DE102019123723A1

DE102019123723A1 - Sublimationskühler und Verfahren zur Tieftemperaturkühlung

Info

Publication number: DE102019123723A1
Application number: DE102019123723.8A
Authority: DE
Inventors: Peter Röllig; Joachim Germanus
Original assignee: Institut fuer Luft und Kaeltetechnik Gemeinnuetzige GmbH
Current assignee: Institut fuer Luft und Kaeltetechnik Gemeinnuetzige GmbH
Priority date: 2019-09-04
Filing date: 2019-09-04
Publication date: 2021-03-04
Anticipated expiration: 2039-09-05
Also published as: DE102019123723B4

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Sublimationskühler zur Kühlung eines in einem Sekundärkreislauf zirkulierenden Sekundärfluids (12) sowie ein Verfahren zur Tieftemperaturkühlung. Der Sublimationskühler umfasst einen mit einen Sublimationsfluid (11) teilweise gefüllten Sublimator (1), an dem eine Kältemittelzuleitung (3) und eine Kältemittelableitung (6) zur Zu- und Abführung eines aus Kohlendioxid bestehenden Kältemittels (10) angeschlossen sind, wobei der Sublimator (1) ein lotrecht stehender, zylinderförmiger, geschlossener Behälter ist und die Kältemittelzuleitung (3) über einen Expansionsstutzen (4) an den mit dem Sublimationsfluid (11) gefüllten Bereich des Sublimators (1) angeschlossen ist. Zwischen der Kältemittelzuleitung (3) und dem Expansionsstutzen (4) ist ein Expansionsventil (5) zur Generierung eines in das Sublimationsfluid (11) gerichteten Strahls aus festem (10.3) und gasförmigem (10.3) Kohlendioxid angeordnet. Der Sublimationskühler und das Tieftemperaturkühlverfahren eignen sich für den Betrieb von Prüf- und Umweltsimulationskammern sowie für den Einsatz bei der Gefriertrocknung oder Prozessen in der Tieftemperaturmedizin und -biologie.

Description

Die Erfindung betrifft einen Sublimationskühler zur Kühlung eines in einem Sekundärkreislauf zirkulierenden Sekundärfluids sowie ein Verfahren zur Tieftemperaturkühlung unter Verwendung des Sublimationskühlers.
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-Grenzwerten 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.
Ein Verfahren zur Tieftemperaturkühlung im Bereich unterhalb von -50 °C mittels eines umweltverträglichen, nicht brennbaren, flüssigen Kühlmittels beschreibt DE 10 2016 105 334 A1 . Demgemäß wird das in einem Kreislauf zirkulierende Kühlmittel nach Aufnahme von Wärmeenergie in der Kühlumgebung durch Zugabe von Trockeneisschnee und Sublimation des Trockeneisschnees im Kühlmittel rückgekühlt. Nachteilig bei diesem bekannten Verfahren ist, dass durch das direkte Einbringen des Kohlendioxids in den Kühlkreislauf die Pumpbarkeit des Kühlmittels durch Gasblasen in der Flüssigkeit beeinträchtigt wird.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, diese Nachteile zu überwinden und einen Sublimationskühler sowie ein Verfahren zur Tieftemperaturkühlung bereitzustellen, die eine effektive Kühlung im Bereich unterhalb von -50 °C unter Verwendung eines umweltverträglichen, ungiftigen und nicht brennbaren Sublimationsmittels ermöglichen.
Diese Aufgabe wird durch einen Sublimationskühler mit den kennzeichnenden Merkmalen nach dem Anspruch 1 sowie einem Verfahren zur Tieftemperaturkühlung nach Anspruch 9 gelöst; zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung sind in den Ansprüchen 2 bis 8 sowie 10 aufgeführt.
Nach Maßgabe der Erfindung umfasst der Sublimationskühler einen mit einem Sublimationsfluid teilweise gefüllten Sublimator, an dem eine Kältemittelzuleitung zur Zuführung und eine Kältemittelableitung zur Abführung eines aus Kohlendioxid bestehenden Kältemittels angeschlossen sind. Die Kältemittelableitung ist hierbei oberhalb des mit dem Sublimationsfluid gefüllten Bereichs am Sublimator angebracht.
Der Sublimator ist erfindungsgemäß ein lotrecht stehender, zylinderförmiger, geschlossener Behälter; er besitzt einen zylindrischen Sublimatormantel, einen Sublimatordeckel und einen Sublimatorboden.
Durch den Sublimator ist eine Sekundärfluidleitung zur Kühlung eines in einem Sekundärkreislauf zirkulierenden Sekundärfluids geführt. Das Sekundärfluid ist durch die Wandungen der Sekundärfluidleitung fluidisch vom Kältemittel und vom Sublimationsfluid getrennt.
Die Kältemittelzuleitung ist erfindungsgemäß über einen Expansionsstutzen an den mit dem Sublimationsfluid gefüllten Bereich des Sublimators angeschlossen. Zwischen der Kältemittelzuleitung und dem Expansionsstutzen ist ein Expansionsventil angeordnet, welches zur Generierung eines Strahls aus festem und gasförmigen Kohlendioxid dient, der durch den Expansionsstutzen in den mit dem Sublimationsfluid gefüllten Bereich des Sublimators gerichtet ist. Das Gemisch aus festem und gasförmigem Kohlendioxid entsteht durch die Expansion des als flüssiges Kohlendioxid zum Expansionsventil über die Kältemittelzuleitung zugeführten Kältemittels. Das nach dieser Expansion entstehende feste Kohlendioxid liegt in Form von Trockeneisschnee vor.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Tieftemperaturkühlung erfolgt mittels des beschrieben Sublimationskühlers, wobei das im Sekundärkreislauf geführte Sekundärfluid durch Sublimation des festen Kohlendioxids innerhalb des Sublimationsfluides und anschließenden Wärmeübergang an den fluidisch trennenden Wandungen der Sekundärfluidleitung gekühlt wird. Das Sekundärfluid wiederum dient zum Abtransport der Wärmeenergie, d. h. zur Kühlung, aus dem Bereich der zu kühlenden Nutzumgebung, zum Beispiel einer Prüf- und Umweltsimulationskammer.
Im Standardbetriebszustand steht der Sublimator in etwa unter atmosphärischem Druck. Die Sublimation des Kohlendioxids erfolgt demzufolge bei ca. -78,5 °C.
Das über die Kältemittelzuleitung zugeführte flüssige Kohlendioxid wird nach Expansion im Expansionsventil über den Expansionsstutzen in den mit Sublimationsfluid gefüllten Bereich des Sublimators in Form des Strahls aus festem und gasförmigem Kohlendioxid geblasen. Ein Teil des gasförmigen Kohlendioxids wird - bis zum Erreichen der Sättigungsgrenze - im Sublimationsfluid gelöst. Der andere Teil des gasförmigen Kohlendioxids strömt durch das Sublimationsfluid nach oben und wird über die Kältemittelableitung aus dem Sublimator abgeführt.
Einer der Vorteile des vorgeschlagenen Sublimationskühlers sowie des diesbezüglichen Verfahrens zur Tieftemperaturkühlung ist die besonders effektive Sublimationskühlung. Durch die direkte Zuführung des Strahls aus festem und gasförmigem Kohlendioxid in das Sublimationsfluid und die damit verbundene Fluidbewegung erfolgt eine intensive Verteilung der festen Kohlendioxidpartikel innerhalb des Sublimationsfluides. Die Herbeiführung einer Badbewegung im Sublimationsfluid, zum Beispiel durch Rührwerke, ist entbehrlich. Zudem wird durch den Gas-Feststoff-Strahl der Expansionsstutzen freigeblasen; es tritt folglich keine Behinderung der Expansion des flüssigen Kohlendioxids durch das Suspensionsfluid am Expansionsventil auf.
Da das feste Kohlendioxid durch die Expansion aus flüssigem Kohlendioxid erzeugt wird, werden die festen Kohlendioxidpartikel als Trockeneisschnee in Form kleiner Partikel in das Sublimationsfluid eingebracht. Die große spezifische Oberfläche des Trockeneisschnees führt zu einer sehr schnellen Sublimation mit einem hocheffektiven Wärmeübergang.
Beeinträchtigungen der Pumpbarkeit des im Kreislauf geführten Sekundärfluids durch Gaseintrag werden durch die fluidische Trennung des Sekundärfluids vom Sublimationsfluid und vom Kältemittel Kohlendioxid vermieden.
Gemäß einer Ausgestaltung des Sublimationskühlers ist der Expansionsstutzen koaxial zum zylindrischen Sublimatormantel am Sublimatorboden angebracht. Hierdurch erfolgt ein zentrisches bzw. axiales Einblasen des Strahls aus gasförmigem und festem Kohlendioxid in den Sublimator und damit eine besonders gleichmäßige Sublimationsfluidbewegung.
Weiterhin kann vorgesehen sein, dass die Sekundärfluidleitung innerhalb des mit dem Sublimationsfluid gefüllten Bereiches des Sublimators als Rohrschlange ausgebildet ist. Durch Herstellung der Rohrschlange aus einem Kupferwerkstoff ist ein besonders schneller Wärmeübergang realisierbar.
Vorteilhafterweise weist die Rohrschlange die Form einer zylindrischen Spirale auf. Insbesondere besitzt die so ausgebildete Rohrschlange eine dem zylindrischen Sublimatormantel angepasste Form und ist außerdem koaxial zum zylindrischen Sublimatormantel ausgerichtet. D. h., die spiralförmige Rohrschlange und der zylindrische Sublimatormantel sind zueinander zentriert und sie haben die gleiche Form, zum Beispiel eine Kreiszylinder- oder eine andere gleichgestaltete Zylindergeometrie.
Die bevorzugte Zylindergeometrie der als zylindrische Spirale ausgebildeten Rohrschlange und des zylindrischen Sublimatormantels ist die Kreiszylindergeometrie.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung des Sublimationskühlers ist oberhalb des mit Sublimationsfluid gefüllten Bereiches des Sublimators und unterhalb des Anschlusses der Kältemittelableitung ein Tropfenabscheider angebracht ist. Hierdurch wird verhindert, dass das Sublimationsfluid in die Kältemittelableitung gelangt.
Der Sublimator ist vorzugsweise als Druckbehälter ausgebildet. Zur Verbesserung der Druckfestigkeit können der Sublimatordeckel und der Sublimatorboden jeweils in Form eines Klöpperbodens ausgebildet sein.
Weiterhin kann vorgesehen sein, dass am Expansionsstutzen seitlich abzweigend eine über ein Rückführventil verschließbare Rückführleitung angebracht ist. Diese dient zum Ablassen des Sublimationsfluides ebenso wie zum Entfernen von eingetragenen Kontaminationen, zum Beispiel von Ölen, die über das zugeführte Kältemittel eingeschleppt werden.
Vorteilhafterweise besteht der Sublimator aus Edelstahl oder nichtrostendem Stahl.
Das Sublimationsfluid ist vorzugsweise ein Hydrofluorether, ein Perfluorketon, ein Polyfluorpolyether oder ein Gemisch mehrerer dieser Stoffe ist. Insbesondere geeignet sind der Hydrofluorether Methoxy-nonafluorbutan oder der Perfluorketon Dodecafluor-2-methylpentan-3-on.
Als Sekundärfluid sind die gleichen Stoffe wie für das Sublimationsfluid verwendbar.
Das Kältemittel Kohlendioxid kann in einem Kältemittelkreislauf bzw. Primärkreislauf geführt werden. Hierbei wird das Kältemittel als gasförmiges Kohlendioxid über die Kältemittelableitung aus dem Sublimator abgesaugt, durch Kompression rückverflüssigt und als flüssiges Kohlendioxid wieder über die Kältemittelzuleitung zurück zum Sublimator geführt.
Die Erfindung ist nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels und mit Bezug auf die schematische Zeichnung näher erläutert. Dazu zeigt die einzige Figur den Sublimationskühler im Längsvertikalschnitt.
Der Sublimator 1 des Sublimationskühlers nach der Fig. besitzt einen kreiszylindrischen Sublimatormantel 1.1 sowie einen Sublimatordeckel 1.2 und einen Sublimatorboden 1.3. Der Sublimatordeckel 1.2 und der Sublimatorboden 1.3 sind als Klöpperböden ausgebildet. Der Sublimator 1 ist teilweise mit dem Sublimationsfluid 11 gefüllt; als Sublimationsfluid 11 wird der Hydrofluorether Methoxy-nonafluorbutan verwendet.
Die durch den Sublimator 1 geführte Sekundärfluidleitung 2 ist im Inneren des Sublimators 1 als Rohrschlange 2.1 ausgebildet, die die Form einer kreiszylindrischen Spirale besitzt. In der Sekundärfluidleitung 2 zirkuliert das Sekundärfluid 12 im Sekundärkreislauf zwischen einer (nicht dargestellten) zu kühlenden Nutzumgebung und dem Sublimator 1, in dem das Sekundärfluid 12 rückgekühlt wird. Als Sekundärfluid 12 wird ebenfalls der Hydrofluorether Methoxy-nonafluorbutan verwendet.
Die Zufuhr des Kältemittels 10 erfolgt als flüssiges Kohlendioxid 10.2 über die Kältemittelzuleitung 3. Mittels des Expansionsventils 5 wird das flüssige Kohlendioxid 10.2 in gasförmiges Kohlendioxid 10.1 und festes Kohlendioxid 10.3 (in Form von Trockeneisschnee) überführt. Der vom Expansionsventil 5 ausgehende Strahl aus gasförmigem Kohlendioxid 10.1 und festem Kohlendioxid 10.3 bläst durch den Expansionsstutzen 4 in den Bereich des mit dem Sublimationsfluid 11 gefüllten Sublimators 1 ein. Der Expansionsstutzen 4 ist koaxial zum Sublimatormantel 1.1 am Sublimatorboden 1.3 angebracht, wodurch ein axial in den Sublimator 1 gerichteter Gas-Feststoff-Strahl ausgebildet wird.
Im Sublimationsfluid 11 verteilen sich die festen Kohlendioxidpartikel (Trockeneisschneepartikel) sehr schnell infolge der durch den Gas-Feststoff-Strahl initiierten Sublimationsfluidbewegung. Anschließend sublimiert das feste Kohlendioxid 10.3 unter Kühlung des Sublimationsfluids 11. Das Sublimationsfluid 11 wiederum kühlt durch Wärmeübergang über die trennenden Wandungen kupfernen Rohrschlange 2.1 der Sekundärfluidleitung 2 das Sekundärfluid 12.
Das gasförmige Kohlendioxid 10.3 wird über die Kältemittelableitung 6 aus dem Sublimator 1 abgesaugt. Zum Kontaminationsschutz der Kältemittelableitung 6 dient der Tropfenabscheider 9.
Um das Sublimationsfluid 11 - zum Beispiel für Revisionsarbeiten - aus dem Sublimator 1 entnehmen zu können, ist seitlich am Expansionsstutzen 4 die über das Rückführventil 8 verschließbare Rückführleitung 7 angebracht.
Bezugszeichenliste

1: Sublimator
1.1: Sublimatormantel
1.2: Sublimatordeckel
1.3: Sublimatorboden
2: Sekundärfluidleitung
2.1: Rohrschlange
3: Kältemittelzuleitung
4: Expansionsstutzen
5: Expansionsventil
6: Kältemittelableitung
7: Rückführleitung
8: Rückführventil
9: Tropfenabscheider
10: Kältemittel
10.1: gasförmiges Kohlendioxid
10.2: flüssiges Kohlendioxid
10.3: festes Kohlendioxid
11: Sublimationsfluid
12: Sekundärfluid

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 2507866 [0008]
DE 102016105334 A1 [0009]

Claims

Sublimationskühler, umfassend einen mit einem Sublimationsfluid (11) teilweise gefüllten Sublimator (1), an dem eine Kältemittelzuleitung (3) zur Zuführung und eine Kältemittelableitung (6) zur Abführung eines aus Kohlendioxid bestehenden Kältemittels (10) angeschlossen sind, wobei die Kältemittelableitung (6) oberhalb des mit dem Sublimationsfluid (11) gefüllten Bereichs am Sublimator (1) angebracht ist, dadurch gekennzeichnet, dass - der Sublimator (1) ein lotrecht stehender, zylinderförmiger, geschlossener Behälter mit einem zylindrischen Sublimatormantel (1.1), einem Sublimatordeckel (1.2) und einem Sublimatorboden (1.3) ist; - eine Sekundärfluidleitung (2) durch den Sublimator (11) zur Kühlung eines in einem Sekundärkreislauf vom Kältemittel (10) und vom Sublimationsfluid (11) fluidisch getrennt zirkulierenden Sekundärfluids (12) geführt ist; und - die Kältemittelzuleitung (3) über einen Expansionsstutzen (4) an den mit dem Sublimationsfluid (11) gefüllten Bereich des Sublimators (1) angeschlossen ist, wobei zwischen Kältemittelzuleitung (3) und dem Expansionsstutzen (4) ein Expansionsventil (5) zur Generierung eines durch den Expansionsstutzen (4) in den mit dem Sublimationsfluid (11) gefüllten Bereich des Sublimators (1) gerichteten Strahls aus festem (10.3) und gasförmigen (10.3) Kohlendioxid, der durch Expansion des als flüssiges Kohlendioxid (10.2) zum Expansionsventil (4) über die Kältemittelzuleitung (3) zugeführten Kältemittels (10) entsteht, angeordnet ist.
Sublimationskühler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Expansionsstutzen (4) koaxial zum zylindrischen Sublimatormantel (1.1) am Sublimatorboden (1.3) angebracht ist.
Sublimationskühler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Sekundärfluidleitung (2) innerhalb des mit dem Sublimationsfluid (11) gefüllten Bereiches des Sublimators (1) als Rohrschlange (2.1) ausgebildet ist.
Sublimationskühler nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Rohrschlange (2.1) die Form einer zylindrischen Spirale aufweist.
Sublimationskühler nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die als zylindrische Spirale ausgebildete Rohrschlange (2.1) eine dem zylindrischen Sublimatormantel (1.1) angepasste Form aufweist und koaxial zum zylindrischen Sublimatormantel (1.1) ausgerichtet ist.
Sublimationskühler nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Sublimatordeckel (1.2) und der Sublimatorboden (1.3) jeweils in Form eines Klöpperbodens ausgebildet sind.
Sublimationskühler nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Sublimationsfluid (11) ein Hydrofluorether, ein Perfluorketon, ein Polyfluorpolyether oder ein Gemisch mehrerer dieser Stoffe ist.
Sublimationskühler nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Sublimationsfluid (11) der Hydrofluorether Methoxy-nonafluorbutan ist.
Verfahren zur Tieftemperaturkühlung mittels eines Sublimationskühlers nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass im Sekundärkreislauf geführtes Sekundärfluid (12) durch Sublimation von festem Kohlendioxid (10.3) innerhalb des Sublimationsfluides (11) und Wärmeübergang an den fluidisch trennenden Wandungen der Sekundärfluidleitung (2) gekühlt wird, wobei über die Kältemittelzuleitung (3) zugeführtes flüssiges Kohlendioxid (10.2) nach Expansion im Expansionsventil (5) über den Expansionsstutzen (4) in den mit Sublimationsfluid (11) gefüllten Bereich des Sublimators (1) in Form eines Strahls aus festem (10.3) und gasförmigem (10.1) Kohlendioxid geblasen wird.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Kältemittel (10) als gasförmiges Kohlendioxid über die Kältemittelableitung (6) aus dem Sublimator (1) abgesaugt, durch Kompression rückverflüssigt und als flüssiges Kohlendioxid (10.2) über die Kältemittelzuleitung (6) zurück zum Sublimator (1) geführt wird.