DE1036282B

DE1036282B - Kuehlanlage

Info

Publication number: DE1036282B
Application number: DES50075A
Authority: DE
Original assignee: Sulzer AG
Current assignee: Sulzer AG
Priority date: 1956-08-17
Filing date: 1956-08-23
Publication date: 1958-08-14

Description

Kühlanlage Die Erfindung bezieht sich auf eine Kühlanlage mit einem Kompressor für ein Kältemittel und einem darauffolgenden Kühler für das Kältemittel, ferner mit mindestens zwei hinter dem Kühler liegenden, hintereinandergeschalteten Expansionsturbinen, wobei vor jede Turbine ein Wärmeaustauscher mit dem Primärkanal eingeschaltet ist, und besteht darin, daß der letzten Expansionsturbine entströmendes Kältemittel durch deal Sekundärkanal mindestens des vor der ersten Turbine liegenden Wärmeaustauschers geleitet ist. Die Anlage läßt sich besonders für di° Tiefkühlung verwenden, weil das mehrmals expandierte Kältemittel zurückgeführt und mindestens vor der ersten Expansionsturbine in Wärmeaustausch mit dem zu expandierenden Kältemittel gebracht ist.
Es ist zwar eine Bergwerkskühlanlage bekannt, bei der vor eine erste, als Turbine ausgebildete Expansionsmaschine ein Wärmeaustauscher mit seinem Primärkanal geschaltet ist, durch dessen Sekundärkanal die die Expansionsturbine verlassende Kühlluft geführt ist, die darauf durch eine weitere, als Druckluftmotor ausgebildete Expansionsmaschine geleitet und anschließend zum Arbeitsplatz im Bergwerksstollen geführt ist. Die Kühlluft wird, dort aber nicht nach der zweiten Expansion zum Wärmeaustausch mit der vor der ersten Expansionsmaschine zuströmenden, erstmals zu expamdierenden Luft benutzt, sondern tritt beim Verlassen des Druckluftmotors frei in den Bergwerksstollen aus. Bei einer demgegenüber abgewandelten, bekannten Bergwerksklimaanlage wird zwar ein Teil der der zweiten Expansionsmaschine entströmenden Kühlluft zurückgeführt, jedoch wird sie bei dieser bekannten Anlage lediglich in einem vor der zweiten Expansionsmaschine liegenden Wasserabscheider in Wärmeaustausch mit der der zweiten Expansionsmaschine zugeführten Kühlluft gebracht. Vor der ersten Expansionsmaschine liegt bei dieser Anlage überhaupt kein Wärmeaustauscher, in dem die der zweiten Expansionsmaschine entströmende Kühlluft mit der der ersten Expansionsmaschine zuströmenden Kühlluft in Wärmeaustausch gebracht werden könnte. Für einen wirksamen Wärmeaustausch ist es jedoch gerade notwendig, die Wärme des der letzten Expansionsmaschine entströmenden Mediums auf das der ersten Expansionsmaschine zugeführte, zu expandierende Medium zu übertragen, also das der letzten Expansionsmaschine entströmende Kältemittel durch den Sekundärkanal eines vor der ersten Expansionsmaschine liegenden Wärmeaustauschers zu führen, durch dessen Primärkanal das der ersten Expansionsmaschine zugeführte Kältemittel strömt.
Bei einer Ausführungsform der Erfindung sind an clie Austrittsseite der letzten Turbine alle zwischen den Turbinen liegenden Wärmeaustauscher jeweils mit ihrem Sekundärkanal in Hintereinanderschaltung angeschlossen, deren letzter an seiner Austrittsseite mit der Saugseite des Kompressors verbunden ist. Das in den Primärkanälen der Wärmeaustauscher strömende Kältemittel, das durch Expansion gekühlt wird, wird dann jeweils im Anschluß daran durch das aus der letzten Turbine kommende, durch die Sekundärkanäle der Wärmeaustauscher zum Kompressor zurückströmende Kältemittel selbst weitergekühlt. Die tiefe Temperatur des der letzten Expansionsstufe entströmenden Kältemittels kann z. B. über einen weiteren, in dem Kreislauf stattfindenden Wärmeaustausch, an dem auch zu kühlendes Medium beteiligt ist, verwertet werden.
Bei einem Ausführungsbeispiel der zuletzt genannten Bauart der Erfindung enthalten die Wärmeaustauscher Tertiärkanäle, durch welche ein zu kühlendes Medium geleitet ist. Das zu kühlende Medium ist also ebenfalls durch die zwischen die Turbinen geschalteten Wärmeaustauscher geführt.
Bei einer Ausführungsform der Erfindung sind Turbinen und dazwischengeschaltete Wärmeausta.uscher so bemessen, daß das Temperaturgefälle in den Turbinen im Vergleich zu dem Temperaturgefälle in den Wärmeaustauschern klein ist. Die thermodynamischen Verluste werden dann gering gehalten.
Bei einer weiteren Bauart der Erfindung liegen die Wärmeaustauscher - abgesehen von dem vor die erste Expansionsturbine eingeschalteten -, vorteilhaft als Gleichstromwärmeaustauscher, mit ihren Sekundärkanälen in Hintereinanderschaltung in einer ein zu kühlendes bzw. zu verflüssigendes Medium führenden Leitung. Hierbei wird durch die durch Expansion erzielte Kälte hinter jeder Turbine jeweils das zu kühlende Medium abgekühlt; dabei wird das Kältemittel erwärmt. Turbinen und Wärmeaustauscher lassen sich unter Berücksichtigung von Temperatur, Druck und Dlenge des zu kühlenden Mediums so bemessen, daß alle Turbinen auf etwa dem gleichen Temperaturniveau arbeiten.
Bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist durch die Expansionsturbinen sämtliches aus dem Kompressor und dem Kühler kommendes Kältemittel geleitet. Die durch die Turbinen in der Zeiteinheit geleitete Kälteinittelmenge hat dann d;ii größtmöglichen Betrag. Dies hat zur Folge, daß llci gegebenen Turbinenabmessungen auch 4i° 1>2i jeder Expansion erzielte Enthalpie-Abnahme l:2soild:rs groß ist und demzufolge die dem Quotienten aus Enthalpie-Abnahme und spezifischer \\'ärme gleiche Temperaturabnahme selbst dann ausreichend groß wird, wenn ein gasförmiges Kältemittel von hoher spezifischer Wärme verwendet wird. Durch eine Anlage der zuletzt erwähnten Bauart wird es also möglich, z. B. Wasserstoff mit der hohen spezifischen Wärme von 3.4 cal g-1 Grad-' bei 0° C in wirtschaftlicher «'eise als Kältemittel für einen Kühlprozeß mit Expansion unter Arbeitsleistung in Turbinen zu benutzen.
Das erwähnte Ausführungslyeispiel gewinnt auch insofern Bedeutung, als die durch die Turbinen stömende, sekundliche Kältemittelmenge nicht gering wird; wird nämlich aus irgendwelchen Gründen die vom Kompressor geförderte Kältemittelmenge in der Zeiteinheit relativ niedrig gehalten und - im Gegensatz zu der in Rede stehenden Ausführungsform der Erfindung - nur ein Teil von ihr durch die Expansionsturbinen geschickt, so müssen die Turbinen so kleine Abmessungen erhalten, daß Schwierigkeiten entstehen würden, sie überhaupt herzustellen.
Bei einer Ausführungsform der Erfindung sind lauter gleiche Turbinen, also Turbinen mit lauter gleichen Laufrädern und Leitapparaten und finit gleichen Abmessungen dieser Teile benutzt; dies wird deshalb> ermöglicht, weil die in jeder Turbine durch Expansion eintretende Volumenzunahme durch eine durch Temperaturabnahme in einem folgenden Wärmeaustauscher erzielte Volumenabnahme ausgeglichen wird, so daß in jeder Turbine etwa gleich viel Volumen in der Zeiteinheit strömt. Bei geringen \'olumenalnveichungen können die Turbinen gegebenenfalls bis auf einen Teil, z. B. den Leitapparat, gleich ausgebildet sein, und die Abweichungen des Durchsatzvoluniens werden jeweils nur durch einen verschiedenen Leitapparat ausgeglichen. Damit muß für eine gegeben, Anlage nur ein Reserverotor auf Lager gehalten werden. Außerdem können gegebenenfalls die Rotoren der einzelnen Turbinen gegenseitig ausgewechselt werden.
Die Zeichnung zeigt Ausführungsbeispiele.
Fig. 1 bis 3 sind vereinfachte Schaltschemen von drei erfindungsgemäß ausgebildeten Kühlanlagen: Fig. 4 bis 6 sind zugehörige Arbeitsdiagramme.
In einem Kältemittelkreislauf liegen ein Kompressor, vorzugsweise ein ölfreier Laby-rinthkolbenkompressor 1 z. B. mit gasdichtem Gehäuse, ein Kühler, z. B. ein Wasserkühler 2, dahinter der Primärkanal 3 eines ersten Wärmeaustauschers 4, weiter eine erste Expansionsturbine 5, der Primärkanal 6 eines zweiten Wärmeaustauschers 7, darauf eine zweite, der Turbine 5 gleiche Expansionsturbine 8, ein Primärkanal 9 eines dritten Wärmeaustauschers 10 und hierauf eine dritte, den Turbinen 5, 8 gleiche Expansionsturbine 11: auf sie folge n in einem Riickleitungszweig 12 die drei Sekundärkanäle 13, 14, 15 der Wärnieaustauscher 10, 7, 4 einerseits und parallel dazu der Primärkanal 16 eines weiteren Wärmeaustauschers 17 andererseits. Durch den Sekundärkanal 18 des Wärmeaustauschers 17 ist eine das zu kühlende itlediuni führende Leitung 19 geleitet. Die Turbinen 5, 8 und 11 sind hintereinandergeschaltet, und es ist zwischen die Turbinen 5, 8 der Primärkanal 6 des Wärmeaustauschers 7 und zwischen die Turbinen 8, 11 der Primärkanal 9 des Wärmeaustauschers 10 geschaltet. Durch die Turbinen ist sämtliches aus dem Kompressor i und dem Kühler 2 kommendes Kältemittel geführt.
Bei einer abgewandelten Bauart besitzen die Wärmeaustauscher 4, 7, 10 Tertiärkanäle 38, 39, 40. durch die eine mit der Leitung 19 verbundene Leitung 18' führt, die in Fig. 1 gestrichelt eingezeichnet ist und der Leitung 18 des ersten Beispiels entspricht. Die Teile 16 bis 18 fallen bei dieser Ausführungsform fort.
Bei dein zu der ersten Bauart nach Fig. 1 gehörenden Diagramm nach Fig.4 ist auf der Abszisse die Entropie S, auf der Ordinate die Temperatur T aufgetragen. Von Punkt 20 (Fig. 1 und 4) gelangt das in dein Kompressor 1 komprimierte, in dem Kühler 2 gekühlte, gasförmige Kältemittel nach Punkt 21, weiter durch isobare Abkühlung in den Teilen 3, 4 zii Punkt 22, von denn aus es in die Turbine 5 eintritt, wo es auf Grund der äußeren Arbeitsleistung während der Expansion eine Enthalpie- und Temperaturabnahme erfährt und zu Punkt 23 gelangt, der auf einer Isobaren niedrigeren Betrages liegt. Hierauf wird dem Kältemittel in den Teilen 6, 7 weiter Wärnie isobar entzogen, und es gelangt zu Punkt 24. Nach weiterer Enthalpie- bzw. Temperaturabnahme durch Expansion in Turbine 8 erreicht das Kältemittel Punkt 25 und nach nochmaliger Abkühlung in den Teilen 9, 10 den Punkt 26. Darauf durchströmt es die letzte Turbine 11 und wird dabei nach Punkt 27 geführt. Der über den Zweig 12 weiterströmende Kälteinittelanteil wird in Kanal 13 erwärmt und gelangt zu Punkt 29. Die aufgenommene Wärme stammt aus dem Kältemittel in Kanal 9. Nach Durchströmen von Kanal 14 gelangt das Kältemittel unter weiterer Erwärmung nach Punkt 31. Schließlich wird es nach nochmaliger Erwärmung in dem Austauscher 4 wieder zu Punkt 20 und aufs neue in den Kompressor 1 geführt.
Der durch Zweig 16 strömende, für die Kühlung in dem Kanal 18 verwendete Anteil des aus der letzten Turbine 11 kommenden Kältemittels wird gegenüber dem durch Zw-,ig 12 strömenden Anteil verhältnismäßig klein gehalten, damit sich das Temperaturgefälle in den Turbinen 5, 8, 11 im Vergleich zu dein Temperaturgefälle in den Wärmeaustauschern 4, 7 und 10, und zwar sowohl zu demjenigen in den Primärkanälen 3, 6, 9 wie auch zu dem in den Sekundärkanälen 13 bis 15, klein halten läßt. Daß das Temperaturgefälle in den Turbinen 5, 8, il im Vergleich zu dem in den Wärmeaustauschern 4, 7, 9 klein ist, ergibt sich auch aus dein T-S-Diagrainm (Fig. 4).
Bei der Anlage nach Fig. 2 folgt auf die letzte Turbine 11 noch ein Wärmeaustauscher 34, dessen Primärkanal mit 35 und dessen Sekundärkanal mit 36 bezeichnet ist. Das aus Kanal 35 kommende Kältemittel strömt über eine einzige Leitung 37 in den @@'ärmeaustauscher 4 und durch dessen Sekundärkanal 15 zurück in den Kompressor 1. Durch die Sekundärkanäle 14, 13, 36 der Austauscher 7, 10, 34 ist das zu kühlende Medium geleitet. Die Anordnung läßt sich so treffen, daß an den Eingängen 22, 24, 26 sämtlicher Turbinen etwa die gleiche Temperatur herrscht. In diesem Fall kann in all dem zu kühlenden Medium die Wärme bei praktisch konstanter Temperatur entziehen, wie es z. B. bei der Verflüssigung eines Gases notwendig ist.
Wie sich aus dem zugehörigen Diagramm nach Fig. 5 ergibt. wird das Kältemittel bei diesem Beispiel nach dem Kühler 2 von Punkt 21 durch die Teile 3, 4 nach dein wesentlich tiefer als Punkt 22 gelegenen Punkt 22' geleitet. Die drei Expansionsabschnitte (Enthalpie- bzw. Tempera,turabnahmeabschnitte) 22-23, 24-25, 26-27 sowie die drei isobaren Wärmeaufnahnleabschnitte 23-24, 25-26 und 27-28' liegen bei diesem Beispiel etwa auf konstantem Temperaturniveau.
Bei dein Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 teilt sich bereits das aus Kanal 9 des Austauschers 10 kommende Kältemittel bei 26' in zwei Zweige 42, 43. Zweig 42 ist über eine weitere Turbine 44, den Primärkanal 45 eines Wärmeaustauschers 46, eine Turbine 47, den Primärkanal 48 eines weiteren Wärmeaustauschers 49 und eine Turbine 50 zu einem Punkt 51 geführt. Leitung 43 andererseits ist durch den Sekundärkanal 52 des Austauschers 46, weiter über ein Drosselorgan 53, den Sekundärkanal 54 des Austauschers 49, ein Drosselorgan 55, den Sekundärkanal 56 eines Wärmeaustauschers 57 und über ein Drosselorgan 58 in einen Sammelbehälter 59 für verflüssigtes :Medium gel°itet. Eine Leitung 60 ist aus dem Behälter 59 zu Punkt 51 geführt; über sie kann dem Behälter 59 ein Anteil seines Inhalts in Gasform °eiltnoillin--il werden. Die Entnahmeleitung 60 führt hinter Punkt 51, durch den Primärkanal 62 des Austauschers 57, und vereinigt sich bei 64 mit einer den Wärmeaustauscher 17 durchsetzenden Leitung 65, um sich bei 66 wieder in die beiden Zweige 12, 16 zu teilen, die entsprechend dem Beispiel nach Fig. 1 die Austauscher 10, 7, 4 einerseits und den Austauscher 17 andererseits durchsetzen und darauf nach Wiedervereinigung in den Kompressor 1 zurückführen. Über Leitung 65 wird der Anlage ständig so viel Medium zugeführt, wie dem Behälter 59 als Erzeugnis über ein Ventil 68 entnommen wird.
Bei dein Beispiel nach Fig. 3 ist - im Gegensatz zu den Ausführungsformen nach Fig. 1 und 2 - das zu kühlende Medium zugleich auch Kältemittel in den Turbinen und den zugehörigen Wärmeaustauschern. Dadurch, daß bei 26' in den Turbinenzweig 42 und den Drosselzweig 43 aufgeteilt wird, wird erreicht, da.ß die zu verflüssigende Gasmenge des Zweiges 43 nur noch durch «'ärnieaustauscll weiter abgekühlt und verflüssigt wird, während die Gasmenge in Zweig 42 infolge arbeitsleistender Expansion, ohne sich zu verflüssigen, weiter abkühlt, so daß sie imstande ist, der von ihr abgetrennten Gasmenge im Zweig 43 Wärme ztt entziehen. Eine teilweise Kondensation des Gases in den Turbinen 44. 47, 50 infolge _1#,bkühlung durch Expansion wird vermieden, damit der Wirkungsgrad wegen des auf Grund von etwaiger teilweiser Kondensation kleineren Durchsatzvolumens bei den. Turbinen 44, 47, 50 nicht sinkt.
Nach dem zugehörigen Diagramm (Fig. 6), bei d°m wiederum auf der Abszisse die Entropie, auf der Ordinate die Temperatur aufgetragen ist und bei dem der in den Teilen 1 bis 10, 13 bis 15 vor sich gehende Teilprozeß weggelassen ist, wird das den Zweig 42 durchströmende, gasförmige Medium unter Abnahme :seiner Enthalpie bzw. Temperatur von Punkt 26' über Turbine 44 nach Punkt 70 geführt, darauf unter Wärmeaufnahme in Kanal 45 des Austauschers 46 isobar nach Punkt 71 und weiter über Turbine 47 nach 72 und über Wärmeaustauscher 49 nach Punkt 73 und schließlich über Turbine 50 nach Punkt 51 geleitet. Das über den Zweig 43 geführte Medium wird in Kanal 52 teilweise verflüssigt und gelangt über die Verflüssigungslinie 75 zu Punkt 76; weiter wird es in dem Drosselorgan 53 unter Konstanthaltung der Enthalpie (isenthalp) entspannt und gelangt nach Punkt 77, der auf einer Isobaren niedrigeren Betrages liegt als Punkt 76. Hierauf durchsetzt das teilweise verflüssigte Medium Kanal 54, wobei weitere Anteile verflüssigt werden. Es gelangt nach Punkt 78. Nach nochmaliger gedrosselter Entspannung in Organ 55, durch die es nach Punkt 79 gelangt, durchsetzt das Medium Kanal 56, in dem die Restteile verflüssigt werden und die Flüssigkeit abgekühlt wird. Es gelangt nach Punkt 80 und von dort nach Drosselung in Organ 58 zu Punkt 81 (Behälter 59). Der bei der Drosselung entstandene, gasförmige Anteil (Punkt 81') wird hieraus von Punkt 81' nach Punkt 51 übergeführt und von dort gemeinsam mit dem aus Zweig 42 kommenden und dem über Leitung 65 neu eingespeisten Medium durch die Austauscher 10, 7, 4 (Kanäle 13, 14, 15) und 17 (Kanal 16) dem Kompressor 1 zugeführt.
Durch Kanal 18 des Austauschers 17 wird das jeweils neu zugeführte 11edium gereinigt, bevor es bei 64 in den eigentlichen Kreislauf eintritt, und zwar wird es z. B. durch Auskondensieren oder durch Ausfrieren von unerwünschten Fremdstoffen befreit.
Die in der Zeichnung wiedergegebenen Wärmeaustauscher können ganz beliebiger Bauart sein, wie z. B. ohne oder auch finit Wärmeübertragungsmittel ; die Austauscher sind in der Zeichnung der Einfachheit wegen schematisch dargestellt.

Claims

PATENTANSPRÜCHE: 1. Kühlanlage mit einem Kompressor für ein Kältemittel und einem darauffolgenden Kühler für das Kältemittel, ferner mit mindestens zwei hinter dem Kühler liegenden, hintereinandergeschalteten Expansionsturbinen, wobei vor jede Turbine ein Wärmeaustauscher mit dem Primärkanal eingeschaltet ist, dadurch gekennzeichnet, daß der letzten Expansionsturbine entströmendes Kältemittel durch den Sekundärkanal mindestens des vor der ersten Turbine liegenden Wärmeaustauschers geleitet ist.
2. Anlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß an die Austrittsseite der letzten Turbine alle zwischen den Turbinen liegenden Wärmeaustauscher jeweils mit ihrem Sekundärkanal in Hintereinanderschaltung angeschlossen sind, deren letzter all seiner Austrittsseite mit der Saugseite des Kompressors verbunden ist.
3. Anlage nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmeaustauscher Tertiärkanäle enthalten, durch welche ein zu kühlendes Medium geleitet ist.
4. Anlage nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß parallel zu den Sekundärkanälen der Wärmeaustauscher ein weiterer Wärm.eaustauscher liegt, durch den primärseitig ebenfalls aus den Turbinen kommendes Kältemittel und sekundärseitig zu kühlendes Medium geführt ist.
5. Anlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Turbinen und Wärmeaustauscher so bemessen sind, daß das Temperaturgefälle in den Turbinen im Vergleich zu dem Temperaturgefälle in den Wärmeaustauschern klein ist.
6. Anlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmeaustauscher - abgesehen von dem vor die erste Expansionsturbine eingeschalteten - mit ihren Sekundärkanälen in Hintereinanderschaltung in einer ein zu kühlendes bzw. zu verflüssigendes Medium führenden Leitung liegen.
7. Anlage nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß Turbinen und Wärmeaustauscher so bemessen sind, daß die Temperatur des Kältemittels am Eintritt von mindestens zwei Turbinen gleich ist. B.
Anlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß durch die Expansionsturbinen sämtliches aus dem Kompressor und dem Kühler kommendes Kältemittel geleitet ist.
9. Anlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß lauter gleiche Turbinen benutzt sind.
10. Anlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Turbinen, abgesehen von den Leitapparaten, gleich sind. In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Patentschrift Nr. 554464; Zeitschrift des Vereines Deutscher Ingenieure, 83 (1939), Nr. 36, S. 1027, Bild 4 mit zugehöriger Beschreibung.