DE2900372C2 - - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erzeugen und zum Speichern von Kälte und zum Abgeben mindestens eines Teils der gespeicherten Kälte nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 1, sowie eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Patentanspruch 2.

Es sind bereits Verfahren bekannt, die auf eine Kälte­ speicherung zur Verbesserung der Leistung von Kältemaschinen abzielen. Zum Beispiel wird in Behältern Kaltwasser oder Sole gespeichert. Bedingt durch die relativ kleinen Temperaturdifferenzen, die hierbei erreichbar sind, sind für die Akkumulierung einer bestimmten Kältemenge relativ große Volumina - dies verbunden mit hohen Anlagekosten - nötig. Außerdem ist infolge Vermischung bei Auf- und Entladung solcher Speicher die Temperatur nur schwer unter Kontrolle zu halten.

Bei einem anderen Verfahren werden zur Kältespeicherung in einem Wasserbehälter eingetauchte platten- oder rohrförmige Verdampferelemente, an deren Oberfläche sich ein Eisbelag bildet, benützt. Im Inneren dieser Elemente wird ein Kältemittel bei einer Temperatur unter 0°C verdampft, wodurch sich auf der Außenseite ein ständig wachsener Eisbelag bildet.

Mit zunehmender Eisschichtdicke erhöht sich notgedrungen auch der Wärmedurchgangswiderstand zwischen dem verdampfenden Kältemittel und dem Wasser, wodurch auch ständig die Leistung der Kälteerzeugung sinkt. Um die Verminderung der Kälteleistung in vertretbarem Rahmen halten zu können, müssen entsprechend größere Austauschflächen eingebaut werden. Hierdurch erhöhen sich aber die Herstellungskosten.

Da das Abschmelzen und Nachwachsen des Eises um die Elemente herum notgemäß unregelmäßig erfolgt, besteht die Gefahr, daß sich in gewissen räumlich begrenzten Teilen solcher Behälter Wassereinschlüsse bilden können, die gänzlich von Eis umgeben sind. Infolge der räumlichen Ausdehnung beim Gefrieren des eingeschlossenen Wassers besteht die Gefahr einer Beschä­ digung der Apparatur durch Risse und Verschiebungen der an ihr fest anhaftenden Eismasse. Zudem wird die Kälteabgabe infolge der Unterkühlung der gebildeten Eisschicht zusätzlich erschwert, da ein Aufschmelzen z. B. beim Wassereis erst bei einer Tempe­ ratur der Eisoberfläche von 0°C erfolgt. Um den Wärmeübergang zu fördern, werden Rührvorrichtungen oder zusätzliche Umwälz­ pumpen benötigt. Eine relativ hohe Temperaturdifferenz zwischen dem Schmelzpunkt der Kristalle und der Temperatur der Flüssig­ keit bleibt jedoch bestehen, was in den meisten Fällen nach­ teilig ist.

Aus der US 19 69 187 ist ein Wärmeausgleichssystem zum Heizen oder Kühlen eines Raumes bekannt. Die Kühlung erfolgt einerseits direkt über eine Kühlanalage und andererseits indirekt über einen Kältespeicher. Als Kältespeicher sind mit Wasser gefüllte Gefrierbehälter vorgesehen, deren Außenwände von einer Kühlflüssigkeit umströmt werden. Das Wasser in den Gefrierbehältern wird durch Wärmeaustausch mit der von der Kühlanlage gekühlten Kühlflüssigkeit zu Eis ge­ froren. Bei Bedarf wird die gespeicherte Kälte durch einen Wärmeaustausch in umgekehrter Richtung entnommen, wobei die Kühlflüssigkeit im Kühlkreis abgekühlt und zur Raumkühlung verwendet wird. Die Gefrierbehälter weisen getrennte Wärme­ tauscher für die Zufuhr und für die Abgabe der Kälte auf. Die Eisbildung erfolgt am Behälterboden. Die Oberfläche der Bodenplatte weist eine dünne Quecksilberschicht auf, die bewirkt, daß sich eine am Boden bildende Eisplatte bei einer bestimmten Dicke durch den Auftrieb löst und nach oben steigt. Die Kälte der Eisplatte wird durch Kontakt mit einer Abtauspirale abgeführt.

Aus der US 29 02 839 ist ein Wärme- bzw. Kältespeicher bekannt, bei dem in einem mit Wasser gefüllten Behälter ein Rohr angeordnet ist, in dessen Innerem sich mittels einer Kühleinrichtung Eis bildet. Die gebildeten Eisstücke werden durch eine Schnecke abgeschabt und durch das obere Ende des Rohres in den wassergefüllten Behälter abgeführt, an dessen Oberfläche sie einen festen Eisbrei bilden. Die Vorrichtung gemäß der US 29 02 839 weist ferner einen mittels eines Thermostaten geregelten Entnahmekreislauf zum Entnehmen des Kaltwassers aus dem Speicherbehälter, zum Zuführen zu einer zu kühlenden Vorrichtung und zum anschließenden Rückführen in den Speicherbehälter auf.

Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Erzeugen, zum Speichern und zum Abgeben von Kälte bereitzustellen, bei denen die Bildung eines Gemisches aus feinen, losen Kristallen des Kälteträgers mit dem flüssigen Kälteträger angestrebt und dadurch der gesamte Wirkungsgrad und Energie­ verbrauch verbessert wird.

Zur Lösung der Aufgabe ist erfindungsgemäß ein Verfahren nach dem Kennzeichen des Patentanspruchs 1 vorgesehen. Die Aufgabe wird bei einer Vorrichtung der eingangs beschriebenen Art erfindungsgemäß durch die Merkmale des kennzeichnen­ den Teils von Anspruch 2 gelöst.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren werden die zur latenten Kältespeicherung dienenden Kälteträgerkristalle, vorzugsweise Eis, in Form von losen Kristallen direkt in dem flüssigen Kälteträger im Inneren des Speicherbehälters erzeugt. Dadurch, daß die Kälteträgerkristalle klein und lose sind und die Erstarrungs­ wärme nicht durch Trennwände mit schlechtem Wärmedurchgang abgeführt werden muß, bleibt der Wärmeübergang und damit die Kälteleistung und der Wirkungsgrad hoch. Da das spezifische Gewicht der Kristalle des Kälteträgers kleiner als jenes der Kälteträgerflüssigkeit ist, schwimmen die Kristalle in dieser auf.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung weist zur Eiserzeugung einen Verdampfungskristallisator auf. Hierbei wird der flüssige Kälteträger mit einem darin unlöslichen Kältemittel in direkten Kontakt gebracht und vermischt. Beim Verdampfen entzieht das Kältemittel dem Kälteträger Verdampfungswärme, wodurch lose Kristalle des Kälteträgers gebildet werden.

Bei geeignetem Druck kann der Speicherbehälter selbst gleichzeitig als Verdampfungskristallisator dienen, was wiederum den apparativen Aufwand verringert. Das dabei eingesetzte Kältemittel soll folgende Eigenschaften aufweisen:

• a) Druck bei der benötigten Verdampfungstemperatur möglichst über Atmosphärendruck;
• b) Unlöslichkeit im flüssigen Kälteträger;
• c) Chemische Stabilität, Ungiftigkeit, Korrosionsunwilligkeit gegen branchenspezifische Werkstoffe. Geeignet sind z. B. Freon C 318 und Butan.

Da beim Gefrieren von Wasser eine rund 9%ige Volumen­ erhöhung erfolgt, kann der Speicherbehälter selbst als Expan­ sionsgefäß dienen, indem im Oberteil der Raum mit Luft oder Stickstoff gefüllt wird. Ein gesondertes Expansionsgefäß kann damit entfallen. Das Verfahren läßt sich auch bei anderen Kälte­ trägern, so z. B. allen herkömmlichen Solen bis hinunter zur Temperatur beim eutektischen Punkt anwenden.

Die Erfindung wird anhand von Ausführungsbeispielen und der Zeichnungen näher erläutert. Darin zeigt

Fig. 1 Kälteerzeugungsleistung und Kältebedarf als Funktion der Zeit;

Fig. 2 und 3 je eine Ausführungsform der Erfindung.

Die in Fig. 1 eingezeichnete Kurve 1 entspricht dem Kältebedarf einer zu kühlenden Vorrichtung als Funktion der Tages­ zeit. Bei einer herkömmlichen Kälteanlage verläuft die Kühlleis­ tung nach derselben Kurve 1. Die installierte Leistung entspricht dem maximalen Kältebedarf, die Maschine ist jedoch nur schlecht ausgenützt.

Die Linie 2 zeigt die Kühlleistung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung bei der die Kälte für den maximalen Kältebedarf gemäß Kurve 1 gespeichert wird. Die Fläche unter den beiden Kurven 1 und 2 ist gleich groß; sie entspricht der Tageskälteproduktion. Bei diesem Beispiel werden 24 Stunden als Betriebsperiode zugrunde gelegt. Die Kälteerzeugungs­ leistung der Anlage gemäß Kurve 2 ist gleichmäßig auf die ganze Betriebsperiode verteilt. Die Vorrichtung ist klein und optimal aus­ gelastet im Vergleich zu einer solchen, welche Kälte nach der Kurve 1 erzeugt und abgibt. Der Wirkungsgrad der Anlage bleibt hoch. Der elektrische Leistungsbedarf wird reduziert, die Tages­ stromspitze wird eliminiert. Ein wesentlicher Anteil der Kälte wird während der Nachtstunden bei reduziertem Stromtarif erzeugt. Der Leistungsbereich von bestehenden kleineren Kältemaschinen wird um ein vielfaches erweitert.

Bei Industrie-, Gewerbe- und Klimakälteanlagen, deren Kältebedarf im Laufe einer bestimmten Betriebsperiode starke Schwankungen aufweist, ist es deshalb erfindungsgemäß nicht erforder­ lich, die Leistung der Kälteerzeugungsanlage dem maximalen Kälte­ bedarf genau anzupassen. Es genügt demnach eine Kälteerzeugungs­ anlage, deren Leistung im Grenzfall nur dem Mittelwert des Kälteverbrauchs im Laufe der betrachteten Betriebsperiode ent­ sprechen muß.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung bedarf keinerlei Reguliereinrichtung für die Kälteerzeugungsleistung. Dieser Vorteil gegenüber herkömmlichen Kälteanlagen ist aus Fig. 1 bei Betrachtung der eingezeichneten Leistungskurven ersichtlich.

Fig. 2 zeigt eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einem Verdampfungs­ kristallisator, außerhalb des Speicherbehälters. Der Speicherbehälter 3 ist bis zur Höhe 6 mit Wasser gefüllt. Der Raum 7 enthält ein Gas, z. B. Stickstoff oder Luft, und dient als Expansionsraum. Im oberen Teil des Speicherbehälters 3 sammeln sich die Eiskristalle, die bis zur Eisfront 15 nach unten reichen. Der Speicherbehälter 3 ist gegen Wärmeeinfall von außen mit einem Isoliermantel 8 versehen.

Verdampfungskristallisatoren sind an sich bereits bekannt und be­ nützen ein im flüssigen Kälteträger (Wasser) unlösliches Kältemittel. In einen Verdampfungskristalli­ sator 25 wird unten durch eine Leitung 26 und ein Drosselventil 27 das flüssige Kältemittel eingeführt. Beim Verdampfen des Kältemittels bilden sich Eiskristalle, die nach oben schwimmen. Von hier werden sie durch eine Rohrleitung 28 mittels einer Pumpe 29 in den Speicher­ behälter 3 überführt. Der Kältemitteldampf wird durch eine Lei­ tung 30 durch eine nicht eingezeichnete Kältemaschine angesaugt, verdichtet und nach Verflüssigung wieder in den Verdampfungskristallisator 25 eingegeben. Eine Verbindungsleitung 31 zwischen Speicherbehälter 3 und Verdampfungskristallisator 25 ist mit einem durch einen Niveau­ regler 32 gesteuerten Drosselventil 33 versehen, um die Druck­ differenz zwischen den beiden aufrecht erhalten zu können. Diesem Zweck dient ein ebenfalls in der Rohrleitung 28 eingebautes Rück­ schlagventil 34.

Auf der linken Seite der Fig. 2 ist eine Einrichtung zum Entnehmen von Kühlwasser dargestellt.

Zum Kühlen einer beliebigen Vorrichtung wird dem Speicherbehälter 3 über eine Leitung 18 Kühlwasser entnommen, dessen Menge durch ein durch einen Thermostaten gesteuertes Ventil 19 geregelt und über eine Leitung 20 der zu kühlenden Vorrichtung zugeführt und von dieser durch eine Leitung 17 wieder abgezogen und dem Speicher­ behälter 3 oben zugeführt wird. Das Ventil 19 regelt dabei auch das Mengenverhältnis zwischen einem Bypass 21 und der Leitung 18. Die Temperatur des durch die Leitung 17 in den Speicherbehälter 3 zurückfließenden Wassers gleicht sich der Speichertemperatur an, indem eine entsprechende Menge Eiskristalle beim Kontakt mit dem warmen Wasser geschmolzen wird.

Die Temperatur des Wassers liegt beim Austritt aus dem Speicherbehälter 3 bei 0°C. Dies bedeutet, daß die Anlage ohne Bypass 21 mit einer Vorlauftemperatur von 0°C gefahren werden kann. Besonders bei Fernkälteanlagen wird durch diese Tatsache der Vorteil einer reduzierten Umwälzmenge geboten. Dem­ zufolge können für die Deckung eines gleich hohen Kältebedarfs die erforderlichen Pumpen und Rohrleitungen kleiner dimensioniert werden.

Da das Kältemittel im Verdampfungskristallisator 25 mit dem als Speichermedium dienenden Kälteträger (Wasser od. Eutektikum) in direktem Kontakt steht, können eventuell Ölreste aus dem Kompressor übertragen werden.

Zwecks Entfernung der mit dem Kältemitteldampf in den Verdampfungskristallisator 25 eventuell eingeschleppten Ölspuren kann man einen Abscheider vorsehen, der diese Ölspuren entfernt.

Fig. 3 zeigt eine der Fig. 2 entsprechende Aus­ führungsform, die mit einem solchen Abscheider versehen ist. In den Fig. 2 und 3 bezeichnen gleiche Ziffern gleiche oder analoge Bestandteile.

Zwischen dem Speicherbehälter 3 und dem Verdampfungs­ kristallisator 25 sind eine Pumpe 29, zwei Ventile 33 bzw. 34 (analog Fig. 2) und ein als Abscheider dienendes Filter 35 vorgesehen.

Der Einbauort der Pumpe 29 wird sinngemäß durch die Druckdifferenz zwischen Speicherbehälter 3 und Verdampfungs­ kristallisator 25 bestimmt. So ist beispielsweise der Systemdruck bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 größer als der Verdampfungsdruck im Kristallisator, bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 ist es umgekehrt, wobei dann die Pumpe 29 für die erfor­ derliche Druckerhöhung aufzukommen hat.

Als Abscheider kann man z. B. Ölabscheider auf Sorptionsbasis oder solche, die mittels Umkehrosmose arbeiten, vorsehen.

Es ist nicht zweckmäßig, den ganzen im Kreislauf be­ findlichen Wasserstrom zu erfassen. Dies würde unzweckmäßig große Filter benötigen und zudem einen erheblichen Widerstand im Hauptkreislauf erzeugen, wodurch wiederum eine erhöhte Pumpen­ leistung erforderlich wäre.

Um auf den Einbau einer Sekundärpumpe verzichten zu können, wird für die Ölentfernung die ohnehin zwischen dem Verdampfungskristallisator 25 und dem Speicherbehälter 3 vor­ handene Druckdifferenz ausgenützt. Hierfür wird die Fördermenge der Pumpe 29 so gewählt, daß eine gewisse Teilmenge über das Filter 35 zurück in den Speicherbehälter 3 fließen kann. Das Filter 35 ist im Falle eines Sorptionsverfahrens in seiner Größe der erfoderlichen Verweilzeit angepaßt, und die behandelte Teilmenge soll vorzugsweise nicht mehr als etwa 10% der Umlauf­ menge via Leitung 20 betragen.

Bei der Ölabscheidung nach dem Umkehrosmoseprinzip ist ein Ablauf für die Abführung des Ölkonzentrates und eine Füllvorrichtung 37 für das Zuführen von Ersatzwasser vorgesehen. Sollte die Druckdifferenz der Pumpe 29 zwischen Verdampfungs­ kristallisator 25 und Speicherbehälter 3 für die Überwindung des Filterwiderstandes nicht ausreichen, wird eine eigene Pumpe für das Filtrieren eingebaut, die in Fig. 3 jedoch nicht ein­ gezeichnet ist.

Um eine maximale spezifische Speicherkapazität (d. h. gespeicherte Kälteenergiemenge pro Volumeneinheit) zu erzielen soll der Eisbrei möglichst dick sein, d. h. wenig Wasser zwischen den losen Eiskristallen vorhanden sein.

Dazu soll die natürliche Auftriebskraft ausgenützt und die Reibungskräfte zwischen den sich berührenden Kristallen heruntergesetzt werden, damit sie sehr eng nebenein­ ander im Speicherbehälter 3 nach oben drängen und somit möglichst kleine mit Wasser aufgefüllte Zwischenräume übrig bleiben.

Um dieses Ziel zu erreichen ist ein Ultraschall­ generator 38, der oben ein auf die Eisbreimasse gerichtetes Ultraschallfeld erzeugt, vorgesehen. Es genügt meistens, diesen Ultraschallgenerator 38 nur intermittierend zu betreiben.

Claims (6)

1. Verfahren zum Erzeugen und zum Speichern von Kälte und zum Abgeben mindestens eines Teils der gespeicherten Kälte, wobei ein Gemisch aus einem flüssigen Kälteträ­ ger und dessen Kristallen erzeugt und in einem Speicher­ behälter gespeichert wird und der flüssige Kälteträger zu einer zu kühlenden Vorrichtung geführt und durch einen Kreislauf in den Speicherbehälter zurückgeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Kristalle durch un­ mittelbare Verdampfung eines in dem flüssigen Kälte­ träger unlöslichen Kältemittels in Form von losen Kristallen in dem flüssigen Kälteträger erzeugt werden.

2. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, mit einem Speicherbehälter (3) für ein Gemisch aus einem flüssigen Kälteträger und dessen Kristallen, mit einer Kühlvorrichtung zum Herstellen der Kristalle mittels eines Kältemittels und mit einem Entnahmekreislauf (17-21) zum Entnehmen des flüssigen Kälteträgers aus dem Speicherbehälter (3), zum Zu­ führen zu einer zu kühlenden Vorrichtungen und zum an­ schließenden Rückführen in den Speicherbehälter (3), dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlvorrichtung als Verdampfungskristallisator (25) ausgebildet ist, wo­ bei das Kältemittel zur Herstellung des Gemischs aus dem flüssigen Kälteträger und dessen losen Kristallen in direkten Kontakt mit dem flüssigen Kälteträger ge­ bracht und verbracht wird.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Verdampfungskristallisator (25) außerhalb des Speicherbehälters (3) angeordnet ist, und daß die Vorrichtung eine Pumpe (29) zum Leiten des Ge­ misches vom Verdampfungskristallisator (25) zum Speicherbehälter (3) aufweist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Verdampfungskristallisator (25) im Speicherbehäl­ ter (3) angeordnet ist.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, ge­ kennzeichnet durch einen Ultraschallgenerator (38) zum zusätzlichen Verdichten des Kristallbreis in dem Speicherbehälter (3).

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, da­ durch gekennzeichnet, daß der Kälteträger Wasser oder ein Eutektikum ist.