DE3134330C2 - Kälteerzeugungsverfahren und Vorrichtung zu dessen Durchführung - Google Patents

Kälteerzeugungsverfahren und Vorrichtung zu dessen Durchführung

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DE3134330C2
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Aleksandr T. Desyatov
Vadim V. Ermilov
Petr V. Gorodnov
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Aleksandra M. Kopova
Sergei M. Korsakov-Bogatkov
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Abstract

Das Verfahren sieht die Verdichtung eines Kältemittels und dessen anschließende Kühlung vor. Dann entspannt man mindestens einen Teil des Stromes des Kältemittels unter Erzeugung von Wellenenergie, die aus dem Entspannungsbereich durch Umwandlung in eine andere Energieform abgeführt wird. Es ist eine Anlage zur Durchführung dieses Verfahrens vorgeschlagen, bei der eine Vorrichtung (20) zur Entspannung des Kältemittels mit einem zur Umwandlung mechanischer Energie in Wellenenergie bestimmten Gasstrahl-Wandler (21) und einem mit diesem in Wellenverbindung stehenden Wellenenergiewandler (22) vorgesehen ist.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Kälteerzeugungsverfahren, bei dem ein verdichtetes Kältemittel einen Vorlauf bildet, nach einem Wärmeaustausch mit einem Rücklauf abgekühlt, mittels eines Puisationsrohres entspannt wird und dabei eine weitere Temperatursenkung erfährt, wobei an einer Stelle erhöhter Temperatur des Puisationsrohres Wärme entzogen und dabei eine akustisch-thermische Energieumwandlung erfolgt, wobei anschließend das entspannte Kältemittel zur Kälteabgabe verwendet, als Rücklauf wiedererwärmt und verdichtet wird und auf eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Kälteerzeugungsverfahrens mit einem Pulsationsrohr, welches mit einem Schallerzeuger verbunden ist.
Aus der DE-OS 19 38 935 ist eine Vorrichtung zur Kühlung von Gasen mit einem Pulsationsrohr bekannt, bei dem einerseits Gas vermöge von durch Schwingungen verursachten Kompressionen auf eine über der ursprünglichen liegende Temperatur gebracht wird, und andererseits das an der Unterbrechungsstelle durch eine Abzweigung entnommene Nutzgas bezogen auf den urichnei sich dadurch aus, daß das Pulsationsrohr eine elliptische Kammer besitzt, in dessen Brennpunkt sich der Schallerzeuger befindet und in dessen zweitem Brennpunkt sich ein Schallempfänger zur Umwandlung von akustischer in thermische oder elektrische Energie befindet
Vorzugsweise ist tier Schallerzeuger über einen Stab mit einem becherförmigen Resonanzkörper verbunden. Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung ist zur Kühlung des Resonanzkörpers ein Wärmeaustauscher vorgesehen, welcher mit einem Teil des Vorlaufes der Kälteanlage verbunden ist
Die Erfindung wird nun anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert
In den Zeichnungen zeigt
F i g. 1 Schaltbild einer Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Kälteerzeugungsverfahrens;
Fig.2 schematisch eine Vorrichtung zur Entspannung des Kältemittels mit einer Kammer in Form eines Ellipsoids und einem Schallempfänger, der als wärmeleitendes Bauelement ausgeführt ist (schematisch ist die Leitung eines Teils des Vorlaufs in Form einer Spiralwirkung dargestellt);
Fig.3 schematisch eine Vorrichtung zur Entspannung des Kältemittels mit als akustisch-elektrischer Wandler ausgeführtem Schallempfänger; F i g. 4 schematisch eine Vorrichtung mit einem stabförmigen Schallerzeuger mit Resonator, wobei der Stab und die diesen umgebende Düse entlang der Hauptachse des Ellipsoids angeordnet sind (schematisch ist nur ein Teil der Kammer abgebildet);
Fig.5 eine Vorrichtung wie in Fig.4, nur weist der Resonator eine Kühlung auf (schematisch ist die Leitung eines Teils des Vorlaufs in Form einer Spiralwindung dargestellt).
Das erfindungsgemäße Kälteerzeugungsverfahren wird wie folgt durchgeführt.
Man verdichtet ein gasförmiges Kältemittel isotherm bei Umgebungstemperatur auf einen Druck, der um ein Mehrfaches den kritischen Druck dieses gasförmigen Kältemittels übersteigt, so daß ein Vorlauf gebildet wird. Der Vorlauf des verdichteten Kältemiteis wird dann durch einen Rücklauf dieses Kältemittels auf eine durch die wärmephysikalischen Eigenschaften des Kältemittels bestimmte Temperatur abgekühlt, worauf
mindestens ein Teil des Vorlaufs entspannt und nachher der Vorlauf an den Kälteverbraucher abgeleitet wird.
Im Kälteverbraucher wird der Vorlauf des Kältemittels durch Entnahme von Wärme aus dem Kälteverbraucher erhitzt und in einen Rücklauf umgewandelt, der weiter zur Verdichtung gelangt Dabei erfolgt die Entspannung mindestens eines Teils des Vorlaufs in einem Pulsationsrohr. Die erzeugte Wellenenergie wird aus dem Entspannungsbereich durch Umwandlung in Wärmeenergie oder Umwandlung in elektrische Energie abgeführt
Eine vorteilhafte Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Kälteerzeugungsverfahrens ist wie folgt ausgeführt
Die Vorrichtung enthält eine Quelle (F i g. 1) für verdichtetes Kältemittel in Form eines Kompressors 1 bekannter Bauart Im vorliegenden Fall dient als Kältemittel gasförmiges Helium.
Vom Kompressor 1 sind eine Vorlaufleitung 2 und eine Rücklaufleitung 3 herausgeführt, welche als konventionelle Rohrleitungen ausgebildet und mit 2 bzw. 3 bezeichnet sind.
Die Vorrichtung enthält weiter ein mit dem Kompressor 1 über die Vorlaufleitung 2 verbundenes Kühlsystem 4 und einen Kälteverbraucher 5, der mit dem Kühlsystern 4 ebenfalls über die Leitung 2 und mit dem Kompressor 1 über die Rücklaufleitung 3 in Verbindung steht die das Kühlsystem 4 passiert
Das Kühlsystem 4 schließt drei Kühlstufen 6,7,8 ein, die längs der Leitung 2 des Vorlaufs hintereinander angeordnet sind, dessen Richtung in F i g. 1 durch Pfeil A angedeutet ist.
Die Kühlstufen 6, 7, 8 sind miteinander, mit dem Kompressor 1 und mit dem Kälteverbraucher 5 über die Vorlaufleitung 2 und die Rücklaufieitung 3 verbunden.
In anderen Fällen kann man eine Kühlstufe sowie mehr als drei Kühlstufen verwenden.
Die — in Richtung A des Vorlaufs gesehen — erste Kühlstufe 6 enthält Wärmeaustauscher 9,10 bekannter Bauart, die η Richtung A des Vorlaufs ebenfalls hintereinander angeordnet sind.
Die Kühlstufe 6 besitzt weiter eine Expansionsmaschine 11, die zur Entspannung eines Teils des Vorlaufs bestimmt ist. Die Bauart der Expansionsmaschine Il 1 ist beliebig.
Die Expgnsionsrr.aschine 11 ist mii ihrem Eintritt 12 an die Vorlaufleitung 2 an einem Abschnitt zwischen den Wärmeaustauschern 9 und 10 und mit ihrem Aus tritt 13 an die Rücklaufieitung 3 an einem Abschnitt zwischen dem Wärmeaustauscher 10 und der Kühlslufe 7 angeschlossen.
Die Kühlstufe 7 enthält Wärmeaustauscher 14 und 15, die wie auch die Wärmeaustauscher 9,10 in Richtung A des Vorlaufs hintereinander angeordnet sind, und eine Expansionsmaschine 16.
Der Eintritt 17 der Expansionsmaschine 16 ist an die Vorlaufleitung 2 an einem Abschnitt zwischen den Wärmeaustauschern 14 und 15 und der Austritt 18 der Expansionsmaschine 16 an die Rücklaufleitung 3 an einem Abschnitt zwischen dem Wärmeaustauscher 15 und der Kühlstufe 8 angeschlossen.
Die Kühlstufe 8 enthält einen Wärmeaustauscher 19 bekannter Bauart, der — in Richtung A des Vorlaufs gesehen — hinter den Wärmeaustauschern 14 und 15 angeordnet ist, und eine Vorrichtung 20 zur Entspannung des Kältemitteis, die an die Vorlaufleitung an einem Abschnitt zwischen dem Wärmeaustauscher 19 und dem Kälteverbraucher 5 angeschlossen ist.
Der Kälteverbraucher 5 ist zur Kälteentnahme aus dem Vorlauf und zur Bildung eines Rücklaufs in Richtung B bestimmt, der die Kühlstufen 8, 7, 6 der Reine nach durchfließt und mit der Quelle 1 des verdichteten Kältemittels verbunden ist
Eine Vorrichtung zur Entspannung des Kältemittels enthält eine elliptische Kammer 20 und einen in der Kammer 20 angeordneten Schallerzeuger 21, der an die Vorlaufleitung 2 angeschlossen ist im einen Brennpunkt und einen Schallempfänger 22 im anderen Brennpunkt, der von einer Leitung 23 umgeben ist die mit dem Eintritt 17 der Expansionsmaschine 16 verbunden ist
In F i g. 2 ist die Kammerwand 26 schematisch dargestellt die ein Ellipsoid bildet, in dessen — in Richtung des Vorlaufs gesehen — erstem Brennpunkt 27 der Schallerzeuger 27 angeordnet ist Der Schallempfänger 22a ist im anderen Brennpunkt 28 der Kammer 26 entlang der Hauptachse 26a des Ellipsoids angeordnet und ragt aus der Kammerwand 26 mit seinem einem Ende 29 heraus, das- mit dem Außenmedium in Wärmekontakt steht Die Kammerwand 26 weist eii.e Eintrittsöffnung 30 und zwei Öffnungen 31 zum Austritt ues im Schallerzeuger 21 entspannten Vorlaufs auf.
Ein Wärmekontakt des aus der Kammer 26 herausragenden Endes 29 des Schallempfängers 22 ist hergestellt durch Wärmeübertragung zu einem Vorlaufteil hin, welcher durch die Leitung 23 fließt.
Die in F i g. 3 gezeigte Vorrichtung zur Entspannung des Kältemittels enthält ebenfalls eine Kammerwand 26, die in Form eines Ellipsoids ausgebildet ist, in dessen — in Richtung des Vorlaufs gesehen — erstem Brennpunkt 27 der Schallerzeuger 21 angeordnet ist, der mit der Vorlaufleitung 2 in Verbindung steht sowie einen im anderen Brennpunkt 28 angeordneten Schallempfänger in Form eines akustisch-elektrischen Wandlers 32.
Die Kammerwand 26 weist eine Eintrittsöffnung für den Vorlauf 30 und Öffnungen 31 zum Austritt des entspannten Vorlaufs auf.
Der elektrische Anschluß des akustisch-elektrischen Wandlers 32 erfolgt mittels durch die Kammerwand 26 durchgeführten Leitungen, die über Klemmen 36 zu einem Energieverbraucher 35 führen.
Der Schallerzeuger 21 enthält — F i g. 4 — einen entlang der Hauptachse 26a des Ellipsoids angeordneten Stab 37, der an seinem Ende 38 einen Reconator 39 trägt und eine mit der Leitung 2 verbundene und den Stab 37 umgebende, sich verjüngende Düse 40, deren Austrittsquerschnitt sich in einem bestimmten Abstand vom offenen Ende 42 des Resonators 39 befindet.
Der Stab 37 weist an seiner Außenfläche eines zylindrische Erhebung 43 auf, die im Bereich des Austrittsquerschnittes 41 der Düse 40 mit einem Spalt 44 relaiiv zur innenfläche der Düse 40 im Austrittsquerschnitt 41 angeordnet ist. Die Größe des Spaltes ist in Abhängigkeit von der Breite der zylindrischen Erhebung 43, dem Durchmesser des Stabs 37 innerhalb der Düse 40. dem Durchmesser des Stabes 37 an dessen Ende 38 außerhalb der Düse 40 und dem Innendurchmesser der sich verjüngenden Dur, im Austriusquerschnitt 41 durch folgende Beziehung bestimmt:
ό = 0,5 (dc— der) und t = 0,5 (der- d), webe i f > 0,5 6 ist. Hier bedeuten:
ό — GrößedesSpaliies44in m
dc — Innendurchmesser der sich verjüngenden Düse 40 im Austrittsquerschnitt 41 in m
d — Durchmesser des Stabes 37 innerhalb der Düse 40 in m
t — Breite der zylindrischen Erhebung 43 in m dcj — Durchmesser des Stabes 37 an dessen Ende 38 außerhalb der Düse in m
Bei der Ausführungsform nach Fig.5 enthält der Schallerzeuger 21 ebenfalls einen Stab 37, der an seinem Ende 38 einen Resonator 39 trägt, und eine mit der Vorlaufleitung 2 verbundene und den Stab 37 umgebende, sich verjüngende Düse 40, deren Austrittsquerschnitt 41 sich in einem bestimmten Abstand vom offenen Ende 42 des Resonators 39 befindet, wobei am geschlossenen Ende des Resonators eine Kühlung in Form von Rippen 45 ausgeführt ist, die sich von der Stirnseite des Resonators in Richtung der Hauptachse 26a des Ellipsoids und von der Mantelfläche des Resonators in zur Hauptachse 26a des Ellipsoids senkrechter Richtung erstrecken. Zur Kühlun" dient ein Teil des Vorlauf*; welcher über die Leitung 23 ins Innere der Kammer über nicht gezeigte Öffnungen gelangt
Die Vorrichtung funktioniert folgendermaßen. Ein Kältemittel, gasförmiges Helium, wird im Kompressor 1 auf einen Druck von 25 bis 30 bar bei Umgebungstemperatur verdichtet und bildet dabei einen Vorlauf, der über die Vorlaufleitung 2 in Richtung A der Reihe nach an das Kühlsystem und den Kälteverbraucher 5 gelangt Im Kühlsystem 4 durchfließt der Vorlauf hintereinander die Stufen 6, 7, 8, wo er durch einen Rücklauf gekühlt wird, der über die Rücklaufleitung 3 in Richtung Ä strömt
In der — in Richtung A des Vorlaufs gesehen — ersten Kühlstufe 6 wird der Vorlauf in den Wärmeaustauschern 9, 10 auf eine Temperatur abgekühlt, die um das 2- bis. 3fache geringer als die Umgebungstemperatur ist, und an die Kühlstufe 7 weitergeleitet Hierbei gelangt ein Teil des Vorlaufs zum Eintritt 12 der Expansionsmaschine 11, wird in der Expansionsmaschine 11 auf einen Druck von 1,2 bis 13 bar entspannt und über den Austritt 13 der Expansionsmaschine 11 an die Rücklaufleitung 3 am Abschnitt zwischen dem Wärmeaustauscher 10 und der Kühlstufe 10 geleitet
In der Kühlstufe 7 wird der Vorlauf einer aufeinanderfolgenden Abkühlung in den Wärmeaustauschern 14 und 15 auf eine Temperatur ausgesetzt die um das 14-bis 15fache tiefer als die Umgebungstemperatur ist, und der Kühlstufe 8 zugeleitet Dabei wird ein Teil des Vorlaufs über die Leitung 23 dem Eintritt 17 der Expansionsmaschine 16 zugeführt in dieser auf einen Druck von 1,2 bis 13 bar entspannt und über den Ausgang 18 der Expansionsmaschine 11 an die Rückstromleitung 3 am Abschnitt zwischen dem Wärmeaustauscher 15 und der Kühlstufe 8 geleitet
In der Kühlstufe 8 wird der übrige Teil des Vorlaufs im Wärmetauscher 19 auf eine der kritischen naheliegende Temperatur gekühlt und der Vorrichtung 20 zur Entspannung des Kältemittels zugeführt und weiter an den Kälteverbraucher 5 geleitet wo dieser Vorlaufteil durch den Entzug von Wärme aus dem Kälteverbraucher 5 erwärmt wird und einen Rücklauf entspannten Heliums bildet, der über die Rücklaufleitung durch die Kühlstufen 8,7,6 zum Eintritt des Kompressors 1 fließt In der Vorrichtung 20 zur Entspannung des Kältemittels wird die Entspannung des Direktstroms auf einen Druck von 1,2 bis 13 bar in einem Schallerzeuger 21 vorgenommen: die Energie wird aus dem Entspannungsbereich nach Umwandlung in eine andere Energieform in Schallempfänger 22 abgeführt
Bei der Ausführung der Vorrichtung nach F i g. 2 wird die vom Schallerzeuger 21 im Brennpunkt erzeugte Wellenenergie über den Schallempfänger 28 im zweiten Brennpunkt an dessen freies Ende 29 übertragen und dann durch Wärmeübertragung an den über die Leitung 23 fließenden Vorlaufteil abgeführt.
Dadurch ist das aus den Öffnungen 31 der Kammer 26 austretende Kältemittel gekühlt.
Wie in F i g. 3 gezeigt, kann der Schallempfänger auch als akustisch-elektrischer Wandler 32 ausgebildet sein.
Die Elektroenergie wird aus der Kammer über die Leiter 34 herausgefühlt und einem Elektroenergieverbraucher 35 zugeführt. Dadurch ist das aus den Öffnungen 31 der Kammer 26 austretende entspannte Kältemittel abgekühlt.
Im Schallerzeuger 21 geschieht eine Entspannung des verdichteten Kältemittels unter Erzeugung von Gasschwingungen, wobei Wellenenergie entsteht. Der Vorlauf des verdichteten Kältemittels wird in der sich verjüngenden Düse entspannt, indem er den Stab 37 mit der Kante 43 umströmt, wird vom Resonanzkörper 39 reflektiert und kommt mit dem aus der Düse ausfließenden Heliumstrom zur Wechselwirkung. Durch eine solche, sich periodisch wiederholende Wechselwirkung wird Wellenenergie erzeugt. Die Kante 43 am Stab 37 zerstört die Grenzschicht im aus der Düse 40 austretenden Heliumstrom, was zu einer Erhöhung der auszustrahlende·? Wellenenergie beiträgt
Bei der Entspannung des verdichteten Kältemittels im in Fig.5 gezeigten Schallerzeuger verlaufen die Vorgänge analog. Dabei breitet sich der Schall ebenfalls über den Innenraum des Resonanzkörpers 39 aus und geht infolge von Absorptionserscheinungen in Wärme über. Durch die Kühlung mittels der Rippen 45 wird die sich an der Innenfläche des Resonanzkörpers 39 entwikkelnde Wärme durch Wärmeübertragung auf einen Teil des Vorlaufs übertragen, der durch die Leitung 23 strömt
Prüfergebnisse zeigten, daß die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens und der erfindungsgemäßen Vorrichtung die Kälteleistung bei gegebenem Energieaufwand erhöht wird oder der Energieaufwand bei gegebener Kälteleistung herabgesetzt werden konnte.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung hat recht hohe Zuverlässigkeit und kleine Abmessungen.
Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

Patentansprüche:
1. Kälteerzeugungsverfahren, bei dem ein verdichtetes Kältemittel einen Vorlauf (2) bildet, nach einem Wärmeaustausch mit einem Rücklauf (3) abgekühlt, mittes eines Puisationsrohres entspannt wird und dabei eine weitere Temperatursenkung erfährt, wobei an einer Stelle erhöhter Temperatur des Puisationsrohres Wärme entzogen und dabei eine akustischthermische Energiewandlung erfolgt, wobei anschließend das entspannte Kältemittel zur Kälteabgabe verwendet, als Rücklauf wiedererwärmt und verdichtet wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Entspannung mindestens eines Teiles des Vorlaufes in einem ersten Brennpunkt einer elliptischen Kammer 20 vorgenommen wird, und daß im zweiten Brennpunkt die akustisch-thermische Energieumwandlung erfolgt.
2. Kälteerzeugungsverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im zweiten Brennpunkt eine akustisch-elektrische Energieumwandlung erfolgt.
3. Vorrichtung zur Durchführung des Kälteerzeugungsverfahrens nach einem der Ansprüche 1 oder 2, mit einem Pulsationsrohr, welches mit einem Schallerzeuger (21) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Pulsationsrohr eine elliptische Kammer (20) besitzt, in dessen Brennpunkt sich der Schallerzeuger (21) befindet und in dessen zweitem Brennpunkt sich ein Schallempfänger (22) zur Umwandlung ve·-, akustischer in thermische oder elektrische Energie befindet
4. Vorrichtung zur Durchführung des Kälteerzeugungsverfahrens nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Schallerzeuger (21) über einen Stab (37) mit einem becherförmigen Resonanzkörper (39) verbunden ist
5. Vorrichtung zur Durchführung des Kälteerzeugungsverfahrens nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß zur Kühlung des Resonanzkörpers (39) ein Wärmeaustauscher vorgesehen ist, welcher mit einem Teil des Vorlaufs (23) der Kälteanlage verbun den ist.
sprünglichen Gasstrom entspannt und auf eine Temperatur gebracht wird, die unterhalb der des ursprünglichen Gasstromes liegt Bei den bekannten Vorrichtungen liegen also Schallerzeuger und Energiewandler dicht beieinander, wodurch ein unerwünschter Temperaturausgleich erfolgen kann.
Demgegenüber liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen unerwünschten Temperaturausgleich zwischen dem Schallerzeuger und dem Energiewandler zu vermeiden.
Dies wird bei einem Verfahren der eingangs erwähnten Art erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß die Entspannung mindestens eines Teiles des Vorlaufes in einem ersten Brennpunkt einer elliptischen Kammer vorgenommen wird und daß im zweiten Brennpunkt die akustisch-thermische Energieumwandlung erfolgt.
Vorteilhaft kann auch im zweiten Brennpunkt eine akustisch-elektrische Energieumwandlung erfolgen.
Eine vorteilhafte Vorrichtung zur Durchführung dieses Kälteerzeugungsverfahrens mit einem Pulsationsrohr, welches mit einem Schallerzeuger verbunden ist.
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