DE102019126214A1 - Device for transferring heat in a fluid circuit and method for operating the device - Google Patents

Device for transferring heat in a fluid circuit and method for operating the device Download PDF

Info

Publication number
DE102019126214A1
DE102019126214A1 DE102019126214.3A DE102019126214A DE102019126214A1 DE 102019126214 A1 DE102019126214 A1 DE 102019126214A1 DE 102019126214 A DE102019126214 A DE 102019126214A DE 102019126214 A1 DE102019126214 A1 DE 102019126214A1
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
working medium
heat exchanger
solid particles
separator
heat
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
DE102019126214.3A
Other languages
German (de)
Inventor
Yixia Xu
Tobias Göpfert
Thomas Tannert
Ullrich Hesse
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Technische Universitaet Dresden
Original Assignee
Technische Universitaet Dresden
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Technische Universitaet Dresden filed Critical Technische Universitaet Dresden
Priority to DE102019126214.3A priority Critical patent/DE102019126214A1/en
Priority to PCT/DE2020/100818 priority patent/WO2021058061A1/en
Publication of DE102019126214A1 publication Critical patent/DE102019126214A1/en
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25BREFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B9/00Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point
    • F25B9/002Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point characterised by the refrigerant
    • F25B9/008Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point characterised by the refrigerant the refrigerant being carbon dioxide
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25BREFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B39/00Evaporators; Condensers
    • F25B39/02Evaporators
    • F25B39/028Evaporators having distributing means
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25BREFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B41/00Fluid-circulation arrangements
    • F25B41/40Fluid line arrangements
    • F25B41/42Arrangements for diverging or converging flows, e.g. branch lines or junctions
    • F25B41/48Arrangements for diverging or converging flows, e.g. branch lines or junctions for flow path resistance control on the downstream side of the diverging point, e.g. by an orifice
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25BREFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B2400/00General features or devices for refrigeration machines, plants or systems, combined heating and refrigeration systems or heat-pump systems, i.e. not limited to a particular subgroup of F25B
    • F25B2400/13Economisers
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25BREFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B2400/00General features or devices for refrigeration machines, plants or systems, combined heating and refrigeration systems or heat-pump systems, i.e. not limited to a particular subgroup of F25B
    • F25B2400/23Separators

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Thermal Sciences (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Separation By Low-Temperature Treatments (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung (1, 1a, 1b, 1c) zum Übertragen von Wärme durch Sublimation eines in einem Fluidkreislauf zirkulierenden Arbeitsmediums. Die Vorrichtung (1, 1a, 1b, 1c) ist mit einem Wärmeübertrager (2a, 2b, 2c) zur Aufnahme von Wärme durch das sublimierende Arbeitsmedium und mindestens einem Expansionsorgan (3-1) ausgebildet. Die Vorrichtung (1, 1a, 1b, 1c) weist zudem einen Abscheider (4a, 4b) zum Abscheiden fester Partikel des Arbeitsmediums sowie einen Einlass (5) zum Einströmen flüssigen Arbeitsmediums und einen Auslass (7) zum Ausströmen gasförmigen Arbeitsmediums auf. Dabei sind der Einlass (5) und der Auslass (7) jeweils als eine Verbindungsstelle zum Fluidkreislauf ausgebildet.Die Erfindung betrifft zudem einen Kältemittelkreislauf (11a, 11b) mit mindestens einem Verdichter (12), einem Kreislaufwärmeübertrager (13) zum Abführen von Wärme des im Kreislauf zirkulierenden Arbeitsmediums sowie der erfindungsgemäßen Vorrichtung (1, 1a, 1b, 1c). Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben der Vorrichtung (1, 1a, 1b, 1c).The invention relates to a device (1, 1a, 1b, 1c) for transferring heat by sublimation of a working medium circulating in a fluid circuit. The device (1, 1a, 1b, 1c) is designed with a heat exchanger (2a, 2b, 2c) for absorbing heat through the subliming working medium and at least one expansion element (3-1). The device (1, 1a, 1b, 1c) also has a separator (4a, 4b) for separating solid particles of the working medium as well as an inlet (5) for flowing in liquid working medium and an outlet (7) for flowing out of gaseous working medium. The inlet (5) and the outlet (7) are each designed as a connection point to the fluid circuit. The invention also relates to a refrigerant circuit (11a, 11b) with at least one compressor (12), a circuit heat exchanger (13) for dissipating heat from the working medium circulating in the circuit and the device according to the invention (1, 1a, 1b, 1c). The invention also relates to a method for operating the device (1, 1a, 1b, 1c).

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Übertragen von Wärme, insbesondere für das Bereitstellen von Kälte, durch Sublimation eines in einem geschlossenen Fluidkreislauf zirkulierenden Arbeitsmediums. Die Vorrichtung weist einen Wärmeübertrager zur Aufnahme von Wärme durch das sublimierende Arbeitsmedium und mindestens ein Expansionsorgan auf. Die Erfindung betrifft zudem einen Fluidkreislauf, insbesondere einen Kältemittelkreislauf, mit der Vorrichtung zum Übertragen von Wärme durch Sublimation des Arbeitsmediums sowie ein Verfahren zum Betreiben der Vorrichtung.The invention relates to a device for transferring heat, in particular for providing cold, by sublimating a working medium circulating in a closed fluid circuit. The device has a heat exchanger for absorbing heat through the subliming working medium and at least one expansion element. The invention also relates to a fluid circuit, in particular a refrigerant circuit, with the device for transferring heat by sublimation of the working medium and a method for operating the device.

Die Herausforderungen bei der technischen Nutzung der Sublimation als Phasenübergang eines Arbeitsmediums vom festen in den gasförmigen Aggregatzustand bei Drücken unterhalb des Tripeldruckes, insbesondere zum Bereitstellen von Kälte mittels einer in einem Fluidkreislauf integrierten Vorrichtung, zielen im Wesentlichen auf die physikalischen Eigenschaften des Feststoffes beziehungsweise der festen Partikel des im Fluidkreislauf zirkulierenden Arbeitsmediums ab. So bergen die festen Partikel beispielsweise die Gefahr eines Verblockens innerhalb eines Rohres eines Wärmeübertragers als Vorrichtung zum Übertragen von Wärme oder einer zwischen Komponenten des Fluidkreislaufs angeordneten Verbindungsleitung.
Eine unvollständige Sublimation grober, fester Partikel des Arbeitsmediums kann zur Beschädigung des Verdichters des Fluidkreislaufs führen. Zudem ist der Wärmeübergangskoeffizient beim Vorgang der Sublimation des Arbeitsmediums innerhalb des Wärmeübertragers geringer als der Wärmeübergangskoeffizient des gleichen Arbeitsmediums beim Vorgang der Verdampfung, sodass der Wärmeübertrager zum Übertragen einer gleichen Wärmemenge zum Beispiel mit einer größeren Wärmeübertragungsfläche und damit größeren Abmessungen auszubilden ist. Der Sublimator weist als ein mit einem sublimierenden Arbeitsmedium beaufschlagter Wärmeübertrager folglich einen größeren Platzbedarf als ein Verdampfer auf, welcher mit einem verdampfenden Arbeitsmedium durchströmt wird. Des Weiteren ist ein Sublimator hinsichtlich der zu übertragenden Wärmemenge, auch als Kälteleistung des Fluidkreislaufs bezeichnet, nicht in mit einem Verdampfer vergleichbarer Weise, wie bei der Auslegung eines Rohrbündel-Wärmeübertragers, skalierbar.
The challenges in the technical use of sublimation as a phase transition of a working medium from the solid to the gaseous state of aggregation at pressures below the triple pressure, in particular for providing cold by means of a device integrated in a fluid circuit, are essentially aimed at the physical properties of the solid or the solid particles of the working medium circulating in the fluid circuit. For example, the solid particles harbor the risk of blocking within a pipe of a heat exchanger as a device for transferring heat or a connecting line arranged between components of the fluid circuit.
Incomplete sublimation of coarse, solid particles of the working medium can damage the compressor of the fluid circuit. In addition, the heat transfer coefficient in the process of sublimation of the working medium within the heat exchanger is lower than the heat transfer coefficient of the same working medium in the process of evaporation, so that the heat exchanger for transferring the same amount of heat has to be designed, for example, with a larger heat transfer surface and thus larger dimensions. As a heat exchanger acted upon by a subliming working medium, the sublimator consequently has a larger space requirement than an evaporator through which an evaporating working medium flows. Furthermore, with regard to the amount of heat to be transferred, also referred to as the cooling capacity of the fluid circuit, a sublimator cannot be scaled in a manner comparable to an evaporator, as is the case with the design of a tube bundle heat exchanger.

Das Bereitstellen von Kälte durch Sublimation eines Arbeitsmediums ist beispielsweise aus der Kühlung von Halbleitertechnik oder der Tiefkühlung von Lebensmitteln bekannt, welche in offenen Fluidkreisläufen mittels eines Verschleißprozesses gekühlt werden. Dabei können die Gefahr der Verblockung und unvollständigen Sublimation des Arbeitsmediums unberücksichtigt bleiben. Um beim Bereitstellen von Kälte durch Sublimation eines Arbeitsmediums die Gefahr des Verblockens zu minimieren oder auszuschließen, können neben dem Besprühen einer Oberfläche mit dem Arbeitsmedium, bei welchen keine Gefahr der Verblockung besteht, der Strömungsquerschnitt von Leitungen für das Arbeitsmedium beziehungsweise die Länge der Leitungen und damit die Verweilzeit der festen Partikel innerhalb der Leitung vergrößert werden. Je nach Auslegung der Leitungen und Betriebsweise der Vorrichtung kann die Sublimation als Vorgang des Phasenübergangs des Arbeitsmediums vollständig abgeschlossen sein.
Beim Besprühen der Oberfläche mit dem Arbeitsmedium, bei welchem entweder ein Gemisch aus Flüssigkeit und Feststoff unter einem Phasenübergangsverzug auf der Oberfläche sublimiert oder der Feststoff in Form eines feinverteilten Feststoffnebels auf die zu kühlende Oberfläche gesprüht wird, ist die besprühte Fläche als Wärmeübertragungsfläche sehr begrenzt. Zudem sind die Strömungsquerschnitte der Düsen gering, um den Massenstrom des Arbeitsmediums auch an geringe Wärmeleistungen anpassen zu können, was jedoch hohe Kosten verursacht und die Gefahr des Verblockens der Düsen erhöht. Ein unregelmäßiges Verteilen des zu sublimierenden Arbeitsmediums führt zu einer ungleichmäßigen Kühlung über der Wärmeübertragungsfläche. Auch der Regelungsaufwand zum Aufrechterhalten eines kontinuierlichen Prozesses ist sehr groß.
Das Vergrößern des Strömungsquerschnitts der Leitungen führt zu einer Reduktion der Strömungsgeschwindigkeit des Arbeitsmediums und damit zu einer höheren Gefahr des Verschleppens des Fluids. Die geringeren Wärmeübergangskoeffizienten werden durch ein Vergrößern der Wärmeübertragungsfläche und folglich des gesamten Wärmeübertragers kompensiert, was den Platzbedarf beziehungsweise das Bauvolumen des Wärmeübertragers erhöht.
Mit dem Vergrößern der Länge der Leitungen und damit der Verweilzeit der festen Partikel des Arbeitsmediums innerhalb der Leitung ist auch ein großer Überhitzungsbereich des Arbeitsmediums in Form der Länge der Überhitzungsstrecke innerhalb des Wärmeübertragers zu berücksichtigen. Die notwendige Überhitzung des Arbeitsmediums, das heißt die Temperatur als Regelgröße, insbesondere zum Schutz des Verdichters, ist nur sehr schwer einstellbar. Da das Sublimieren der festen Partikel des Arbeitsmediums einen längeren Zeitraum beansprucht, kann das Arbeitsmedium als Gemisch aus Gas und festen Partikeln vorliegen, während die Gasphase des Arbeitsmediums Temperaturen deutlich oberhalb der Sublimationstemperatur aufweist. Mit der größeren Länge der Leitungen sind aufgrund des thermodynamischen Einflusses die Gesamteffizienz der Kältemaschine verringert und der Platzbedarf beziehungsweise das Bauvolumen des Wärmeübertragers erhöht. Der längere Transportweg der festen Partikel verursacht höhere Druckverluste und wirkt sich zudem erschwerend auf die Regelung der Kältemaschine aus.
The provision of cold by sublimation of a working medium is known, for example, from the cooling of semiconductor technology or the deep freezing of foodstuffs, which are cooled in open fluid circuits by means of a wear process. The risk of blocking and incomplete sublimation of the working medium can be disregarded. In order to minimize or exclude the risk of blocking when providing cold through sublimation of a working medium, in addition to spraying a surface with the working medium where there is no risk of blocking, the flow cross-section of lines for the working medium or the length of the lines and thus the residence time of the solid particles within the line can be increased. Depending on the design of the lines and the mode of operation of the device, the sublimation as a process of the phase transition of the working medium can be completely completed.
When spraying the surface with the working medium, in which either a mixture of liquid and solid sublimates on the surface with a phase transition delay or the solid is sprayed onto the surface to be cooled in the form of a finely divided solid mist, the sprayed area is very limited as a heat transfer area. In addition, the flow cross-sections of the nozzles are small in order to be able to adapt the mass flow of the working medium to low heat outputs, which, however, causes high costs and increases the risk of the nozzles becoming blocked. Irregular distribution of the working medium to be sublimated leads to uneven cooling over the heat transfer surface. The control effort to maintain a continuous process is also very high.
Increasing the flow cross-section of the lines leads to a reduction in the flow rate of the working medium and thus to a higher risk of the fluid being carried over. The lower heat transfer coefficients are compensated for by increasing the heat transfer surface and consequently the entire heat exchanger, which increases the space requirement or the structural volume of the heat exchanger.
With the increase in the length of the lines and thus the dwell time of the solid particles of the working medium within the line, a large overheating area of the working medium in the form of the length of the overheating path within the heat exchanger must also be taken into account. The necessary overheating of the working medium, that is to say the temperature as a controlled variable, in particular to protect the compressor, is very difficult to adjust. Since the sublimation of the solid particles of the working medium takes a longer period of time, the working medium can be present as a mixture of gas and solid particles, while the gas phase of the working medium has temperatures well above the sublimation temperature. With the greater length of the lines, the overall efficiency of the refrigeration machine is reduced due to the thermodynamic influence and the space requirement or the structural volume of the heat exchanger is increased. The longer transport path for the solid particles causes higher pressure losses and also makes it more difficult to control the refrigeration machine.

Aus dem Stand der Technik ist zudem bekannt, das zu sublimierende Arbeitsmedium mit einem Sekundärfluid zu mischen, um derart den Wärmeübergangskoeffizienten zu erhöhen und den Wärmeübergang zu verbessern sowie die Gefahr des Verblockens zu verringern. Um ein Verschleppen des Trägerfluides im Fluidkreislauf des Arbeitsmediums zu vermeiden, ist ein Flüssigkeitsabscheider vorzusehen.It is also known from the prior art to mix the working medium to be sublimated with a secondary fluid in order to increase the heat transfer coefficient and improve the heat transfer and reduce the risk of blocking. A liquid separator is to be provided in order to prevent the carrier fluid from being carried over into the fluid circuit of the working medium.

In der DE 30 04 114 A1 wird ein Verfahren zum Bereitstellen von Kälteleistungen bei tiefen Temperaturen mit Kohlendioxid als Kältemittel beschrieben. Um einer Bildung von Agglomerationen von festen Kohlendioxidpartikeln vorzubeugen, werden die festen Kohlendioxidpartikel in einer nicht gefrierenden Flüssigkeit suspendiert und als Suspension durch einen als Sublimator betriebenen Wärmeübertrager gefördert. Für das Verfahren mit der apparativ sehr aufwändigen Vorrichtung sind insbesondere energetische und kostenintensive Aufwendungen erforderlich, um die Trägerflüssigkeit bereitzustellen und die Suspension im Fluidkreislauf zu führen. Die Anlage ist zudem sehr schwer zu dimensionieren.In the DE 30 04 114 A1 describes a method for providing refrigeration at low temperatures with carbon dioxide as the refrigerant. In order to prevent the formation of agglomerations of solid carbon dioxide particles, the solid carbon dioxide particles are suspended in a non-freezing liquid and conveyed as a suspension through a heat exchanger operated as a sublimator. For the method with the device, which is very complex in terms of apparatus, in particular energetic and cost-intensive expenditures are necessary in order to provide the carrier liquid and to guide the suspension in the fluid circuit. The system is also very difficult to dimension.

Aus der NL 9401324 A ist ein Fluidkreislauf bekannt, in welchem Kohlendioxid auf einen Druck unterhalb des Tripeldruckes entspannt und unter Nutzung der kinetischen Energie mittels einer Treibdüse in einen Fluidspeicher eingedüst wird. Die dabei entstehenden festen Kohlendioxidpartikel sublimieren beim Umlauf im Trägerfluid und stellen die benötigte Kälte zur Verfügung. Das Eindüsen von Kohlendioxid in den Fluidspeicher zum Bereitstellen von Kälte ist sehr träge. Die Treibdüse ist schwer zu steuern und meist auf einen bestimmten Betriebspunkt eingestellt. Die bedarfsabhängige Kälteleistung ist folglich über zusätzliche Instrumente zu regeln. Zudem ist die Treibdüse stets oberhalb des Verdampfers anzuordnen, was den Platzbedarf beeinflusst.From the NL 9401324 A a fluid circuit is known in which carbon dioxide is expanded to a pressure below the triple pressure and, using the kinetic energy, is injected into a fluid reservoir by means of a motive nozzle. The resulting solid carbon dioxide particles sublime as they circulate in the carrier fluid and provide the required cold. The injection of carbon dioxide into the fluid reservoir to provide cold is very slow. The propellant nozzle is difficult to control and is usually set to a specific operating point. The demand-dependent cooling capacity must therefore be regulated using additional instruments. In addition, the motive nozzle must always be arranged above the evaporator, which affects the space required.

Die Aufgabe der Erfindung besteht in der Bereitstellung einer Vorrichtung zum Übertragen von Wärme, insbesondere zum Bereitstellen einer Kälteleistung, innerhalb eines Fluidkreislaufs. Dabei soll die Kälte auf einem Temperaturniveau beziehungsweise Druckniveau unterhalb des Tripelpunktes genutzt werden. Die Vorrichtung soll einfach konstruiert und in modularer Bauweise kompakt aufgebaut sowie einfach auslegbar und an unterschiedliche Kälteleistungen skalierbar sein. Mit der modularen Bauweise soll die Vorrichtung mit verfügbaren Verflüssigungssätzen beziehungsweise Standard-Komponenten von Fluidkreisläufen kostengünstig kombinierbar sein. Die Vorrichtung soll bei einem minimalen Platzbedarf mit einer minimalen Gefahr des Verblockens durch feste Partikel sowie einer gleichmäßigen Verteilung der Partikel und damit einer gleichmäßigen Wärmeübertragung über der Wärmeübertragerfläche effizient betrieben werden können.The object of the invention is to provide a device for transferring heat, in particular for providing cooling power, within a fluid circuit. The cold should be used at a temperature level or pressure level below the triple point. The device should be of a simple design and a modular design, compact, easy to design and scalable to different cooling capacities. With the modular design, the device should be able to be combined cost-effectively with available condensing units or standard components of fluid circuits. The device should be able to be operated efficiently with a minimal space requirement with a minimal risk of blocking by solid particles as well as a uniform distribution of the particles and thus a uniform heat transfer over the heat exchanger surface.

Die Aufgabe wird durch die Gegenstände mit den Merkmalen der selbstständigen Patentansprüche gelöst. Weiterbildungen sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.The object is achieved by the objects with the features of the independent patent claims. Further developments are given in the dependent claims.

Die Aufgabe wird durch eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Übertragen von Wärme durch Sublimation eines in einem geschlossenen Fluidkreislauf zirkulierenden Arbeitsmediums gelöst. Die Vorrichtung ist mit einem Wärmeübertrager zur Aufnahme von Wärme durch das sublimierende Arbeitsmedium und mindestens einem Expansionsorgan zum Entspannen des Arbeitsmediums ausgebildet.The object is achieved by a device according to the invention for transferring heat by sublimation of a working medium circulating in a closed fluid circuit. The device is designed with a heat exchanger for absorbing heat through the subliming working medium and at least one expansion element for relaxing the working medium.

Nach der Konzeption der Erfindung weist die Vorrichtung einen Abscheider zum Abscheiden fester Partikel des Arbeitsmediums sowie einen Einlass zum Einströmen flüssigen Arbeitsmediums und einen Auslass zum Ausströmen gasförmigen Arbeitsmediums auf. Dabei sind der Einlass und der Auslass der Vorrichtung jeweils als eine Verbindungsstelle zum Fluidkreislauf ausgebildet. Der Auslass ist vorteilhaft am Abscheider angeordnet.
Die Vorrichtung stellt eine kombinierte Ausbildung eines Wärmeübertragers zum Bereitstellen von Kälteleistung unter Nutzung der Sublimationsenthalpie des Arbeitsmediums für einen geschlossenen Fluidkreislauf dar. Dabei sind die Komponenten für die Expansion, Wärmeübertrager, insbesondere Sublimationswärmeübertrager oder Sublimator, und Abscheider, speziell Partikelabscheider, aufeinander abgestimmt und werden als eine zusammenhängende Sublimatoreinheit angesehen. Als Arbeitsmedium ist vorzugsweise Kohlendioxid vorgesehen.
According to the conception of the invention, the device has a separator for separating solid particles of the working medium as well as an inlet for flowing in liquid working medium and an outlet for flowing out of gaseous working medium. The inlet and the outlet of the device are each designed as a connection point to the fluid circuit. The outlet is advantageously arranged on the separator.
The device represents a combined design of a heat exchanger for providing cooling power using the sublimation enthalpy of the working medium for a closed fluid circuit. The components for expansion, heat exchangers, in particular sublimation heat exchangers or sublimators, and separators, especially particle separators, are coordinated with one another and are used as viewed as a coherent sublimator unit. Carbon dioxide is preferably provided as the working medium.

Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist der Wärmeübertrager zur Aufnahme von Wärme durch das sublimierende Arbeitsmedium mit parallel zueinander ausgerichteten Strömungskanälen ausgebildet. Jedem Strömungskanal ist ein Expansionsorgan, auch als erste Expansionsorgane bezeichnet, zugeordnet. Der Wärmeübertrager zur Aufnahme von Wärme durch das sublimierende Arbeitsmedium kann einen primären Sublimator und einen sekundären Sublimator aufweisen. Dabei ist insbesondere der primäre Sublimator aus den parallel zueinander ausgerichteten Strömungskanälen mit jeweils einem Expansionsorgan ausgebildet. Der primäre Sublimator und der sekundäre Sublimator sind jeweils als Teilbereiche beziehungsweise Abschnitte des Wärmeübertragers anzusehen.According to a development of the invention, the heat exchanger for absorbing heat through the subliming working medium is designed with flow channels aligned parallel to one another. An expansion element, also referred to as the first expansion element, is assigned to each flow channel. The heat exchanger for absorbing heat through the subliming working medium can have a primary sublimator and a secondary sublimator. In particular, the primary sublimator is formed from the flow channels aligned parallel to one another, each with an expansion element. The primary sublimator and the secondary sublimator are each to be viewed as partial areas or sections of the heat exchanger.

Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist das Expansionsorgan jeweils an einem Einlass in den Strömungskanal oder innerhalb des Strömungskanals, insbesondere im Bereich des Einlasses des Strömungskanals, angeordnet.
Die Strömungskanäle sind vorzugsweise in horizontaler Richtung oder in vertikaler Richtung ausgerichtet. Speziell bei der horizontalen Ausrichtung der Strömungskanäle sind die Strömungskanäle bevorzugt jeweils in den Abscheider einmündend ausgebildet.
According to an advantageous embodiment of the invention, the expansion element is arranged in each case at an inlet in the flow channel or within the flow channel, in particular in the area of the inlet of the flow channel.
The flow channels are preferably aligned in the horizontal direction or in the vertical direction. Especially with the horizontal alignment of the Flow channels, the flow channels are preferably each designed to open into the separator.

Nach einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist zwischen einem Auslass des Abscheiders und dem Wärmeübertrager zur Aufnahme von Wärme durch das sublimierende Arbeitsmedium eine Fördervorrichtung zum Fördern von im Abscheider aus einer gasförmigen Fluidströmung abgeschiedenen festen Partikeln des Arbeitsmediums vorgesehen.
Die Fördervorrichtung kann als ein Ejektor oder eine gasbetriebene Düse oder eine Pumpe ausgebildet sein. Speziell bei der Ausbildung der Fördervorrichtung als Ejektor oder gasbetriebene Düse ist die Vorrichtung vorteilhaft mit einem Einlass zum Einströmen gasförmigen Arbeitsmediums ausgebildet. Dabei ist innerhalb einer sich zwischen dem Einlass und der Fördervorrichtung erstreckenden Verbindungsleitung ein zusätzliches, zweites Expansionsorgan angeordnet. Je nach Ausbildung der Vorrichtung kann unter Nutzung des Naturumlaufs auf eine Fördervorrichtung verzichtet werden.
According to a preferred embodiment of the invention, a conveying device for conveying solid particles of the working medium separated from a gaseous fluid flow in the separator is provided between an outlet of the separator and the heat exchanger for absorbing heat through the subliming working medium.
The delivery device can be designed as an ejector or a gas-operated nozzle or a pump. Especially when the delivery device is designed as an ejector or gas-operated nozzle, the device is advantageously designed with an inlet for the inflow of gaseous working medium. In this case, an additional, second expansion element is arranged within a connecting line extending between the inlet and the conveying device. Depending on the design of the device, a conveying device can be dispensed with using the natural circulation.

Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, dass neben dem Wärmeübertrager zur Aufnahme von Wärme durch das sublimierende Arbeitsmedium als erstem Wärmeübertrager innerhalb des Abscheiders ein zweiter Wärmeübertrager zum Übertragen von Wärme von durch den Einlass in die Vorrichtung einströmenden flüssigen Arbeitsmedium an aus der gasförmigen Fluidströmung abgeschiedene feste Partikel des Arbeitsmediums ausgebildet ist. Der zweite Wärmeübertrager ist dabei zwischen dem Einlass zum Einströmen flüssigen Arbeitsmediums und dem mindestens einen ersten Expansionsorgan angeordnet.Another advantage of the invention is that in addition to the heat exchanger for absorbing heat through the sublimating working medium as the first heat exchanger within the separator, a second heat exchanger for transferring heat from the liquid working medium flowing into the device through the inlet to solid separated from the gaseous fluid flow Particles of the working medium is formed. The second heat exchanger is arranged between the inlet for the inflow of liquid working medium and the at least one first expansion element.

Die Aufgabe wird auch durch einen erfindungsgemäßen Kältemittelkreislauf mit mindestens einem Verdichter und einem Kreislaufwärmeübertrager zum Abführen von Wärme eines im Kreislauf zirkulierenden Arbeitsmediums gelöst. Der Kältemittelkreislauf ist konzeptionsgemäß mit einer vorgenannten erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Übertragen von Wärme durch Sublimation des Arbeitsmediums ausgebildet. Dabei sind der Einlass zum Einströmen flüssigen Arbeitsmediums der Vorrichtung mit einem Auslass des Kreislaufwärmeübertragers oder eines Mitteldruckbehälters und der Auslass zum Ausströmen gasförmigen Arbeitsmediums der Vorrichtung mit einem Einlass des mindestens einen Verdichters verbunden.The object is also achieved by a refrigerant circuit according to the invention with at least one compressor and a circuit heat exchanger for removing heat from a working medium circulating in the circuit. According to the concept, the refrigerant circuit is designed with an aforementioned device according to the invention for transferring heat by sublimation of the working medium. The inlet for flowing in the liquid working medium of the device is connected to an outlet of the circuit heat exchanger or a medium-pressure container and the outlet for flowing out of the gaseous working medium of the device is connected to an inlet of the at least one compressor.

Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist der Einlass zum Einströmen gasförmigen Arbeitsmediums der Vorrichtung mit einem Auslass des Verdichters oder einem Auslass des Mitteldruckbehälters verbunden.According to a further development of the invention, the inlet for the inflow of gaseous working medium of the device is connected to an outlet of the compressor or an outlet of the medium-pressure container.

Herkömmlich werden Expansionsorgan und als Verdampfer/Sublimator betriebener Wärmeübertrager getrennt voneinander ausgelegt. Dabei ist stets eine anlagenspezifische Anpassung beider Komponenten erforderlich. Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird die Systemgrenze zwischen der Sublimatoreinheit und konventioneller Kältetechnik derart verändert, dass ein anlagenspezifisches Anpassen von Expansionsorgan und Wärmeübertrager nicht mehr erforderlich ist, da beide Komponenten Bestandteil der Sublimatoreinheit sind. Das Anpassen beziehungsweise Skalieren der gesamten Sublimatoreinheit hinsichtlich der zu übertragenden Wärmeleistung, insbesondere Kälteleistung, wird durch das gezielte Abstimmen der jeweils zu verwendenden Komponenten innerhalb der Sublimatoreinheit erreicht. Die in einem Anwendungsfall zu definierenden, äußeren Schnittstellen zum konventionellen Fluidkreislauf betreffen einerseits den Auslass des Kreislaufwärmeübertragers oder eines Sammlers und andererseits den Saugstutzen des Verdichters. Beide Schnittstellen sind hinsichtlich der Randbedingungen verhältnismäßig einfach und einheitlich zu definieren, was eine modulare Bauweise zwischen marktverfügbaren Verflüssigungssätzen oder Kälteanlagen aus Standard-Komponenten und der erfindungsgemäßen Sublimatoreinheit ermöglicht - vergleichbar mit der in der Kaltdampfkältetechnik typischen modularen Bauweise aus einem Verflüssigungssatz und einem als Verdampfer betriebenen Wärmeübertrager mit dazugehörigem Expansionsorgan.
Zudem werden erweiterte Temperaturbereiche unterhalb des spezifischen Tripelpunktes, abhängig von der Wahl des Arbeitsmediums, nutzbar. Dabei werden Arbeitsmedien in Betracht gezogen, deren Tripelpunktsdruck vorteilhafterweise oberhalb des Atmosphärendruckes liegt, was zu unterschiedlichen Anwendungstemperaturen führt. Mit der vorteilhaften Verwendung von Kohlendioxid als Arbeitsmedium beziehungsweise Kältemittel können Kälteleistungen bei Temperaturen unterhalb von -50°C bereitgestellt werden. Vor dem Hintergrund umweltpolitisch motivierter Restriktionen von bisher üblicherweise verwendeten Kältemitteln, insbesondere solcher mit hohem Erderwärmungspotential, kurz als GWP für englisch „global warming potential“ bezeichnet, ermöglicht die erfindungsgemäße Vorrichtung die Kälteerzeugung bei Temperaturen unterhalb von -50 °C.
Conventionally, the expansion element and the heat exchanger operated as an evaporator / sublimator are designed separately from one another. A system-specific adaptation of both components is always required. With the device according to the invention, the system boundary between the sublimator unit and conventional refrigeration technology is changed in such a way that a system-specific adaptation of the expansion element and heat exchanger is no longer necessary, since both components are part of the sublimator unit. The adaptation or scaling of the entire sublimator unit with regard to the heat output to be transmitted, in particular the cooling output, is achieved through the targeted coordination of the components to be used in each case within the sublimator unit. The external interfaces to the conventional fluid circuit to be defined in an application concern, on the one hand, the outlet of the circuit heat exchanger or a collector and, on the other hand, the suction port of the compressor. Both interfaces can be defined relatively simply and uniformly with regard to the boundary conditions, which enables a modular design between commercially available condensing units or refrigeration systems made of standard components and the sublimator unit according to the invention - comparable to the modular construction typical in cold vapor refrigeration technology, consisting of a condensing unit and a heat exchanger operated as an evaporator with associated expansion device.
In addition, extended temperature ranges below the specific triple point can be used, depending on the choice of working medium. Working media are taken into account, the triple point pressure of which is advantageously above atmospheric pressure, which leads to different application temperatures. With the advantageous use of carbon dioxide as the working medium or refrigerant, refrigeration capacities can be provided at temperatures below -50 ° C. Against the background of environmentally-politically motivated restrictions on refrigerants commonly used up to now, in particular those with a high global warming potential, briefly referred to as GWP for "global warming potential", the device according to the invention enables cold generation at temperatures below -50 ° C.

Die Aufgabe wird auch durch ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Betreiben einer vorgenannten erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Übertragen von Wärme durch Sublimation eines in einem Fluidkreislauf zirkulierenden Arbeitsmediums gelöst. Das Verfahren weist folgende Schritte auf:

  • - Entspannen von durch einen Einlass zum Einströmen flüssigen Arbeitsmediums in die Vorrichtung eingeleiteten flüssigen Arbeitsmediums beim Durchströmen von mindestens einem Expansionsorgan auf ein Druckniveau unterhalb des Tripeldruckes des Arbeitsmediums und Erzeugen fester Partikel während des Einleitens des Arbeitsmediums in einen Wärmeübertrager zur Aufnahme von Wärme durch das sublimierende Arbeitsmedium,
  • - Sublimieren fester Partikel des Arbeitsmediums beim Durchströmen des Wärmeübertragers unter Aufnahme von Wärme,
  • - Einleiten des Arbeitsmediums in einen Abscheider und Separieren nicht sublimierter fester Partikel von einer gasförmigen Fluidströmung innerhalb des Abscheiders,
  • - Ableiten des gasförmigen Arbeitsmediums durch einen Auslass und der festen Partikel aus dem Abscheider sowie
  • - Fördern der festen Partikel des Arbeitsmediums, insbesondere mittels einer an einem weiteren Auslass des Abscheiders angeordneten Fördervorrichtung, zurück in den Wärmeübertrager.
The object is also achieved by a method according to the invention for operating an aforementioned device according to the invention for transferring heat by sublimation of a working medium circulating in a fluid circuit. The procedure consists of the following steps:
  • - Relaxation of liquid working medium introduced into the device through an inlet for the inflow of liquid working medium when flowing through at least one Expansion device to a pressure level below the triple pressure of the working medium and generating solid particles while the working medium is being introduced into a heat exchanger to absorb heat through the subliming working medium,
  • - Sublimation of solid particles of the working medium when flowing through the heat exchanger with absorption of heat,
  • - Introducing the working medium into a separator and separating non-sublimated solid particles from a gaseous fluid flow within the separator,
  • - Discharge of the gaseous working medium through an outlet and the solid particles from the separator as well
  • - Conveying the solid particles of the working medium, in particular by means of a conveying device arranged at a further outlet of the separator, back into the heat exchanger.

Nach einer Weiterbildung der Erfindung wird das durch den Einlass zum Einströmen flüssigen Arbeitsmediums in die Vorrichtung einströmende flüssige Arbeitsmedium vor dem Entspannen innerhalb des Abscheiders unterkühlt. Dabei wird die Wärme vom flüssigen Arbeitsmedium an feste Partikel des Arbeitsmediums übertragen, welche unter Aufnahme der Wärme sublimieren.According to a further development of the invention, the liquid working medium flowing into the device through the inlet for the inflow of the liquid working medium is subcooled before the expansion inside the separator. The heat is transferred from the liquid working medium to solid particles of the working medium, which sublime while absorbing the heat.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, dass die im Abscheider von der gasförmigen Fluidströmung separierten festen Partikel in einer Trägerflüssigkeit zum Wärmeübertrager zur Aufnahme von Wärme durch das sublimierende Arbeitsmedium gefördert werden. Dabei sind der Wärmeübertrager sowie der Abscheider zumindest bereichsweise mit der Trägerflüssigkeit befüllt. Im Abscheider werden die nicht sublimierten festen Partikel und die Trägerflüssigkeit von der gasförmigen Fluidströmung separiert. An advantageous embodiment of the invention consists in that the solid particles separated from the gaseous fluid flow in the separator are conveyed in a carrier liquid to the heat exchanger for absorbing heat through the subliming working medium. The heat exchanger and the separator are at least partially filled with the carrier liquid. In the separator, the non-sublimated solid particles and the carrier liquid are separated from the gaseous fluid flow.

Die Trägerflüssigkeit und die festen Partikel des Arbeitsmediums dienen vorzugsweise auch zum Unterkühlen des durch den Einlass in die Vorrichtung einströmenden flüssigen Kältemittels. Die im Abscheider abgeschiedene Trägerflüssigkeit wird zusammen mit den auch beim Unterkühlen des flüssigen Kältemittels nicht sublimierten festen Partikeln des Arbeitsmediums in den Wärmeübertrager gefördert.The carrier liquid and the solid particles of the working medium preferably also serve to subcool the liquid refrigerant flowing into the device through the inlet. The carrier liquid separated in the separator is conveyed into the heat exchanger together with the solid particles of the working medium that have not sublimed even when the liquid refrigerant is undercooled.

Nach einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird das flüssige Arbeitsmedium beim Durchströmen des mindestens einen Expansionsorgans des Wärmeübertragers zur Aufnahme von Wärme durch das sublimierende Arbeitsmedium in der Trägerflüssigkeit entspannt. Dabei werden anschließend das Arbeitsmedium unter Aufnahme von Wärme innerhalb der Trägerflüssigkeit sublimiert und damit die Trägerflüssigkeit abgekühlt.According to a further preferred embodiment of the invention, the liquid working medium is expanded in the carrier liquid when it flows through the at least one expansion element of the heat exchanger to absorb heat through the subliming working medium. In the process, the working medium is then sublimed while absorbing heat within the carrier liquid and the carrier liquid is thus cooled.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung weist zudem zusammenfassend weitere Vorteile auf:

  • - einfache und kompakte Konstruktion aus einem Minimum an Komponenten sowie einfache Montage auch durch einen modularen Aufbau, dadurch zudem
  • - gute Skalierbarkeit bezüglich der Kälteleistung, auch da die Komponenten als Bausätze verwendet werden können,
  • - minimaler Platzbedarf mit einer minimalen Gefahr des Verblockens durch feste Partikel sowie
  • - gleichmäßige Verteilung der festen Partikel und damit gleichmäßige Wärmeübertragung über der Wärmeübertragerfläche und effizienter Betrieb des Wärmeübertragers.
In summary, the device according to the invention also has further advantages:
  • - simple and compact construction from a minimum of components as well as simple assembly also through a modular structure, thereby also
  • - good scalability with regard to the cooling capacity, also because the components can be used as kits,
  • - Minimal space requirements with a minimal risk of blocking by solid particles as well
  • - even distribution of the solid particles and thus even heat transfer over the heat exchanger surface and efficient operation of the heat exchanger.

Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile von Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen mit Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen. Es zeigen:

  • 1: ein Druck-Temperatur-Diagramm mit Darstellung der einzelnen Phasen von Kohlendioxid,
  • 2: eine erste Vorrichtung zum Übertragen von Wärme als trocken-betriebene Sublimatoreinheit mit einem ersten Wärmeübertrager mit in Strömungsrichtung des Arbeitsmediums vorgelagerten Expansionsorganen, einem Abscheider und einem zweiten Wärmeübertrager,
  • 3a: eine Anordnung der Sublimatoreinheit aus 2 innerhalb eines Kältemittelkreislaufs mit einstufiger Verdichtung,
  • 3b: eine Anordnung der Sublimatoreinheit aus 2 innerhalb eines Kältemittelkreislaufs mit zweistufiger Verdichtung mit Mitteldruckabscheidung,
  • 4: eine zweite Vorrichtung zum Übertragen von Wärme, ähnlich der ersten Vorrichtung aus 2, als trocken-feucht-betriebene Sublimatoreinheit sowie
  • 5: eine dritte Vorrichtung zum Übertragen von Wärme als feucht-betriebene Sublimatoreinheit mit einem ersten Wärmeübertrager mit zugeordneten Expansionsorganen, einem Abscheider und einem zweiten Wärmeübertrager.
Further details, features and advantages of embodiments of the invention emerge from the following description of exemplary embodiments with reference to the associated drawings. Show it:
  • 1 : a pressure-temperature diagram showing the individual phases of carbon dioxide,
  • 2 : a first device for transferring heat as a dry-operated sublimator unit with a first heat exchanger with expansion elements upstream in the flow direction of the working medium, a separator and a second heat exchanger,
  • 3a : an arrangement of the sublimator unit 2 within a refrigerant circuit with single-stage compression,
  • 3b : an arrangement of the sublimator unit 2 within a refrigerant circuit with two-stage compression with medium pressure separation,
  • 4th : a second device for transferring heat, similar to the first device from 2 , as a dry-damp operated sublimator unit as well as
  • 5 : a third device for transferring heat as a wet-operated sublimator unit with a first heat exchanger with associated expansion elements, a separator and a second heat exchanger.

In 1 ist ein Druck-Temperatur-Diagramm mit der schematischen Darstellung der einzelnen Phasen von Kohlendioxid gezeigt. Der jeweilige Aggregatzustand des Arbeitsmediums ist neben der Temperatur T auch vom im System vorherrschenden Druck p abhängig. Dabei befinden sich am Tripelpunkt alle drei Phasen fest (f), flüssig (fl) und gasförmig (g) im thermodynamischen Gleichgewicht.In 1 shows a pressure-temperature diagram with the schematic representation of the individual phases of carbon dioxide. The respective state of aggregation of the working medium is next to the Temperature T also depends on the pressure p prevailing in the system. All three phases solid (f), liquid (fl) and gaseous (g) are in thermodynamic equilibrium at the triple point.

Kohlendioxid, kurz als CO2 oder mit der kältetechnischen Bezeichnung R744 bekannt, ist ein natürliches Kältemittel und wird in Kältemittelkreisläufen bei Verdampfungstemperaturen insbesondere im Bereich bis etwa -40°C eingesetzt. Kohlendioxid ist vorteilhaft nicht brennbar und unter üblichen Bedingungen nicht toxisch.Carbon dioxide, known for short as CO 2 or with the refrigeration designation R744, is a natural refrigerant and is used in refrigerant circuits at evaporation temperatures, in particular in the range down to about -40 ° C. Carbon dioxide is advantageously non-flammable and nontoxic under normal conditions.

Der Tripeldruck als Druckniveau am Tripelpunkt von Kohlendioxid liegt bei 5,18 bar und damit weit oberhalb des Atmosphärendruckes. Die dazugehörige Temperatur am Tripelpunkt beträgt etwa -56°C. Damit liegt Kohlendioxid bei Atmosphärendruck von etwa 1 bar im gasförmigen oder festen Aggregatzustand und keinesfalls in flüssiger Form vor. Lediglich unter erhöhtem Druck von minimal 5,18 bar kann Kohlendioxid auch flüssig sein. Bei Atmosphärendruck geht Kohlendioxid vom festen (f) Zustand, auch als Trockeneis bezeichnet, unter Wärmeaufnahme direkt in den gasförmigen (g) Zustand über. Das Arbeitsmedium sublimiert. Die im Phasendiagramm den Übergang vom festen (f) in den gasförmigen (g) Zustand kennzeichnende Linie ist auch als Sublimationslinie bekannt, während die den Übergang vom flüssigen (fl) in den gasförmigen (g) Zustand kennzeichnende Linie als Verdampfungslinie bezeichnet wird.The triple pressure as the pressure level at the triple point of carbon dioxide is 5.18 bar and thus far above atmospheric pressure. The associated temperature at the triple point is about -56 ° C. This means that carbon dioxide is in the gaseous or solid state of aggregation at an atmospheric pressure of around 1 bar and by no means in liquid form. Carbon dioxide can only be liquid under increased pressure of at least 5.18 bar. At atmospheric pressure, carbon dioxide changes from the solid (f) state, also known as dry ice, to the gaseous (g) state while absorbing heat. The working medium sublimates. The line that characterizes the transition from the solid (f) to the gaseous (g) state in the phase diagram is also known as the sublimation line, while the line that characterizes the transition from the liquid (fl) to the gaseous (g) state is called the evaporation line.

Der konventionelle Kaltdampfprozess verläuft im Allgemeinen im Zweiphasengebiet des gasförmigen und flüssigen Zustands des Kältemittels. Um den Prozess mit Kohlendioxid als Kältemittel bei Temperaturen unterhalb von -56°C zu betreiben, ist der Druck innerhalb des Kältemittelkreislaufs auf Werte unterhalb des Tripelpunktes abzusenken. Dabei liegt Kohlendioxid zumindest teilweise als Feststoff beziehungsweise als feste Partikel vor. Das nutzbare Temperaturniveau kann bis auf etwa -78°C oder sogar darunter abgesenkt werden.The conventional cold vapor process generally runs in the two-phase region of the gaseous and liquid state of the refrigerant. In order to operate the process with carbon dioxide as the refrigerant at temperatures below -56 ° C, the pressure within the refrigerant circuit must be reduced to values below the triple point. Carbon dioxide is at least partially in the form of a solid or solid particles. The usable temperature level can be reduced to about -78 ° C or even below.

Im Vergleich zum konventionellen Kaltdampfprozess wird der oberhalb des Tripeldruckes auf der Verdampfungslinie als Verdampfer betriebene Wärmeübertrager beim Betrieb auf der Sublimationslinie und damit unterhalb des Tripeldruckes als Sublimator betrieben. Da das Kohlendioxid beim Übergang von der festen Phase in die gasförmige Phase unter Aufnahme von Wärme sublimiert, wird derart Nutzkälte bereitgestellt.
Die Koexistenz von fester Phase und gasförmiger Phase des Kältemittels kann zum Anlagern von festen Partikeln des Kältemittels an den Wärmeübertragungsflächen des Sublimators sowie zum Agglomerieren von festen Partikeln führen, was wiederum Verengungen des Strömungsquerschnitts oder gar ein Verblocken einzelner Bereiche des Sublimators und damit einen erheblichen Druckverlust des Kältemittels zur Folge haben kann.
Compared to the conventional cold vapor process, the heat exchanger operated as an evaporator above the triple pressure on the evaporation line is operated as a sublimator when operated on the sublimation line and thus below the triple pressure. Since the carbon dioxide sublimes during the transition from the solid phase to the gaseous phase while absorbing heat, useful cooling is provided in this way.
The coexistence of the solid phase and the gaseous phase of the refrigerant can lead to the accumulation of solid particles of the refrigerant on the heat transfer surfaces of the sublimator and to the agglomeration of solid particles, which in turn constricts the flow cross-section or even blocks individual areas of the sublimator and thus a considerable pressure loss of the May result in refrigerant.

Aus 2 geht eine erste Vorrichtung 1, 1a zum Übertragen von Wärme als trocken-betriebene Sublimatoreinheit mit einem ersten Wärmeübertrager 2a mit in Strömungsrichtung des Arbeitsmediums vorgelagerten Expansionsorganen 3-1, 3-2, einem Abscheider 4a zum Abscheiden von festen Partikeln und einem zweiten Wärmeübertrager 10a hervor.Out 2 goes a first device 1 , 1a for transferring heat as a dry-operated sublimator unit with a first heat exchanger 2a with upstream expansion elements in the direction of flow of the working medium 3-1 , 3-2 , a separator 4a for separating solid particles and a second heat exchanger 10a emerged.

Beim Betrieb eines Fluidkreislaufs, insbesondere eines Kältemittelkreislaufs, strömt flüssiges, beispielsweise aus einem Kondensator beziehungsweise Gaskühler oder Sammler austretendes, auf einem Hochdruckniveau vorliegendes Kältemittel, in Strömungsrichtung 8 durch einen ersten Einlass 5 in die Vorrichtung 1a ein. Beim Durchströmen der ersten Expansionsorgane 3-1 wird das in flüssiger Form vorliegende Kältemittel auf ein Druckniveau unterhalb des Tripeldruckes entspannt und anschließend in einen primären Sublimator 2-1a als Abschnitt des ersten Wärmeübertragers 2a eingeleitet. Beim Expandieren wird ein erster Anteil des Kohlendioxids verdampft, welches dem zweiten Anteil die für die Verdampfung erforderliche Wärme entzieht. Der zweite Anteil des Kältemittels wird dabei in den festen Aggregatzustand überführt. Die festen Partikel des Kohlendioxids werden durch den Zerfall des Flüssigkeits-Gas-Strahls durch Scherkräfte in Verbindung mit der Entspannungsverdampfung sowie ein sich daran anschließendes Erstarren der Flüssigkeitstropfen erzeugt.During the operation of a fluid circuit, in particular a refrigerant circuit, liquid refrigerant, for example exiting from a condenser or gas cooler or collector and at a high pressure level, flows in the direction of flow 8th through a first inlet 5 into the device 1a a. When flowing through the first expansion organs 3-1 the refrigerant present in liquid form is expanded to a pressure level below the triple pressure and then in a primary sublimator 2-1a as a section of the first heat exchanger 2a initiated. When expanding, a first portion of the carbon dioxide is evaporated, which extracts the heat required for evaporation from the second portion. The second part of the refrigerant is converted into the solid state of aggregation. The solid particles of carbon dioxide are generated by the disintegration of the liquid-gas jet by shear forces in connection with the flash evaporation and a subsequent solidification of the liquid droplets.

Wenn das Kältemittel bei unterkritischem Betrieb des Kältemittelkreislaufs, wie bei bestimmten Umgebungsbedingungen mit Kohlendioxid unterhalb des kritischen Punktes, verflüssigt wird, wird der entsprechende Wärmeübertrager 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, insbesondere von Kohlendioxid, stetig ab. In diesem Fall wird der Wärmeübertrager auch als Gaskühler bezeichnet.If the refrigerant is liquefied during subcritical operation of the refrigerant circuit, as in certain ambient conditions with carbon dioxide below the critical point, the corresponding heat exchanger is referred to as a condenser. Part of the heat transfer takes place at a constant temperature. With supercritical operation or with supercritical heat dissipation in the heat exchanger, the temperature of the refrigerant, in particular of carbon dioxide, steadily decreases. In this case, the heat exchanger is also referred to as a gas cooler.

Beim Durchströmen des primären Sublimators 2-1a wird das Kältemittel unter Aufnahme von Wärme sublimiert, dabei wird bei einer dem Druck innerhalb des primären Sublimators 2-1a entsprechenden Sublimationstemperatur die Sublimationsenthalpie des Kältemittels genutzt.
Der primäre Sublimator 2-1a als eine erste Komponente des ersten Wärmeübertragers 2a weist mindestens zwei, parallel zueinander mit Kältemittel beaufschlagbare Strömungskanäle auf. Jedem Strömungskanal ist in Strömungsrichtung 8 des Kältemittels ein erstes Expansionsorgan 3-1 vorgelagert. Das erste Expansionsorgan 3-1 ist vorteilhaft jeweils am Einlass des Strömungskanals angeordnet. Das erste Expansionsorgan 3-1 kann beispielsweise als eine Düse mit einem konstanten oder verstellbaren Strömungsquerschnitt oder als ein entsprechend angepasstes Expansionsventil ausgebildet sein. Die Expansion des Kältemittels und damit der Übergang in den festen Aggregatzustand erfolgt in Form eines Expansionskegels innerhalb des Strömungskanals.
Mit dem Anordnen der ersten Expansionsorgane 3-1 jeweils direkt am Einlass eines Strömungskanals und damit dem Verzicht auf zusätzliche Verbindungsleitungen mit zusätzlichen Änderungen des Strömungsquerschnitts zwischen dem ersten Expansionsorgan 3-1 und dem primären Sublimator 2-1a wird einerseits die Gefahr des Verblockens minimiert. Andererseits leisten die festen Partikel des Kältemittels bereits direkt nach der Expansion in den Strömungskanal und damit am Einlass des Strömungskanals einen Beitrag zur Wärmeübertragung. Aufgrund einer Agglomeration der festen Partikel des Kältemittels kann sich der Wärmeübergangskoeffizient in Strömungsrichtung deutlich verringern. Die Agglomeration kann durch eine entsprechend hohe Strömungsgeschwindigkeit des Arbeitsmediums verhindert oder zumindest minimiert werden, da damit die Verweilzeit der festen Partikel im Strömungskanal und somit auch die mögliche Zeit zum Agglomerieren reduziert wird.
When flowing through the primary sublimator 2-1a the refrigerant is sublimed while absorbing heat, with one of the pressure inside the primary sublimator 2-1a corresponding sublimation temperature, the sublimation enthalpy of the refrigerant is used.
The primary sublimator 2-1a as a first component of the first heat exchanger 2a has at least two flow channels that can be acted upon by refrigerant parallel to one another. Each flow channel is in the direction of flow 8th of Refrigerant a first expansion element 3-1 upstream. The first expansion organ 3-1 is advantageously arranged in each case at the inlet of the flow channel. The first expansion organ 3-1 can for example be designed as a nozzle with a constant or adjustable flow cross-section or as a correspondingly adapted expansion valve. The expansion of the refrigerant and thus the transition to the solid state takes place in the form of an expansion cone within the flow channel.
With the arrangement of the first expansion organs 3-1 each directly at the inlet of a flow channel and thus the waiver of additional connecting lines with additional changes in the flow cross-section between the first expansion element 3-1 and the primary sublimator 2-1a on the one hand, the risk of blocking is minimized. On the other hand, the solid particles of the refrigerant already make a contribution to the transfer of heat directly after the expansion into the flow channel and thus at the inlet of the flow channel. Due to an agglomeration of the solid particles of the refrigerant, the heat transfer coefficient can be significantly reduced in the direction of flow. The agglomeration can be prevented or at least minimized by a correspondingly high flow speed of the working medium, since this reduces the dwell time of the solid particles in the flow channel and thus also the possible time for agglomeration.

Anders als bei der konventionellen Auslegung eines Wärmeübertragers für verdampfende Kältemittel wird der Wärmeübertrager 2a hinsichtlich der Leistung, insbesondere der Kälteleistung, nicht durch ein Erweitern des Verhältnisses von Länge zu Durchmesser der hohlkreiszylinderförmigen Strömungskanäle, sondern durch ein Anpassen der Anzahl der parallel zueinander angeordneten Strömungskanäle skaliert.
Zudem kann bei einem Sublimator, auch als Sublimationswärmeübertrager bezeichnet, nicht sichergestellt werden, dass das Kältemittel am Austritt des Wärmeübertragers vollständig sublimiert ist und damit im gasförmigen Zustand vorliegt. Die nicht sublimierten und damit die nicht vom festen in den gasförmigen Zustand übergegangenen festen Partikel werden innerhalb des in Strömungsrichtung 8 dem primären Sublimator 2-1a nachgeschalteten Abscheider 4a, beispielsweise einem Zyklon-Abscheider, auch als Partikelabscheider bezeichnet, von der gasförmigen Fluidströmung separiert.
In contrast to the conventional design of a heat exchanger for evaporating refrigerants, the heat exchanger is 2a with regard to the power, in particular the cooling power, is not scaled by expanding the ratio of length to diameter of the hollow circular cylindrical flow channels, but by adapting the number of flow channels arranged parallel to one another.
In addition, in the case of a sublimator, also referred to as a sublimation heat exchanger, it cannot be ensured that the refrigerant is completely sublimated at the outlet of the heat exchanger and is therefore in the gaseous state. The non-sublimated and thus the solid particles that have not transitioned from the solid to the gaseous state become within the in the direction of flow 8th the primary sublimator 2-1a downstream separator 4a , for example a cyclone separator, also referred to as a particle separator, separated from the gaseous fluid flow.

Die festen Partikel des Kältemittels akkumulieren am Boden beziehungsweise in einem unteren Bereich des Abscheiders 4a und dienen zum Unterkühlen des durch den ersten Einlass 5 in die Vorrichtung 1a einströmenden flüssigen Kältemittels. Dabei wird der zweite, als Unterkühler für das flüssige Kältemittel betriebene Wärmeübertrager 10a einerseits mit dem flüssigen Kältemittel und andererseits mit den aus dem Abscheider 4a entnommenen festen Partikeln des Kältemittels beaufschlagt. Der zweite Wärmeübertrager 10a ist folglich als ein innerer Wärmeübertrager im Kältemittelkreislauf innerhalb des unteren Bereichs des Abscheiders 4a ausgebildet.
Unter dem inneren Wärmeübertrager ist ein kreislaufinterner Wärmeübertrager zu verstehen, welcher der Wärmeübertragung zwischen dem Kältemittel bei Hochdruck und dem Kältemittel bei Niederdruck beziehungsweise bei Sublimationsdruck dient. Dabei werden einerseits das flüssige Kältemittel nach der Kondensation weiter abgekühlt und andererseits feste Partikel des Kältemittels sublimiert.
Nach dem Austritt aus dem zweiten Wärmeübertrager 10a wird einerseits das unterkühlte, flüssige Kältemittel zu den ersten Expansionsorganen 3-1 geleitet, während andererseits die auch beim Unterkühlen des flüssigen Kältemittels nicht sublimierten festen Partikel des Kältemittels aus dem Abscheider 4a abgeleitet werden.
The solid particles of the refrigerant accumulate on the bottom or in a lower area of the separator 4a and serve to subcool the through the first inlet 5 into the device 1a inflowing liquid refrigerant. The second heat exchanger, operated as a subcooler for the liquid refrigerant, is used 10a on the one hand with the liquid refrigerant and on the other hand with the one from the separator 4a removed solid particles of the refrigerant applied. The second heat exchanger 10a is consequently as an internal heat exchanger in the refrigerant circuit within the lower area of the separator 4a educated.
The internal heat exchanger is to be understood as a circuit-internal heat exchanger which serves to transfer heat between the refrigerant at high pressure and the refrigerant at low pressure or at sublimation pressure. On the one hand, the liquid refrigerant is cooled further after the condensation and, on the other hand, solid particles of the refrigerant are sublimed.
After leaving the second heat exchanger 10a On the one hand, the supercooled, liquid refrigerant becomes the first expansion organs 3-1 while, on the other hand, the solid particles of the refrigerant which are not sublimated even when the liquid refrigerant is supercooled from the separator 4a be derived.

Die aus dem Abscheider 4a abgeleiteten festen Partikel des Kältemittels werden mittels einer an einem Auslass des Abscheiders 4a angeordneten Fördervorrichtung 9 in einen sekundären Sublimator 2-2a als eine zweite Komponente des ersten Wärmeübertragers 2a gefördert. Beim Durchströmen des sekundären Sublimators 2-2a werden die festen Partikel des Kältemittels bei einer dem Druck innerhalb des primären Sublimators 2-1a entsprechenden Temperatur unter Aufnahme von Wärme sublimiert. Die nicht sublimierten und damit die nicht vom festen in den gasförmigen Zustand übergegangenen festen Partikel werden dem in Strömungsrichtung 8 des sekundären Sublimators 2-2a nachgeschalteten Abscheider 4a wieder zugeführt.
Die Fördervorrichtung 9 kann beispielsweise als ein Ejektor oder eine gasbetriebene Düse ausgebildet sein. Als Treibmedium wird jeweils gasförmiges Kältemittel auf einem Druckniveau oberhalb des Niederdruckniveaus, das heißt des Sublimationsdruckes, in Strömungsrichtung 8 durch einen zweiten Einlass 6 und ein zweites Expansionsorgan 3-2 zur Fördervorrichtung 9 geleitet. Beim Durchströmen des zweiten Expansionsorgans 3-2 wird das Kältemittel auf ein Druckniveau oberhalb des Niederdrucks beziehungsweise Sublimationsdrucks entspannt, um den Fluidtransport zum sekundären Sublimator 2-2a sicherzustellen.
The ones from the separator 4a The solid particles of the refrigerant are discharged by means of an at an outlet of the separator 4a arranged conveyor 9 into a secondary sublimator 2-2a as a second component of the first heat exchanger 2a promoted. When flowing through the secondary sublimator 2-2a the solid particles of the refrigerant become at one of the pressure inside the primary sublimator 2-1a corresponding temperature sublimed with absorption of heat. The non-sublimated and thus the solid particles that have not changed from the solid to the gaseous state become the in the direction of flow 8th of the secondary sublimator 2-2a downstream separator 4a fed back.
The conveyor 9 can for example be designed as an ejector or a gas-operated nozzle. In each case, gaseous refrigerant at a pressure level above the low pressure level, that is to say the sublimation pressure, is used as the driving medium in the direction of flow 8th through a second inlet 6th and a second expansion device 3-2 to the conveyor 9 directed. When flowing through the second expansion organ 3-2 the refrigerant is expanded to a pressure level above the low pressure or sublimation pressure in order to transport the fluid to the secondary sublimator 2-2a to ensure.

Das aus dem Abscheider 4a durch einen Auslass 7 der Vorrichtung 1a in Strömungsrichtung 8 ausströmende gasförmige Kältemittel wird einem Verdichter des Kältemittelkreislaufs auf dem Niederdruckniveau beziehungsweise Saugdruckniveau zugeführt.That from the separator 4a through an outlet 7th the device 1a in the direction of flow 8th Gaseous refrigerant flowing out is fed to a compressor of the refrigerant circuit at the low pressure level or suction pressure level.

Die 3a und 3b zeigen jeweils eine Anordnung der als Sublimatoreinheit ausgebildeten Vorrichtung 1 aus 2 innerhalb eines Kältemittelkreislaufs 11a mit einstufiger Verdichtung beziehungsweise innerhalb eines Kältemittelkreislaufs 11b mit zweistufiger Verdichtung mit Mitteldruckabscheidung.The 3a and 3b each show an arrangement of the device designed as a sublimator unit 1 out 2 within a Refrigerant circuit 11a with single-stage compression or within a refrigerant circuit 11b with two-stage compression with medium pressure separation.

Beim Betrieb des sehr kompakten und kostengünstigen ersten Kältemittelkreislaufs 11a nach 3a wird das gasförmige Kältemittel auf Niederdruckniveau vom Verdichter 12 durch den Auslass 7 der Vorrichtung 1 aus der Vorrichtung 1 angesaugt und auf das Hochdruckniveau verdichtet. Nach dem Ausströmen aus dem Verdichter 12 wird das Kältemittel durch einen als Kondensator beziehungsweise Gaskühler betriebenen Kreislaufwärmeübertrager 13 geleitet und unter Wärmeabgabe verflüssigt. Der Kreislaufwärmeübertrager 13 kann dabei als Kältemittelluft-Wärmeübertrager ausgebildet sein, sodass die Wärme vom Kältemittel an Luft übertragen wird. Anschließend strömt das auf dem Hochdruckniveau vorliegende, vorzugsweise flüssige Kältemittel durch den ersten Einlass 5 der Vorrichtung 1 in die Vorrichtung 1 ein und wird insbesondere beim Durchströmen der ersten Expansionsorgane 3-1, gemäß der Vorrichtung 1a aus 2, entspannt. Das beim Ausströmen aus der Vorrichtung 1 gasförmig vorliegende Kältemittel wird vom Verdichter 12 angesaugt. Der Kältemittelkreislauf 11a ist geschlossen.
Die Vorrichtung 1 ist zudem über eine Verbindungsleitung zum Hochdruckbereich des Kältemittelkreislaufs 11a im Kältemittelkreislauf 11a eingebunden. Dabei mündet die Verbindungsleitung in eine zwischen dem Verdichter 12, insbesondere dem Auslass des Verdichters 12, und dem Kreislaufwärmeübertrager 13 verlaufende Kältemittelleitung ein und erstreckt sich bis zum zweiten Einlass 6 der Vorrichtung 1. Damit kann das auf Hochdruckniveau verdichtete gasförmige Kältemittel in einen ersten Teilmassenstrom zum Kreislaufwärmeübertrager 13 und einen zweiten Teilmassenstrom zum zweiten Einlass 6 der Vorrichtung 1 aufgeteilt werden. Die nicht dargestellte Fördervorrichtung 9 der Vorrichtung 1 wird bedarfsweise mit auf Hochdruckniveau verdichtetem gasförmigem Kältemittel, auch als Heißgas bezeichnet, betrieben.
When operating the very compact and inexpensive first refrigerant circuit 11a to 3a the gaseous refrigerant is at low pressure level from the compressor 12th through the outlet 7th the device 1 from the device 1 sucked in and compressed to the high pressure level. After flowing out of the compressor 12th the refrigerant is passed through a circuit heat exchanger operated as a condenser or gas cooler 13th conducted and liquefied with the release of heat. The circuit heat exchanger 13th can be designed as a refrigerant air heat exchanger so that the heat is transferred from the refrigerant to air. The refrigerant, preferably liquid, which is present at the high pressure level then flows through the first inlet 5 the device 1 into the device 1 a and is especially when flowing through the first expansion organs 3-1 , according to the device 1a out 2 , relaxed. That when flowing out of the device 1 Gaseous refrigerant is used by the compressor 12th sucked in. The refrigerant circuit 11a is closed.
The device 1 is also via a connection line to the high pressure area of the refrigerant circuit 11a in the refrigerant circuit 11a involved. The connecting line opens into one between the compressor 12th , especially the outlet of the compressor 12th , and the circuit heat exchanger 13th running refrigerant line and extends to the second inlet 6th the device 1 . In this way, the gaseous refrigerant, which is compressed to a high pressure level, can be converted into a first partial mass flow to the circuit heat exchanger 13th and a second partial mass flow to the second inlet 6th the device 1 be divided. The conveyor device, not shown 9 the device 1 is operated with a gaseous refrigerant, also known as hot gas, compressed to a high pressure level, if necessary.

Beim Betrieb des zweiten Kältemittelkreislaufs 11b nach 3b wird das gasförmige Kältemittel auf Niederdruckniveau vom Verdichter 12, insbesondere einer ersten Verdichterstufe 12-1, durch den Auslass 7 der Vorrichtung 1 aus der Vorrichtung 1 angesaugt und auf ein Mitteldruckniveau verdichtet. Anschließend wird das auf das Mitteldruckniveau verdichtete Kältemittel mit einem aus einem Mitteldruckbehälter 14 ausströmenden Teilmassenstrom gasförmigen Kältemittels vermischt und von einer zweiten Verdichterstufe 12-2 angesaugt und auf das Hochdruckniveau verdichtet.
Nach dem Ausströmen aus dem Verdichter 12, insbesondere der zweiten Verdichterstufe 12-2, wird das Kältemittel durch den als Kondensator beziehungsweise Gaskühler betriebenen Kreislaufwärmeübertrager 13 geleitet und unter Wärmeabgabe verflüssigt.
Anschließend wird das auf dem Hochdruckniveau vorliegende, vorzugsweise flüssige Kältemittel beim Durchströmen eines Kreislaufexpansionsorgans 15 auf das Mitteldruckniveau entspannt und strömt als Zwei-Phasen-Gemisch aus Flüssigkeit und Dampf in einen Mitteldruckbehälter 14 ein. Im Mitteldruckbehälter 14, auch als Mitteldruckabscheider bezeichnet, werden die gasförmige Phase und die flüssige Phase des Kältemittels voneinander getrennt.
When operating the second refrigerant circuit 11b to 3b the gaseous refrigerant is at low pressure level from the compressor 12th , in particular a first compressor stage 12-1 , through the outlet 7th the device 1 from the device 1 sucked in and compressed to a medium pressure level. The refrigerant, which has been compressed to the medium pressure level, is then extracted from a medium pressure tank 14th outflowing partial mass flow of gaseous refrigerant mixed and from a second compressor stage 12-2 sucked in and compressed to the high pressure level.
After flowing out of the compressor 12th , especially the second compressor stage 12-2 , the refrigerant is passed through the circuit heat exchanger operated as a condenser or gas cooler 13th conducted and liquefied with the release of heat.
The refrigerant present at the high pressure level, which is preferably liquid, is then used as it flows through a circuit expansion element 15th relaxes to the medium pressure level and flows as a two-phase mixture of liquid and steam into a medium pressure vessel 14th a. In the medium pressure tank 14th , also known as a medium pressure separator, the gaseous phase and the liquid phase of the refrigerant are separated from each other.

Das in flüssiger Phase auf dem Mitteldruckniveau vorliegende Kältemittel strömt aus dem Mitteldruckbehälter 14 aus und durch den ersten Einlass 5 der Vorrichtung 1 in die Vorrichtung 1 ein. Das beim Ausströmen aus der Vorrichtung 1 gasförmig vorliegende Kältemittel wird vom Verdichter 12 angesaugt. Der Kältemittelkreislauf 11b ist geschlossen. Das in gasförmiger Phase auf dem Mitteldruckniveau vorliegende Kältemittel, auch als Flashgas bezeichnet, strömt aus dem Mitteldruckbehälter 14 aus und wird mit dem aus der ersten Verdichterstufe 12-1 ausströmenden Teilmassenstrom gasförmigen Kältemittels vermischt und von der zweiten Verdichterstufe 12-2 angesaugt. Dabei kann das Kältemittel zwischen den Verdichterstufen 12-1, 12-2 zwischengekühlt werden. Das Flashgas kann bei einem kontinuierlichen Verdichtungsprozess, beispielsweise bei Schraubenverdichtern, zwischeneingespritzt werden.
Die Vorrichtung 1 ist zudem über eine Verbindungsleitung zum Mitteldruckbereich des Kältemittelkreislaufs 11b im Kältemittelkreislauf 11b eingebunden. Dabei mündet die Verbindungsleitung in eine zwischen dem Mitteldruckbehälter 14 und dem Verdichter 12, insbesondere zwischen der ersten Verdichterstufe 12-1 und der zweiten Verdichterstufe 12-2 ausgebildete Verbindung ein und erstreckt sich bis zum zweiten Einlass 6 der Vorrichtung 1. Damit kann das auf Mitteldruckniveau vorliegende gasförmige Kältemittel in einen ersten Teilmassenstrom zum Verdichter 12 und einen zweiten Teilmassenstrom zum zweiten Einlass 6 der Vorrichtung 1 aufgeteilt werden. Die nicht dargestellte Fördervorrichtung 9 der Vorrichtung 1 wird bedarfsweise mit auf Mitteldruckniveau vorliegendem gasförmigem Kältemittel betrieben. Da das auf Mitteldruckniveau vorliegende gasförmige Kältemittel eine geringere Temperatur als das im Kältemittelkreislauf 11a nach 3a als Heißgas in die Vorrichtung 1 einströmende gasförmige Kältemittel aufweist, kann der Kältemittelkreislauf 11b nach 3b mit einer höheren energetischen Effizienz als der Kältemittelkreislauf 11a nach 3a betrieben werden.
The refrigerant present in the liquid phase at the medium pressure level flows out of the medium pressure tank 14th out and through the first inlet 5 the device 1 into the device 1 a. That when flowing out of the device 1 Gaseous refrigerant is used by the compressor 12th sucked in. The refrigerant circuit 11b is closed. The refrigerant present in the gaseous phase at the medium pressure level, also known as flash gas, flows out of the medium pressure tank 14th and becomes with the one from the first compressor stage 12-1 outflowing partial mass flow of gaseous refrigerant mixed and from the second compressor stage 12-2 sucked in. The refrigerant can be used between the compressor stages 12-1 , 12-2 be intercooled. The flash gas can be injected in between in a continuous compression process, for example in screw compressors.
The device 1 is also via a connection line to the medium pressure area of the refrigerant circuit 11b in the refrigerant circuit 11b involved. The connecting line opens into one between the medium-pressure tank 14th and the compressor 12th , especially between the first compressor stage 12-1 and the second compressor stage 12-2 formed connection and extends to the second inlet 6th the device 1 . The gaseous refrigerant present at the medium pressure level can thus be converted into a first partial mass flow to the compressor 12th and a second partial mass flow to the second inlet 6th the device 1 be divided. The conveyor device, not shown 9 the device 1 is operated, if necessary, with a gaseous refrigerant at medium pressure level. Because the gaseous refrigerant present at medium pressure level has a lower temperature than that in the refrigerant circuit 11a to 3a as hot gas in the device 1 Having inflowing gaseous refrigerant, the refrigerant circuit can 11b to 3b with a higher energy efficiency than the refrigerant circuit 11a to 3a operate.

Die erste, als trocken-betriebene Sublimatoreinheit ausgebildete Vorrichtung 1a aus 2 weist im ersten Wärmeübertrager 2a, insbesondere im sekundären Sublimator 2-2a, einen reduzierten Wärmeübergangskoeffizienten im Vergleich zu einem Wärmeübertrager mit einem direktverdampfenden Arbeitsmedium, speziell einem als Verdampfer betriebenen Wärmeübertrager, auf. Um die damit verbundene geringere Leistung der Wärmeübertragung zu kompensieren, sind die Wärmeübertragerfläche und der erforderliche Bauraum beziehungsweise Platzbedarf zu vergrößern.
In 4 ist eine zweite Vorrichtung 1, 1b zum Übertragen von Wärme, ähnlich der ersten Vorrichtung 1, 1a aus 2, als trocken-feucht-betriebene Sublimatoreinheit mit einem ersten Wärmeübertrager 2b mit den in Strömungsrichtung 8 des Arbeitsmediums vorgelagerten Expansionsorganen 3-1, 3-2, einem Abscheider 4b zum Abscheiden von festen Partikeln und Trägerflüssigkeit sowie einem zweiten Wärmeübertrager 10b dargestellt.
The first device designed as a dry-operated sublimator unit 1a out 2 points in the first heat exchanger 2a , especially in the secondary sublimator 2-2a , one reduced heat transfer coefficients compared to a heat exchanger with a direct evaporating working medium, especially a heat exchanger operated as an evaporator. In order to compensate for the associated lower heat transfer performance, the heat exchanger surface and the required installation space or space requirements must be increased.
In 4th is a second device 1 , 1b for transferring heat, similar to the first device 1 , 1a out 2 , as a dry-wet operated sublimator unit with a first heat exchanger 2 B with the in the direction of flow 8th expansion organs upstream of the working medium 3-1 , 3-2 , a separator 4b for separating solid particles and carrier liquid as well as a second heat exchanger 10b shown.

Der wesentliche Unterschied zwischen der ersten Vorrichtung 1a gemäß 2 und der zweiten Vorrichtung 1b liegt in der Betriebsweise der zweiten Vorrichtung 1b mit einer Trägerflüssigkeit als trocken-feucht-betriebene Sublimatoreinheit anstelle der Betriebsweise der ersten Vorrichtung 1a als trocken-betriebene Sublimatoreinheit. Dabei sind insbesondere der sekundäre Sublimator 2-2b sowie der Abscheider 4b zumindest teilweise mit der Trägerflüssigkeit mit dem Flüssigkeitsstand 16 befüllt. Der Abscheider 4b dient neben dem Separieren der nicht sublimierten und damit der nicht vom festen in den gasförmigen Zustand übergegangenen festen Partikel auch dem Abscheiden der Trägerflüssigkeit von der gasförmigen Fluidströmung.
Die Trägerflüssigkeit und die festen Partikel des Kältemittels werden am Boden beziehungsweise in einem unteren Bereich des Abscheiders 4b gesammelt und dienen zum Unterkühlen des durch den ersten Einlass 5 in die Vorrichtung 1b einströmenden flüssigen Kältemittels. Der zweite, als Unterkühler für das flüssige Kältemittel betriebene Wärmeübertrager 10b wird folglich einerseits mit dem flüssigen Kältemittel und andererseits mit der aus dem Abscheider 4b entnommenen Mischung aus Trägerflüssigkeit und fester Partikel des Kältemittels beaufschlagt.
Nach dem Austritt aus dem zweiten Wärmeübertrager 10b wird das unterkühlte, flüssige Kältemittel zu den ersten Expansionsorganen 3-1 geleitet. Die im Abscheider 4b abgeschiedene Trägerflüssigkeit wird zusammen mit den auch beim Unterkühlen des flüssigen Kältemittels nicht sublimierten festen Partikeln des Kältemittels durch die beispielsweise als Ejektor oder gasbetriebene Düse ausgebildete Fördervorrichtung 9 in den sekundären Sublimator 2-2b zurückgeführt.
The main difference between the first device 1a according to 2 and the second device 1b lies in the operation of the second device 1b with a carrier liquid as a dry-wet operated sublimator unit instead of the operating mode of the first device 1a as a dry-operated sublimator unit. In particular, the secondary sublimator is included 2-2b as well as the separator 4b at least partially with the carrier liquid with the liquid level 16 filled. The separator 4b In addition to separating the non-sublimated solid particles and thus the solid particles that have not changed from the solid to the gaseous state, it also serves to separate the carrier liquid from the gaseous fluid flow.
The carrier liquid and the solid particles of the refrigerant are at the bottom or in a lower area of the separator 4b collected and used to subcool the through the first inlet 5 into the device 1b inflowing liquid refrigerant. The second heat exchanger operated as a subcooler for the liquid refrigerant 10b is consequently on the one hand with the liquid refrigerant and on the other hand with the one from the separator 4b removed mixture of carrier liquid and solid particles of the refrigerant applied.
After leaving the second heat exchanger 10b the supercooled, liquid refrigerant becomes the first expansion organs 3-1 directed. The one in the separator 4b The separated carrier liquid is transported together with the solid particles of the refrigerant, which are not sublimated even when the liquid refrigerant is undercooled, through the conveying device, which is designed, for example, as an ejector or gas-operated nozzle 9 in the secondary sublimator 2-2b returned.

Mit der Trägerflüssigkeit zur Aufnahme der festen Partikel wird der Vorgang der Wärmeübertragung im sekundären Sublimator 2-2b, insbesondere der Wärmeübergang zur Wandung des sekundären Sublimators 2-2b, verbessert, was zum Verkleinern der Wärmeübertragerfläche und damit der Baugröße beziehungsweise des Platzbedarfs des sekundären Sublimators 2-2b und folglich des ersten Wärmeübertragers 2b im Vergleich zum ersten Wärmeübertrager 2a der ersten Vorrichtung 1a aus 2 führt.The process of heat transfer in the secondary sublimator starts with the carrier liquid for the absorption of the solid particles 2-2b , especially the heat transfer to the wall of the secondary sublimator 2-2b , improved, which leads to the reduction of the heat exchanger surface and thus the size or the space requirement of the secondary sublimator 2-2b and consequently the first heat exchanger 2 B compared to the first heat exchanger 2a the first device 1a out 2 leads.

In 5 ist eine dritte Vorrichtung 1, 1c zum Übertragen von Wärme als feucht-betriebene Sublimatoreinheit mit einem ersten Wärmeübertrager 2c mit zugeordneten Expansionsorganen 3-1, dem Abscheider 4b zum Abscheiden von festen Partikeln und Trägerflüssigkeit sowie dem zweiten Wärmeübertrager 10b gezeigt.In 5 is a third device 1 , 1c for transferring heat as a wet-operated sublimator unit with a first heat exchanger 2c with associated expansion organs 3-1 , the separator 4b for separating solid particles and carrier liquid as well as the second heat exchanger 10b shown.

Beim Betrieb des Fluidkreislaufs, insbesondere des Kältemittelkreislaufs, strömt flüssiges, beispielsweise aus einem Kondensator beziehungsweise Gaskühler oder Sammler austretendes, auf einem Hochdruckniveau vorliegendes Kältemittel, in Strömungsrichtung 8 durch den ersten Einlass 5 in die Vorrichtung 1c ein. Beim Durchströmen der Expansionsorgane 3-1 wird das in flüssiger Form vorliegende Kältemittel auf ein Druckniveau unterhalb des Tripeldruckes entspannt und anschließend in den als Sublimator 2-1c ausgebildeten ersten Wärmeübertrager 2c eingeleitet.
Der Sublimator 2-1c beziehungsweise erste Wärmeübertrager 2c weist mindestens zwei, parallel zueinander mit Kältemittel beaufschlagbare Strömungskanäle auf. In jedem Strömungskanal ist eintrittsseitig ein Expansionsorgan 3-1 vorgesehen, welches innerhalb der den Strömungskanal beaufschlagenden Trägerflüssigkeit angeordnet ist. Die Expansion des Kältemittels und damit der Übergang des Kältemittels in den festen Aggregatzustand erfolgt innerhalb der Strömungskanäle sowie innerhalb der Trägerflüssigkeit. Das verflüssigte Kältemittel wird in die Trägerflüssigkeit hinein expandiert. Das Kältemittel liegt anschließend als Suspension fester Partikel in der Trägerflüssigkeit vor. Der Sublimator 2-1c sowie der Abscheider 4b sind zumindest teilweise mit der Trägerflüssigkeit mit dem Flüssigkeitsstand 16 befüllt.
Beim Durchströmen des Sublimators 2-1c wird das Kältemittel unter Aufnahme von Wärme innerhalb der Trägerflüssigkeit sublimiert, dabei wird bei einer dem Druck innerhalb des Sublimators 2-1c entsprechenden Sublimationstemperatur die Sublimationsenthalpie des Kältemittels genutzt. Die festen Partikel des Kältemittels können innerhalb der Trägerflüssigkeit vollständig sublimieren. Die Trägerflüssigkeit wird dabei abgekühlt. Die entstehende kalte Flüssigkeit mit sublimierenden festen Partikeln des Kältemittels wird entweder mittels einer Fördervorrichtung 17 oder unter Nutzung des Naturumlaufs durch den ersten Wärmeübertrager 2c geleitet. Die Trägerflüssigkeit weist eine geringe Viskosität sowie einen geringen Gefrierpunkt auf und ist vorteilhafterweise nicht toxisch sowie nicht brennbar.
During operation of the fluid circuit, in particular the refrigerant circuit, liquid refrigerant, for example exiting from a condenser or gas cooler or collector and at a high pressure level, flows in the direction of flow 8th through the first inlet 5 into the device 1c a. When flowing through the expansion organs 3-1 the refrigerant present in liquid form is expanded to a pressure level below the triple pressure and then used as a sublimator 2-1c trained first heat exchanger 2c initiated.
The sublimator 2-1c or first heat exchanger 2c has at least two flow channels that can be acted upon by refrigerant parallel to one another. In each flow channel there is an expansion element on the inlet side 3-1 provided, which is arranged within the carrier liquid acting on the flow channel. The expansion of the refrigerant and thus the transition of the refrigerant into the solid aggregate state takes place within the flow channels and within the carrier liquid. The liquefied refrigerant is expanded into the carrier liquid. The refrigerant is then in the form of a suspension of solid particles in the carrier liquid. The sublimator 2-1c as well as the separator 4b are at least partially with the carrier liquid with the liquid level 16 filled.
When flowing through the sublimator 2-1c the refrigerant is sublimated while absorbing heat within the carrier liquid, with one of the pressure inside the sublimator 2-1c corresponding sublimation temperature, the sublimation enthalpy of the refrigerant is used. The solid particles of the refrigerant can sublime completely within the carrier liquid. The carrier liquid is cooled down in the process. The resulting cold liquid with subliming solid particles of the refrigerant is either by means of a conveying device 17th or using the natural circulation through the first heat exchanger 2c directed. The carrier liquid has a low viscosity and a low freezing point and is advantageously non-toxic and non-flammable.

Die Trägerflüssigkeit sowie möglicherweise nicht sublimierte und damit nicht vom festen in den gasförmigen Zustand übergegangene feste Partikel des Kältemittels werden innerhalb des in Strömungsrichtung 8 dem Sublimator 2-1c nachgeschalteten Abscheider 4b von der gasförmigen Fluidströmung separiert. Die Trägerflüssigkeit und die festen Partikel des Kältemittels werden am Boden beziehungsweise in einem unteren Bereich des Abscheiders 4b gesammelt und dienen zum Unterkühlen des durch den ersten Einlass 5 in die Vorrichtung 1c einströmenden flüssigen Kältemittels. Der zweite, als Unterkühler für das flüssige Kältemittel betriebene Wärmeübertrager 10b wird folglich einerseits mit dem flüssigen Kältemittel und andererseits mit der aus dem Abscheider 4b entnommenen Mischung aus Trägerflüssigkeit und fester Partikel des Kältemittels beaufschlagt.
Nach dem Austritt aus dem zweiten Wärmeübertrager 10b wird das unterkühlte, flüssige Kältemittel zu den Expansionsorganen 3-1 geleitet. In einer sich zwischen dem zweiten Wärmeübertrager 10b und den Expansionsorganen 3-1 erstreckenden Verbindungsleitung ist ein Rückschlagventil 18 vorgesehen. Die im Abscheider 4b abgeschiedene Trägerflüssigkeit wird zusammen mit den auch beim Unterkühlen des flüssigen Kältemittels nicht sublimierten festen Partikeln des Kältemittels durch die Fördervorrichtung 17 in den Sublimator 2-1c zurückgeführt. Die Fördervorrichtung 17 kann beispielsweise als eine Pumpe, insbesondere eine Umwälzpumpe, ausgebildet sein.
The carrier liquid as well as possibly non-sublimated and thus not converted from the solid to the gaseous state solid particles of the refrigerant are inside the in the direction of flow 8th the sublimator 2-1c downstream separator 4b separated from the gaseous fluid flow. The carrier liquid and the solid particles of the refrigerant are at the bottom or in a lower area of the separator 4b collected and used to subcool the through the first inlet 5 into the device 1c inflowing liquid refrigerant. The second heat exchanger operated as a subcooler for the liquid refrigerant 10b is consequently on the one hand with the liquid refrigerant and on the other hand with the one from the separator 4b removed mixture of carrier liquid and solid particles of the refrigerant applied.
After leaving the second heat exchanger 10b the supercooled, liquid refrigerant becomes the expansion organs 3-1 directed. In one located between the second heat exchanger 10b and the expansion organs 3-1 extending connecting line is a check valve 18th intended. The one in the separator 4b The separated carrier liquid is transported through the conveying device together with the solid particles of the refrigerant, which are not sublimed even when the liquid refrigerant is undercooled 17th in the sublimator 2-1c returned. The conveyor 17th can for example be designed as a pump, in particular a circulation pump.

Das aus dem Abscheider 4b durch den Auslass 7 der Vorrichtung 1c in Strömungsrichtung 8 ausströmende gasförmige Kältemittel wird einem Verdichter des Kältemittelkreislaufs auf dem Niederdruckniveau beziehungsweise mit dem Saugdruck zugeführtThat from the separator 4b through the outlet 7th the device 1c in the direction of flow 8th Gaseous refrigerant flowing out is fed to a compressor of the refrigerant circuit at the low pressure level or with the suction pressure

Mit der Trägerflüssigkeit zur Aufnahme der festen Partikel wird der Vorgang der Wärmeübertragung bei der Sublimation des Kältemittels im als Sublimator 2-1c ausgebildeten ersten Wärmeübertrager 2c, insbesondere der Wärmeübergang zur Wandung des ersten Wärmeübertragers 2c, verbessert, was zum Verkleinern der Wärmeübertragerfläche und damit der Baugröße beziehungsweise des Platzbedarfs des ersten Wärmeübertragers 2c im Vergleich zum ersten Wärmeübertrager 2b der zweiten Vorrichtung 1b aus 4 führt.
Die wesentlichen Unterschiede zwischen der zweiten Vorrichtung 1b gemäß 4 und der dritten Vorrichtung 1c liegen in der Ausbildung des ersten Wärmeübertragers 2c ohne sekundären Sublimator sowie der Fördervorrichtungen 9, 17 zum Umwälzen der Trägerflüssigkeit mit den festen Partikeln des Kältemittels vom Abscheider 4b in den ersten Wärmeübertrager 2b, 2c. Die dritte Vorrichtung 1c weist einen aus primärem und sekundärem Sublimator kombinierten ersten Wärmeübertrager 2c auf.
The process of heat transfer during the sublimation of the refrigerant is used as a sublimator with the carrier liquid for absorbing the solid particles 2-1c trained first heat exchanger 2c , in particular the heat transfer to the wall of the first heat exchanger 2c , improved, which leads to the reduction of the heat exchanger surface and thus the size or the space requirement of the first heat exchanger 2c compared to the first heat exchanger 2 B the second device 1b out 4th leads.
The main differences between the second device 1b according to 4th and the third device 1c lie in the design of the first heat exchanger 2c without secondary sublimator as well as the conveyors 9 , 17th for circulating the carrier liquid with the solid particles of the refrigerant from the separator 4b in the first heat exchanger 2 B , 2c . The third device 1c has a primary and secondary sublimator combined first heat exchanger 2c on.

Bei einer vorzugsweise vertikalen Ausrichtung der als Wärmeübertragerrohre ausgebildeten Strömungskanäle des Sublimators 2-1c können die Trägerflüssigkeit und die nicht sublimierten festen Partikel des Kältemittels durch die kinetische Energie des primären Feststoff-Gas-Gemisches nach der Expansion und durch die Gewichtskraft der Trägerflüssigkeit umgewälzt werden. Die Fördervorrichtung 17 kann je nach Bedarf optional vorgesehen werden.
Mit dem Eindüsen des Kältemittels in die Trägerflüssigkeit während der Expansion werden innerhalb der Strömungskanäle des ersten Wärmeübertragers 2c hochgradig turbulente Strömungszustände erzeugt und damit der Wärmeübergangskoeffizient sowie folglich der Vorgang des Wärmeübergangs zumindest lokal deutlich erhöht. Zudem bewirkt das Eindüsen des Kältemittels in die Trägerflüssigkeit während der Expansion beim Nutzen des Naturumlaufprinzips zumindest anteilig einen Antrieb zum Umwälzen der Trägerflüssigkeit, sodass auf die zusätzliche Fördervorrichtung 17 möglicherweise verzichtet werden kann.
With a preferably vertical alignment of the flow channels of the sublimator designed as heat exchanger tubes 2-1c the carrier liquid and the non-sublimated solid particles of the refrigerant can be circulated by the kinetic energy of the primary solid-gas mixture after expansion and by the weight of the carrier liquid. The conveyor 17th can be optionally provided as required.
With the injection of the refrigerant into the carrier liquid during the expansion, the flow channels of the first heat exchanger 2c Generates highly turbulent flow conditions and thus the heat transfer coefficient and consequently the process of heat transfer, at least locally, significantly increased. In addition, when the natural circulation principle is used, the injection of the refrigerant into the carrier liquid during expansion causes at least some of the drive to circulate the carrier liquid, so that the additional conveying device is triggered 17th can possibly be dispensed with.

Da die als Sublimatoreinheit ausgebildete dritte Vorrichtung 1c, ähnlich wie eine konventionelle Verdampfereinheit, mit einem Einlass 5 für flüssiges Kältemittel unter hohem Druck, das heißt beispielsweise für Kältemittel auf Hochdruckniveau oder Mitteldruckniveau, und einem Auslass 7 für Kältemittel auf Niederdruckniveau oder Saugdruckniveau ausgebildet ist, ist die Vorrichtung 1c für jegliche, konventionelle Anlagenschaltungen einsetzbar.As the third device designed as a sublimator unit 1c , similar to a conventional evaporator unit, with one inlet 5 for liquid refrigerant under high pressure, i.e. for example for refrigerants at high pressure level or medium pressure level, and an outlet 7th is designed for refrigerants at low pressure level or suction pressure level, the device 1c Can be used for any conventional system switching.

Die als Sublimatoreinheiten ausgebildeten Vorrichtungen 1, 1a, 1b, 1c sind sehr kompakt. Sowohl die Expansion als auch die Sublimation des Kältemittels erfolgen innerhalb von mehreren, parallel zueinander angeordneten Strömungskanälen, insbesondere Wärmeübertragerrohren, welche eine sehr geringe Gefahr des Verblockens aufweisen. Die festen Partikel des Kältemittels werden gleichmäßiger verteilt und die abgedeckte Wärmeübertragungsfläche ist größer als bei einem nach dem Prinzip des Besprühens einer Oberfläche betriebenen Wärmeübertragers.
Unter Berücksichtigung der jeweils unterschiedlichen Charakteristiken in der Wärmeübertragung und Strömungsdynamik wird das Auftrennen der Sublimation von einerseits primären, feinen festen Partikeln und andererseits agglomerierten, groben festen Partikeln gewährleistet, was die erforderliche Wärmeübertragungsfläche gegenüber einem konventionellen Durchlauf-Verdampfer/Sublimator erhöht.
Die Akkumulation nicht sublimierter fester Partikel des Kältemittels erfüllt zudem die Funktion eines integrierten, latenten Kältespeichers.
The devices designed as sublimator units 1 , 1a , 1b , 1c are very compact. Both the expansion and the sublimation of the refrigerant take place within several flow channels arranged parallel to one another, in particular heat exchanger tubes, which have a very low risk of blocking. The solid particles of the refrigerant are distributed more evenly and the covered heat transfer surface is larger than in the case of a heat exchanger operated on the principle of spraying a surface.
Taking into account the different characteristics in the heat transfer and flow dynamics, the separation of the sublimation of primary, fine solid particles on the one hand and agglomerated, coarse solid particles on the other hand is ensured, which increases the heat transfer surface required compared to a conventional once-through evaporator / sublimator.
The accumulation of non-sublimated solid particles of the refrigerant also fulfills the function of an integrated, latent cold store.

BezugszeichenlisteList of reference symbols

1, 1a, 1b, 1c1, 1a, 1b, 1c
Vorrichtungcontraption
2a, 2b, 2c2a, 2b, 2c
erster Wärmeübertragerfirst heat exchanger
2-1a, 2-1c2-1a, 2-1c
(primärer) Sublimator(primary) sublimator
2-2a, 2-2b2-2a, 2-2b
sekundärer Sublimatorsecondary sublimator
3-13-1
(erstes) Expansionsorgan(first) expansion device
3-23-2
zweites Expansionsorgansecond expansion device
4a, 4b4a, 4b
AbscheiderSeparator
55
(erster) Einlass(first) admission
66th
zweiter Einlasssecond inlet
77th
AuslassOutlet
88th
StrömungsrichtungDirection of flow
99
FördervorrichtungConveyor
10a, 10b10a, 10b
zweiter Wärmeübertragersecond heat exchanger
11a, 11b11a, 11b
KältemittelkreislaufRefrigerant circulation
1212th
Verdichtercompressor
12-112-1
erste Verdichterstufefirst compressor stage
12-212-2
zweite Verdichterstufesecond compressor stage
1313th
KreislaufwärmeübertragerCircuit heat exchanger
1414th
MitteldruckbehälterMedium pressure tank
1515th
KreislaufexpansionsorganCirculatory expansion organ
1616
FlüssigkeitsstandFluid level
1717th
FördervorrichtungConveyor
1818th
Rückschlagventilcheck valve
ff
festfirmly
flfl
flüssigliquid
gG
gasförmiggaseous

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION

Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.This list of the documents listed by the applicant was generated automatically and is included solely for the better information of the reader. The list is not part of the German patent or utility model application. The DPMA assumes no liability for any errors or omissions.

Zitierte PatentliteraturPatent literature cited

  • DE 3004114 A1 [0005]DE 3004114 A1 [0005]
  • NL 9401324 A [0006]NL 9401324 A [0006]

Claims (17)

Vorrichtung (1, 1a, 1b, 1c) zum Übertragen von Wärme durch Sublimation eines in einem Fluidkreislauf zirkulierenden Arbeitsmediums mit einem Wärmeübertrager (2a, 2b, 2c) zur Aufnahme von Wärme durch das sublimierende Arbeitsmedium und mindestens einem Expansionsorgan (3-1), dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (1, 1a, 1b, 1c) einen Abscheider (4a, 4b) zum Abscheiden fester Partikel des Arbeitsmediums sowie einen Einlass (5) zum Einströmen flüssigen Arbeitsmediums und einen Auslass (7) zum Ausströmen gasförmigen Arbeitsmediums aufweist, wobei der Einlass (5) und der Auslass (7) jeweils als eine Verbindungsstelle zum Fluidkreislauf ausgebildet sind.Device (1, 1a, 1b, 1c) for transferring heat through sublimation of a working medium circulating in a fluid circuit with a heat exchanger (2a, 2b, 2c) for absorbing heat through the subliming working medium and at least one expansion element (3-1), characterized in that the device (1, 1a, 1b, 1c) has a separator (4a, 4b) for separating solid particles of the working medium as well as an inlet (5) for inflowing liquid working medium and an outlet (7) for outflowing gaseous working medium, wherein the inlet (5) and the outlet (7) are each designed as a connection point to the fluid circuit. Vorrichtung (1, 1a, 1b, 1c) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeübertrager (2a, 2b, 2c) mit parallel zueinander ausgerichteten Strömungskanälen ausgebildet ist und jedem Strömungskanal ein Expansionsorgan (3-1) zugeordnet ist.Device (1, 1a, 1b, 1c) according to Claim 1 , characterized in that the heat exchanger (2a, 2b, 2c) is designed with flow channels aligned parallel to one another and an expansion element (3-1) is assigned to each flow channel. Vorrichtung (1, 1a, 1b) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeübertrager (2a, 2b) einen primären Sublimator (2-1a) und einen sekundären Sublimator (2-2a, 2-2b) aufweist, wobei der primäre Sublimator (2-1a) aus parallel zueinander ausgerichteten Strömungskanälen mit jeweils einem Expansionsorgan (3-1) ausgebildet.Device (1, 1a, 1b) according to Claim 1 or 2 , characterized in that the heat exchanger (2a, 2b) has a primary sublimator (2-1a) and a secondary sublimator (2-2a, 2-2b), the primary sublimator (2-1a) having flow channels aligned parallel to one another each formed with an expansion element (3-1). Vorrichtung (1, 1a, 1b, 1c) nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Expansionsorgan (3-1) jeweils an einem Einlass in den Strömungskanal oder innerhalb des Strömungskanals angeordnet ist.Device (1, 1a, 1b, 1c) according to Claim 2 or 3 , characterized in that the expansion element (3-1) is arranged in each case at an inlet into the flow channel or within the flow channel. Vorrichtung (1, 1a, 1b, 1c) nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungskanäle in horizontaler Richtung oder in vertikaler Richtung ausgerichtet angeordnet sind.Device (1, 1a, 1b, 1c) according to one of the Claims 2 to 4th , characterized in that the flow channels are arranged aligned in the horizontal direction or in the vertical direction. Vorrichtung (1, 1a, 1b) nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungskanäle jeweils in den Abscheider (4a, 4b) einmündend ausgebildet sind.Device (1, 1a, 1b) according to one of the Claims 2 to 5 , characterized in that the flow channels are each designed to open into the separator (4a, 4b). Vorrichtung (1, 1a, 1b, 1c) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen einem Auslass des Abscheiders (4a, 4b) und dem Wärmeübertrager (2a, 2b, 2c) eine Fördervorrichtung (9, 17) zum Fördern von im Abscheider (4a, 4b) aus einer gasförmigen Fluidströmung abgeschiedenen festen Partikeln des Arbeitsmediums angeordnet ist.Device (1, 1a, 1b, 1c) according to one of the Claims 1 to 6th , characterized in that between an outlet of the separator (4a, 4b) and the heat exchanger (2a, 2b, 2c) a conveying device (9, 17) for conveying solid particles of the separated in the separator (4a, 4b) from a gaseous fluid flow Working medium is arranged. Vorrichtung (1, 1a, 1b, 1c) nach einem Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Fördervorrichtung (9, 17) als ein Ejektor oder eine gasbetriebene Düse oder eine Pumpe ausgebildet ist.Device (1, 1a, 1b, 1c) after a Claim 7 , characterized in that the conveying device (9, 17) is designed as an ejector or a gas-operated nozzle or a pump. Vorrichtung (1, 1a, 1b) nach einem Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein Einlass (6) zum Einströmen gasförmigen Arbeitsmediums ausgebildet ist und das in einer sich zwischen dem Einlass (6) und der Fördervorrichtung (9) erstreckenden Verbindungsleitung ein Expansionsorgan (3-2) angeordnet ist.Device (1, 1a, 1b) after a Claim 8 , characterized in that an inlet (6) is designed for the inflow of gaseous working medium and that an expansion element (3-2) is arranged in a connecting line extending between the inlet (6) and the conveying device (9). Vorrichtung (1, 1a, 1b) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb des Abscheiders (4a, 4b) ein Wärmeübertrager (10a, 10b) zum Übertragen von Wärme von durch den Einlass (5) in die Vorrichtung (1, 1a, 1b, 1c) einströmenden flüssigen Arbeitsmedium an aus einer gasförmigen Fluidströmung abgeschiedene feste Partikel des Arbeitsmediums ausgebildet ist, wobei der Wärmeübertrager (10a, 10b) zwischen dem Einlass (5) und dem mindestens einen Expansionsorgan (3-1) angeordnet ist.Device (1, 1a, 1b) according to one of the Claims 1 to 9 , characterized in that inside the separator (4a, 4b) a heat exchanger (10a, 10b) for transferring heat from the liquid working medium flowing through the inlet (5) into the device (1, 1a, 1b, 1c) to a gaseous working medium Fluid flow separated solid particles of the working medium is formed, wherein the heat exchanger (10a, 10b) is arranged between the inlet (5) and the at least one expansion element (3-1). Vorrichtung (1, 1a, 1b, 1c) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Arbeitsmedium Kohlendioxid ist.Device (1, 1a, 1b, 1c) according to one of the Claims 1 to 10 , characterized in that the working medium is carbon dioxide. Kältemittelkreislauf (11a, 11b) mit mindestens einem Verdichter (12) und einem Kreislaufwärmeübertrager (13) zum Abführen von Wärme eines im Kreislauf zirkulierenden Arbeitsmediums, dadurch gekennzeichnet, dass eine Vorrichtung (1, 1a, 1b, 1c) zum Übertragen von Wärme durch Sublimation des Arbeitsmediums nach einem der Ansprüche 1 bis 10 ausgebildet ist, wobei ein Einlass (5) zum Einströmen flüssigen Arbeitsmediums der Vorrichtung (1, 1a, 1b, 1c) mit einem Auslass des Kreislaufwärmeübertragers (13) oder eines Mitteldruckbehälters (14) und ein Auslass (7) zum Ausströmen gasförmigen Arbeitsmediums der Vorrichtung (1, 1a, 1b, 1c) mit einem Einlass des mindestens einen Verdichters (12) verbunden sind.Refrigerant circuit (11a, 11b) with at least one compressor (12) and a circuit heat exchanger (13) for removing heat from a working medium circulating in the circuit, characterized in that a device (1, 1a, 1b, 1c) for transferring heat by sublimation of the working medium according to one of the Claims 1 to 10 is formed, with an inlet (5) for the inflow of the liquid working medium of the device (1, 1a, 1b, 1c) with an outlet of the circuit heat exchanger (13) or a medium-pressure container (14) and an outlet (7) for the outflow of the gaseous working medium of the device (1, 1a, 1b, 1c) are connected to an inlet of the at least one compressor (12). Kältemittelkreislauf (11a, 11b) nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass ein Einlass (6) zum Einströmen gasförmigen Arbeitsmediums der Vorrichtung (1, 1a, 1b) mit einem Auslass des Verdichters (12) oder einem Auslass des Mitteldruckbehälters (14) verbunden ausgebildet ist.Refrigerant circuit (11a, 11b) after Claim 12 , characterized in that an inlet (6) for the inflow of gaseous working medium of the device (1, 1a, 1b) is connected to an outlet of the compressor (12) or an outlet of the medium-pressure container (14). Verfahren zum Betreiben einer Vorrichtung (1, 1a, 1b, 1c) zum Übertragen von Wärme durch Sublimation eines in einem Fluidkreislauf zirkulierenden Arbeitsmediums nach einem der Ansprüche 1 bis 10, aufweisend folgende Schritte: - Entspannen von durch einen Einlass (5) in die (Vorrichtung 1, 1a, 1b, 1c) eingeleiteten flüssigen Arbeitsmediums beim Durchströmen von mindestens einem Expansionsorgan (3-1) auf ein Druckniveau unterhalb des Tripeldruckes und Erzeugen fester Partikel während des Einleitens des Arbeitsmediums in einen Wärmeübertrager (2a, 2b, 2c) zur Aufnahme von Wärme durch das sublimierende Arbeitsmedium, - Sublimieren fester Partikel des Arbeitsmediums beim Durchströmen des Wärmeübertragers (2a, 2b, 2c) unter Aufnahme von Wärme, - Einleiten des Arbeitsmediums in einen Abscheider (4a, 4b) und Separieren nicht sublimierter fester Partikel von einer gasförmigen Fluidströmung, - Ableiten des gasförmigen Arbeitsmediums durch einen Auslass (7) und der festen Partikel aus dem Abscheider (4a, 4b) sowie - Fördern der festen Partikel des Arbeitsmediums in den Wärmeübertrager (2a, 2b, 2c).Method for operating a device (1, 1a, 1b, 1c) for transferring heat by sublimation of a working medium circulating in a fluid circuit according to one of the Claims 1 to 10 , having the following steps: - Relaxation of liquid working medium introduced through an inlet (5) into the (device 1, 1a, 1b, 1c) when flowing through at least one expansion element (3-1) to a pressure level below the triple pressure and generating solid particles during the introduction of the working medium into a heat exchanger (2a, 2b, 2c) for the absorption of heat by the subliming working medium, - sublimation of solid particles of the working medium when flowing through the heat exchanger (2a, 2b, 2c) with absorption of heat, - introduction of the working medium into a separator (4a, 4b) and separating non-sublimated solid particles from a gaseous fluid flow, - diverting the gaseous working medium through an outlet (7) and the solid particles from the separator (4a, 4b) and - conveying the solid particles of the working medium into the heat exchanger (2a, 2b, 2c). Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass das durch den Einlass (5) in die Vorrichtung (1, 1a, 1b, 1c) einströmende flüssige Arbeitsmedium vor dem Entspannen innerhalb des Abscheiders (4a, 4b) unterkühlt wird, wobei die Wärme vom flüssigen Arbeitsmedium an feste Partikel des Arbeitsmediums übertragen wird, welche sublimieren.Procedure according to Claim 14 , characterized in that the liquid working medium flowing into the device (1, 1a, 1b, 1c) through the inlet (5) is subcooled before the expansion inside the separator (4a, 4b), the heat being transferred from the liquid working medium to solid particles of the working medium is transferred, which sublimate. Verfahren nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass die im Abscheider (4b) von der gasförmigen Fluidströmung separierten festen Partikel in einer Trägerflüssigkeit zum Wärmeübertrager (2b, 2c) gefördert werden, wobei der Wärmeübertrager (2b, 2c) sowie der Abscheider (4b) zumindest bereichsweise mit der Trägerflüssigkeit befüllt sind und im Abscheider (4b) die nicht sublimierten festen Partikel und die Trägerflüssigkeit von der gasförmigen Fluidströmung separiert werden.Procedure according to Claim 14 or 15th , characterized in that the solid particles separated from the gaseous fluid flow in the separator (4b) are conveyed in a carrier liquid to the heat exchanger (2b, 2c), the heat exchanger (2b, 2c) and the separator (4b) at least partially with the carrier liquid are filled and the non-sublimated solid particles and the carrier liquid are separated from the gaseous fluid flow in the separator (4b). Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass das flüssige Arbeitsmedium beim Durchströmen des mindestens einen Expansionsorgans (3-1) in einer Trägerflüssigkeit entspannt wird, wobei das Arbeitsmedium anschließend unter Aufnahme von Wärme innerhalb der Trägerflüssigkeit sublimiert und die Trägerflüssigkeit abgekühlt wird.Method according to one of the Claims 14 to 16 , characterized in that the liquid working medium is expanded in a carrier liquid as it flows through the at least one expansion element (3-1), the working medium then subliming while absorbing heat within the carrier liquid and cooling the carrier liquid.
DE102019126214.3A 2019-09-27 2019-09-27 Device for transferring heat in a fluid circuit and method for operating the device Pending DE102019126214A1 (en)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102019126214.3A DE102019126214A1 (en) 2019-09-27 2019-09-27 Device for transferring heat in a fluid circuit and method for operating the device
PCT/DE2020/100818 WO2021058061A1 (en) 2019-09-27 2020-09-22 Device for transferring heat in a fluid circuit and method for operating the device

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102019126214.3A DE102019126214A1 (en) 2019-09-27 2019-09-27 Device for transferring heat in a fluid circuit and method for operating the device

Publications (1)

Publication Number Publication Date
DE102019126214A1 true DE102019126214A1 (en) 2021-04-01

Family

ID=72659575

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
DE102019126214.3A Pending DE102019126214A1 (en) 2019-09-27 2019-09-27 Device for transferring heat in a fluid circuit and method for operating the device

Country Status (2)

Country Link
DE (1) DE102019126214A1 (en)
WO (1) WO2021058061A1 (en)

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE3004114A1 (en) * 1979-04-18 1980-11-06 Liquid Carbonic De Espana S A Low temperatures produced for refrigeration - where solidified carbon di:oxide is suspended in liq. and fed through evaporator-sublimator located in cold chamber
NL9401324A (en) * 1994-08-16 1996-04-01 Urenco Nederland Bv Cooling process and cooling installation
US20020148246A1 (en) * 2001-04-11 2002-10-17 Fmc Corporation Two-stage refrigeration system
DE69728790T2 (en) * 1996-11-15 2004-10-07 Frigoscandia Equipment Ab Hels REFRIGERATION UNIT USING A SLUDGE OF SOLID PARTICLES IN A LIQUID
US20150168025A1 (en) * 2012-07-13 2015-06-18 L'Air Liquide, Société Anonyme pour l'Etude et I'Exploitation des Procédés Georges Claude Method and apparatus for vaporising carbon dioxide-rich liquid

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU1366819A1 (en) * 1986-03-11 1988-01-15 Омский политехнический институт Refrigerating unit
DE102015118105B4 (en) * 2015-10-23 2019-05-09 Technische Universität Dresden Method and apparatus for operating a refrigeration cycle with a sublimator for carbon dioxide as a refrigerant

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE3004114A1 (en) * 1979-04-18 1980-11-06 Liquid Carbonic De Espana S A Low temperatures produced for refrigeration - where solidified carbon di:oxide is suspended in liq. and fed through evaporator-sublimator located in cold chamber
NL9401324A (en) * 1994-08-16 1996-04-01 Urenco Nederland Bv Cooling process and cooling installation
DE69728790T2 (en) * 1996-11-15 2004-10-07 Frigoscandia Equipment Ab Hels REFRIGERATION UNIT USING A SLUDGE OF SOLID PARTICLES IN A LIQUID
US20020148246A1 (en) * 2001-04-11 2002-10-17 Fmc Corporation Two-stage refrigeration system
US20150168025A1 (en) * 2012-07-13 2015-06-18 L'Air Liquide, Société Anonyme pour l'Etude et I'Exploitation des Procédés Georges Claude Method and apparatus for vaporising carbon dioxide-rich liquid

Also Published As

Publication number Publication date
WO2021058061A1 (en) 2021-04-01

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP2244040B1 (en) Flashgas removal from a receiver in a refrigeration circuit
DE102005038858B4 (en) Steam compression circuit with ejector pump
DE102012204405B4 (en) REFRIGERANT DISTRIBUTOR AND REFRIGERATION CIRCUIT DEVICE
DE102006014867B4 (en) Ejector cooling circuit
DE102004036718B4 (en) Steam compression type refrigerating machine
DE102006038061A1 (en) Cooling circuit formation with ejector
DE112015004059T5 (en) centrifugal chiller
DE102007037917A1 (en) Refrigerant cycle device with ejector
DE102019201427B4 (en) Method for operating a refrigerant circuit of a refrigeration system of a vehicle
DE10321196A1 (en) Gas / liquid separator and ejector cooling circuit using it
EP4244548A2 (en) Temperature control system and method for operating a temperature control system
EP3365615B1 (en) Method and device for operating a refrigeration circuit with a sublimator for carbon dioxide as a coolant
EP3099985B1 (en) Refrigeration plant
DE102015111183B4 (en) Circulation process for the provision of refrigeration with carbon dioxide as a refrigerant and refrigeration system for carrying out the process
DE102019126214A1 (en) Device for transferring heat in a fluid circuit and method for operating the device
DE102019127488A1 (en) Fluid circuit and method of operating the fluid circuit
US3534564A (en) Refrigerant purifying means
DE102008011255A1 (en) Air conditioning system i.e. compression refrigerator, for automobile, has accumulator with super saturation device, and circulation medium present at nozzle outlet in single-phase aggregate condition when medium enters into passage
DE10001470A1 (en) Method for operating climate control in vehicles involves connecting precipitate collector in on input side of evaporator which is mainly loaded with coolant from same
WO2009065233A1 (en) System for refrigeration, heating or air-conditioning technology, particularly refrigeration systems
DE10140630A1 (en) Cooling plant for motor vehicles has coolant expansion elements and heat accumulator with two operating modes
DE19748083A1 (en) Expansion device for working medium using vortex tube
DE102019111309A1 (en) Ejector-based cooling system and cooling method
EP3973242A1 (en) Heat exchanger and cooling method
DE102020118437B4 (en) Use of a heat transfer fluid, refrigeration system and method for its operation

Legal Events

Date Code Title Description
R012 Request for examination validly filed
R016 Response to examination communication