-
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anlage zur Abkühlung mindestens eines Kältemittels und/oder mindestens eines Kälteträgers in einem offenen Prozess nach dem Oberbegriff des 1. und 14. Patentanspruchs.
-
Die Speicherung von Kaltwasser und Wassereis besitzt viele (theoretische) Vorteile (z. B. ökologischer Speicherstoff, Pumpfähigkeit von Eisbrei). Jedoch konnten sich Eisbrei- oder Schneespeichersysteme aus verschiedenen Gründen nicht durchsetzen (z. B. zu teure Anlagentechnik, zu niedrige Arbeitszahlen). Verschiedene Techniken lassen sich auch nicht auf große Leistungen skalieren bzw. bei der Übertragung auf große Leistungen konnten keine Kostenreduktionen bzw. keine Effizienzsteigerungen erreicht werden. Schneespeichersysteme benötigen oft kalte Außenlufttemperaturen bzw. lange Winterperioden zur Schneeproduktion. Die saisonale Kältespeicherung mit Schnee hat sich bei ersten Projekten als sehr anspruchsvoll erwiesen. Deswegen ist eine verfahrenstechnische Herstellung von Kaltwasser, Eisbrei, Schnee oder ähnlichen Stoffsystemen erforderlich. Lösungen für eine großtechnische Speicherung (z. B. größer 1000 m3) im Kurz- und Langzeitbereich von fluiden Stoffsystemen unter -10 °C für die Kälteversorgung existieren theoretisch und praktisch nicht.
-
Weiterhin werden zur Kälteerzeugung oft klassische Kältemaschinen mit derzeitig noch zugelassenen Kältemitteln eingesetzt. Diese schädigen das Klima und die Umwelt. Neue Kältemittel sind oft brennbar, explosiv, giftig (bzw. deren Abbauprodukte) usw. Deswegen ist der Umstieg auf ökologische Kältemittel und Kälteträger notwendig.
-
Die Verwendung von Luft als Kältemittel und Kälteträger ist schon lange bekannt. Offene Kaltgasverfahren wurden zur Kühlung von Lagern eingesetzt. Das Verfahren wurde durch den Einsatz von Kältemaschinen mit Kaltdampfprozessen verdrängt. Heute werden Kaltluftverfahren nur in Nischenanwendungen eingesetzt (z. B. Kühlung von Fahrgasträumen).
-
Eine Optimierung des Kaltluftverfahrens ist aus der Druckschrift
DE 4127224 A1 bekannt. Hier wird die Abscheidung von Feuchtigkeit gelöst. Ansätze zur wesentlichen Steigerung der Energieeffizienz werden nicht gezeigt.
-
Weiterhin sind Verfahren zur Eisbreierzeugung mit Unterdrücken (Eiserzeugung in der Nähe des Tripelpunktes von Wasser bzw. Wasser mit Begleitstoffen) mit dem Problem verbunden, dass Dämpfe mit sehr niedrigen Dichten komprimiert werden müssen, was energetisch und technisch nachteilig ist. Höhere Druckdifferenzen lassen sich prinzipiell im Überdruckbereich erreichen. Dieses bringt erhebliche Vorteile für die Prozessführung und die erreichbaren Prozessparameter.
-
Betrachtet man die Systemeigenschaften der Anlagen zur Kälte- und Eiserzeugung, sind keine reaktionsfähigen (z. B. Aufnahme von negativer Regel- und Ausgleichsenergie) und schwarzstartfähigen Systeme (z. B. Start nach einem Stromausfall) bzw. diskontinuierlichen Verfahren bekannt. D. h., bekannte Anlagen und Systeme liefern keine Lösungen zur Steigerung der Energieeffizienz und der Flexibilisierung des Anlagenbetriebs.
-
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Anlage und ein Verfahren zur Abkühlung mindestens eines Kältemittels und/oder mindestens eines Kälteträgers in einem offenen Prozess für industrielle bzw. technische Anwendungen zu entwickeln, mit dem unter Verwendung eines ökologischen oder anfallenden Kältemittels und Kälteträgers hohe Kälteleistungen und hohe Eisproduktionen realisierbar sind, wobei sehr hohe Speicherbeladeleistungen, sehr hohe Speicherentladeleistungen bzw. Systemintegration, ggf. eine direkte Anwendung auf z. B. Lebensmitteln oder eine Zuführung in Rohrleitungen (z. B. Fernkälte) oder für Sportzwecke, insbesondere für den Wintersport, realisierbar sind und nur ein geringer Betriebs- und Wartungsaufwand erforderlich ist. Es soll möglich sein Eis, Eisbrei/Eispartikel, Schnee, Kaltwasser oder deren Kombinationen bzw. Mischungen/ Suspensionen von 20 °C bis -100 °C bereitzustellen.
-
Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen der Patentansprüche 1 und 14 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
-
Das Verfahren zur Abkühlung mindestens eines Kältemittels und/oder mindestens eines Kälteträgers in einem offenen Prozess erfolgt mit einer kontinuierlichen oder diskontinuierlichen Betriebsweise, wobei
- - mindestens ein erster Stoffstrom in Form des Kältemittels in Form von verdichteter Luft und/oder verdichtetem Prozessgas und
- - mindestens ein zweiter Stoffstrom des Kälteträgers bestehend aus Wasser und/oder Wasser mit gefrierpunktsenkenden Stoffen und/oder anderen Kälteträgern und/oder deren Mischungen/Suspensionen mit mindestens einer Pumpe unter Druck zu mindestens einem Apparat gefördert und in dem Apparat zusammengeführt werden,
- - die beiden Stoffströme in und/oder beim Austreten aus dem Apparat entspannen und abkühlen wodurch Eis, Eisbrei/Eispartikeln, Schnee, Kaltwasser oder weitere Kälteträger oder deren Kombinationen bzw. Mischung/Suspension mit einer niedrigen Temperatur erzeugt werden und
- - der aus dem Apparat austretende Strom aus den Stoffströmen und mindestens einem Behälter/Kältespeicher mit Speicherfunktion zugeführt wird,
- - in und/oder vor dem Behälter eine Phasentrennung des ersten Stoffstroms und des zweiten Stoffstroms erfolgt und
- - der erste Stoffstrom aus dem Behälter/Kältespeicher an die Umgebung abgeführt wird und/oder zur Vorkühlung des zweiten Stoffstroms verwendet wird und/oder den verdichteten ersten Stoffstrom abkühlt und
- - der zweite Stoffstrom aus dem Behälter/Kältespeicher zur Realisierung mindestens einer Kühlaufgabe entnommen wird und/oder die Kühlaufgabe mit mindestens einem Wärmeübertrager im/am Behälter/Kältespeicher umgesetzt wird.
-
Der diskontinuierliche Prozess zur Abkühlung mindestens eines Kältemittels wird dabei maßgeblich durch die Einbindung mindestens eines Behälters in Form eines Speichers für das Kältemittel realisiert, durch welchen beispielsweise auch eine Schwarzstartfähigkeit (Start einer Anlage nach einem teilweise oder vollständigem Ausfall der Energie- und/oder Stoffversorgung) gewährleistet werden kann.
-
Der erste Stoffstrom wird über mindestens einen Verdichter und mindestens einen Kühler/Wärmeübertrager dem Apparat zugeführt. Dadurch wird der erforderliche Druck bei der Zuführung in den Apparat gewährleistet und die Temperatur des ersten Stoffstroms nach dem Verdichter reduziert, so dass die Temperatur beim Eintritt in den Apparat bevorzugt 50 °C nicht übersteigen sollte.
-
Bevorzugt erfolgt vor der Zuführung zum Apparat eine Rückkühlung des ersten Stoffstroms mittels mindestens eines Rückkühlers erfolgt, wobei die Wärme an die Umgebung abgegeben wird und/oder wobei die kalte Abluft aus dem Apparat oder einem dem Apparat zugeordneten Zyklon und/oder mindestens ein Teilstrom nach einer Entspannung des ersten Stoffstroms genutzt wird.
-
Dabei erfolgen vorteilhafter Weise die nachfolgend aufgeführten Modifikationen des ersten Stoffstroms, wobei die Maßnahmen einzeln oder in verschiedenen Kombinationen realisierbar sind:
- a. ein- oder mehrstufige Verdichtung bis maximalen Verdichtungsenddruck von ca. 2500 bar,
- b. Parallelschaltung von Verdichtern,
- c. mit und ohne Zwischenkühlung,
- d. Einsatz von einem oder mehreren Kältemitteltrocknern (z. B. sorptive Trocknung, Unterschreitung des Taupunktes).
-
Bei Bedarf kann weiterhin mindestens ein Ölabscheider eingesetzt werden.
-
Weiterhin ist es möglich, den ersten Stoffstrom vor dem Eintritt in den Apparat über mindestens eine Expansionsmaschine und/oder mindestens ein Entspannungsorgan zu leiten und dadurch eine Entspannung und Abkühlung des ersten Stoffstroms zu realisieren.
-
Die Expansionsmaschine treibt dann beispielsweise einen Generator zur Stromerzeugung und/oder den/die Verdichter direkt oder über ein Getriebe und/oder andere Abnehmer an.
-
Der zweite Stoffstrom wird dem Apparat aus dem Behälter/Kältespeicher und/oder aus dem Leitungsnetz und/oder aus einem weiteren Speicher und/oder aus einem Gewässer und/oder anderen Wasserquellen zugeführt.
-
Bevorzugt führt der zweite Stoffstrom vor der Zuführung zum Apparat über einen Wärmeübertrager.
-
Die im Verfahren eingesetzten Prozessgase sind insbesondere
- - Gase, die an die Umgebung abgeführt werden,
- - technische Gase (z. B. Stickstoff),
- - Ab- und Fortluft aus Klimaanlagen oder technologischen Anlagen,
- - Rauchgase,
- - Mischungen einiger oder aller der vorgenannten Gase, welche in verdichteter Form dem Apparat zugeführt werden.
-
Als Kälteträger werden bevorzugt Wasser, Öle, Silikone, Alkohole, Glykole, andere organische oder anorganische Fluide, andere technische Kälteträger oder deren beliebige Mischungen oder Suspensionen verwendet.
-
Es ist möglich, bei einem Kälteträger aus Wasser gefrierpunktsenkende Stoffe in Form von Alkoholen, Glykolen, Salze, Zucker, organische und anorganische Substanzen oder
-
Mischungen einiger oder aller der vorgenannten Substanzen zu verwenden. Werden Kälteträger in Form von organischen oder anorganischen Stoffen wie z.B. Öl, Silikon, Alkohol, Glykol verwenden können diesen bedarfsweise gefrierpunktsenkende Substanzen in Form von festen Zusatzstoffen und/oder gasförmigen Zusatzstoffen, Phasenwechselmaterialien oder Mischungen einiger oder aller der vorgenannten Substanzen verwendet werden.
-
Als weitere Kälteträger für tiefe Temperaturen können Öle und/oder Silikone (organische Substanzen) mit oder ohne Zusatzstoffe verwendet werden.
-
Weiterhin ist es möglich, als Kälteträger Mischungen/Suspensionen wie z. B. Wasser und gefrierpunktsenkende Stoffe und/oder Stoffe die einen Phasenwechsel fördern, wie z.B. keimbildende Partikel und/oder Tropfen, insbesondere zum Betrieb mit Speichertemperaturen deutlich unter 0 °C einzusetzen.
-
Die Zuführung des zweiten Stoffstroms zum Apparat erfolgt bevorzugt unter einer Druckerhöhung von annäherungsweise Umgebungsdruck auf einen hohen Druck bis 2500 bar erfolgt und ggf. unter einer Abkühlung mit mindestens einen Wärmeübertrager bis ca. 0 °C.
-
Die Zuführung des Stoffstroms 1 zum Apparat wird insbesondere mit gekühlter und/oder verdichteter und/oder entspannter Luft bzw. Prozessgasen (unter Umständen verschiedene Phasen) vorzugweise mit vorheriger Abkühlung zwischen -200 °C und 50 °C realisiert.
-
Verfahrensgemäß erfolgt eine direkte oder indirekte Entladung des Kälteträgers aus dem Behälter zur Realisierung der Kühlfunktion.
-
Die Anlage zur Abkühlung mindestens eines Kältemittels und/oder mindestens eines Kälteträgers in einem offenen Prozess mit einer kontinuierlichen oder diskontinuierlichen Betriebsweise weist mindestens einen Apparat auf, der mindestens eine erste Zuführung für mindestens einen ersten Stoffstrom eines Kältemittels und mindestens eine zweite Zuführung für mindestens einen zweiten Stoffstrom eines Kälteträgers bestehend aus Wasser und/oder Wasser mit gefrierpunktsenkenden Stoffen und/oder anderen Kälteträgern aufweist, wobei der Apparat mindestens eine Kammer aufweist, in welcher der erste und der zweite Stoffstrom zusammenführbar, entspannbar und abkühlbar sind, wobei sich an den Apparat mindestens ein Behälter/Kältespeicher mit Speicherfunktion anschließt dem der aus dem Apparat austretende Strom zuführbar ist, wobei in dem Behälter eine Phasentrennung des Kältemittels und des Kälteträgers aus dem zugeführten Strom realisierbar ist und dass der Behälter mindestens einen Ausgang für das Kältemittel und mindestens einen weiteren Ausgang für den Kälteträger aufweist.
-
Der zweite Stoffstrom ist dem Apparat aus dem Behälter/Kältespeicher und/oder aus dem Leitungsnetz und/oder aus einem Speicherbehälter und/oder einem Speicherbecken und/oder einem natürlichen Gewässer zuführbar.
-
Weiterhin kann mindestens ein Nebenstoffstrom aus einem Kälteträger vom Behälter zum Apparat führen.
-
Die erfindungsgemäße Anlage ist insbesondere ausgestattet:
- - mit dem Apparat (3) zum Zusammenführen und anschließendem Entspannen des ersten und zweiten Stoffstroms zur Erzeugung von Eis, Eisbrei/Eispartikeln, Schnee, Kaltwasser oder deren Kombinationen bzw. Mischung/Suspension,
- - mit dem Behälter zur Phasentrennung des ersten und zweiten Stoffstroms aus dem Strom, der aus dem Apparat in den Behälter geleitet wird,
- - mit mindestens einem zweiten Wärmeübertrager zur Realisierung einer Vorkühlung des zweiten Stoffstroms auf eine Temperatur in Höhe von 30 °C bis 0 °C vor dessen Zuführung zum Apparat,
- - mit mindestens einer Pumpe (6) zur Förderung des zweiten Stoffstroms (2) und zur Realisierung einer Druckerhöhung auf 1,1 bar bis 2500 bar vor dem Apparat (3),
- - mit mindestens einem ersten Wärmeübertrager (1.1) zur Realisierung einer Rückkühlung des ersten Stoffstroms (1) auf eine Temperatur zwischen -40°C und 50 °C vor dem Apparat (3),
- - mit mindestens einem Verdichter (5) zum Verdichten und Fördern des ersten Stoffstroms (1) und zur Realisierung eines Drucks von 1,1 bar bis 2500 bar vor dem Apparat (3).
-
Vorteilhafter Weise sind in der Kälteträgerzuführung/in dem ersten Stoffstrom 1 des Kältemittels zum Apparat mehrere Verdichter und Kühler angeordnet, wobei zumindest einem Verdichter ein Wärmeübertrager/Rückkühler zugeordnet ist.
-
Weiterhin weist die Anlage in den dem ersten Stoffstrom vor der Zuführung zum Apparat mindestens eine Expansionsmaschine und/oder mindestens ein Entspannungsorgan auf. Dadurch wird eine Abkühlung des ersten Stoffstroms vor dessen Einleitung in den Apparat realisiert.
-
Die Expansionsmaschine, z.B. eine Turbine, eine Verdrängungsmaschine, kann direkt und/oder indirekt einen Generator zur Stromerzeugung und/oder den/die Verdichter antreiben.
-
Weiterhin ist in den Stoffstrom 1 des Kältemittels vorteilhafter Weise ein Speicher/Zwischenspeicher zur Zwischenspeicherung des Kältemittels des Stoffstroms integriert, bevorzugt vor der Expansionsmaschine.
-
War die gesamte Anlage beispielsweise außer Betrieb bzw. bei kurzzeitigem Stromausfall kann über den Zwischenspeicher Kältemittel unter Druck in den Kreislauf geleitet werden und darüber die Turbine angetrieben werden und darüber der Generator zur Stromerzeugung, wodurch der Antrieb der Pumpe/n und/oder Verdichter möglich ist.
-
In dem Behälter/Kältespeicher wird in einem oberen Bereich das Kältemittel des ersten Stoffstroms und in einem unteren Bereich der Kälteträger des zweiten Stoffstroms abgeschieden. Das Kältemittel wird an die Umwelt abgegeben und der Kälteträger bzw. der Speicher direkt oder indirekt entladen.
-
Dem Behälter/Kältespeicher kann dabei ein Zyklon zur Phasentrennung des Kältemittels und des Kälteträgers zugeordnet sein bzw. der Zyklon kann auch in den Behälter integriert sein.
-
Weiterhin kann der Behälter eine tangentiale oder im Wesentlichen tangentiale Zuführung für den aus dem Apparat zugeführten Strom aufweisen, wodurch die Phasentrennung begünstigt wird.
-
Es ist vorteilhaft, wenn Bereiche der Anlage, die vereisen oder bei welchen die Gefahr der Vereisung besteht, mit einer Zusatzheizung und/oder Wärmeübertrager versehen sind.
-
Bevorzugt ist der Apparat mit einem Wärmeübertrager und/oder einer Zusatzheizung ausgestattet, welche insbesondere einen oder mehreren Heizbereichen aufweisen.
-
Die Zusatzheizung erfolgt beispielsweise mittels elektrischen Widerstands und/oder Mikrowellen und/oder einer Induktionsheizung und/oder mit einem warmen Stoffstrom.
-
Weiterhin kann der Apparat eine Zusatzkühlung zum Abführen von Wärme aufweisen, die bei Reaktionen und/oder Lösungsvorgängen entsteht.
-
Der mindestens eine Apparat weist mindestens einen Einlass für den ersten Stoffstrom und mindestens einen oder mehrere Einlässe für den zweiten Stoffstrom und ggf. für den/die Nebenkreisläufe auf.
-
In dem Apparat können Mittel zur Erzeugung einer Strömung mit Drall angeordnet sein, durch welche das Zusammenführen der Stoffströme begünstigt wird.
-
Die Mittel des Apparates zur Erzeugung der Strömung mit Drall können mit oder ohne starren oder bewegten Einbauten zur Beeinflussung der Strömung ausgebildet sein.
-
Weiterhin ist es möglich, dass durch den Apparat eine kontinuierliche oder pulsierende Strömung führt und dass bedarfsweise weitere Strömungseffekte wie Turbulenz-, Instabilitäts-, Grenzschichteffekte, Unter- und Überschallströmung realisierbar sind.
-
Das erfindungsgemäße Verfahren und die Vorrichtung sind zusätzlich als Wärmepumpenanlage und/oder als kombinierte Kühl- und Heizanlage einsetzbar.
-
Mit der erfindungsgemäßen Lösung zur Kälteerzeugung können Kaltwasser, wässrige Lösungen, Wassereis, Eisbrei, Schnee und deren Mischungen/Suspension ggf. unter Verwendung weiterer Stoffe (z. B. Alkohole, Glykole, Salze, Zucker, feste Zusatzstoffe, gasförmige Zusatzstoffe, Phasenwechselmaterialien) und/oder weitere Kälteträger (z. B. Öle, Silikone) erzeugt werden.
-
Dies erfolgt bevorzugt zur Klimatisierung, zur technologischen Kühlung (Normalkühlung und Tieftemperaturkühlung), zum Wintersport (Schnee- und Eiserzeugung), für Kraftwerksprozesse und dergleichen.
-
Dabei ist durch die erfindungsgemäße Anlage eine Kurzzeitspeicherung (z.B. wenige Minuten bis zu einigen Tagen) und/oder eine Langzeitspeicherung (z.B. mehrere Monate) realisierbar.
-
Die dafür verwendeten Speicherkonstruktionen - hier Behälter/Kältespeicher - können beispielsweise Tanks in Form von Druckbehältern oder Flachbodentanks sein aber auch, Becken, Halden, unterirdische Räume oder sonstige Konstruktionen, die zur Speicherung des Kälteträgers geeignet sind.
-
Dabei ist es möglich, die bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens entstehende Abwärme zu nutzen, z.B. zu Heizungszwecken, zur Prozesswärmebereitstellung, zur Beladung von thermischen Energiespeichern (Wärmespeicher) mit Warmwasser, Heißwasser, Wasserdampf und sonstigen Wärmeträgern; aber auch zur Kälteerzeugung mit Absorptionskältemaschinen, Adsorptionskältemaschinen, Dampfstrahlkältemaschinen oder als Wärmequellenanlage für eine weitere Wärmepumpe.
-
Weiterhin kann die Anlage als netzreaktives System zur Bereitstellung positiver und/oder negativer Regel- und/oder Ausgleichsleistung genutzt werden.
-
Die erfindungsgemäße Lösung kann weiterhin als Wasserspeicher (Nebennutzung) für Feuerlöschzwecke, zur Bewässerung, für technologische oder sonstige Prozesse eingesetzt werden.
-
Erfindungsgemäß sind Kälteanlagen mit mittleren bis sehr großen Kälteleistungen realisierbar und es werden als Kälteträger und Kältemittel vorwiegend ökologische, preiswerte, verfügbare Stoffe verwendet. Dadurch ist eine sichere Umsetzung und Betriebsweise realisierbar und daher der Einsatz der Anlage mit äußerst geringen bzw. keinen Risiken verbunden.
-
Durch die Verwendung von Luft als Kältemittel in einem sogenannten offenen Kaltgasverfahren werden bekannte Probleme mit konventionellen Kältemitteln ausgeschlossen. Weiterhin besteht im Vergleich zu konventionellen Kältemitteln eine unbegrenzte Verfügbarkeit des für die Erfindung verwendeten Kältemittels.
-
Als Anlagenkomponenten werden bekannte (mehrstufiger) Verdichter mit Zwischenkühlung eingesetzt, die hier gleichzeitig zur Wärmeversorgung dienen. Weiterhin kommen bekannte Wärmeübertrager und Expansionsmaschinen wie z.B. eine Gasturbine zum Einsatz, welche beispielsweise einen Generator antreibt, der zur zumindest teilweisen Energieversorgung der Anlage dienen kann. Es können weiterhin bekannte Tank- und Beckenspeicher oder sonstige Speicherräume Verwendung finden. Insbesondere die Verwendung von Wasser als Kälteträger Verwendung von Wasser (oder ähnlichen Stoffsystemen) in einer offenen oder geschlossenen Prozessführung.
-
In Quartieren (Wohngebiete, Industriegebiete) fehlt häufig eine geeignete Wärmequelle. Hier kann der Speicher (z. B. Tank, Becken) als Wärmequelle eingesetzt werden. Hier ist auch eine saisonale Be- und Entladung denkbar.
-
Die Erfindung ermöglicht die preiswerte Speicherung in Tanks, Becken, Halden, unterirdischen Räumen und weiterhin ggf. Bereitstellung im Sommer bei Wassermangel (Doppelnutzen).
-
Da für Kaltgasprozesse niedrige Leistungszahlen zu verzeichnen sind, wird vorteilhafter Weise gleichzeitige die Abwärme genutzt.
-
Die erfindungsgemäße Anlage kann einfach auf mittelgroße bis große Kälteleistungen und hohe Eisproduktionsraten skaliert werden.
-
Es ist die Anwendung von offenen Tanks und Becken zur Speicherung durch eine offene Prozessführung zur Erreichung sehr hoher Speicherkapazitäten möglich.
-
Dabei benötigt die Anlage einen nur geringen Betriebs- und Wartungsaufwand.
-
Die verwendeten Kältemittel und Kälteträger gewährleisten eine sehr gute Phasentrennung. Dadurch ist es insbesondere möglich, diverse Probleme der Eisbildung, Kontrolle, Messung, Steuerung, u. U. modularer Aufbau der Eiserzeugung zu lösen.
-
Vorteilhaft sind weiterhin die sehr hohen Speicherbeladeleistungen sowie die sehr hohen Speicherentladeleistungen bzw. mögliche Systemintegration, ggf. direkte Anwendung auf z. B. Lebensmitteln oder die Zuführung in Rohrleitungen (z. B. Nutzung für Fernkälte) oder für Sportzwecke, beispielsweise für den Wintersport zur Eis- und/oder Schneeerzeugung bzw. zur Kühlung.
-
Das erfindungsgemäße Verfahren und die Anlage basieren maßgeblich auf folgender Schaltung/folgenden Teilprozessen
- • Druckerhöhung z.B. eines Wasserstroms (Stoffstrom 2) z. B. aus einem Kältespeicher oder einem Kältenetz von annäherungsweise Umgebungsdruck auf einen hohen Druck, ggf. Abkühlung bis ca. 0 °C,
- • Zuführung von gekühlter und/oder verdichteter und/oder entspannter Luft (Stoffstrom 1, unter Umständen verschiedene Phasen) und/oder eines anderen Stoffes (Stoffstrom 2), vorzugweise mit vorheriger Abkühlung unter 0 °C,
- • Kontakt der beiden Stoffströme (z. B. mit Apparat) und anschließender Entspannung zur Erzeugung eines gekühlten Stoffstroms 1 und 2 vorzugsweise mit Erzeugung von Kaltwasser und/oder wässrigen Lösungen und/oder Wassereis und/oder Schnee sowie deren Mischungen/Suspensionen ggf. unter Verwendung weiterer Stoffe (Alkohole, Glykole, Salze, Zucker, feste Zusatzstoffe, gasförmige Zusatzstoffe, Phasenwechselmaterialien) und/oder weitere Kälteträger (z. B. Öle, Silikone),
- • Phasentrennung vor oder in einem Behälter/Speicher, Abführen der gasförmigen Phase und Auffangen der vorwiegend festen/flüssigen Phase (Kaltwasser und/oder wässrigen Lösungen und/oder Wassereis und/oder Schnee sowie deren Mischungen/Suspensionen ggf. unter Verwendung weiterer Stoffe (z. B. Alkohole, Glykole, Salze, Zucker, feste Zusatzstoffe, gasförmige Zusatzstoffe, Phasenwechselmaterialien) und/oder weitere Kälteträger (z. B. Öle, Silikone)),
- • direkte und/oder indirekte Versorgung einer Kühlaufgabe (mindestens ein Kälteverbraucher) und/oder
- • direkte und/oder indirekte Entladung des Behälters/Speicherbehälters zur direkten und/oder indirekten zur Versorgung mindestens eines Kälteverbrauchers.
-
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen und zugehörigen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
- 1 Prinzipskizze einer erfindungsgemäßen Anlage,
- 2 Prinzipskizze einer weiteren Variante der Anlage
- 3 Prinzipskizze einer weiteren Variante der erfindungsgemäßen Anlage mit einem Nebenkreislauf des Stoffstroms 2,
- 4 eine Variante der Anlage mit einer mehrstufigen Verdichtung und Kühlung des Stoffstroms 1 sowie einem Speicher für den Stoffstrom 1/ Kältemittelspeicher/Druckluftspeicher, beispielsweise für eine Schwarzstartfähigkeit,
- 5 eine erste Variante des Apparates mit einer Zuführung für den Stoffstrom 1 (Kältemittel) und einer Zuführung für den Stoffstrom 2 (Kälteträger),
- 6 eine zweite Variante des Apparates mit einer Zuführung für den Stoffstrom 1 (Kältemittel) und zwei Zuführungen für den Stoffstrom 2 (Kälteträger),
- 7 eine dritte Variante mit mehreren parallel geschalteten Apparaten.
-
Gemäß 1 weist die Anlage einen ersten Stoffstrom 1 mit mindestens einem oder bestehend aus mindestens einem Kältemittel und einen zweiten Stoffstrom 2 aufweisend mindestens einen oder bestehend aus mindestens einem Kälteträger auf.
-
Die Anlage ist weiterhin ausgestattet mit einem Apparat 3, und einen sich daran anschließenden Behälter 4 mit Speicherfunktion.
-
Bei der offenen Prozessführung wird bevorzugt zuerst der Behälter 4 mit Kälteträger (für Stoffstrom 2) befüllt.
-
Ein Kältemittel 1, bevorzugt beispielsweise Luft, wird über einen Verdichter 5 und einen ersten Wärmeübertrager 1.1 und der Kälteträger 2 aus dem Behälter 4 über einen zweiten Wärmeübertrager 2.1 unter Druck mittels einer Pumpe 6 in den Apparat 3 gefördert.
-
In dem ersten Wärmeübertrager 1.1 erfolgt beispielsweise eine Wärmeübertragung zur Vorkühlung des Stoffstroms 1/des Kältemittels und in dem zweiten Wärmeübertrager 2.1 eine Vorkühlung des Stoffstroms 2.
-
In dem Apparat 3 werden der erste und der zweite Stoffstrom 1, 2 zusammengeführt und expandieren und kühlen sich von Temperaturen T1 des ersten Stoffstroms 1 und T2 des zweiten Stoffstroms 2 vor dem Apparat 3 auf eine geringere Temperatur T des aus dem Apparat 3 austretenden Stroms 1/2 ab.
-
In dem Apparat 3 erfolgt dabei eine Mischung der Stoffströme 1 und 2 und eine direkte und/oder indirekte Wärmeübertragung zwischen dem ersten Stoffstrom 1 und dem zweiten Stoffstrom 2 (z.B. Injektortechnik).
-
Der auf eine Temperatur T reduzierte Strom 1/2 wird von dem Apparat 3 dem Behälter 4 zugeführt, in dem eine Phasentrennung der beiden Stoffströme 1 und 2 erfolgt, wobei sich bevorzugt das Kältemittel des Stoffstroms 1 in dem oberen Bereich und der Kälteträger des Stoffstroms 2 in dem unteren Bereich des Behälters 4 ablagern/absetzen. Dadurch können sehr geringe Temperaturen des Kälteträgers von bis zu -20 °C und geringer bis zu -100 °C realisiert werden, insbesondere wenn den Kälteträger gefrierpunktsenkende Stoffe beigemengt sind.
-
Das Kältemittel wird aus dem Behälter 4 an die Umgebung abgegeben oder teilweise dem Kältekreis A wieder zugeführt und der Stoffstrom 2/der Kälteträger wird dann über den Wärmeübertrager 2.1 und die Pumpe 6 wieder dem Apparat 3 zugeführt.
-
Es besteht die Möglichkeit einer indirekten Entladung des Behälters 4, wenn in den Behälter 4 ein Wärmeübertrager 2.2 integriert ist, der einen Vorlauf VLindirekt und einen Rücklauf RLindirekt aufweist und damit eine Kühlaufgabe K realisiert.
-
Zusätzlich oder alternativ kann eine direkte Entladung des Kälteträgers 2 aus dem Behälter 4 realisiert werden. Dazu wird der Kälteträger 2 als Vorlauf VLdirekt aus dem Behälter 4 entnommen und für eine Kühlaufgabe K verwendet und Kälteträger 2 über einen Rücklauf VRdirekt dem Behälter 4 wieder zugeführt.
-
Es besteht auch die Möglichkeit, auf den Rücklauf VRdirekt zu verzichten, dann muss dem System anderweitig Kälteträger 2 zugeführt werden, z.B. wie es bei 2 beschrieben ist.
-
Gemäß eines nicht dargestellten Beispiels kann in einer dem Apparat 3 vorgelagerten Einrichtung (z.B. Wärmeübertrager) auch bereits eine Wärmeübertragung/ ein Temperaturausgleich der beiden Stoffströme 1, 2 realisiert werden.
-
Weiterhin können die Stoffströme 1, 2 auch in dem Apparat 3 durch mindestens eine Zusatzheizung ZH und/oder mindestens eine Zusatzkühlung ZK insbesondere Zonenweise erwärmt und/oder gekühlt werden.
-
Durch den Apparat 3 führt bevorzugt eine kontinuierliche oder auch eine pulsierende Strömung und es sind bedarfsweise weitere Strömungseffekte wie Turbulenz-, Instabilitäts-, Grenzschichteffekte, Unter- und Überschallströmung realisierbar.
-
Die Zuführung des Stoffstroms 1 (z. B. Luft) in den Apparat 3 erfolgt bevorzugt mit je nach Prozessführung mit niedrigen oder hohen Drücken, insbesondere bei 0,01 bar bis 2500 bar und unter Umständen in verschiedenen Phasen mit einer Temperatur von typischerweise - 40 °C bis 50 °C in Abhängigkeit der Rückkühlung und/oder Zwischenkühlung.
-
Der zweite Stoffstrom 2 wird bevorzugt mit einem Druck von 1,1 bar bis 2500 bar mit einer Temperatur von ebenfalls -40 °C bis 50 °C in den Apparat gefördert.
-
Es erfolgt bei dem Zusammenführen beider Stoffströme 1 und 2 in dem Apparat 3 deren vollständiger und/oder partieller Kontakt, wobei sich z. B. Blasen oder Tropfen bilden. Es kann auch sein, dass eine Mischung der beiden Stoffströme mit direkter Wärmeübertragung erfolgt.
-
Es sind dabei folgende Vorgänge beim Zusammenführen der beiden Stoffströme 1, 2 in dem Apparat 3 möglich:
- - ggf. Lösung des Stoffstroms 1 im Stoffstrom 2,
- - ggf. nachgelagerte Wärmeübertragung mit externem Wärmeübertrager.
-
Die in dem Apparat 3 erfolgende und/oder sich an diesen anschließende Entspannung zur Erzeugung von Eis, Eisbrei/Eispartikeln, Schnee, Kaltwasser oder deren Kombinationen bzw. Mischung/Suspension eines gekühlten zweiten Stoffstroms 2 erfolgt bevorzugt mit der Nutzung folgender einzelner Effekte oder deren Kombinationen:
- - Änderung des thermodynamischen Zustands des Stoffstroms 1,
- - ggf. Joule-Thompson-Effekt bei der Entspannung des Kältemittels (Stoffstrom 1),
- - ggf. Verdampfen/Sublimieren des Stoffstroms 2.
-
Weiterhin erfolgt die Phasentrennung der Stoffströme in dem Behälter/Speicher 4 (bevorzugt bei -100 °C bis 20 °C) und/oder zumindest teilweise im Apparat beim Abführen der gasförmigen Phase (Stoffstrom 1) und Auffangen des Eises, Eisbreis, der Eispartikel, des Schnees, des Kaltwassers oder deren Kombinationen bzw. Mischungen oder Suspensionen (Stoffstrom 2).
-
Der erste Stoffstrom 1 weist bevorzugt ein Kältemittel in Form von Luft oder andere geeignete Kältemittel wie z.B. Gasströme aus industriellen/technischen Prozessen auf, wobei je nach Wahl des Kältemittels ggf. der Druck beim Zuführen in den Apparat 3 entsprechend geändert bzw. angepasst werden muss.
-
Der Stoffstrom 1 besteht weiterhin bevorzugt aus einem Kältemittel oder weist dieses auf, welches nicht oder nur gering löslich im Kälteträger des Stoffstroms 2 ist, wodurch die Phasentrennung im Behälter 4 gefördert wird.
-
Als Kälteträger können auch Mischungen (z. B. Wasser und gefrierpunktsenkende Stoffe) bzw. Stoffe, die den Phasenwechsel fördern (z.B. Partikel, Tropfen), zum Betrieb mit Speichertemperaturen deutlich unter 0 °C eingesetzt werden.
-
Der geeignete Druck kann berechnet oder durch Versuche ermittelt werden.
-
Der Stoffstrom 2 weist einen Kälteträger auf oder besteht aus einem Kälteträger in Form von Eis, Eisbrei/Eispartikeln, Schnee, Kaltwasser oder deren Kombinationen bzw. Mischung/Suspension.
-
Das Ansaugen und Verdichten des Stoffstroms 1 (bevorzugt Luft) erfolgt aus dem Behälter 4 und/oder aus der Umgebung. Mittels des Verdichters 5 wird der Druck des Stoffstroms 1 erhöht. Die Rückkühlung des Stoffstroms 1 realisiert der Wärmeübertrager 1.1.
-
Es können die nachfolgend aufgeführten Modifikationen des Kältemittelkreislaufes (Stoffstrom 1) erfolgen, wobei die Maßnahmen einzeln oder in verschiedenen Kombinationen realisierbar sind:
- - ein- oder mehrstufige Verdichtung bis maximalen Verdichtungsenddruck von ca. 2500 bar,
- - Parallelschaltung von Verdichtern,
- - mit und ohne Zwischenkühlung,
- - ggf. Einsatz von einem oder mehreren Kältemitteltrocknern,
- - ggf. unter Anwendung einer Ölabscheidung.
-
Weiterhin wird aus dem unteren Bereich des Behälters 4 der Stoffstrom 2 in Form von Eis, Eisbrei/Eispartikeln, Schnee, Kaltwasser oder deren Kombinationen oder deren Mischung/Suspension entnommen und dem zweiten Wärmeübertrager 2.1 des zweiten Stoffstroms 2 zur Realisierung einer optionalen Vorkühlung zugeführt und daraus mittels der Pumpe 6 wieder unter Druck in den Apparat 3 gefördert.
-
Es kann eine direkte oder indirekte Entladung des Speichers (Behälter 4 mit Speicherfunktion) hinsichtlich des zweiten Stoffstroms 2 erfolgen.
-
Die erfindungsgemäße Anlage dient zur Erzeugung und/oder Speicherung von Eis, Eisbrei/Eispartikel, Schnee, Kaltwasser oder deren Kombinationen bzw. Mischung/Suspension.
-
Dabei kann der Behälter 4 am Anfang/vor Beginn des Prozesses mit Kälteträger (bevorzugt Wasser) und Kältemittel (z.B. Luft) befüllt werden, aus/in welchem sich durch die starke Abkühlung im und/oder nach dem Apparat Eis, Eisbrei/Eispartikel, Schnee, Kaltwasser oder deren Kombinationen bzw. Mischung/Suspension bilden.
-
Es ist möglich, mehrere Apparate 3 zur Steigerung der Kälteleistung bzw. Eiserzeugung parallel zu schalten.
-
Weiterhin ist es möglich, für den zweiten Stoffstrom 2 Pumpen mit höherem Druck zu verwenden, um insbesondere im Bereich des Apparates 3 den Stoffstrom 1 teilweise anzusaugen (Injektorwirkung). Dadurch ist es auch möglich, die Temperatur des Stoffstroms 1 zu senken oder die Senkung der Temperatur für den Stoffstrom 1 und/oder die Verdichtungsleistung für Stoffstrom 1 zu reduzieren und/oder eine bessere Vorkühlung für den Stoffstrom 2 zu realisieren.
-
Es ist eine weitere Vorkühlung des Stoffstroms 1 intern (im Apparat) oder extern möglich, auch durch externe oder im Apparat 3 vorgesehene Kühlelemente.
-
Es sind der Einsatz des Prozesses und der Anlage als Wärmepumpenanlage und/oder als kombinierte Kühl- und Heizanlage möglich.
-
Dazu kann die aus der Rückkühlung des Kältemittels gewonnene Wärme für Heizzwecke genutzt werden.
-
Zur Rückgewinnung der Verdichtungsleistung des Verdichters 5 des ersten Stoffstroms 1 ist es möglich, eine Expansionsmaschine in den Kältemittelkreislauf des ersten Stoffstroms 1 einzubinden. Dies erfolgt bevorzugt vor dem Apparat 3. Dadurch ist auch eine teilweise Entspannung des Stoffstroms 1 realisierbar und dieser kühlt sich ab.
-
Die Expansionsmaschine kann beispielsweise eine Verdrängungsmaschine und/oder Turbine T sein, mit welcher insbesondere ein Generator G zur Stromerzeugung angetrieben wird (siehe 4).
-
Bei der Anlage gemäß 2 erfolgt die Zuführung des ersten Stoffstroms 1 wie bei 1 mit einem Druck bis 2500 bar und mit einer Temperatur T1 von -200 °C bis 50 °C. Der zweite Stoffstrom 2 in Form des Kälteträgers wird in einem offenen Prozess unter Druck (bis 2500 bar) dem Apparat 3 mit einer Temperatur T2 (max. -40 bis 35°C) zugeführt. Nach dem Abkühlen im Apparat 3 (auf Temperaturen T bis auf minimal -200 °C) wird der Strom 1/2 dem Behälter 4 zugeführt ggf. über einen nicht dargestellten Zyklon zur. Nach der Phasentrennung der Stoffe 1, 2 im Zyklon oder im Behälter wird das Kältemittel 1 (bevorzugt Luft) an die Umgebung oder zumindest teilweise wieder an den Kältekreis A abgegeben. Der Kälteträger des Stoffstroms 2 setzt sich in dem Behälter 4 unten ab. Die hier angedeutete Entladung des Behälters 4 zur Realisierung der Kühlaufgabe erfolgt direkt oder indirekt, beispielsweise wie in 1 dargestellt. Die Zuführung des beispielsweise Wassers als Kälteträger 2 kann aus einem Tank, einem Gewässer, dem Leitungsnetz oder dergleichen realisiert werden. Das Wasser/der Kälteträger 2 wird über eine Pumpe 6 angesaugt und dem Apparat 3 unter Druck zugeführt. Vor der Pumpe 6 kann ggf. ebenfalls ein Wärmeübertrager 2.1 vorgesehen sein.
-
Eine weitere Variante der Anlage ist in 3 dargestellt. Diese zeigt ebenfalls, dass der Stoffstrom 2 aus dem Wärmeübertrager 2.1 (zur optionalen Vorkühlung) über den Apparat 3 wieder in den Behälter 4 zurückgeführt wird. Dazu befindet sich eine Pumpe 6 zwischen dem Behälter 4 und dem Wärmeübertrager 2.1.
-
Zur weiteren Reduzierung der Temperatur des Kälteträgers 2 führt ein erster Nebenstoffstrom 2N 1 aus dem Behälter 4 über einen Wärmetauscher 2.1' und eine Pumpe 6.2 mit hohem Druck in den Apparat 3 (dem auch der erste Stoffstrom 1 und der zweite Stoffstrom 2 zugeführt wird) und von dort aus nach der Expansion und Abkühlung wieder in den Behälter 4. Der in den Behälter 4 zurückgeführte Kälteträger 2 ist stark abgekühlt, wodurch auch der Stoffstrom 2 in seiner Temperatur zur Realisierung der Kühlfunktion K reduziert ist.
-
Auch bei dieser Variante beträgt vor dem Apparat 3 bei dem ersten Stoffstrom 1 der Druck bis zu 2500 bar und die Temperatur T1 bis zu minimal -200°C und bei dem zweiten Stoffstrom 2 der Druck bis zu 2500 bar und die Temperatur T2 zwischen -40 und 30 °C. Der aus dem Apparat 3 austretende Strom 1/2 weist ebenfalls eine Temperatur T von bevorzugt zwischen -200 °C und 20 °C auf.
-
Der Nebenstoffstrom 2N1 wird mit einem Druck bis 2500 bar und einer Temperatur zwischen -40 °C und 30 °C dem Apparat 3 zugeführt.
-
In 3 ist mit der dick gestrichelten Linie angedeutet, dass der Kälteträger 2 auch von außen, beispielsweise aus einem Tank, einem Gewässer, dem Leitungsnetz oder dergleichen zugeführt werden kann.
-
4 zeigt eine Variante einer Anlage mit einer Verbesserung des einfachen Kaltluftverfahrens durch Nutzung einer mehrstufigen Verdichtung des Kältemittels 1 mit Zwischenkühlung und einer dadurch realisierten Auskopplung der Nutzwärme, wodurch höhere Drücke und eine energieeffiziente Verdichtung realisierbar sind.
-
Das Kältemittel 1 wird in einem Stoffstrom 1 hier in 4 Stufen über einem Verdichter V1 bis V4 und diesen jeweils nachgeordnetem Kühler K1 bis K4 geführt. Die Kühler K1 bis K4 sind über einen Vorlauf VL und einen Rücklauf RL mit einem Heizsystem (nicht dargestellt) gekoppelt. Über mindestens einen oder alle Kühler K1 bis K4 wird ein Wärmeentzug des Stoffstroms 1 realisiert, welcher sich durch die Verdichtung aufgeheizt hat.
-
Über einen oder mehrere weitere Rückkühler - hier drei Rückkühler R1, R2, R3 - erfolgt eine weitere Rückkühlung des ersten Stoffstroms 1, wobei die entzogene Wärme an die Umgebung abgegeben oder für Heizzwecke genutzt wird.
-
Die dem Stoffstrom 1 mit mindestens einem Kühler K1 bis K4 und/oder mindestens einem Rückkühler R1 bis R3 entzogene Wärme ist z.B. für Heizzwecke in einem Temperaturbereich von 40°C bis 400°C vorgesehen.
-
Der niedrigere Bereich in der Höhe von 40 bis 90°C kann dabei z.B. für Raumheizungen und der hohe Temperaturbereich (bis 400°C) z.B. für technologische Prozesse angewendet werden.
-
In dem Ausführungsbeispiel gemäß 4 sind die Kühler K1 bis K4 bevorzugt für den höheren Temperaturbereich und der Rückkühler R3 für den niedrigeren Temperaturbereich vorgesehen.
-
Weiterhin ist im dargestellten Ausführungsbeispiel eine Kopplung mindestens eines Kühlers K1 bis K4 und/oder des Rückkühlers R3 mit mindestens einer weiteren Wärmepumpe möglich (nicht dargestellt).
-
Der Rückkühler R1 nutzt hier die kalte Abluft des Stoffstroms 1 aus dem Zyklon 13 und/oder dem Behälter 4.
-
An den Rückkühler R2 wird die kalte Abluft des Zyklons 13 geleitet, der zur Kühlung des Stoffstroms 1 dient.
-
Der Rückkühler R3 realisiert eine Wärmeabfuhr an die Umgebung oder eine Heizung mit bevorzugt niedrigen Temperaturen.
-
Der Stoffstrom 1 wird nach den Rückkühlern R1, R2, R3 über eine Expansionsmaschine - hier eine Turbine T - und/oder ein Entspannungsorgan 1.3 geleitet. Dadurch wird ein Teilstrom des Kältemittels in dem Entspannungsorgan 1.3 entspannt und kühlt den verbleibenden Stoffstrom ab.
-
Die Expansionsmaschine realisiert ebenfalls eine Entspannung des Stoffstroms 2 vor dem Apparat 3. Zur Gewinnung einer mechanischen Leistung wird durch die Turbine T ein Generator G angetrieben.
-
Weiterhin kann ein Speicher 12 für den komprimierten Stoffstrom 1 vorgesehen sein, mit dem eine Betriebsoptimierung und Schwarzstartfähigkeit realisierbar ist.
-
Der Einsatz eines Speichers (bevorzugt Druckluftspeichers) 12 zur Betriebsoptimierung ist mit zahlreichen Vorteilen verbunden:
- Es ist möglich, den Speicher für den Stoffstrom 1/Druckluftspeicher 12 bei keiner oder nur geringer Kälteerzeugung und/oder bei keiner oder geringer Stromerzeugung zu beladen. Das Entladen des Speichers für den Stoffstrom1/Druckluftspeichers 12 erfolgt beim Start der Anlage ohne Strom (Schwarzstartfähigkeit), beim Start/Betrieb mit wenig Strom, zur Beschleunigung des Startverhaltens (z. B. Bereitstellung von Regelleistung oder wenn nur Strom- und/oder Kälte erzeugt werden sollen.
-
Die Entspannung des gesamten Stoffstroms 1 erfolgt bevorzugt einstufig oder mehrstufig mit der vorgenannt beschriebenen Expansionsmaschine T (z. B. Turbine, Verdrängungsmaschine). Diese kann ggf. auf einer Welle mit den Verdichtern und/oder einem Getriebe angeordnet sein. Bei Verwendung eines durch die Expansionsmaschine T angetriebenen Generators G ist eine z. B. teilweise Deckung des Verdichtungsaufwands realisierbar.
-
Weiterhin ist auch der Einsatz eines vorgenannt beschriebenen statischen Entspannungsorgans 1.3 (einfacher Druckverlust) realisierbar und dies beispielsweise mit einem gesteuerten Druckverlust und bedarfsweise mit einem ggf. Bypass zur Turbine/ Expansionsmaschine T.
-
Im Weiteren wird der erste Stoffstrom 1 nach dem Entspannungsorgan 1.3 bzw. der Turbine/ Expansionsmaschine T dem Apparat 3 zugeführt.
-
Die Zuführung des Stoffstroms 2 wird wie bei der 1 aus dem Behälter 4 über den Wärmeübertrager 2.1 und die Pumpe 3 zum Apparat 3 realisiert. Der aus dem Apparat 3 austretende Strom 1/2 aus den Stoffströmen 1 und 2 wird in den Behälter 4 geleitet, in dem die Phasentrennung erfolgt. Dem Behälter 4 ist hier ein Zyklon 13 zur Abscheidung/Trennung der Stoffe der Stoffströme 1, 2 zugeordnet. Der Kälteträger 1 (bevorzugt Luft) wird aus dem Zyklon 13 an die Umgebung und/oder an den Rückkühler R1 und/oder an den Vorkühler 2.1 und/oder dem Kältekreis A abgegeben.
-
Weiterhin kann nach der Expansionsmaschine, hier eine Turbine T, ein Teilstrom (z. B. Kaltluft) des Kälteträgers 1 zu einem Rückkühler (hier R1) geführt werden.
-
Der im Behälter 4 befindliche Kälteträger 2 wird zur Realisierung der Kühlaufgabe K direkt oder indirekt entladen - siehe 1.
-
Gemäß eines nicht dargestellten Ausführungsbeispiels kann der erste Stoffstrom nach der Phasentrennung im Zyklon bzw. im Behälter auch wieder dem Kältekreislauf und somit dem Apparat zugeführt werden.
-
Nachfolgend werden in den 5 und 6 zwei konstruktive Ausführungen von Apparaten 3 dargestellt.
-
5 zeigt eine Variante des Apparates 3 mit einem inneren hohlzylidrischen/ rohrförmigen ersten Mantel 9, der einen Einlass 9.1 und einen Auslass 9.2 aufweist und in Richtung zum Auslass 9.2 mit einer trichterförmigen Erweiterung 9.3 versehen ist.
-
Der erste Mantel 9 wird im Abstand von einem weiteren hohlzylidrischen/rohrförmigen zweiten Mantel 10 umringt, der hier länger ist, als der erste Mantel 9 und über den Auslass 9.2 des ersten Mantels 9 ragt. Der erste und der zweite Mantel 9, 10 sind zentrisch zueinander entlang einer Längsachse A angeordnet.
-
Zwischen dem Außenumfang des ersten Mantels 9 und der Innenkontur des zweiten Mantels 10 wird ein erster Ringraum 3.1 ausgebildet und nach der Austrittsöffnung 9.2 des ersten Mantels 9 eine erste Kammer 3.2.
-
Der zweite Mantel 10 weist nach dem zylindrischen Bereich in Richtung zum Ausgang 10.2 eine trichterförmige Durchmessererweiterung 10.3 und am Einlass 10.1 eine trichterförmige Durchmesserreduzierung 10.4 auf.
-
Es besteht die Möglichkeit den ersten Stoffstrom 1 über den Einlass 9 und den zweiten Stoffstrom 2 über den Einlass 10 zuzuführen (wie dargestellt) oder umgekehrt. Die beiden unter hohem Druck zugeführten Stoffströme 1, 2 kommen im Bereich der Kammer 3.2 in Kontakt und treten am Ausgang 10.2 aus dem Apparat 3 als ein Strom 1/2 aus und werden in den hier nicht dargestellten Behälter 4 eingebracht. In dem Apparat 3 expandieren die Stoffströme und kühlen sich dadurch stark ab. Zwischen den Stoffströmen wird im Bereich 3.1 ein indirekter und im Bereich 3.2 ein direkter Wärmeübergang realisiert.
-
In 6 ist eine weitere Variante eines Apparates 3 dargestellt, bei dem der erste Mantel 9 und der zweite Mantel 10 wie in 7 ausgeführt sind, wobei diese zusätzlich von einem dritten hohlzylindrischen Mantel 11 umringt sind.
-
Der dritte hohlzylindrische Mantel 11 weist ebenfalls einen Einlass 11.1 und einen Auslass 11.2 auf und ist in Richtung zum Auslass 11.2 mit einer trichterförmigen Erweiterung 11.3 versehen.
-
Der zweite Mantel 11 wird im Abstand von dem hohlzylidrischen/rohrförmigen dritten Mantel 11 umringt, der hier länger ist, als der zweite Mantel 10 und somit über den Auslass 10.2 des zweiten Mantels 10 ragt. Der erste, der zweite und der dritte Mantel 9, 10, 11 sind ebenfalls zentrisch zueinander entlang der Längsachse A angeordnet. Zwischen dem Außenumfang des zweiten Mantels 10 und der Innenkontur des dritten Mantels 11 wird ein zweiter Ringraum 3.3 ausgebildet und nach der Austrittsöffnung 10.2 des zweiten Mantels 10 eine zweite Kammer 3.4.
-
Es besteht auch hier die Möglichkeit den ersten Stoffstrom 1 über den Einlass 9.1 und den zweiten Stoffstrom 2 über den Einlass 10.1 zuzuführen (wie dargestellt) oder umgekehrt. In den Einlass 11.1 können beispielsweise ein Nebenstrom 2N1 eingeleitet werden.
-
Die beiden unter hohem Druck zugeführten Stoffströme 1, 2 kommen im Bereich der Kammer 3.2 in Kontakt und treten am Ausgang 10.2 in die zweite Kammer 3.4 ein und kommen dort beispielsweise mit dem Stoffstrom des Nebenkreislaufs 2N1 in Kontakt.
-
Es wird in den Ringräumen 3.1, 3.2 eine indirekte und in den Kammern 3.2, 3.4 eine direkte Wärmeübertragung realisiert.
-
In dem Apparat 3 und/oder nach dem Apparat 3 expandieren alle Stoffströme, kühlen sich dadurch stark ab und werden als Strom 1/2 in den hier nicht dargestellten Behälter 4 eingebracht.
-
Bei beiden Varianten nach 5 und 6 ist beispielsweise der jeweils äußere Mantel (zweiter Mantel 10 oder dritter Mantel 11) mit einer Zusatzheizung ZH und/oder Zusatzkühlung ZK und/oder einem Wärmeübertrager 3W versehen, die auch in Zonen aufgeteilt sein können.
-
Die Zusatzheizung ZH bzw. der Wärmeübertrager 3W können beispielsweise eine Behinderung der erfindungsgemäßen Funktion, z.B. eine unerwünschte Eisbildung auf den Oberflächen des Apparates 3 verhindern.
-
Gemäß nicht dargestellter Ausführungsvarianten können die aus dem Apparat austretenden Ströme 1/2 auch im Wesentlichen tangential in den Behälter/Speicher 4 eingeleitet werden. Dadurch wird eine bessere Trennung des Kälteträgers und des Kältemittels realisiert.
-
Alternativ kann auch eine andere Einleitung der Stoffströme in den Apparat 3 gewählt werden.
-
Beispielsweise kann über die Zuführung 9.1 der Stoffstrom 2 eingeleitet werden und über die Zuführung 10.1 der Stoffstrom 1.
-
Bei Anordnung einer Ummantelung in Form des dritten Mantels 11 kann dann beispielsweise ein Nebenstoffstrom 2N1 über die Zuführung 11.1 in den Apparat 3 eingeleitet werden.
-
Die Zufuhr der Stoffströme kann gemäß nicht dargestellter Beispiele auch radial oder schiefwinklig ausgeführt sein.
-
In dem Apparat 3 erfolgt die Expansion, Beschleunigung und Drucksenkung, welche für die Erzeugung von Eis, Eisbrei/Eispartikeln, Schnee, Kaltwasser oder deren Kombinationen bzw. Mischung/Suspension erforderlich ist.
-
Bei der Zusammenführung der Stoffströme können Reaktionen zwischen den Stoffströmen oder ggf. eine physikalische Lösung von Gasen des ersten Stoffstroms 1 in der Flüssigkeit des zweiten Stoffstroms 2 erfolgen.
-
Ggf. kann auch ein Joule-Thompson-Effekt und ebenfalls ggf. eine Rückreaktion erfolgen.
-
In dem Apparat 3 können gewünschte Turbulenzeffekte, Grenzschichteffekte und Instabilitätseffekte durch die Strömungsführung und verschiedene bekannte konstruktive Modifikationen auftreten, um den Druck/die Strömung zu beeinflussen und/oder die Wärmeübertragung zwischen den Stoffströmen zu verbessern oder um ungünstige Betriebszustände zu vermeiden.
-
7 zeigt eine erfindungsgemäße Anlage, bei welcher mehrere Apparate 3 zueinander parallel angeordnet sind. Die Zuführungen der Stoffströme 1 und 2 sind als eine Leitung L angedeutet. Wie bei den vorgenannten Varianten erfolgt in diesen der Kontakt der Stoffströme 1 und 2 sowie deren Entspannung und eine direkte und/oder indirekte Wärmeübertragung.
-
Die Apparate 3 sind in einer Umhausung U angeordnet, die eine Öffnung U1 aufweist und in welcher ein Zusatzluftstrom (nicht bezeichnet) über mindestens ein Mittel M in Form eines Verdichters und/oder Ventilators angesaugt wird. Die aus den Apparaten 3 austretenden Ströme 1/2 gelangen in einen Zyklon 13 und werden in diesem getrennt. Aus der oberen Öffnung des Zyklons 13 treten vorwiegend der Stoffstrom 1 und die Zusatzluft aus und aus der unteren Öffnung vorwiegend der Stoffstrom 2.
-
Um Vereisung zu vermeiden, können die Umhausung U und/oder der Zyklon 13 mit einer Heizung (nicht dargestellt) versehen sein.
-
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren und der Anlage können unter Verwendung eines ökologischen Kältemittels (wie z.B. Luft) und Kälteträgers (Eis, Eisbrei/Eispartikeln, Schnee, Hydraten, Kaltwasser oder deren Kombinationen bzw. Mischungen/ Suspensionen) hohe Kälteleistungen und hohe Eisproduktionen beispielsweise für industrielle Anwendungen realisiert werden, wobei Temperaturen des Kälteträgers von 20 °C bis -100 °C bereitgestellt werden können.
-
Mit der erfindungsgemäßen Anlage und dem Verfahren sind sehr hohe Speicherbeladeleistungen (bis beispielsweise in den Megawattbereich, sehr hohe Speicherentladeleistungen (bis beispielsweise in den Megawattbereich) möglich.
-
Die Anlage kann aber je nach Dimensionierung auch kleinere Leistungen im Kilowattbereich bereitstellen.
-
Weiterhin kann über Rohrleitungen beispielsweise auch Fernkälte zur Verfügung gestellt werden. Es ist auch die Einbindung in Fernkälte möglich.
-
Es kann auch eine direkte Anwendung auf z. B. Lebensmitteln oder für Sportzwecke (z.B. Wintersport) umgesetzt werden.
-
Durch die relativ einfache konstruktive Ausführung der Anlage ist und nur ein geringer Betriebs- und Wartungsaufwand erforderlich ist.
-
Ein Vorteil besteht auch darin, dass die Anlage auch als Wärmepumpenanlage und/oder als kombinierte Kühl- und Heizanlage einsetzbar ist.
-
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
-
