DE102019127488A1 - Fluidkreislauf und Verfahren zum Betreiben des Fluidkreislaufs - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Fluidkreislauf (1a, 1b, 1c, 1d, 1e, 1f, 1g, 1h) zum Übertragen von Wärme durch Phasenübergang eines im Fluidkreislauf (1a, 1b, 1c, 1d, 1e, 1f, 1g, 1h) zirkulierenden Arbeitsmediums. Der Fluidkreislauf (1a, 1b, 1c, 1d, 1e, 1f, 1g, 1h) weist mindestens einen Verdichter (2, 2-1, 2-2), einen ersten Wärmeübertrager (3) zur Abgabe von Wärme durch das Arbeitsmedium und einen zweiten Wärmeübertrager (5) zur Aufnahme von Wärme durch das Arbeitsmedium auf. Der Fluidkreislauf (1a, 1b, 1c, 1d, 1e, 1f, 1g, 1h) ist zudem mit einer Mischvorrichtung (4a, 4h) zum Mischen einer Trägerflüssigkeit mit dem Arbeitsmedium sowie einem Abscheider (6a, 6e) zum Abscheiden der Trägerflüssigkeit aus einer gasförmigen Fluidströmung ausgebildet. Die Mischvorrichtung (4a, 4h) ist in Strömungsrichtung des Arbeitsmediums vor dem zweiten Wärmeübertrager (5) angeordnet, während der Abscheider (6a, 6e) in Strömungsrichtung des Arbeitsmediums nach dem zweiten Wärmeübertrager (5) angeordnet ist. Die Trägerflüssigkeit ist nicht brennbar. Eine Stoffpaarung aus Trägerflüssigkeit und Arbeitsmedium ist vollständig nicht mischbar oder die Stoffpaarung weist bei zumindest einer Teilmischbarkeit beim Phasenübergang einen Temperaturgleit auf.Die Erfindung betrifft zudem ein Verfahren zum Betreiben eines Fluidkreislaufs (1a, 1b, 1c, 1d, 1e, 1f, 1g, 1h).

Description

• Die Erfindung betrifft einen Fluidkreislauf zum Übertragen von Wärme durch Phasenübergang eines im Fluidkreislauf zirkulierenden Arbeitsmediums, insbesondere für das Bereitstellen von Kälte durch Verdampfen oder Sublimation des Arbeitsmediums. Der Fluidkreislauf weist mindestens einen Verdichter, einen ersten Wärmeübertrager zur Abgabe von Wärme durch das Arbeitsmedium und einen zweiten Wärmeübertrager zur Aufnahme von Wärme durch das Arbeitsmedium auf. Die Erfindung betrifft zudem Verfahren zum Betreiben des Fluidkreislaufs.
• Die Herausforderung zum Bereitstellen von Kälte, beispielsweise als eine von einem in einem Fluidkreislauf zirkulierenden Kältemittel aufzunehmende Wärmeleistung innerhalb einer im Fluidkreislauf integrierten Vorrichtung, bei Temperaturen unterhalb von -50°C mittels umweltschonender Fluide liegt unter anderem in der Sublimation beziehungsweise der Brennbarkeit des Kältemittels. So kann zum Beispiel Kohlendioxid als Kältemittel zur Aufnahme von Wärme bei Temperaturen unterhalb von -50°C lediglich innerhalb eines Gemisches mit mindestens einem weiteren Fluid oder bei einem Phasenübergang vom festen in den gasförmigen Aggregatzustand bei Drücken unterhalb des Tripeldruckes, auch als Sublimation bezeichnet, verwendet werden.
• Für das Bereitstellen von Kälte bei Temperaturen unterhalb von -50°C werden herkömmlich Kältemittel verwendet, die entweder hochentzündlich sind oder ein extrem hohes Treibhauspotential aufweisen und folglich gewissen Restriktionen unterliegen. Derartige Kältemittel können aufgrund der Brennbarkeit oder des hohen Treibhauspotentials nicht, oder nicht mehr, eingesetzt werden.
• Zudem sind Komponenten zum Einsetzen derartiger Kältemittel gegenüber klassischen Anlagen deutlich zu modifizieren, was hohe Aufwände hinsichtlich der technischen Umsetzung erforderlich macht. Als alternative Ansätze sind sogenannte Naturumlauf-Systeme bekannt, in welchen infolge von auftretenden Dichteunterschieden eine Trägerflüssigkeit transportiert wird.
• Aus dem Stand der Technik sind Fluidkreisläufe mit trockener und feuchter Sublimation des Kältemittels bekannt, welche die Verwendung von Kohlendioxid bei Temperaturen unterhalb der Tripeltemperatur als Temperatur am Tripelpunkt erlauben. Eine unvollständige Sublimation grober, fester Partikel des Kältemittels birgt beispielsweise die Gefahr eines Verblockens eines Strömungskanals eines als ein mit einem sublimierenden Kältemittel beaufschlagten Wärmeübertragers und als einer Vorrichtung zum Übertragen von Wärme, auch als Sublimator oder Sublimationswärmeübertrager bezeichnet, oder einer zwischen Komponenten des Fluidkreislaufs angeordneten Verbindungsleitung durch wachsende Kristallstrukturen. Zudem können die festen Partikel des Kältemittels zur Beschädigung des Verdichters des Fluidkreislaufs führen. Der unvollständigen Sublimation der festen Partikel kann mit einer größeren Verweilzeit innerhalb des Sublimators begegnet werden.
  Mit dem Vergrößern der Länge der Leitungen und damit der Verweilzeit der festen Partikel des Kältemittels innerhalb der Leitung ist jedoch auch ein großer Überhitzungsbereich des Kältemittels in Form der Länge der Überhitzungsstrecke innerhalb des Wärmeübertragers zu berücksichtigen. Die notwendige Überhitzung des Kältemittels, das heißt die Temperatur als Regelgröße, insbesondere zum Schutz des Verdichters, ist nur sehr schwer einstellbar. Da das Sublimieren der festen Partikel des Kältemittels einen längeren Zeitraum beansprucht, kann das Kältemittel als Gemisch aus Gas und festen Partikeln vorliegen, während die Gasphase des Kältemittels Temperaturen deutlich oberhalb der Sublimationstemperatur aufweist. Der längere Transportweg der festen Partikel verursacht höhere Druckverluste und wirkt sich zudem erschwerend auf die Regelung des Fluidkreislaufs aus.
• Zudem ist der Wärmeübergangskoeffizient beim Vorgang der Sublimation des Kältemittels innerhalb des Wärmeübertragers geringer als der Wärmeübergangskoeffizient des gleichen Kältemittels 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 folglich einen größeren Platzbedarf als ein Verdampfer auf, welcher mit einem verdampfenden Kältemittel durchströmt wird. Mit der größeren Länge der Leitungen ist zudem aufgrund des thermodynamischen Einflusses die Gesamteffizienz der Kältemaschine verringert.
• Aus dem Stand der Technik ist zudem bekannt, das zu sublimierende Kältemittel mit einem Sekundärfluid zu mischen, um derart den Wärmeübergangskoeffizienten zu erhöhen und den Wärmeübergang zu verbessern sowie die Gefahr des Verblockens durch feste Partikel zu verringern. Um ein Verschleppen des Trägerfluides im Fluidkreislauf zu vermeiden, ist ein Flüssigkeitsabscheider vorzusehen.
  Bei der feuchten Sublimation mit Kohlendioxid wird herkömmlich brennbare Trägerflüssigkeit, in welcher das Kohlendioxid als Kältemittel zur Aufnahme der Wärme sublimiert, verwendet, was aufgrund der Brennbarkeit aus oben genannten Gründen für viele technische Anwendungen nicht einsetzbar ist. Zudem sind die bekannten Bauarten der Sublimatoren für viele technische Anwendungen ungeeignet.
• 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 energetisch und kostenintensive Aufwendungen erforderlich, um die Trägerflüssigkeit bereitzustellen und die Suspension im Fluidkreislauf zu führen. Die Anlage ist zudem sehr schwer zu dimensionieren.
• 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 Trägerluid 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.
• Aus der EP 2 667 116 A1 gehen eine Vorrichtung und ein Verfahren zum indirekten Kühlen mit einem kryogenen Fluid, wie Kohlendioxid, hervor. Beim Kühlen eines Mediums auf tiefe Temperaturen, speziell auf Temperaturen im Bereich von -56°C bis -85°C, wird ein unter Druck stehendes flüssiges Trägerfluid, beispielsweise Ethanol, mit flüssigem Kohlendioxid vermischt und das flüssige Gemisch unter Abkühlen entspannt. Anschließend werden bei der Entspannung entstandenes gasförmiges Kohlendioxid vom flüssigen Trägerfluid separiert, das flüssige Trägerfluid erneut unter Druck gesetzt und mit dem flüssigen Kohlendioxid vermischt. Das entspannte Gemisch beziehungsweise das vom gasförmigen Kohlendioxid separierte Trägerfluid werden zur Aufnahme von Wärme vom zu kühlenden Medium eingesetzt.
  Aufgrund einer unzureichenden Mischung des Kohlendioxids mit Ethanol als brennbare Trägerflüssigkeit wird das Kohlendioxid mit Beginn der Expansion fest, es sublimiert. Die Kälteleistung der Vorrichtung wird über die Leistung der Pumpe beziehungsweise den Druck des Kältemittels variiert.
• Die Aufgabe der Erfindung besteht in der Bereitstellung eines flexibel einsetzbaren Fluidkreislaufs mit einem darin zirkulierenden Arbeitsmedium und eines Verfahrens zum Betreiben des Fluidkreislaufs zum Erzeugen einer Kälteleistung. Dabei soll die Kälte auf einem Temperaturniveau beziehungsweise Druckniveau unterhalb des Tripelpunktes des Arbeitsmediums genutzt werden. Die Vorrichtung soll zuverlässig und sicher, insbesondere ohne die Gefahr des Verblockens durch feste Partikel des Arbeitsmediums, effizient betrieben und einfach geregelt werden können. Dabei soll ein Stoffgemisch aus umweltverträglichen, nicht-brennbaren Fluiden einsetzbar sein.
• Die Aufgabe wird durch die Gegenstände mit den Merkmalen der selbstständigen Patentansprüche gelöst. Weiterbildungen sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.
• Die Aufgabe wird durch einen erfindungsgemäßen Fluidkreislauf zum Übertragen von Wärme durch Phasenübergang eines im Fluidkreislauf zirkulierenden Arbeitsmediums, insbesondere für das Bereitstellen von Kälte durch Verdampfen oder Sublimieren des Arbeitsmediums, gelöst. Der Fluidkreislauf weist mindestens einen Verdichter, einen ersten Wärmeübertrager zur Abgabe von Wärme durch das Arbeitsmedium und einen zweiten Wärmeübertrager zur Aufnahme von Wärme durch das Arbeitsmedium auf.
• Nach der Konzeption der Erfindung ist der Fluidkreislauf mit einer Mischvorrichtung zum Mischen einer Trägerflüssigkeit mit dem Arbeitsmedium und einem Abscheider zum Abscheiden der Trägerflüssigkeit aus einer gasförmigen Fluidströmung ausgebildet. Die Mischvorrichtung ist in Strömungsrichtung des Arbeitsmediums vor dem zweiten Wärmeübertrager, insbesondere zwischen dem ersten Wärmeübertrager und dem zweiten Wärmeübertrager, angeordnet, während der Abscheider in Strömungsrichtung des Arbeitsmediums nach dem zweiten Wärmeübertrager, insbesondere zwischen dem zweiten Wärmeübertrager und dem Verdichter, angeordnet ist. Die Trägerflüssigkeit ist erfindungsgemäß nicht brennbar und ist in einer Stoffpaarung aus Trägerflüssigkeit und Arbeitsmedium entweder vollständig nicht mischbar oder weist bei zumindest einer Teilmischbarkeit als Arbeitsmediumgemisch beim Phasenübergang einen Temperaturgleit auf.
• Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist die Mischvorrichtung als eine Fördervorrichtung oder in Verbindung mit einer Fördervorrichtung zum Einstellen eines Mischungsverhältnisses der Stoffpaarung aus Arbeitsmedium und Trägerflüssigkeit und damit zum Einstellen der Erstarrungstemperatur der Stoffpaarung derart ausgebildet, die Trägerflüssigkeit aus dem Abscheider anzusaugen und die Stoffpaarung durch den zweiten Wärmeübertrager zu fördern.
  Nach einer ersten alternativen Ausgestaltung der Erfindung ist die Mischvorrichtung als ein Ejektor oder als eine gasbetriebene Düse ausgebildet, während die Mischvorrichtung nach einer zweiten alternativen Ausgestaltung der Erfindung als eine Mischkammer und die Fördervorrichtung als eine Pumpe ausgebildet sind.
• Als im Fluidkreislauf zirkulierendes Arbeitsmedium, insbesondere Kältemittel, ist vorzugsweise Kohlendioxid vorgesehen. Die Trägerflüssigkeit kann Pentafluorethan (R125) oder ein Kältemittelgemisch (R410) aus den Komponenten Difluormethan (R32) und Pentafluorethan (R125) oder ein Schmierstoff für den Verdichter sein. Dabei werden erweiterte Temperaturbereiche unterhalb des spezifischen Tripelpunktes, abhängig von der Wahl des Arbeitsmediums, nutzbar. Es werden Arbeitsmedien in Betracht gezogen, deren Tripelpunktdruck 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 bezeichnet, ermöglicht der erfindungsgemäße Fluidkreislauf die Kälteerzeugung bei Temperaturen unterhalb von -50 °C.
• Mit der Ausbildung der Trägerflüssigkeit als Schmierstoff für den Verdichter kann auch die Anzahl erforderlicher Abscheider verringert werden.
  Als im Fluidkreislauf zirkulierendes Arbeitsmedium ist beispielsweise ein Kältemittel, wie Kohlendioxid, beziehungsweise ein Kältemittelgemisch, zu verstehen. Das Arbeitsmedium kann zumindest in Bereichen des Fluidkreislaufes als Komponente eines Arbeitsmediumgemisches oder eines Trägergemisches vorliegen. Beim Arbeitsmediumgemisch zirkulieren das Arbeitsmedium beziehungsweise das Kältemittel und zumindest Anteile der Trägerflüssigkeit gemeinsam durch den Fluidkreislauf und damit durch die Wärmeübertrager. Dabei wird beim Arbeitsmediumgemisch auch die Trägerflüssigkeit bei Vorgängen der Wärmeübertragung, insbesondere zur Aufnahme beziehungsweise Abgabe von Wärme, genutzt. Beim Trägergemisch wird die Trägerflüssigkeit lediglich durch den zweiten Wärmeübertrager, den Abscheider und die Mischvorrichtung des Fluidkreislaufs gefördert. Ausschließlich das Arbeitsmedium zirkuliert im übrigen Fluidkreislauf und wird zu den Vorgängen der Wärmeübertragung, insbesondere zur Aufnahme beziehungsweise Abgabe von Wärme, genutzt.
• Nach einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist der zweite Wärmeübertrager derart ausgebildet, je nach Mischungsverhältnis der Stoffpaarung aus Arbeitsmedium und Trägerflüssigkeit als Verdampfer des Arbeitsmediums, insbesondere des Kältemittels, oder als feuchter Sublimator betrieben zu werden. Im feuchten Sublimator liegt das Arbeitsmedium beziehungsweise Kältemittel in Form von festen Partikeln innerhalb der Trägerflüssigkeit vor. Das Gemisch aus Trägerflüssigkeit und Arbeitsmedium wird als Suspersion durch den feuchten Sublimator geleitet. Die festen Partikel des Arbeitsmediums beziehungsweise Kältemittels sublimieren unter Aufnahme von Wärme.
• Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist zwischen dem Abscheider und der Mischvorrichtung eine Umlaufzirkulationsleitung zum Umwälzen der Trägerflüssigkeit ausgebildet. Bei einer Ausgestaltung der Mischvorrichtung als eine Mischkammer und der Fördervorrichtung als eine Pumpe ist die Pumpe vorzugsweise innerhalb der Umlaufzirkulationsleitung angeordnet.
• Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, dass der Fluidkreislauf mit einer Phasentrennvorrichtung zum Abscheiden von im Verdichter umlaufenden Schmieröls oder zum Abscheiden von in den Verdichter angesaugter Trägerflüssigkeit ausgebildet ist. Das in der Phasentrennvorrichtung abgeschiedene Schmieröl wird zum Verdichter zurückgeführt, während die in der Phasentrennvorrichtung abgeschiedene Trägerflüssigkeit zum Abscheider zurückgeführt wird.
  Zwischen dem Verdichter und der Phasentrennvorrichtung ist vorzugsweise ein Wärmeübertrager zum Enthitzen des Arbeitsmediums vorgesehen, um beispielsweise den Abscheidegrad innerhalb der Phasentrennvorrichtung zu erhöhen.
• Der flexibel gestaltbare Fluidkreislauf kann zudem als Stufe einer Kaskaden-Kälteanlage ausgebildet sein beziehungsweise eine Zwischendruckstufe, insbesondere mit einem Mitteldruckbehälter und einer zweistufigen Verdichtung, aufweisen.
• Die Aufgabe wird auch durch ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Betreiben eines Fluidkreislaufs zum Übertragen von Wärme durch Phasenübergang eines im Fluidkreislauf zirkulierenden Arbeitsmediums gelöst. Das Verfahren weist folgende Schritte auf:
• - Einleiten eines auf einem Druckniveau oberhalb eines Tripeldruckes vorliegenden flüssigen Arbeitsmediums in eine Mischvorrichtung und Mischen des Arbeitsmediums mit einer nicht brennbaren Trägerflüssigkeit, wobei die Stoffpaarung aus Trägerflüssigkeit und Arbeitsmedium, insbesondere einem Kältemittel,
  • - vollständig nicht mischbar ist oder bei zumindest einer Teilmischbarkeit beim Phasenübergang einen Temperaturgleit aufweist und
  • - beim Durchströmen der Mischvorrichtung oder eines Expansionsorgans auf ein Druckniveau unterhalb des Tripeldruckes des Arbeitsmediums entspannt wird,
• - Leiten der Stoffpaarung aus Trägerflüssigkeit und Arbeitsmedium durch einen Wärmeübertrager zur Aufnahme von Wärme durch das Arbeitsmedium, wobei das Arbeitsmedium einen Phasenübergang durchläuft,
• - Einleiten der Stoffpaarung aus Trägerflüssigkeit und Arbeitsmedium in einen Abscheider und Separieren des Arbeitsmediums von der Trägerflüssigkeit,
• - Ableiten des gasförmigen Arbeitsmediums und der Trägerflüssigkeit aus dem Abscheider sowie
• - Fördern der Trägerflüssigkeit zur Mischvorrichtung.
• Nach einer Weiterbildung der Erfindung wird beim Mischen des Arbeitsmediums mit der Trägerflüssigkeit mit der Paarung der zu mischenden Fluide die Erstarrungstemperatur der Stoffpaarung eingestellt. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass beim Mischen des Arbeitsmediums mit der Trägerflüssigkeit je nach Mischungsverhältnis der Stoffpaarung die Erstarrungstemperatur eingestellt wird. Die Erstarrungstemperatur beziehungsweise der Tripelpunkt, insbesondere die Temperatur am Tripelpunkt, werden folglich mittels der Komponenten der Stoffpaarung aus Arbeitsmedium und Trägerflüssigkeit und/oder der Zusammensetzung der Komponenten der Stoffpaarung aus Arbeitsmedium und Trägerflüssigkeit festgelegt.
• Nach einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung werden die Stoffpaarung aus Trägerflüssigkeit und Arbeitsmedium beim Durchströmen der Mischvorrichtung oder des Expansionsorgans je nach Mischungsverhältnis auf ein Druckniveau oberhalb oder unterhalb eines Erstarrungsdruckes der Stoffpaarung entspannt und das Arbeitsmedium beim Durchströmen des Wärmeübertragers zur Aufnahme von Wärme durch das Arbeitsmedium verdampft oder sublimiert, sodass der Wärmeübertrager als Verdampfer für das Arbeitsmedium beziehungsweise das Arbeitsmediumgemisch mit Temperaturgleit oder als feuchter Sublimator des Arbeitsmediums innerhalb des Trägergemisches aus nicht mischbaren Fluiden betrieben wird. Die Änderung der Zusammensetzung des Arbeitsmediumgemisches und der Übergang vom Verdampfen des Arbeitsmediums zum Sublimieren wird bedarfsabhängig über die Mischvorrichtung gesteuert.
• Mit den erfindungsgemäßen Fluidkreislauf und Verfahren zum Betreiben des Fluidkreislaufs können mittels umweltverträglicher Fluide Kälteleistungen bei Temperaturen unterhalb von -50°C bereitgestellt werden, was herkömmlich lediglich mit brennbaren beziehungsweise umweltschädlichen Fluiden möglich war. Herkömmliche Verfahren und Vorrichtungen mit direkter Verdampfung des Arbeitsmediums weisen zudem einen hohen Temperaturgleit auf, welcher nur durch ein Anpassen des Fluidkreislaufs der Kältemaschine zu kompensieren ist, wobei beispielsweise komplexere Regelorgane beziehungsweise Regelmechanismen benötigt werden. Die erfindungsgemäßen Fluidkreislauf und Verfahren zeigen einen günstigen Kompromiss zwischen umwelttechnischen und thermodynamischen Gesichtspunkten. Der einfache Aufbau des Fluidkreislaufs erfordert keine komplexe Regelungsanordnung und ist energetisch günstig zu betreiben.
• 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,
• 2a: einen Fluidkreislauf in Strömungsrichtung eines Arbeitsmediums mit einem Verdichter in einstufiger Betriebsweise, einem ersten Wärmeübertrager zur Abgabe von Wärme an die Umgebung, einer Mischvorrichtung, einem zweiten Wärmeübertrager zur Aufnahme von Wärme sowie einem Abscheider,
• 2b: eine zweite Ausführungsform des Fluidkreislaufs, ähnlich dem ersten Fluidkreislauf aus 2a, mit einem zusätzlichen zwischen dem ersten Wärmeübertrager und der Mischvorrichtung angeordneten Expansionsorgan,
• 3a: eine dritte Ausführungsform des Fluidkreislaufs, ähnlich dem zweiten Fluidkreislauf aus 2b, mit einer Mitteldruckabscheidung innerhalb eines Mitteldruckbehälters und einem zusätzlichen Expansionsorgan für das im Mitteldruckbehälter abgeschiedene Kältemittelgas,
• 3b und 3c: eine vierte/fünfte Ausführungsform des Fluidkreislaufs, ähnlich dem zweiten Fluidkreislauf aus 2b, mit einer Mitteldruckabscheidung innerhalb eines Mitteldruckbehälters und zweistufiger Verdichtung,
• 4a und 4b: eine sechste und eine siebente Ausführungsform des Fluidkreislaufs, ähnlich dem fünften Fluidkreislauf aus 3c, mit einer zusätzlichen Phasentrennvorrichtung und einem vorgelagerten dritten Wärmeübertrager zwischen den Verdichtern sowie
• 5: eine achte Ausführungsform des Fluidkreislaufs, ähnlich dem siebenten Fluidkreislauf aus 4b, mit einer Mischkammer zum Mischen von Trägerflüssigkeit und Kältemittel sowie einem zusätzlichen zwischen der Mischkammer und dem zweiten Wärmeübertrager angeordneten Expansionsorgan.
• In 1 ist ein Druck-Temperatur-Diagramm mit der schematischen Darstellung der einzelnen Phasen von Kohlendioxid gezeigt. Der jeweilige Aggregatzustand des Kohlendioxids 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.
• 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.
  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 Kohlendioxid 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.
• 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.
  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.
  Zudem ist der Wärmeübergangskoeffizient beim Vorgang der Sublimation des Kältemittels innerhalb des Wärmeübertragers geringer als der Wärmeübergangskoeffizient des gleichen Kältemittels beim Vorgang der Verdampfung, sodass der Wärmeübertrager zum Übertragen einer gleichen Wärmemenge zum Beispiel mit einer größeren Wärmeübertragungsfläche und damit größeren Abmessungen auszubilden ist. Um unter anderem den Wärmeübergangskoeffizienten beim Vorgang der Sublimation des Kältemittels zu erhöhen und den Wärmeübergang zu verbessern sowie die Gefahr des Verblockens durch feste Partikel des Kältemittels zu verringern, kann das zu sublimierende Kältemittel mit einem Sekundärfluid gemischt werden.
• Es wird eine Stoffpaarung aus Kältemittel und Sekundärfluid, auch als Trägerflüssigkeit bezeichnet, verwendet, deren Komponenten im Betriebspunkt des Fluidkreislaufs der Kälteanlage entweder zumindest nahezu vollständig nicht mischbar sind, oder die Stoffpaarung als Arbeitsmediumgemisch eine Teilmischbarkeit der Komponenten mit einem Temperaturgleit aufweist.
  Der Fluidkreislauf wird mit einem insbesondere nicht brennbaren Trägerfluid, speziell einer eine geringe Viskosität sowie einen geringen Gefrierpunkt, auch als Erstarrungspunkt bezeichnet, aufweisende und vorteilhafterweise nicht toxische Trägerflüssigkeit, betrieben, in welcher das Arbeitsmedium als zweite Substanz absorbiert und möglicherweise auch sublimiert werden kann. Als Trägerflüssigkeit kommen beispielsweise Pentafluorethan mit der kältetechnischen Bezeichnung R125 oder ein Kältemittelgemisch mit der kältetechnischen Bezeichnung R410 aus den Komponenten Difluormethan, kurz als R32 bezeichnet, und Pentafluorethan in Betracht. Alternativ könnte als Trägerflüssigkeit ein Schmierstoff für einen Verdichter des Fluidkreislaufs in Frage kommen.
  Bei einer Stoffpaarung aus Kohlendioxid als Arbeitsmedium beziehungsweise Kältemittel mit der Trägerflüssigkeit weist Kohlendioxid einen Anteil von kleiner als 70 mol % auf, sodass der Anteil der Trägerflüssigkeit größer als 30 mol % beträgt. Dabei bezieht sich die Zusammensetzung der Stoffpaarung auf einen Zustand unmittelbar vor der Expansion. Der Anteil von Kohlendioxid liegt unabhängig von der Trägerflüssigkeit vorzugsweise im Bereich von 30 mol % bis 60 mol %. Für eine Stoffpaarung aus Kohlendioxid mit derzeit technisch relevanten Trägerflüssigkeiten liegt der Anteil von Kohlendioxid bei mindestens 50 mol %, um den Betrieb im Unterdruck zu vermeiden. Die entsprechenden Werte von Druck und Temperatur der Stoffpaarung ergeben sich aus der jeweiligen Kombination mit der Trägerflüssigkeit. Die Trägerflüssigkeit weist vorteilhaft eine Tripeltemperatur auf, welche mindestens 10 K unterhalb der Sublimationstemperatur von Kohlendioxid, das heißt insbesondere bei maximal -89°C, liegt.
• Im Fluidkreislauf werden Komponenten eingesetzt, welche aus herkömmlichen als Kaltdampfprozessen betriebenen Kältemittelkreisläufen bekannt sind, was eine deutlich einfachere technische Umsetzung im Vergleich zu Komponenten von Fluidkreisläufen mit sublimierenden Kältemitteln ermöglicht.
• Aus den 2a und 2b geht jeweils ein Fluidkreislauf 1a, 1b in Strömungsrichtung eines Arbeitsmediums mit einem Verdichter 2 in einstufiger Betriebsweise, einem ersten Wärmeübertrager 3 zur Abgabe von Wärme an die Umgebung, einer Mischvorrichtung 4a, einem zweiten Wärmeübertrager 5 zur Aufnahme von Wärme sowie einem Abscheider 6a hervor. Die Komponenten sind in angegebener Reihenfolge über Verbindungsleitungen miteinander verbunden. Zwischen dem Abscheider 6a und der Mischvorrichtung 4a ist zudem eine Umlaufzirkulationsleitung 7 ausgebildet, um die im Abscheider 6a vom Arbeitsmedium beziehungsweise Kältemittel, insbesondere vom Arbeitsmediumgemisch oder Trägergemisch aus Kohlendioxid und Trägerflüssigkeit, abgeschiedene und gesammelte Trägerflüssigkeit zur Mischvorrichtung 4a zurückzuführen. Die Mischvorrichtung 4a erfüllt neben dem Mischen des Arbeitsmediums mit der Trägerflüssigkeit auch das Fördern beziehungsweise Umwälzen der Trägerflüssigkeit.
• Beim Betrieb des sehr kompakten und kostengünstigen Fluidkreislaufs 1a nach 2a wird das gasförmige Arbeitsmedium auf einem Niederdruckniveau vom Verdichter 2 angesaugt und auf ein Hochdruckniveau verdichtet. Nach dem Ausströmen aus dem Verdichter 2 wird das Arbeitsmedium durch den als Kondensator beziehungsweise Gaskühler betriebenen ersten Wärmeübertrager 3 geleitet und unter Wärmeabgabe verflüssigt.
  Wenn das Arbeitsmedium bei unterkritischem Betrieb des Fluidkreislaufs 1a, wie bei bestimmten Umgebungsbedingungen mit reinem Kohlendioxid unterhalb des kritischen Punktes, verflüssigt wird, wird der Wärmeübertrager 3 als Kondensator bezeichnet. Ein Teil der Wärmeübertragung findet bei konstanter Temperatur statt. Bei überkritischem Betrieb beziehungsweise bei überkritischer Wärmeabgabe im Wärmeübertrager 3 nimmt die Temperatur des Arbeitsmediums, insbesondere von reinem Kohlendioxid, stetig ab. In diesem Fall wird der Wärmeübertrager 3 als Gaskühler bezeichnet.
  Der erste Wärmeübertrager 3 kann dabei als ein Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager oder als ein Kaskaden-Wärmeübertrager ausgebildet sein, sodass die Wärme entweder vom Arbeitsmedium an Luft oder an ein Arbeitsmedium eines weiteren Fluidkreislaufs übertragen wird. Der Fluidkreislauf 1a ist dann als eine zweite Stufe einer Kaskaden-Kälteanlage zu verstehen.
• Anschließend strömt das auf dem Hochdruckniveau vorliegende, vorzugsweise flüssige Arbeitsmedium, aus dem ersten Wärmeübertrager 3 aus und in die Mischvorrichtung 4a ein, wird beim Durchströmen der Mischvorrichtung 4a auf ein Druckniveau unterhalb des Tripeldruckes des Arbeitsmediums entspannt und mit der aus dem Abscheider 6a angesaugten Trägerflüssigkeit vermischt.
• Das Arbeitsmediumgemisch oder Trägergemisch aus Arbeitsmedium und Trägerflüssigkeit wird in den zweiten, vorzugsweise als Verdampfer betriebenen Wärmeübertrager 5 eingeleitet und zumindest das Arbeitsmedium unter Aufnahme von Wärme aus der Umgebung verdampft.
• Folglich wird dem Arbeitsmedium, insbesondere dem Kohlendioxid, vor dem Einströmen in den zweiten Wärmeübertrager 5 die Trägerflüssigkeit beigemischt, welche ein Erstarren des Arbeitsmediums beim Vorgang der Expansion auf einen Zustand unterhalb der Temperatur am Tripelpunkt verhindern kann. Je nach einer gezielt bestimmten Paarung an zu mischenden Fluiden kann die Erstarrungstemperatur des Arbeitsmediumgemisches oder Trägergemisches und je nach Mischungsverhältnis der Stoffpaarung vor der Expansion beziehungsweise innerhalb der Mischvorrichtung 4a kann der Tripelpunkt des Arbeitsmediumgemisches oder Trägergemisches variiert werden, sodass der zweite Wärmeübertrager 5 als Verdampfer für ein Arbeitsmedium des Arbeitsmediumgemisches mit Temperaturgleit oder als feuchter Sublimator eines Arbeitsmediums des Trägergemisches aus nicht mischbaren Fluiden betrieben werden kann. Zudem wird das Arbeitsmedium infolge der in der Mischvorrichtung 4a an das Arbeitsmedium übertragenen hohen mechanischen Energie in einen metastabilen Zustand versetzt, was das Erstarren des Arbeitsmediums zumindest kurzzeitig verhindert, bevor das Arbeitsmedium mit der Trägerflüssigkeit vermischt wird.
  Mit dem Beimischen der Trägerflüssigkeit wird der Erstarrungspunkt, insbesondere die Erstarrungstemperatur, des Arbeitsmediumgemisches oder Trägergemisches mit Kohlendioxid im Vergleich zu reinem Kohlendioxid derart verringert, dass das Kohlendioxid aus dem flüssigen Arbeitsmediumgemisch oder Trägergemisch verdampft und nicht aus einer Suspension aus festen Partikeln des Kohlendioxids und der Trägerflüssigkeit sublimiert. Die Stoffpaarung ist dabei als ein zumindest nahezu vollständig verdampfendes Arbeitsmediumgemisch ausgebildet, da die Erstarrungstemperatur des Arbeitsmediumgemisches deutlich unterhalb der Tripeltemperatur von Kohlendioxid liegt und der Wert der Temperatur des Arbeitsmediumgemisches oder Trägergemisches innerhalb des zweiten Wärmeübertragers 5 während des Betriebs des Fluidkreislaufs 1a, auch als Verdampfungstemperatur bezeichnet, größer ist als der Wert der Erstarrungstemperatur des Arbeitsmediumgemisches oder Trägergemisches.
  Mit dem Verringern des Anteils der Trägerflüssigkeit im Arbeitsmediumgemisch oder Trägergemisch wird die Erstarrungstemperatur des Arbeitsmediumgemisches oder Trägergemisches erhöht. Wenn der Wert der Temperatur des Arbeitsmediumgemisches oder Trägergemisches innerhalb des zweiten Wärmeübertragers 5 während des Betriebs des Fluidkreislaufs 1a geringer ist als der Wert der Erstarrungstemperatur des Arbeitsmediumgemisches oder Trägergemisches kann das Kohlendioxid aus der Flüssigkeit sublimieren. Der zweite Wärmeübertrager 5 wird dann als feuchter Sublimator betrieben. Die Änderung der Zusammensetzung des Arbeitsmediumgemisches oder Trägergemisches und der Übergang vom Verdampfen des Kohlendioxids zum Sublimieren kann bedarfsabhängig über die Mischvorrichtung 4a gesteuert werden.
• Wenn der zweite Wärmeübertrager 5 als sogenannter gefluteter Verdampfer und nicht als feuchter Sublimator betrieben wird, ist die Stoffpaarung vorteilhafter Weise derart gewählt, dass die Erstarrungstemperatur des Arbeitsmediumgemisches oder Trägergemisches im Betriebspunkt des Fluidkreislaufs 1a der Kälteanlage mindestens 5 K unterhalb der Verdampfungstemperatur des Arbeitsmediumgemisches oder Trägergemisches liegt.
• Beim Durchströmen des zweiten Wärmeübertragers 5 wird das Arbeitsmedium nicht vollständig verdampft, sodass ein Zwei-Phasen-Gemisch aus Gas und Flüssigkeit aus dem zweiten Wärmeübertrager 5 ausströmt und in den Abscheider 6a eingeleitet wird. Im Abscheider 6a wird die Trägerflüssigkeit von der gasförmigen Fluidströmung, insbesondere vom gasförmigen Arbeitsmedium, separiert. Je nach Stoffpaarung verbleibt ein Anteil des Arbeitsmediums in der Trägerflüssigkeit und ein Anteil der Trägerflüssigkeit wird mit der Gasphase transportiert. Das gasförmige Arbeitsmedium beziehungsweise Arbeitsmediumgemisch wird vom Verdichter 2 angesaugt und verdichtet. Der Fluidkreislauf 1a ist geschlossen.
  Um den Verdichter 2, insbesondere vor Flüssigkeitsschäden durch Kavitation, zu schützen, sollte das Arbeitsmediumgemisch als eine reine Gasphase vorliegen, was beispielsweise bei einer Stoffpaarung aus Kohlendioxid mit R125 oder Kohlendioxid mit R410 durch eine entsprechende Überhitzung vor dem Eintritt in den Verdichter 2 gewährleistet werden kann. Wenn die Trägerflüssigkeit nicht vollständig verdampft, sollte der Anteil der Trägerflüssigkeit im Arbeitsmediumgemisch sehr gering sein. Ein Schmierstoff für den Verdichter 2 ist als Trägerflüssigkeit wesentlich unproblematischer als beispielsweise ein Kältemittel als Trägerflüssigkeit.
  Die Komponenten Mischvorrichtung 4a, zweiter Wärmeübertrager 5 und Abscheider 6a können als eine Einheit, je nach Betriebsweise als eine Verdampfungseinheit oder Sublimationseinheit, ausgebildet sein.
• Die im Abscheider 6a gespeicherte Flüssigkeit wird über die beispielsweise als ein Ejektor ausgebildete Mischvorrichtung 4a beziehungsweise Fördervorrichtung aus dem Abscheider 6a abgesaugt und zum zweiten Wärmeübertrager 5 zurückgefördert. Als Treibmedium dient das innerhalb der Mischvorrichtung 4a auf ein Druckniveau oberhalb des Niederdruckniveaus entspannte Arbeitsmedium beziehungsweise Arbeitsmediumgemisch.
• Der zweite Wärmeübertrager 5 ist zudem derart ausgebildet, dass ein Rückführen von aus dem Verdichter 2 mittransportiertem Kältemaschinenöl zurück in den Verdichter 2 gewährleistet ist. Zum Rückführen des Kältemaschinenöls wird eine vorzugsweise im Abscheider 6a integrierte und damit in Strömungsrichtung des Arbeitsmediums nach dem zweiten Wärmeübertrager 5 angeordnete Ölfalle vorgesehen.
  Wenn die Trägerflüssigkeit als Schmierstoff für den Verdichter 2 verwendbar ist, kann auf den Abscheider 6a im Fluidkreislauf 1a verzichtet werden.
• Die zweite Ausführungsform des Fluidkreislaufs 1b nach 2b weist ein zusätzliches, zwischen dem ersten Wärmeübertrager 3 und der Mischvorrichtung 4a angeordnetes Expansionsorgan 8 zum Entspannen des Arbeitsmediums, insbesondere des Kältemittels, speziell des Kohlendioxids, beziehungsweise des Arbeitsmediumgemisches auf. Das Expansionsorgan 8 ist dabei als eine Komponente der Mischvorrichtung 4a ausgebildet. Die im Abscheider 6a gespeicherte Flüssigkeit wird über die beispielsweise als eine gasbetriebene Düse ausgebildete Mischvorrichtung 4a beziehungsweise Fördervorrichtung aus dem Abscheider 6a abgesaugt und zum zweiten Wärmeübertrager 5 zurückgefördert. Als Treibmedium dient das innerhalb des Expansionsorgans 8 auf ein Druckniveau oberhalb des Niederdruckniveaus entspannte Arbeitsmedium beziehungsweise Arbeitsmediumgemisch.
• Das am Auslass der Mischvorrichtung 4a vorliegende Arbeitsmediumgemisch oder Trägergemisch wird in den zweiten Wärmeübertrager 5 eingeleitet, in welchem zumindest das Arbeitsmedium bei einer bestimmten Temperatur beziehungsweise einem bestimmten Druck verdampft. Da über das Druckverhältnis der Mischvorrichtung 4a vorrangig das Mischungsverhältnis aus Arbeitsmedium und Trägerflüssigkeit eingestellt wird, ist das Einstellen der Verdampfungstemperatur oder Sublimationstemperatur lediglich sehr eingeschränkt möglich. Folglich kann das über das Druckverhältnis der Mischvorrichtung 4a variierte Mischungsverhältnis aus Arbeitsmedium und Trägerflüssigkeit mittels zusätzlicher Expansionsorgane auf einen angestrebten Verdampfungsdruck entspannt werden. Die jeweils vorzugsweise in Form von Drosselkapillaren ausgebildeten Expansionsorgane können in den zweiten Wärmeübertrager 5 integriert angeordnet sein, sodass ein Zufrieren der Expansionsorgane verhindert wird.
• In 3a ist eine dritte Ausführungsform des Fluidkreislaufs 1c, ähnlich dem zweiten Fluidkreislauf 1b aus 2b, mit einer Mitteldruckabscheidung innerhalb eines Mitteldruckbehälters 9 und einem zusätzlichen Expansionsorgan 12 zum Entspannen des im Mitteldruckbehälter 9 abgeschiedenen Gases des Arbeitsmediums beziehungsweise Kältemittelgases oder des Arbeitsmediumgemisches auf den Saugdruck des Verdichters 2 dargestellt.
• Beim Betrieb des Fluidkreislaufs 1c wird das aus dem ersten Wärmeübertrager 3 auf dem Hochdruckniveau ausgeströmte, vorzugsweise flüssige Arbeitsmedium oder Arbeitsmediumgemisch beim Durchströmen des ersten Expansionsorgans 8 auf ein Mitteldruckniveau entspannt und als Zwei-Phasen-Gemisch aus Flüssigkeit und Dampf in den Mitteldruckbehälter 9 eingeleitet. Im Mitteldruckbehälter 9, auch als Mitteldruckabscheider bezeichnet, werden die gasförmige Phase und die flüssige Phase des Arbeitsmediums oder Arbeitsmediumgemisches voneinander getrennt.
  Das in flüssiger Phase auf dem Mitteldruckniveau vorliegende Arbeitsmedium oder Arbeitsmediumgemisch strömt vom Mitteldruckbehälter 9 zur Mischvorrichtung 4a. Das beim Ausströmen aus dem Abscheider 6a gasförmige Arbeitsmedium oder Arbeitsmediumgemisch wird vom Verdichter 2 angesaugt. Das in gasförmiger Phase auf dem Mitteldruckniveau vorliegende Arbeitsmedium oder Arbeitsmediumgemisch, auch als Flashgas bezeichnet, strömt durch eine Verbindungsleitung 10c aus dem Mitteldruckbehälter 9 aus. Innerhalb der sich vom Mitteldruckbehälter 9 bis zu einer Mündungsstelle 11c, welche zwischen dem Abscheider 6a und dem Verdichter 2 angeordnet ist, erstreckenden Verbindungsleitung 10c ist ein zweites Expansionsorgan 12 ausgebildet.
  Das durch die Verbindungsleitung 10c strömende gasförmige Arbeitsmedium oder Arbeitsmediumgemisch wird als Teilmassenstrom beim Durchströmen des zweiten Expansionsorgans 12 auf das Niederdruckniveau entspannt und mit dem aus Abscheider 6a ausströmenden Teilmassenstrom gasförmigen Arbeitsmediums oder Arbeitsmediumgemisches vermischt und vom Verdichter 2 angesaugt.
• Aus den 3b und 3c gehen eine eine vierte Ausführungsform des Fluidkreislaufs 1d und eine fünfte Ausführungsform des Fluidkreislaufs 1e, jeweils ähnlich dem zweiten Fluidkreislauf 1b aus 2b, mit einer Mitteldruckabscheidung innerhalb des Mitteldruckbehälters 9 und zweistufiger Verdichtung hervor.
• Beim Betrieb des Fluidkreislaufs 1d, 1e wird das aus dem ersten Wärmeübertrager 3 auf dem Hochdruckniveau ausgeströmte, vorzugsweise flüssige Arbeitsmedium oder Arbeitsmediumgemisch beim Durchströmen des ersten Expansionsorgans 8 auf das Mitteldruckniveau oberhalb des Tripeldruckes des Arbeitsmediums oder Arbeitsmediumgemisches entspannt und als Zwei-Phasen-Gemisch aus Flüssigkeit und Dampf in den Mitteldruckbehälter 9 eingeleitet. Im Mitteldruckbehälter 9 werden die gasförmige Phase und die flüssige Phase des Arbeitsmediums oder Arbeitsmediumgemisches voneinander getrennt.
  Das in flüssiger Phase auf dem Mitteldruckniveau vorliegende Arbeitsmedium oder Arbeitsmediumgemisch strömt vom Mitteldruckbehälter 9 zur Mischvorrichtung 4a. Das beim Ausströmen aus dem Abscheider 6a, 6e gasförmige Arbeitsmedium oder Arbeitsmediumgemisch wird von einem ersten Verdichter 2-1, auch als erste oder untere Verdichterstufe bezeichnet, angesaugt und auf das Mitteldruckniveau verdichtet.
  Anschließend wird das auf das Mitteldruckniveau verdichtete Arbeitsmedium oder Arbeitsmediumgemisch mit einem aus dem Mitteldruckbehälter 9 durch eine Verbindungsleitung 10d, welche sich vom Mitteldruckbehälter 9 bis zu einer Mündungsstelle 11d erstreckt, ausströmenden Teilmassenstrom gasförmigen Arbeitsmediums oder Arbeitsmediumgemisches vermischt, von einem zweiten Verdichter 2-2 angesaugt und auf das Hochdruckniveau verdichtet. Die Mündungsstelle 11d der Verbindungsleitung 10d ist folglich zwischen dem ersten Verdichter 2-1 und dem zweiten Verdichter 2-2 angeordnet.
• Der wesentliche Unterschied der Fluidkreisläufe 1d, 1e liegt in der Ausbildung des Abscheiders 6a, 6e. Während der Abscheider 6a des Fluidkreislaufs 1d als reiner Flüssigkeitssammler ausgebildet ist, dessen abscheidende Wirkung auf dem Prinzip der Schwerkraft basiert, weist der Abscheider 6e des Fluidkreislaufs 1e ein Abscheiderohr und damit einen deutlich höheren Abscheidegrad als der Abscheider 6a auf. Der Abscheider 6a wird beispielsweise mit Schmierstoff des Verdichters 2 als Trägerflüssigkeit verwendet, während der aufwändigere Abscheider 6e eingesetzt wird, wenn ein Teilverdampfen oder ein Verschleppen der Trägerflüssigkeit in der Gasphase des Arbeitsmediumgemisches von Bedeutung sind.
• Mit dem Anordnen des Mitteldruckbehälters 9 und damit dem Ausbilden des Mitteldruckniveaus beziehungsweise des Zwischendruckniveaus kann zum einen die Effizienz des Betriebes des Fluidkreislaufs und damit der Kältemaschine erhöht werden. Zum anderen kann die Mischbarkeit von Arbeitsmedium und Trägerflüssigkeit verbessert werden, um sicherzustellen, dass sich angereichte Trägerflüssigkeit, insbesondere des Trägergemisches, über die Mischvorrichtung 4a zurück in den Abscheider 6a, 6e geleitet wird.
• In den 4a und 4b sind eine sechste Ausführungsform des Fluidkreislaufs 1f und eine siebente Ausführungsform des Fluidkreislaufs 1g, jeweils ähnlich dem fünften Fluidkreislauf 1e aus 3c, mit einer zusätzlichen Phasentrennvorrichtung 14 und einem vorgelagerten dritten Wärmeübertrager 15 zwischen den Verdichtern 2-1, 2-2 dargestellt.
• Die nach dem ersten Verdichter 2-1 angeordnete Phasentrennvorrichtung 14 kann zum Abscheiden von im Verdichter 2-1, 2-2 benötigtem Schmieröl beziehungsweise von möglicherweise in den Verdichter 2-1 angesaugter Trägerflüssigkeit ausgebildet sein. Dabei wird das in der Phasentrennvorrichtung 14 vom Arbeitsmedium abgeschiedene Schmieröl im Fluidkreislauf 1f, gemäß 4a, durch eine Verbindungsleitung 10f zum Einlass des ersten Verdichters 2-1 zurückgeführt. Die Verbindungsleitung 10f erstreckt sich von der Phasentrennvorrichtung 14 zu einer zwischen dem Abscheider 6e und dem ersten Verdichter 2-1 ausgebildeten zweiten Mündungsstelle 16.
  Die in der Phasentrennvorrichtung 14 vom Arbeitsmedium abgeschiedene Trägerflüssigkeit im Fluidkreislauf 1g, gemäß 4b, wird durch eine Verbindungsleitung 10g zum Abscheider 6e, insbesondere in den Abscheider 6e, zurückgeführt. Die Verbindungsleitung 10g erstreckt sich von der Phasentrennvorrichtung 14 in den Abscheider 6e.
• Zudem kann das Arbeitsmedium jeweils zwischen dem ersten Verdichter 2-1 und der Phasentrennvorrichtung 14 beziehungsweise zwischen den Verdichterstufen 2-1, 2-2 in einem dritten Wärmeübertrager 15 zwischengekühlt werden. Der dritte Wärmeübertrager 15 ist jeweils innerhalb einer Verbindungsleitung 13 ausgebildet, welche sich zwischen dem Auslass des ersten Verdichters 2-1 und der Phasentrennvorrichtung 14 erstreckt.
  Mit der Enthitzung des Arbeitsmediums oder Arbeitsmediumgemisches nach der ersten Verdichterstufe kann beispielsweise der Abscheidegrad an Schmieröl beziehungsweise Trägerflüssigkeit deutlich erhöht werden.
• In 5 ist eine achte Ausführungsform des Fluidkreislaufs 1h, ähnlich dem siebenten Fluidkreislauf 1g aus 4b, mit einer Mischvorrichtung 4h zum Mischen von Trägerflüssigkeit und flüssigem Arbeitsmedium oder Arbeitsmediumgemisch sowie einem zusätzlichen zwischen der Mischvorrichtung 4h und dem zweiten Wärmeübertrager 5 angeordneten Expansionsorgan 18 gezeigt.
• Der wesentliche Unterschied zwischen den Fluidkreisläufen 1g, 1h liegt in der Ausbildung der Fördervorrichtung 17 des Fluidkreislaufs 1h nach 5 als eine Pumpe, insbesondere als eine Umwälzpumpe, in Verbindung mit der Mischvorrichtung 4h und dem zweiten Expansionsorgan 18 anstelle der als Ejektor ausgebildeten Mischvorrichtung 4a des Fluidkreislaufs 1g nach 4b.
• Das in flüssiger Phase auf dem Mitteldruckniveau vorliegende Arbeitsmedium oder Arbeitsmediumgemisch strömt vom Mitteldruckbehälter 9 zur als eine Mischkammer ausgebildeten Mischvorrichtung 4h, wird innerhalb der Mischkammer mit der von der Fördervorrichtung 17 umgewälzten Trägerflüssigkeit vermischt und anschließend beim Durchströmen des zweiten Expansionsorgans 18 auf Niederdruckniveau entspannt. Das auf dem Niederdruckniveau vorliegende Arbeitsmedium oder Arbeitsmediumgemisch wird in den zweiten Wärmeübertrager 5 eingeleitet.
• Bezugszeichenliste

1a - 1h

Fluidkreislauf

2, 2-1

(erster) Verdichter

2-2

zweiter Verdichter

3

erster Wärmeübertrager

4a, 4h

Mischvorrichtung

5

zweiter Wärmeübertrager

6a, 6e

Abscheider

7

Umlaufzirkulationsleitung Trägerflüssigkeit

8

(erstes) Expansionsorgan

9

Mitteldruckbehälter

10c, 10d, 10f, 10g

Verbindungsleitung

11c, 11d

(erste) Mündungsstelle

12, 18

zweites Expansionsorgan

13

Verbindungsleitung

14

Phasentrennvorrichtung

15

dritter Wärmeübertrager

16

zweite Mündungsstelle

17

Fördervorrichtung

• ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
• 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.
• Zitierte Patentliteratur
• DE 3004114 A1 [0008]
• NL 9401324 A [0009]
• EP 2667116 A1 [0010]

Claims (15)

1. Fluidkreislauf (1a, 1b, 1c, 1d, 1e, 1f, 1g, 1h) zum Übertragen von Wärme durch Phasenübergang eines im Fluidkreislauf (1a, 1b, 1c, 1d, 1e, 1f, 1g, 1h) zirkulierenden Arbeitsmediums mit mindestens einem Verdichter (2, 2-1, 2-2), einem ersten Wärmeübertrager (3) zur Abgabe von Wärme durch das Arbeitsmedium und einem zweiten Wärmeübertrager (5) zur Aufnahme von Wärme durch das Arbeitsmedium, dadurch gekennzeichnet, dass eine Mischvorrichtung (4a, 4h) zum Mischen einer Trägerflüssigkeit mit dem Arbeitsmedium, welche in Strömungsrichtung des Arbeitsmediums vor dem zweiten Wärmeübertrager (5) angeordnet ist, sowie ein Abscheider (6a, 6e) zum Abscheiden der Trägerflüssigkeit aus einer gasförmigen Fluidströmung, welcher in Strömungsrichtung des Arbeitsmediums nach dem zweiten Wärmeübertrager (5) angeordnet ist, ausgebildet sind, und dass die Trägerflüssigkeit nicht brennbar ist und eine Stoffpaarung aus Trägerflüssigkeit und Arbeitsmedium vollständig nicht mischbar ist oder die Stoffpaarung bei zumindest einer Teilmischbarkeit beim Phasenübergang einen Temperaturgleit aufweist.
2. Fluidkreislauf (1a, 1b, 1c, 1d, 1e, 1f, 1g, 1h) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Mischvorrichtung (4a, 4h) als eine Fördervorrichtung oder in Verbindung mit einer Fördervorrichtung (17) zum Einstellen eines Mischungsverhältnisses der Stoffpaarung aus Arbeitsmedium und Trägerflüssigkeit derart ausgebildet ist, die Trägerflüssigkeit aus dem Abscheider (6a, 6e) anzusaugen und die Stoffpaarung durch den zweiten Wärmeübertrager (5) zu fördern.
3. Fluidkreislauf (1a, 1b, 1c, 1d, 1e, 1f, 1g) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Mischvorrichtung (4a) als ein Ejektor oder eine gasbetriebene Düse ausgebildet ist.
4. Fluidkreislauf (1h) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Mischvorrichtung (4h) als eine Mischkammer und die Fördervorrichtung (17) als eine Pumpe ausgebildet sind.
5. Fluidkreislauf (1a, 1b, 1c, 1d, 1e, 1f, 1g, 1h) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Arbeitsmedium Kohlendioxid ist.
6. Fluidkreislauf (1a, 1b, 1c, 1d, 1e, 1f, 1g, 1h) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Trägerflüssigkeit Pentafluorethan (R125) oder ein Kältemittelgemisch (R410) aus den Komponenten Difluormethan (R32) und Pentafluorethan (R125) oder ein Schmierstoff für einen Verdichter (2, 2-1, 2-2) ist.
7. Fluidkreislauf (1a, 1b, 1c, 1d, 1e, 1f, 1g, 1h) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Wärmeübertrager (5) derart ausgebildet ist, je nach Mischungsverhältnis der Stoffpaarung aus Arbeitsmedium und Trägerflüssigkeit als Verdampfer des Arbeitsmediums oder als feuchter Sublimator betrieben zu werden.
8. Fluidkreislauf (1a, 1b, 1c, 1d, 1e, 1f, 1g, 1h) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Abscheider (6a, 6e) und der Mischvorrichtung (4a, 4h) eine Umlaufzirkulationsleitung (7) zum Umwälzen der Trägerflüssigkeit ausgebildet ist.
9. Fluidkreislauf (1f, 1g, 1h) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine Phasentrennvorrichtung (14) zum Abscheiden von im Verdichter (2-1) umlaufenden Schmieröls ausgebildet ist, welches zum Verdichter (2-1) zurückgeführt wird.
10. Fluidkreislauf (1f, 1g, 1h) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass eine Phasentrennvorrichtung (14) zum Abscheiden von in den Verdichter (2-1) angesaugter Trägerflüssigkeit ausgebildet ist, welche zum Abscheider (6e) zurückgeführt wird.
11. Fluidkreislauf (1f, 1g, 1h) nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass das zwischen dem Verdichter (2-1) und der Phasentrennvorrichtung (14) ein Wärmeübertrager (15) zum Enthitzen des Arbeitsmediums ausgebildet ist.
12. Verfahren zum Betreiben eines Fluidkreislaufs (1a, 1b, 1c, 1d, 1e, 1f, 1g, 1h) zum Übertragen von Wärme durch Phasenübergang eines im Fluidkreislauf (1a, 1b, 1c, 1d, 1e, 1f, 1g, 1h) zirkulierenden Arbeitsmediums nach einem der Ansprüche 1 bis 11, aufweisend folgende Schritte: - Einleiten eines auf einem Druckniveau oberhalb eines Tripeldruckes vorliegenden flüssigen Arbeitsmediums in eine Mischvorrichtung (4a, 4h) und Mischen des Arbeitsmediums mit einer nicht brennbaren Trägerflüssigkeit, wobei die Stoffpaarung aus Trägerflüssigkeit und Arbeitsmedium, - vollständig nicht mischbar ist oder bei zumindest einer Teilmischbarkeit beim Phasenübergang einen Temperaturgleit aufweist und - beim Durchströmen der Mischvorrichtung (4a) oder eines Expansionsorgans (18) auf ein Druckniveau unterhalb des Tripeldruckes des Arbeitsmediums entspannt wird, - Leiten der Stoffpaarung aus Trägerflüssigkeit und Arbeitsmedium durch einen Wärmeübertrager (5) zur Aufnahme von Wärme durch das Arbeitsmedium, wobei das Arbeitsmedium einen Phasenübergang durchläuft, - Einleiten der Stoffpaarung aus Trägerflüssigkeit und Arbeitsmedium in einen Abscheider (6a, 6e) und Separieren des Arbeitsmediums von der Trägerflüssigkeit, - Ableiten des gasförmigen Arbeitsmediums und der Trägerflüssigkeit aus dem Abscheider (6a, 6e) sowie - Fördern der Trägerflüssigkeit zur Mischvorrichtung (4a, 4h).
13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass beim Mischen des Arbeitsmediums mit der Trägerflüssigkeit mit der Paarung der zu mischenden Fluide die Erstarrungstemperatur eingestellt wird.
14. Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass beim Mischen des Arbeitsmediums mit der Trägerflüssigkeit je nach Mischungsverhältnis der Stoffpaarung die Erstarrungstemperatur eingestellt wird.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Stoffpaarung aus Trägerflüssigkeit und Arbeitsmedium beim Durchströmen der Mischvorrichtung (4a) oder des Expansionsorgans (18) je nach Mischungsverhältnis auf ein Druckniveau oberhalb oder unterhalb eines Erstarrungsdruckes entspannt wird und das Arbeitsmedium beim Durchströmen des Wärmeübertragers (5) zur Aufnahme von Wärme durch das Arbeitsmedium verdampft oder sublimiert wird.

Images