überführt werden. Das flüssige Kohlendioxid wird anschließend über die Kältemittelzuleitung zurück in das Trockenschneerohr eingespeist. Der Vorteil dieses geschlossenen Kältemittelkreislaufes besteht darin, dass das erfindungsgemäße Verfahren unabhängig von einer externen Zulieferung von flüssigem Kohlendioxid durchgeführt werden kann.
Für die Verwendung als Kühlmittel kann der Hydrofluorether Methoxy-nonafluorbutan eingesetzt werden. Dieser ist am Markt zum Beispiel als Produkt 3M^TM Novec^TM 7100 verfügbar. Vorteilhaft ist die hohe Lösungsenthalphie von Kohlendioxid in Methoxynonafluorbutan. Beim Lösen des Kohlendioxids im Kühlmittel (anschließend an die Sublimation) wird durch die endotherme Lösungsenthalpie das Kühlmittel zusätzlich abgekühlt. Beim Anfahren einer Kälteanlage begünstigt dieser Effekt das schnelle Erreichen des gewünschten Temperaturniveaus in der Kühlumgebung.
Als Kühlmittel kann alternativ der Perfluorketon Dodecafluor-2-methylpentan-3-on verwendet werden. Ein geeignetes Produkt ist zum Beispiel 3M^TM Novec^TM 649. Dieses Kühlmittel weist mit einem Treibhauspotential von 1 den gleichen Wert wie Kohlendioxid auf und ist damit vergleichsweise umweltverträglich.
In einer Ausgestaltung der Erfindung kann das Dispergieren des Trockeneisschnees im Kühlmittel mittels eines Rührwerks vorgenommen werden. Die mit dem Rührwerk eingebrachte rotierende Strömung des Kühlmittels im Sublimator bewirkt eine sehr schnelle Verteilung des Trockeneisschnees und beschleunigt dessen Sublimation.
Ferner kann das Kühlmittel im Sublimator über gekrümmte Strömungsleitbleche geleitet werden. Die vorhandene Strömung des Kühlmittels durch den Sublimator wird gezielt an den Strömungsleitblechen umgelenkt, um Verwirbelungen zu erzeugen, die zur beschleunigten Verteilung des eingebrachten Trockeneisschnees führen, und/oder die Strömung in geeigneter Weise durch den Sublimator leiten. Bei Verwendung von Strömungsblechen kann der Einbau mechanisch beweglicher Bauteile, wie zum Beispiel des Rührwerks, entfallen.
Des Weiteren kann zur weiteren Erhöhung der Kühlleistung das Kühlmittel im Sublimator mittels Ultraschall angeregt werden. Dazu wird zum Beispiel – wie bei allgemein bekannten Ultraschallbädern – ein Ultraschallschwinger am Boden oder an den Wänden des Sublimators angebracht oder in das Kühlmittel eingetaucht. Die hochfrequenten mechanischen Schwingungen intensivieren die Dispersion und die Sublimation des Trockeneisschnees im Kühlmittel. Insbesondere wird die Ausbildung einer geschlossenen, wärmeisolierenden Dampfhülle um die Kohlendioxidpartikel während der Sublimation gestört. Dies verbessert und beschleunigt den Wärmeübergang und damit die Abkühlung des Kühlmittels im Sublimator.
In einer Ausgestaltung der Erfindung wird der Druck im Sublimator konstant gehalten. Am einfachsten wird dies durch eine Verbindung zur Umgebungsatmosphäre realisiert, zum Beispiel mittels einer Druckausgleichsöffnung im Sublimator. In diesem Fall entspricht der Druck stets dem normalen Atmosphärendruck an der Erdoberfläche, d. h. er liegt im Bereich von ca. 1 bar. Bei einem geschlossenen, druckdicht ausgeführten Sublimator kann der Druck zum Beispiel durch ein geregeltes Ventil oder einen geregelten Verdichter auf konstantem Niveau gehalten werden. Durch den konstanten Druck sind gleichbleibenden Bedingungen für die Sublimation des Trockeneisschnees geschaffen und die Temperatur in der Kühlumgebung bleibt konstant.
Die Erfindung ist nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels und mit Bezug auf die schematische Zeichnung näher erläutert. Dazu zeigt die Figur den Aufbau eines Kühlsystems zur Durchführung des Verfahrens zur Tieftemperaturkühlung.
Das Kühlmittel 11 Methoxy-nonafluorbutan strömt in dem in der Figur durch Pfeile verdeutlichten Kühlkreislauf 10, indem es vom Sublimator 15 zum Wärmeübertrager 13 und von dort via Kühlkreislaufpumpe 14 zurück zum Sublimator 15 gefördert wird. Der Wärmeübertrager 13 befindet sich innerhalb der Kühlumgebung 12. Hier wird Wärmeenergie (in der Figur durch wellenförmige Pfeile dargestellt) auf das Kühlmittel 11 übertragen und damit der beabsichtigte Kühleffekt bewirkt.
Flüssiges Kohlendioxid aus der Kältemittelzuleitung 20 wird über das Expansionsventil 22 in das mit dem Sublimator 15 verbundene Trockenschneerohr 23 eingeleitet und verdüst. Der Druck im Sublimator 15 und dem daran angeschlossenen Trockenschneerohr 23 wird auf einen Wert unterhalb von 5,2 bar eingestellt. Aufgrund dessen kommt es entsprechend dem Phasendiagram von Kohlendioxid zum Phasenübergang des flüssigen Kohlendioxids partiell zu festem und partiell zu gasförmigem Kohlendioxid. Das feste Kohlendioxid bildet sich durch das Verdüsen als Trockeneisschnee 21 in Form feiner Kohlendioxidpartikel bzw. -kristalle aus.
Der Trockeneisschnee 21 wird nach Austritt aus dem Trockenschneerohr 23 auf das im Sublimator 15 befindliche Kühlmittel 11 aufgebracht. Das bei der Erzeugung des Trockeneisschnees 21 entstandene gasförmige Kohlendioxid wird mittels des Verdichters 24 über die Kältemittelableitung 25 aus dem Sublimator 15 abgesaugt. Durch die geregelte Absaugung des Kohlendioxids wird der Druck im Sublimator 15 stets auf konstantem Niveau gehalten.
Der auf die Oberfläche des Kühlmittels 11 aufgebrachte Trockeneisschnee 21 wird mittels des Rührwerks 16 im Kühlmittel 11 dispergiert. Anschließend erfolgt das Sublimieren des Trockeneisschnees 21, wodurch dem Kühlmittel 11 Wärmeenergie entzogen wird. Das auf diese Weise stark abgekühlte Kühlmittel 11 wird durch die Zirkulation im Kühlkreislauf 10 wiederum in den Wärmeübertrager 13 geleitet und bewirkt die Kühlung der Kühlumgebung 12. Das durch die Sublimation frei werdende gasförmige Kohlendioxid wird aus dem Sublimator 15 über die Kältemittelableitung 25 abgeführt.
Ausgewählte Eigenschaften des als Kühlmittel 11 bevorzugt verwendeten Hydrofluorethers Methoxy-nonafluorbutan und des Perfluorketons Dodecafluor-2-methylpentan-3-on sind in Tabelle 1 herkömmlichen Kältemitteln für die Tieftemperaturkühlung (Fluoralkanen und Alkanen) gegenübergestellt. Der Hydrofluorether und der Perfluorketon sind im Vergleich zu den Alkanen nicht brennbar und aufgrund der niedrigen Treibhauspotentiale deutlich umweltverträglicher als die Fluoralkane.
Bezugszeichenliste

10: Kühlkreislauf
11: Kühlmittel
12: Kühlumgebung
13: Wärmeübertrager
14: Kühlkreislaufpumpe
15: Sublimator
16: Rührwerk
20: Kältemittelzuleitung
21: Trockeneisschnee
22: Expansionsventil
23: Trockenschneerohr
24: Verdichter
25: Kältemittelableitung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 2507866 [0008]

Claims

Verfahren zur Tieftemperaturkühlung einer Kühlumgebung (12) mittels eines flüssigen Kühlmittels (11) und eines Kältemittels, wobei das Kühlmittel (11) – in einem Kühlkreislauf (10) zwischen einem innerhalb der Kühlumgebung (12) angeordneten Wärmeübertrager (13) und einem außerhalb der Kühlumgebung (12) angeordneten Sublimator (15) zirkuliert, – im Wärmeübertrager (13) Wärmeenergie aus der Kühlumgebung (12) zu deren Kühlung aufnimmt, und – im Sublimator (15) Wärmeenergie an das Kältemittel abgibt, indem das in den Sublimator (15) zugeführte Kältemittel im Kühlmittel (11) sublimiert, wobei das Kältemittel Kohlendioxid ist, dadurch gekennzeichnet, dass – als Kühlmittel (11) Hydrofluorether, Perfluorketone, Polyfluorpolyether oder Gemische derselben verwendet werden, – das Kältemittel Kohlendioxid als Trockeneisschnee (21) in den Sublimator (15) eingebracht, im Kühlmittel (11) dispergiert und nach dem Sublimieren aus dem Sublimator (15) abgesaugt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Trockeneisschnee (21) durch Verdüsen von flüssigem Kohlendioxid in einem an den Sublimator (15) angeschlossenen Trockenschneerohr (23) erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein geschlossener Kältemittelkreislauf realisiert wird, indem das aus dem Sublimator (15) abgesaugte, gasförmige Kältemittel Kohlendioxid nach Verflüssigung zurück in das Trockenschneerohr (23) geleitet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass als Kühlmittel (11) der Hydrofluorether Methoxy-nonafluorbutan verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass als Kühlmittel (11) der Perfluorketon Dodecafluor-2-methylpentan-3-on verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Trockeneisschnee (21) im Kühlmittel (11) mittels eines Rührwerks (16) dispergiert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das strömende Kühlmittel (11) im Sublimator (15) über gekrümmte Strömungsleitbleche geleitet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, das Kühlmittel (11) im Sublimator (15) zur Unterstützung des Dispergierens und des Sublimierens des Trockeneisschnees (21) mit Ultraschallschwingungen angeregt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Druck im Sublimator (15) konstant gehalten wird.