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Die Erfindung betrifft eine Kälteanlage, welche einen Primärkreislauf zum Zirkulieren eines ersten Arbeitsfluids mit einem ersten Wärmeübertrager und einen Sekundärkreislauf zum Zirkulieren eines zweiten Arbeitsfluids und zum 11 Abführen von Wärme einer Wärmequelle aufweist. Der Sekundärkreislauf ist mit einer Fördervorrichtung zum Fördern des zweiten Arbeitsfluids, dem ersten Wärmeübertrager zum Übertragen von Wärme vom zweiten Arbeitsfluid an das erste Arbeitsfluid sowie einem zweiten Wärmeübertrager zum Übertragen von Wärme von der Wärmequelle an das zweite Arbeitsfluid ausgebildet. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben einer Kälteanlage mit einem Primärkreislauf und einem Sekundärkreislauf.
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Als Arbeitsfluid zum Abführen von Wärme einer Wärmequelle mittels eines in einem Kreislauf zirkulierenden Fluids, auch als Bereitstellen oder Erzeugen von Kälte beziehungsweise Kälteleistung bezeichnet, bei Temperaturen unterhalb von -50°C wird herkömmlich Trifluormethan, auch als Fluoroform bekannt, verwendet. Trifluormethan wird mit der kältetechnischen Bezeichnung R23 abgekürzt. R23 ist neben dem recht unbedeutenden Tetrafluormethan, auch mit der kältetechnischen Bezeichnung R14 abgekürzt, aktuell das einzige verfügbare Kältemittel für Anwendungen mit Wärmeübertragungen im Temperaturbereich geringer als -50°C, welches weder brennbar noch toxisch ist. Allerdings weist R23 ein dramatisch hohes Treibhauspotential, auch als global warming potential (GWP) bezeichnet, von etwa 14.800 auf. Nach der im Jahr 2015 in Kraft getretenen EU-F-Gase-Verordnung sollen fluorierte Kältemittel, insbesondere Kältemittel mit einem hohen Treibhauspotential, ersetzt werden. Dabei ist zukünftig durchaus mit einem Verbot von Arbeitsfluiden mit hohen Treibhauspotentialen zu rechnen.
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Zum Einsatz der nicht brennbaren fluorierten Arbeitsfluide als Kältemittel im Temperaturbereich geringer als -50°C gibt es herkömmlich keine Alternativen. Zudem lassen chemische Analysen den Schluss zu, dass in naher Zukunft keinerlei neue nicht brennbare Kältemittel entdeckt werden. Lediglich Arbeitsfluidgemische könnten eine Alternative bieten, wobei sich auch auf dem Gebiet keine Durchbrüche andeuten.
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Aus dem Stand der Technik sind verschiedene brennbare Kältemittel zum Anwenden in einem Temperaturbereich geringer als -50°C bekannt. Allerdings sind vorzugsweise natürliche Stoffe, wie Ethan oder Ethen, brennbar und hoch entzündlich. Um auf die brennbaren und hoch entzündlichen Arbeitsfluide zugreifen zu können, ist der Einsatz von Sekundärfluiden möglich. Als Sekundärfluide werden zumeist flüssige Kälteträger verwendet, welche lediglich die Kälteleistung von einem Ort der Erzeugung zu einem Ort der Verwendung transportieren. Im Temperaturbereich geringer als -50°C sind jedoch auch die Sekundärfluide typischerweise brennbar, toxisch und/oder weisen bei tiefen Temperaturen eine inakzeptabel hohe Viskosität auf. Ebenso verfügbare nicht brennbare und nicht toxische Arbeitsfluide sind sehr kostenintensiv, sodass deren Attraktivität für den Einsatz in Kälteanlagen sehr gering ist.
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Als aus dem Stand der Technik bekannte für den klassischen Kaltdampfprozess zum Bereitstellen von Kälte mit einem in einem Kältemittelkreislauf unter Phasenwechseln flüssig - gasförmig und gasförmig - flüssig zirkulierende Kältemittel stehen im Temperaturbereich geringer als -50°C neben dem R23 als ein Sicherheitskältemittel weitestgehend lediglich brennbare Kältemittel oder gegenwertig noch nicht weitreichend genug erforschte Gemische zur Verfügung.
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Aus der
DE 10 2015 214 705 A1 geht eine Vorrichtung zum Durchführen eines Kaltdampfprozesses, insbesondere mit Kohlendioxid als Kältemittel, hervor. Die Vorrichtung weist einen motorbetriebenen Hauptkompressor zum Verdichten des Kältemittels von einem Verdampferdruckniveau auf ein Hochdruckniveau, einen Hochdruckwärmeübertrager zum Kondensieren/Gaskühlen des Kältemittels, einen Expander zum arbeitsleistenden Entspannen des Kältemittels sowie einen Verdampfer zum Übertragen von Wärme an das Kältemittel auf. Zwischen dem Hochdruckwärmeübertrager und dem Expander ist ein Wärmeübertrager zum Unterkühlen des aus dem Hochdruckwärmeübertrager austretenden Kältemittels angeordnet. Zwischen dem Unterkühler und dem Expander ist eine Abzweigstelle zum Abzweigen eines Teilmassenstroms des Kältemittels ausgebildet, wobei der abgezweigte Teilmassenstrom mittels eines Hochdruckregelventils auf ein Mitteldruckniveau entspannt wird, anschließend im Gegenstromprinzip durch den Unterkühler geleitet wird und dabei Wärme aufnimmt, sodass das Kältemittel auf Hochdruckniveau unterkühlt wird. Der Teilmassenstrom wird in einem Hochdruckkompressor, welcher mit dem Expander mechanisch verbunden ist, auf das Hochdruckniveau verdichtet und in Strömungsrichtung des Kältemittels vor dem Hochdruckwärmeübertrager mit aus dem Hauptkompressor ausströmenden Massenstrom vermischt.
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Auch in der
DE 20 2006 014 246 U1 wird eine Kaltdampf-Kältemaschine mit einem Verdampfer zum Verdampfen des Kältemittels, einem Verdichter zum Verdichten des Kältemittels, einem Verflüssiger oder Gaskühler zum Kondensieren/Gaskühlen des Kältemittels sowie einer Entspannungseinrichtung zum Entspannen des Kältemittels beschrieben.
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Wenn das Kältemittel bei unterkritischem Betrieb des Kältemittelkreislaufs, wie zum Beispiel mit dem Kältemittel R134a oder bei bestimmten Umgebungsbedingungen mit Kohlendioxid verflüssigt wird, wird der Wärmeübertrager zur Wärmeabgabe vom Kältemittel als Kondensator bezeichnet. Ein Teil der Wärmeübertragung findet bei konstanter Temperatur statt. Bei überkritischem Betrieb beziehungsweise bei überkritischer Wärmeabgabe im Wärmeübertrager nimmt die Temperatur des Kältemittels stetig ab. In diesem Fall wird der Wärmeübertrager auch als Gaskühler bezeichnet. Überkritischer Betrieb kann unter bestimmten Umgebungsbedingungen oder Betriebsweisen des Kältemittelkreislaufs zum Beispiel mit dem Kältemittel Kohlendioxid auftreten.
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Für das Bereitstellen von Kälte mit nicht brennbaren Arbeitsfluiden sind herkömmlich folgende Verfahren bekannt:
- - ein Kaltdampfprozess mit einem Kältemittelkreislauf mit einem nicht brennbaren und nicht toxischen Sicherheitskältemittel, wie R23, welches in einem als Verdampfer ausgebildeten Wärmeübertrager direkt verdampft, jedoch ein sehr hohes Treibhauspotential aufweist und gegebenenfalls durch eine Verschärfung der F-Gase-Verordnung in der Zukunft verboten ist sowie sehr kostenintensiv ist, wobei zudem mit weiter stark ansteigenden Kosten zu rechnen ist,
- - ein Kaltdampfprozess mit einem Kältemittelkreislauf mit einem brennbaren und/oder toxischen Kältemittelgemisch, welches bisher nicht grundlegend erforscht und auf mittelfristige Sicht nicht marktreif ist,
- - ein Kaltdampfprozess mit einem brennbaren Kältemittel in Kombination mit einem Sekundärkreislauf, in welchem ein zumindest teilweise toxisches, brennbares und sehr kostenintensives Sekundärfluid für die Anwendung bei tiefen Temperaturen zirkuliert, wobei zudem die Verfügbarkeit geeigneter Fluide sehr eingeschränkt ist, und
- - ein vom Kaltdampfprozess abweichendes alternatives Kälteerzeugungsverfahren, wie ein Kaltgasprozess mit einer Kompression und einer arbeitsleistenden Expansion von Gasen, welcher bei einem hohen apparativen Aufwand eine sehr geringe Effizienz aufweist und am Markt nicht weit verbreitet ist, oder ein Stirling-Prozess, welcher bei einem hohen apparativen Aufwand nur sehr aufwendig herzustellen ist und nur wenig etabliert ist.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht nunmehr darin, eine Kälteanlage mit einem im Kältemittelkreislauf zirkulierenden Kältemittel, insbesondere einem brennbaren Kältemittel, derart mit einem zwingend nicht brennbaren Arbeitsfluid an einem Kälteverbraucher als eine Wärmequelle zu verbinden. Die von dem Kältemittelkreislauf erzeugte Kälteleistung ist über das nicht brennbare Arbeitsfluid zur Wärmequelle zu übertragen. Die an der Wärmequelle benötigte Kälteleistung soll in einem Temperaturbereich bis maximal -50°C, insbesondere bis -100°C und weniger, bereitgestellt werden. Dabei ist auf den Einsatz umweltschädlicher, speziell brennbarer und/oder toxischer Arbeitsfluide sowie kostenintensiver Arbeitsfluide und Arbeitsfluide mit inakzeptabel hoher Viskosität zu verzichten. Die Effizienz des Betriebs der Kälteanlage soll maximal sein. Die Kosten der Kälteanlage beim Betrieb, der Herstellung, der Wartung und der Montage sind zu minimieren.
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Die Aufgabe wird durch den Gegenstand und das Verfahren mit den Merkmalen der selbstständigen Patentansprüche gelöst. Weiterbildungen sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.
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Die Aufgabe wird durch eine erfindungsgemäße Kälteanlage, insbesondere zum Übertragen von Wärme im Temperaturbereich bis maximal -50°C, gelöst. Die Kälteanlage weist einen Primärkreislauf zum Zirkulieren eines ersten Arbeitsfluids mit einem ersten Wärmeübertrager und einen Sekundärkreislauf zum Zirkulieren eines zweiten Arbeitsfluids und zum Abführen von Wärme einer Wärmequelle auf. Der Sekundärkreislauf ist mit einer Fördervorrichtung zum Fördern des zweiten Arbeitsfluids, dem ersten Wärmeübertrager zum Übertragen von Wärme vom im Sekundärkreislauf zirkulierenden zweiten Arbeitsfluid an das im Primärkreislauf zirkulierende erste Arbeitsfluid sowie einem zweiten Wärmeübertrager zum Übertragen von Wärme von der Wärmequelle an das zweite Arbeitsfluid ausgebildet.
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Nach der Konzeption der Erfindung sind der Sekundärkreislauf als ein Kaltgaskreislauf und das zweite Arbeitsfluid als ein Gas mit positivem Joule-Thomson-Koeffizient, insbesondere im Temperaturbereich von -100°C bis -50°C beziehungsweise in einem Druckbereich von etwa 50 bar bis 200 bar, ausgebildet.
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Zudem weist der zweite Wärmeübertrager erfindungsgemäß eine Expansionsvorrichtung auf. Die Expansionsvorrichtung ist derart ausgebildet, dass zumindest in einem Auslegungsfall ein Betrag der durch die Aufnahme von Wärme durch das zweite Arbeitsfluid verursachten positiven Temperaturänderung dem Betrag einer durch die Druckänderung des zweiten Arbeitsfluids mit positivem Joule-Thomson-Koeffizient verursachten negativen Temperaturänderung entspricht.
Damit ist der Sekundärkreislauf als ein Hochdruck-Kaltgaskreislauf mit einem rein thermodynamischen Druckausgleich und einer Expansions-Wärmeübertragungsvorrichtung ausgebildet.
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Der Sekundärkreislauf ist vorteilhaft mit einem nicht brennbaren Inertgas als zweites Arbeitsfluid, insbesondere Xenon oder Argon oder Stickstoff oder einem Gemisch mit Xenon und/oder Argon und/oder Stickstoff, befüllt ausgebildet. Der Primärkreislauf ist dagegen bevorzugt mit einem natürlichen, brennbaren Kältemittel, wie Ethen oder Ethan, als erstes Arbeitsmittel befüllt ausgebildet.
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Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist die Expansionsvorrichtung des zweiten Wärmeübertragers aus einen Strömungspfad des zweiten Arbeitsfluids durch den zweiten Wärmeübertrager bildenden Strömungsleiteinrichtungen, insbesondere aus Rohren oder Kanälen beziehungsweise darin angeordneten, einen Druckverlust erzeugenden Mitteln, wie eine Druckregelvorrichtung, ausgebildet. Die Expansionsvorrichtung kann dabei auch ausschließlich aus im zweiten Wärmeübertrager vorgesehenen Kanälen mit einen entsprechend hohen Druckverlust erzeugenden Strömungsquerschnitten für das gasförmige Arbeitsfluid ausgebildet sein.
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Nach einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung weist der Primärkreislauf als ein Kältemittelkreislauf mindestens einen Verdichter, einen als Kondensator/Gaskühler betreibbaren Wärmeübertrager, ein Expansionsorgan sowie den als Verdampfer betreibbaren ersten Wärmeübertrager auf. Der erste Wärmeübertrager wird als eine thermische Verbindung zwischen dem Primärkreislauf und dem Sekundärkreislauf vorteilhaft als ein Kältemittel-Kaltgas-Wärmeübertrager betrieben.
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Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, dass der Sekundärkreislauf einen Druckausgleichsbehälter zum Speichern von zweitem Arbeitsfluid und zum Konstanthalten des Drucks des zweiten Arbeitsfluids innerhalb des Sekundärkreislaufs aufweist. Dabei ist der Druckausgleichsbehälter über eine Leitung an einer Abzweigstelle in den Sekundärkreislauf eingebunden.
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Der Druckausgleichsbehälter weist vorteilhaft ein Volumen auf, welches bezogen auf eine Arbeitstemperatur des zweiten Arbeitsfluids innerhalb des Sekundärkreislaufs, zwischen 5 bis 10mal größer ist als das Volumen des Sekundärkreislaufs.
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Der Druckausgleichsbehälter ist bevorzugt zudem derart angeordnet, dass das innerhalb des Druckausgleichsbehälters gespeicherte zweite Arbeitsfluid Umgebungstemperatur aufweist, welche beim Betrieb der Kälteanlage, insbesondere über den Betriebsprozess, einen überwiegend konstanten Wert aufweist. Um eine Erhöhung des Drucks des zweiten Arbeitsfluids innerhalb des Sekundärkreislaufs, beispielsweise zum Ausgleichen kleinerer Druckabsenkungen durch Temperaturänderungen am kalten Ende des Sekundärkreislaufs, zu erzielen, kann zudem eine interne Heizung vorgesehen sein.
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Die Abzweigstelle der Leitung des Druckausgleichsbehälters ist vorteilhaft zwischen der Fördervorrichtung und dem ersten Wärmeübertrager des Sekundärkreislaufs angeordnet.
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Die Leitung zum Einbinden des Druckausgleichsbehälters in den Sekundärkreislauf ist zudem bevorzugt mit einer Druckregelvorrichtung, insbesondere mit mindestens einem Druckregelventil, ausgebildet.
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Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist der Sekundärkreislauf einen Ablassströmungspfad mit einer Ablassvorrichtung zum Ableiten von zweitem Arbeitsfluid aus dem Sekundärkreislauf, beispielsweise in die Umgebung, auf. Dabei ist der Ablassströmungspfad an einer Abzweigstelle in den Sekundärkreislauf eingebunden.
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Die Abzweigstelle des Ablassströmungspfades ist bevorzugt zwischen dem zweiten Wärmeübertrager und der Fördervorrichtung des Sekundärkreislaufs angeordnet.
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Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist die Fördervorrichtung des Sekundärkreislaufs als eine Pumpe oder als ein Verdichter ausgebildet, welche/r ein Verdichtungsverhältnis kleiner als 1,3 aufweist.
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Die vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung, insbesondere im Hinblick auf das innerhalb des Sekundärkreislaufs zirkulierende gasförmige zweite Arbeitsfluid mit positivem Joule-Thomson-Koeffizient, speziell als ein nichtbrennbares Gas, und den möglichen Einsatz brennbarer Kältemittel innerhalb des Primärkreislaufs, ermöglicht die Verwendung der erfindungsgemäßen Kälteanlage zum Übertragen von Wärme im Temperaturbereich bis maximal -50°C mit dem auf einem Hochdruck betriebenem zweiten Arbeitsfluid zur Wärmeaufnahme aus einer Wärmequelle, insbesondere einem Kälteverbraucher. Der Hochdruck des innerhalb des Sekundärkreislaufs zirkulierenden zweiten Arbeitsfluids weist Werte im Bereich von etwa 50 bar bis 200 bar, insbesondere im Bereich von etwa 50 bar bis 120 bar, auf.
Unter Verbrauchen ist dabei eine regelmäßige Entnahme einer gewissen Leistung für einen bestimmten Verwendungszweck zu verstehen. Der Kälteverbraucher ist folglich eine Vorrichtung oder ein System, welche/s Kälteleistung abführt beziehungsweise die Entnahme der Kälteleistung bewirkt und einen bestimmten Bedarf an Kälteleistung aufweist. Für die Kälteanlage stellt der Kälteverbraucher die Wärmequelle dar.
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Die Aufgabe der Erfindung wird auch durch ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Betreiben einer Kälteanlage, insbesondere zum Übertragen von Wärme im Temperaturbereich bis maximal -50°C, mit einem Primärkreislauf und einem Sekundärkreislauf gelöst. Das Verfahren zum Betreiben der Kälteanlage weist folgende Schritte auf:
- - Leiten eines aus einer Fördervorrichtung des Sekundärkreislaufs ausströmenden zweiten Arbeitsfluids auf einem Hochdruckniveau durch einen ersten Wärmeübertrager, wobei Wärme vom im Sekundärkreislauf zirkulierenden zweiten Arbeitsfluid an ein im Primärkreislauf zirkulierendes erstes Arbeitsfluid übertragen wird, sowie
- - Leiten des aus dem ersten Wärmeübertrager ausströmenden zweiten Arbeitsfluids durch einen zweiten Wärmeübertrager, wobei Wärme an das zweite Arbeitsfluid übertragen wird.
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Nach der Konzeption der Erfindung wird ein als zweites Arbeitsfluid verwendetes nicht brennbares Inertgas mit einem positiven Joule-Thomson-Koeffizienten beim Durchströmen des zweiten Wärmeübertragers derart erwärmt und entspannt, dass ein Betrag einer positiven Temperaturänderung durch das Aufnehmen von Wärme einem Betrag einer negativen Temperaturänderung durch die Druckänderung entspricht, sodass ein „quasilatenter“ Wärmeübergang erfolgt.
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Als im Primärkreislauf zirkulierendes erstes Arbeitsfluid wird vorteilhaft ein brennbares, natürliches Kältemittel, insbesondere Ethan oder Ethen, verwendet. Der Primärkreislauf wird folglich als ein Kältemittelkreislauf und als Kaltdampfprozess, insbesondere als Kaltdampfkompressionskälteprozess, betrieben.
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Nach einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird der Druck des zweiten Arbeitsfluids innerhalb des Sekundärkreislaufs bei Temperaturänderungen außerhalb des Sekundärkreislaufs konstant gehalten. Dabei wird je nach Temperaturänderung über eine Druckregelvorrichtung zweites Arbeitsfluid aus einem Druckausgleichsbehälter dem Sekundärkreislauf zugeführt oder aus dem Sekundärkreislauf in den Druckausgleichsbehälter abgeführt.
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Nach einer Weiterbildung der Erfindung wird das zweite Arbeitsfluid je nach Bedarf als ein Löschgas aus dem Sekundärkreislauf freigegeben. Das zweite Arbeitsfluid kann dabei beispielsweise entweder in einen Maschinenraum des Kältemittelkreislaufs, insbesondere eines mit einem brennbaren Kältemittel befüllten Kältemittelkreislaufs, und/oder für Löschgaszwecke zur Kühlanwendung abgelassen werden.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung und das erfindungsgemäße Verfahren weisen zusammenfassend weitere diverse Vorteile auf:
- - Einsatz eines nicht brennbaren Arbeitsfluids als Kälteträger zum Transport von Kälteleistung im Temperaturbereich unter -50°C zu einem Kälteverbraucher als Wärmequelle, damit Kopplung eines oder mehrerer Kältemittelkreisläufe mit einem brennbaren Kältemittel und einem zwingend nicht brennbaren Arbeitsfluid an der Wärmequelle,
- - Einsatz brennbarer Kältemittel zum Erzeugen einer Kälteleistung bei tiefen Temperaturen, insbesondere im Bereich zwischen -100°C bis -50°C, auch wenn die Kälteanwendung ein nicht brennbares Arbeitsmedium erfordert,
- - Hochdruck-Inertgas als Kälteträger kann gleichzeitig als Löschgas bei kritischen Kälteanwendungen benutzt werden,
- - Bereitstellen eines Hochdruck-Kaltgas-Sekundärkreislaufs mit rein thermodynamischem Druckausgleich, wobei mit einem definierten Druckverlust des Kälteträgers beim Durchströmen des Kaltgas-Wärmeübertragers dem Temperaturanstieg durch die Aufnahme von Wärme entgegengewirkt wird, damit Ausnutzen des positiven Joule-Thomson-Koeffizienten des Kälteträgers,
- - maximale Effizienz beim Betrieb der Kälteanlage - kontinuierlich ablaufender Prozess zum Bereitstellen von Kälteleistung mit preisgünstigen natürlichen Kältemitteln sowie einem nicht brennbaren und nicht toxischen, ebenfalls preisgünstigen Kälteträger,
- - dadurch geringere Umweltbelastung und Einhalten sicherheitstechnischer Anforderungen sowie
- - minimale Kosten für den Betrieb, die Herstellung, Montage und die Wartung.
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Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile von Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels mit Bezugnahme auf die zugehörige Zeichnung.
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Die Figur zeigt eine Kälteanlage 1 mit einem Kältemittelkreislauf 2 als Primärkreislauf zum Erzeugen einer Kälteleistung auf einem geringen Temperaturniveau, insbesondere im Temperaturbereich unterhalb -50°C, sowie einen Sekundärkreislauf 3 mit einem Kälteverbraucher 4.
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Im lediglich angedeuteten Primärkreislauf 2 wird durch einen einstufig oder mehrstufig ausgebildeten Kaltdampfprozess, insbesondere einen Kaltdampfkompressionskälteprozess, die für den Kälteverbraucher 4 notwendige Kälteleistung erzeugt. Der Primärkreislauf 2 ist dabei vorzugsweise als eine zweistufige Kaskadenanlage aus zwei miteinander gekoppelten Kältemittelkreisläufen ausgebildet, in welchen jeweils ein Arbeitsfluid mit thermodynamisch günstigen Eigenschaften zirkuliert. Als Arbeitsfluide werden verfügbare und preisgünstige, bevorzugt natürliche Kältemittel oder Kältemittelgemische, eingesetzt.
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Der Kältemittelkreislauf 2 weist mindestens einen nicht dargestellten Verdichter zum Erhöhen des Druckniveaus des Kältemittels von einem Saugdruck beziehungsweise einem Verdampfungsdruck auf ein Hochdruckniveau auf. Beim Durchströmen eines in Strömungsrichtung dem Verdichter nachfolgend angeordneten, ebenfalls nicht dargestellten als Kondensator/Gaskühler betriebenen Wärmeübertragers wird die Wärme auf dem Hochdruckniveau vom Kältemittel, beispielsweise an Abluft, abgeführt. In mindestens einem nicht dargestellten Expansionsorgan wird das Kältemittel auf ein Niederdruckniveau, welches im Wesentlichen dem Verdampfungsdruck entspricht, entspannt und in einen als Verdampfer des Kältemittels betriebenen Wärmeübertrager 6 eingeleitet. Beim Durchströmen des Kältemittelverdampfers 6 wird die Wärme auf dem Niederdruckniveau vom zu kühlenden Kälteträger des Sekundärkreislaufs 3 an das Kältemittel übertragen. Anschließend wird das Kältemittel vom Verdichter angesaugt. Die Komponenten des Kältemittelkreislaufs 2 sind über Kältemittelleitungen miteinander verbunden, sodass das Kältemittel im Betriebszustand der Kälteanlage 1 im Kältemittelkreislauf 2 zirkuliert.
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Neben dem Kältemittelkreislauf 2 weist die Kälteanlage 1 den hermetisch ausgebildeten Sekundärkreislauf 3 auf. Im Sekundärkreislauf 3 ist mindestens eine Fördervorrichtung 5 zum Umwälzen des Kälteträgers beziehungsweise Arbeitsfluides innerhalb des Sekundärkreislaufs 3, ein erster Wärmeübertrager 6 zur Wärmeabgabe sowie ein zweiter Wärmeübertrager 7 zur Wärmeaufnahme vorgesehen.
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Als im Sekundärkreislauf 3 zirkulierendes Arbeitsfluid wird ein unter vorzugsweise hohem Druck stehendes Inertgas verwendet, welches im angestrebten Temperaturbereich und Druckbereich für den Transport der Kälteleistung einen positiven Joule-Thomson-Koeffizient aufweist. Für den Temperaturbereich zwischen etwa -100°C bis -50°C sowie im technisch interessanten Druckbereich zwischen 50 bar bis 150 bar, beziehungsweise bis 200 bar, könnten Xenon oder Argon oder Stickstoff beziehungsweise Gemische mit Xenon und/oder Argon und/oder Stickstoff verwendet werden. Für den Einsatz bei Werten im oberen Temperaturbereich kann auch Krypton eingesetzt werden.
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Unter dem Joule-Thomson-Effekt ist dabei die Temperaturänderung eines Gases bei einer isenthalpen Druckminderung oder Entspannung zu verstehen. Die Richtung und die Wirkung des Joule-Thomson-Effekts wird durch die Stärke der anziehenden und abstoßenden Kräfte zwischen den Gasmolekülen bestimmt. Bei einem Gas mit einem positiven Joule-Thomson-Koeffizienten verringert sich beim Vorgang der Entspannung neben dem Druck auch die Temperatur.
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Die bevorzugt als Pumpe beziehungsweise als Verdichter des Sekundärkreislaufs 3 ausgebildete Fördervorrichtung 5 wird aufgrund des innerhalb des Sekundärkreislaufs 3 wirkenden hohen Drucks auch als Hochdruckpumpe beziehungsweise Hochdruckverdichter bezeichnet, welche/r ein Verdichtungsverhältnis kleiner als 1,3 aufweist.
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Die Fördervorrichtung 5 fördert das unter Druck stehende Kaltgas durch den ersten Wärmeübertrager 6, welcher als thermische Verbindung zwischen dem Primärkreislauf 2 und dem Sekundärkreislauf 3 als ein Kältemittel-Kaltgas-Wärmeübertrager 6 ausgebildet ist. Beim Durchströmen des Kältemittel-Kaltgas-Wärmeübertragers 6 wird Wärme vom im Kaltgaskreislauf 3 zirkulierenden Kaltgas an das im Kältemittelkreislauf 2 zirkulierende Kältemittel übertragen. Das Kaltgas nimmt die im als Kältemittelverdampfer betriebenen ersten Wärmeübertrager 6 bereitgestellte Kälteleistung des Kaltdampfkompressionskälteprozesses auf. Das unter Hochdruck stehende Kältegas des Kaltgaskreislaufs 3 wird abgekühlt. Der erste Wärmeübertrager 6 ist derart ausgebildet, einen lediglich geringen Strömungsdruckverlust des Kaltgases zu bewirken.
Nach dem Ausströmen aus dem ersten Wärmeübertrager 6 wird das abgekühlte Kaltgas zum als Kaltgas-Wärmeübertrager ausgebildeten zweiten Wärmeübertrager 7 des Kaltgaskreislaufs 3 geleitet. Beim Durchströmen des zweiten Wärmeübertragers 7 wird die transportierte Kälteleistung an den Kälteverbraucher 4 übertragen. Dabei wird Wärme von dem als Wärmequelle 4 für das Kaltgas ausgebildeten Kälteverbraucher 4 an das Kaltgas übertragen. Das Kaltgas nimmt Wärme vom Kälteverbraucher 4 auf.
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Der Kaltgas-Wärmeübertrager 7 ist mit einer Expansionsvorrichtung 7a ausgebildet, welche einen über die Länge eines Strömungspfades des Kaltgases durch den Kaltgas-Wärmeübertrager 7 abgestimmten Druckverlust erzeugt. Der vorbestimmte Druckverlust bewirkt dabei über die beim Druckverlust auftretende Entspannung des Kaltgases als Arbeitsfluid mit positivem Joule-Thomson-Koeffizient eine Temperaturabsenkung. Infolge des neben dem Druckverlust beziehungsweise der Entspannung des Kaltgases gleichzeitig ablaufenden Vorgangs der Abgabe der Kälteleistung vom Kaltgas an den Kälteverbraucher 4 beziehungsweise des Übertragens von Wärme von der Wärmequelle 4 an das Kaltgas und damit der Aufnahme von Wärme durch das Kaltgas wird durch den bei der Entspannung auftretenden Joule-Thomson-Effekt dem Ansteigen der Temperatur des Kaltgases entgegengewirkt. Im Auslegungsfall des Kaltgas-Wärmeübertragers 7 mit der Expansionsvorrichtung 7a, das heißt bei einer auf den Druckverlust des Kaltgases abgestimmten Wärmeübertragung, wird beim Durchströmen des Kaltgas-Wärmeübertragers 7 die Wärme vom Kälteverbraucher 4 an das Kaltgas als latente Wärme und nicht als sensible Wärme übertragen. Der Betrag der durch die Aufnahme von Wärme durch das Kaltgas verursachten positiven Temperaturänderung entspricht somit dem Betrag der durch die Druckänderung des Kaltgases verursachten negativen Temperaturänderung, sodass die Temperatur des Kaltgases nahezu konstant bleibt.
Beim Vorgang der Übertragung latenter Wärme bleibt die Temperatur des Arbeitsfluids, insbesondere des Kaltgases, zumindest annähernd konstant. Die latente Wärme ist folglich nicht fühlbar. Unter fühlbarer oder sensibler Wärme ist dagegen Wärme zu verstehen, welche bei Zufuhr oder Abfuhr unmittelbar Änderungen der Temperatur des Arbeitsfluids bewirkt.
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Als Expansionsvorrichtung 7a dienen die den Strömungspfad des Kaltgases durch den Kaltgas-Wärmeübertrager 7 ausbildende Strömungsleiteinrichtungen, wie Rohre oder Kanäle mit entsprechenden, einen hohen Druckverlust bewirkenden Strömungsquerschnitten für das gasförmige Arbeitsfluid. Zudem können zusätzliche Druckverlust erzeugende Mittel, beispielsweise auch eine Druckregelvorrichtung, wie ein Druckregelventil, vorgesehen sein, welche innerhalb der Rohre oder Kanäle angeordnet sind.
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Nach dem Durchströmen des zweiten Wärmeübertragers 7 wird das Kaltgas als Hochdruckfluid mit an die Aufnahme der Wärme angepasstem, insbesondere abgesenktem Druck von der Fördervorrichtung 5 angesaugt. Beim Durchströmen der Fördervorrichtung 5 wird der Druck des Kaltgases wieder auf das erforderliche Druckniveau, insbesondere das Hochdruckniveau, angehoben.
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Infolge des hermetisch abgeschlossenen inneren Volumens des Sekundärkreislaufs 3 ändert sich durch eine variierende äußere Temperatur thermodynamisch bedingt auch der Druck des Kaltgases innerhalb des Sekundärkreislaufs 3, sodass im Sekundärkreislauf 3 ein deutlich höherer Druck herrscht, wenn das Kaltgas die Umgebungstemperatur und nicht die erforderliche Temperatur für den Kälteverbraucher 4 aufweist.
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Das Kaltgas muss auch bei sehr tiefen Temperaturen mit einem hohen Druckniveau betrieben werden, um eine hohe volumetrische Wärmetransportfähigkeit aufzuweisen.
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Um dem starken Ansteigen des Drucks durch Erwärmen des Kaltgases, insbesondere auf Umgebungstemperatur des Sekundärkreislaufs 3, entgegenzuwirken, ist der Sekundärkreislauf 3 mit einem Druckausgleichsbehälter 8 ausgebildet, welcher ein zusätzliches Druckausgleichsvolumen, beispielsweise bei Änderungen der Temperaturen des Kaltgases, vorhält. Der Druckausgleichsbehälter 8 ist auf dem Niveau der Umgebungstemperatur oder Temperaturen etwas oberhalb des Niveaus der Umgebungstemperatur angeordnet. Der Druckausgleichsbehälter 8 ist dabei vorzugsweise in einem warmen Abluftstrom des als Kondensator/Gaskühler betriebenen Wärmeübertragers des Primärkreislaufs 2 platziert.
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Der Druckausgleichsbehälter 8 ist über eine Leitung, welche an einem ersten Ende an einer Abzweigstelle 10 in den Sekundärkreislauf 3 einmündet, eingebunden. An einem zum ersten Ende distalen zweiten Ende mündet die Leitung in den Druckausgleichsbehälter 8 ein. Die Abzweigstelle 10 ist zwischen dem Austritt der Fördervorrichtung 5 und dem ersten Wärmeübertrager 6 ausgebildet.
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Die Leitung weist eine Druckregelvorrichtung 9 auf. Beim Absinken des Drucks des Kaltgases im Kaltgaskreislauf 3 kann über die als Druckregelventil ausgebildete Druckregelvorrichtung 9 warmes Hochdruckgas in den Kaltgaskreislauf 3 nachgefüllt werden, sodass bei tiefen Temperaturen des Kaltgases ein günstiges Druckniveau gehalten wird. Beim Ansteigen der Temperatur im Kaltgaskreislauf 3, beispielsweise nach dem Abschalten der Kälteanlage 1, wird über die als Druckregelventil ausgebildete Druckregelvorrichtung 9 oder ein weiteres Ventil das überschüssige Kaltgas in den Druckausgleichsbehälter 8 zurückgeleitet.
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Das Volumen des Druckausgleichsbehälters 8 und des Sekundärkreislaufs 3 sind derart zueinander abgestimmt ausgelegt, dass bei tiefen Temperaturen das gewünschte Druckniveau des Kaltgases gehalten wird und gleichzeitig ein technisch zulässiger Maximaldruck im Sekundärkreislauf 3 nicht überschritten wird. Der Wert des Volumens des Druckausgleichsbehälters 8 ist dabei zwischen 5 bis 10mal größer als der Wert des Volumens des Sekundärkreislaufs 3 ohne den Druckausgleichsbehälter 8 bezogen auf eine Arbeitstemperatur des zweiten Arbeitsfluids innerhalb des Sekundärkreislaufs 3, um den Druck in einem bestimmten Bereich abzusenken.
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Der Sekundärkreislauf 3 ist im Bereich des zweiten Wärmeübertragers 7 und damit im Bereich des Kälteverbrauchers 4 mit einem Ablassströmungspfad 11 ausgebildet. Der Ablassströmungspfad 11 ist an einem ersten Ende an einer Abzweigstelle 12 in den Sekundärkreislauf 3 eingebunden. Ein zum ersten Ende distales zweites Ende kann in Richtung des Kälteverbrauchers 4 weisend ausgerichtet sein. Die Abzweigstelle 12 ist in Strömungsrichtung nach dem Austritt des zweiten Wärmeübertragers 7 ausgebildet. Der Ablassströmungspfad 11 weist eine Ablassvorrichtung 13 auf.
So kann insbesondere im Bereich des Kälteverbrauchers 4 über die als Ablassventil ausgebildete Ablassvorrichtung 13, auch als Notfallventil bezeichnet, das Kaltgas beziehungsweise Hochdruckgas als Inertgas gleichzeitig als Löschgas aus dem Sekundärkreislauf 3 freigegeben werden, um beispielsweise eine Brandgefahr oder eine Oxidation zu minimieren. Das Verwenden des inerten Hochdruckgases als Löschgas ist insbesondere dann von Vorteil, wenn der Kälteverbraucher 4 beispielsweise entzündliche Proben oder Gegenstände betrifft, welche zu Fehlfunktionen neigen können.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Kälteanlage
- 2
- Kältemittelkreislauf, Primärkreislauf
- 3
- Kaltgaskreislauf, Sekundärkreislauf
- 4
- Kälteverbraucher, Wärmequelle
- 5
- Fördervorrichtung Kaltgaskreislauf 3
- 6
- erster Wärmeübertrager, Kältemittel-Kaltgas-Wärmeübertrager, Kältemittelverdampfer
- 7
- zweiter Wärmeübertrager, Kaltgas-Wärmeübertrager
- 7a
- Expansionsvorrichtung Kaltgas-Wärmeübertrager 7
- 8
- Druckausgleichsbehälter
- 9
- Druckregelvorrichtung Druckausgleichsbehälter 8
- 10
- Abzweigstelle
- 11
- Ablassströmungspfad Kaltgaskreislauf 3
- 12
- Abzweigstelle
- 13
- Ablassvorrichtung
