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 PDFInfo
- 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
Links
Images
Classifications
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
- F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
- F25B9/00—Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point
- F25B9/002—Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point characterised by the refrigerant
- F25B9/008—Compression 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
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
- F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
- F25B39/00—Evaporators; Condensers
- F25B39/02—Evaporators
- F25B39/028—Evaporators having distributing means
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
- F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
- F25B41/00—Fluid-circulation arrangements
- F25B41/40—Fluid line arrangements
- F25B41/42—Arrangements for diverging or converging flows, e.g. branch lines or junctions
- F25B41/48—Arrangements 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
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
- F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
- F25B2400/00—General 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
- F25B2400/13—Economisers
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
- F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
- F25B2400/00—General 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
- F25B2400/23—Separators
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
Aus der
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.
- - 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.
- - 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 aus2 innerhalb eines Kältemittelkreislaufs mit einstufiger Verdichtung, -
3b : eine Anordnung der Sublimatoreinheit aus2 innerhalb eines Kältemittelkreislaufs mit zweistufiger Verdichtung mit Mitteldruckabscheidung, -
4 : eine zweite Vorrichtung zum Übertragen von Wärme, ähnlich der ersten Vorrichtung aus2 , 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.
-
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 unit2 within a refrigerant circuit with single-stage compression, -
3b : an arrangement of the sublimator unit2 within a refrigerant circuit with two-stage compression with medium pressure separation, -
4th : a second device for transferring heat, similar to the first device from2 , 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
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
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
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
Der primäre Sublimator
Mit dem Anordnen der ersten Expansionsorgane
The primary sublimator
With the arrangement of the first expansion organs
Anders als bei der konventionellen Auslegung eines Wärmeübertragers für verdampfende Kältemittel wird der Wärmeübertrager
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
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
Die festen Partikel des Kältemittels akkumulieren am Boden beziehungsweise in einem unteren Bereich des Abscheiders
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
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
Die aus dem Abscheider
Die Fördervorrichtung
The
Das aus dem Abscheider
Die
Beim Betrieb des sehr kompakten und kostengünstigen ersten Kältemittelkreislaufs
Die Vorrichtung
The device
Beim Betrieb des zweiten Kältemittelkreislaufs
Nach dem Ausströmen aus dem Verdichter
Anschließend wird das auf dem Hochdruckniveau vorliegende, vorzugsweise flüssige Kältemittel beim Durchströmen eines Kreislaufexpansionsorgans
After flowing out of the compressor
The refrigerant present at the high pressure level, which is preferably liquid, is then used as it flows through a circuit expansion element
Das in flüssiger Phase auf dem Mitteldruckniveau vorliegende Kältemittel strömt aus dem Mitteldruckbehälter
Die Vorrichtung
The device
Die erste, als trocken-betriebene Sublimatoreinheit ausgebildete Vorrichtung
In
In
Der wesentliche Unterschied zwischen der ersten Vorrichtung
Die Trägerflüssigkeit und die festen Partikel des Kältemittels werden am Boden beziehungsweise in einem unteren Bereich des Abscheiders
Nach dem Austritt aus dem zweiten Wärmeübertrager
The carrier liquid and the solid particles of the refrigerant are at the bottom or in a lower area of the
After leaving the
Mit der Trägerflüssigkeit zur Aufnahme der festen Partikel wird der Vorgang der Wärmeübertragung im sekundären Sublimator
In
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
Der Sublimator
Beim Durchströmen des Sublimators
The sublimator
When flowing through the sublimator
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
Nach dem Austritt aus dem zweiten Wärmeübertrager
After leaving the
Das aus dem Abscheider
Mit der Trägerflüssigkeit zur Aufnahme der festen Partikel wird der Vorgang der Wärmeübertragung bei der Sublimation des Kältemittels im als Sublimator
Die wesentlichen Unterschiede zwischen der zweiten Vorrichtung
The main differences between the second device
Bei einer vorzugsweise vertikalen Ausrichtung der als Wärmeübertragerrohre ausgebildeten Strömungskanäle des Sublimators
Mit dem Eindüsen des Kältemittels in die Trägerflüssigkeit während der Expansion werden innerhalb der Strömungskanäle des ersten Wärmeübertragers
With the injection of the refrigerant into the carrier liquid during the expansion, the flow channels of the
Da die als Sublimatoreinheit ausgebildete dritte Vorrichtung
Die als Sublimatoreinheiten ausgebildeten Vorrichtungen
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
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)
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)
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)
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 |
-
2019
- 2019-09-27 DE DE102019126214.3A patent/DE102019126214A1/en active Pending
-
2020
- 2020-09-22 WO PCT/DE2020/100818 patent/WO2021058061A1/en active Application Filing
Patent Citations (5)
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 |