DE3223448A1 - Verfahren und einrichtung zum entzug von waermeenergie aus einem stoff - Google Patents

Verfahren und einrichtung zum entzug von waermeenergie aus einem stoff

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Description

SERCK INDUSTRIES LIMITED Birmingham, BIl 2OY Großbritannien
Verfahren und Einrichtung zum Entzug von Wärmeenergie aus
einem Stoff
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Einrichtung zum Entzug von Wärmeenergie aus einem Stoff, z. B. einem Betriebsfluid.
Das Ausmaß, in dem unerwünschte Wärme in kostengünstiger Weise einem Betriebsfluid mit Hilfe einer Kühlvorrichtung oder eines Wärmeübertragungsmediums entzogen werden kann, ist von der Temperatur des letzteren bestimmt. Zwar kann unter Einsatz konventioneller Kältetechnik eine weitergehende Kühlung des Betriebsfluids erreicht werden, bei bestimmten Einrichtungen ist dies jedoch aufgrund der resultierenden parasitären Verluste von Verdichterantrieben, der technischen Komplexität und der hohen Anlagekosten kein akzeptabler Vorschlag. Wenn allerdings eine solche weitergehende Kühlung in kostengünstiger Weise z. B. dadurch erreicht werden könnte, daß ein Teil der im übrigen verlöre-
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nen Energie genutzt wird, die dem Betriebsfluid während dessen ursprünglicher Kühlung entzogen wird, könnte die Einrichtung mit höherer Ausgangsleistung arbeiten.
Wenn man als Beispiel von einer Brennkraftmaschine ausgeht, so ist die Ausgangsleistung der Maschine eine Funktion der Eintrittstemperatur und der Dichte der während der Verbrennung verbrauchten Luft. Wenn eine solche Maschine an einem Ort eingesetzt wird, dessen Umgebungsluft-Temperatur und -Druck sich von den Werten unterscheiden, für die die Maschine ausgelegt ist, ist es bisher erforderlich, die Betriebswerte der Maschine herabzusetzen, um so eine Anpassung an die verringerte Luftdichte zu erreichen. Wenn die in die Maschine eintretende Luft unter den Pegel gekühlt werden könnte, der derzeit in wirtschaftlicher Weise erreichbar ist, könnte die Luftdichte auf den Wert zurückgebracht werden, für den die Maschine ausgelegt ist, und somit könnte die Notwendigkeit einer Herabsetzung der Betriebswerte beseitigt oder mindestens verringert werden.
Weitere Anlagen, bei denen sich eine weitergehende Kühlung des Betriebsfluids günstig auswirken würde, sind Benzinmotoren, bei denen eine solche Kühlung der Verbrennungsluft oder -gase ein vorzeitiges Einsetzen der Verbrennung reduzieren und damit die Verwendung größerer Verdichtungsverhältnisse erlauben würde, woraus wiederum eine Steigerung der Motorleistung resultieren würde; ferner zählen dazu Gasverdichter, bei denen durch Kühlung des Zwischenstufengases die Leistung (die eine Funktion der Zwischenstufenkühlung ist) verbesserbar ist und außerdem Feuchtigkeit entfernt wird, so daß das verdichtete Gas trockener ist.
Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung eines Verfahrens und einer Einrichtung der genannten Art, wobei eine solche weitergehende Kühlung des Betriebsfluids oder eines anderen Stoffs in kostengünstiger und wirtschaftlicher Weise erzielbar ist.
Das Verfahren nach der Erfindung zum Entzug von Wärmeenergie aus einem Stoff, wobei dieser Stoff in Wärmeaustausch mit einem ersten Kühlfluid gebracht wird, so daß Wärmeenergie auf das erste Kühlfluid übertragen wird, und wobei dieser oder ein weiterer Stoff in Wärmeaustausch mit einem zweiten Kühlfluid gebracht wird, ist dadurch gekennzeichnet, daß die auf das erste Kühlmittel übertragene Wärmeenergie zur Verminderung des Drucks des zweiten Kühlfluids genutzt wird. Somit kann das zweite Kühlfluid diesen oder den weiteren Stoff stärker kühlen, als dies möglich wäre, wenn es auf Normaldruck gehalten würde, ohne daß zur Erzielung der Druckminderung eine gesonderte Energieversorgung vorgesehen werden muß.
Bevorzugt sind die Kühlfluide Flüssigkeiten, so daß die auf das erste Kühlfluid übertragene Wärmeenergie eine Verdampfung des letzteren bewirkt, und der Siedepunkt des zweiten Kühlfluids wird durch die Druckminderung gesenkt.
In vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, daß derselbe Stoff (z. B. ein Betriebstluid) nacheinander von dem ersten und dem zweiten Kühlfluid gekühlt wird, und daß dieser Stoff wiederum in Wärmeaustausch mit dem ersten Kühlfluid gebracht wird, nachdem die auf dieses übertragene
Wärmeenergie in der genannten Weise genutzt wurde, und/oder mit dem zweiten Kühlfluid nach dem Wärmeaustausch mit dem Stoff an einem Punkt zwischen den Stellen, an denen der Stoff in Wärmeaustausch mit dem ersten bzw. dem zweiten Kühlfluid gelangt, in Wärmeaustausch gebracht wird.
Vorteilhafterweise sind dabei das erste und das zweite Kühlfluid ein und dasselbe Fluid. In diesem Fall ist vorgesehen, daß das erste und das zweite Kühlfluid von einer gemeinsamen Speisevorrichtung gefördert werden, und daß nach dem Wärmeaustausch mit dem Stoff oder mit dem weiteren Stoff die Kühlfluide vor Rückführung zur Speisevorrichtung gekühlt werden.
Die Einrichtung nach der Erfindung zum Entzug von Wärmeenergie aus einem Stoff, mit einem ersten Wärmetauscher, in dem der Stoff in Wärmeaustausch mit einem ersten Kühlfluid bringbar ist, so daß Wärmeenergie auf das erste Kühlfluid übertragen wird, und einem zweiten Wärmetauscher, in dem dieser oder ein weiterer Stoff in Wärmeaustausch mit einem zweiten Kühlfluid bringbar ist, ist dadurch gekennzeichnet, daß eine Einheit, die von der auf das erste Kühlfluid übertragenen Wärmeenergie gespeist wird, den Druck des zweiten Kühlfluids im zweiten Wärmetauscher vermindert.
In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist dabei vorgesehen, daß das erste und das zweite Kühlfluid Flüssigkeiten, vorzugsweise dieselbe Flüssigkeit, sind. Im letzteren Fall weist die Einrichtung eine gemeinsame Speisevor-^ richtung, aus der die Kühlfluide zu den Wärmetauschern gefördert werden, und eine Kühlvorrichtung auf, durch die
die Kühlfluide aus den Wärmetauschern zur Kühlung vor ihrer Rückführung zur Speisevorrichtung geschickt werden.
In vorteilhafter Ausgestaltung der Einrichtung ist dabei vorgesehen, daß derselbe Stoff (z. B. ein Betriebstluid) nacheinander durch den ersten und den zweiten Wärmetauscher gekühlt wird und ein dritter Wärmetauscher vorgesehen ist, in dem der Stoff in Wärmeaustausch mit dem ersten Kühlfluid gebracht wird, nachdem die auf dieses übertragene Wärmeenergie zur Speisung der Einheit genutzt wurde, und/oder mit dem zweiten Kühlfluid nach Wärmeaustausch im zweiten Wärmetauscher in Wärmeaustausch gebracht wird, wobei der dritte Wärmetauscher zwischen dem ersten und dem zweiten Wärmetauscher in Strömungsrichtung des Stoffs angeordnet ist. Auf diese Weise wird die den zweiten Wärmetauscher beaufschlagende Last vermindert, weil der Stoff zusätzlich durch den dritten Wärmetauscher gekühlt wird, bevor er den zweiten Wärmetauscher erreicht. Somit kann der Druck des zweiten Kühlfluids höher sein, als wenn der dritte Wärmetauscher nicht vorgesehen wäre, wobei der gleiche Kühleffekt erzielt wird, und wenn das zweite Kühlmittel eine Flüssigkeit ist, erhöht sich seine Kondensationstemperatur dementsprechend. Infolgedessen ergibt sich eine höhere mittlere Temperaturdifferenz zwischen dem in die Kühlvorrichtung eintretenden Kühlfluid und dem Kühlmittel der Kühlvorrichtung, so daß die Kühlvorrichtung kleiner gebaut werden kann.
Als Einheit zur Druckminderung des zweiten Kühlfluids kann z. B. ein Ejektor eingesetzt werden.
In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung wird die Einrichtung zur Kühlung des Ladegases eines Dieselmotors verwendet. Die Einrichtung kann jedoch auch z. B. für die Gaskühlung in einem Mehrstufenverdichter zwischen den Verdichterstufen eingesetzt werden.
Anhand der Zeichnung wird die Erfindung beispielsweise näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 ein Diagramm eines ersten Ausführungsbeispiels der Einrichtung nach der Erfindung; und
Fig. 2 ein ähnliches Diagramm eins zweiten Ausführungsbeispiels der Einrichtung nach der Erfindung.
Nach Fig. 1 wird eine Flüssigkeit oder ein Dampf (nachstehend als "Treibfluid" bezeichnet) von einer Umwälzpumpe 10 über Stellventile 12 einem ersten Wärmetauscher 11 und über Stellventile 14 einem zweiten Wärmetauscher 13 zugeführt. Ein Betriebs- bzw. Prozeßfluid, das ursprünglich eine höhere Temperatur als das Treibfluid aufweist, wird nacheinander durch die Wärmetauscher 11 und 13 entsprechend den Pfeilen 15 geleitet. Im ersten Wärmetauscher 11 gelangt das Betriebsfluid in Wärmeübertragungskontakt mit dem Treibfluid
und wird dadurch gekühlt, wobei die abgegebene Wärmeenergie von dem Treibfluid aufgenommen wird. Aus dem ersten Wärmetauscher 11 wird das Treibfluid einem Ejektor 16 oder einer ähnlichen Vorrichtung zugeführt, der den Druck des Treibfluids im zweiten Wärmetauscher 13 vermindert, wobei der Ejektor 16 durch die von dem Treibfluid im ersten Wärmetauscher 11 aufgenommene Wärmeenergie gespeist wird. Im zweiten
Wärmetauscher 13 gelangt das Betriebsfluid wiederum in Wärmeübertragungskontakt mit dem Treibfluid, da dieses jedoch nunmehr einen verminderten Druck hat, ist sein Siedepunkt niedriger, und es kann daher die Temperatur des Arbeitsfluids weiter senken. Die beiden Betriebsfluidströme aus den Wärmetauschern 11 und 13 werden am Auslaß des Ejektors 16 zusammengeführt und strömen zu einer Wärmeableitvorrichtung 17, in der sie durch Wärmeübertragungskontakt mit einem Kühlmittel 18 gekühlt werden. Aus der Wärmeableitvorrichtung 17 wird das gekühlte Arbeitsfluid zur Pumpe 10 zur Wiedereinleitung in den Kreislauf rückgeführt. Die Temperatur des Betriebsfluids nach dessen Durchlauf durch die Einrichtung kann durch geeignete Betätigung der Ventile 12 und 14 geregelt werden.
Wie bereits erwähnt, ist es in konventionellen Kühlsystemen nicht möglich, das Betriebsfluid in wirtschaftlicher Weise auf einen Pegel unterhalb der Temperatur des Kühlmittels 18 in der Wärmeableitvorrichtung 17 zu kühlen. Bei der vorstehend erläuterten Einrichtung kann jedoch, da der Druck des Arbeitsfluids im Wärmetauscher 13 vermindert wird, ohne daß dazu eine gesonderte Energiequelle erforderlich ist, eine solche Kühlung des Betriebsfluids in wirtschaftlicher Weise erreicht werden. Bei einer bevorzugten Anordnung ist das Arbeitsfluid ein flüssiges Kältemittel, das im ersten Wärmetauscher 11 siedet (wobei der resultierende Dampf den Ejektor 16 speist) und das bei niedrigerer Temperatur bei dem geringeren Druck des zweiten Wärmetauschers 13 verdampft. In diesem Fall wird in der Wärmeableitvorrichtung das verdampfte Kältemittel durch Kondensation wieder verflüssigt.
Die Einrichtung nach Fig. 2 gleicht derjenigen nach Fig. 1, weist jedoch einen dritten Wärmetauscher 19 zwischen dem ersten und dem zweiten Wärmetauscher 11 bzw. 13 in Strömungsrichtung des Betriebsfluids auf. Dem Wärmetauscher 19 wird Treibfluid aus dem Auslaß des Ejektors 16 zugeführt, und nach Wärmeaustausch mit dem Betriebsfluid wird das Treibfluid der Wärmeableitvorrichtung 17 zugeführt. Dabei bewirkt der Wärmetauscher 19 eine zusätzliche Kühlung des Betriebsfluids, bevor dieses den Wärmetauscher 13 erreicht, und infolgedessen wird die den Wärmetauscher 13 beaufschlagende Last vermindert. Eine solche Lastminderung ermöglicht nicht nur eine Verminderung der Größe des Wärmetauschers 13, sondern bedeutet auch, daß der Wärmetauscher 13 mit höherem Druck betrieben wird. Das aus dem Ejektor 16 austretende Treibfluid weist daher einen höheren Druck als bei der Einrichtung gemäß Fig. 1 auf, und seine Kondensationstemperatur steigt entsprechend an. Infolgedessen ergibt sich eine größere mittlere Temperaturdifferenz zwischen dem in die Wärmeableitvorrichtung 17 eintretenden Treibfluid und dem Kühlmittel 18, so daß auch die Größe der Wärmeableitvorrichtung 17 vermindert werden kann.
Ferner kann bei der Einrichtung nach Fig. 2 der Ejektor 16 innerhalb seines Leistungsvermögens unter Erzielung der erwünschten Kühlung des Betriebsfluids arbeiten. Bei beiden erläuterten Ausführungsbeispielen ist der Gesamtkühlungseffekt der Einrichtung eine Funktion der aus dem Betriebsfluid durch die verschiedenen Wärmetauscher entnommenen Wärmemenge, wobei die relativen Wärmemengen, die von den Wärmetauschern 11 und 13 entnommen werden, durch den Wirkungsgrad (COP) des Ejektors 16 bestimmt sind. Charakteristisch haben
solche Ejektoren einen Wirkungsgrad von ca. 0,25, was bedeutet, daß der Wärmetauscher 11 mindestens die vierfache Wärmeenergie entnehmen muß, die vom Wärmetauscher 13 entnommen wird.
Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 erfolgt die Kühlung vollständig durch die beiden Wärmetauscher 11 und 13. Wenn es z. B. erwünscht ist, das Betriebstluid von 200 0C auf 35 0C abzukühlen (was z. B. bei der Ladeluft eines Dieselmotors der Fall wäre), müßte der Wärmetauscher 11 die Temperatur des Betriebsfluids von 200 0C auf 70 0C senken, während der Wärmetauscher 13 das Betriebsfluid von 70 0C auf 35 0C abkühlen müßte. Dies entspricht einem Ejektor-Wirkungsgrad von (70-35) : (200 - 70) = 0,27. Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 wird dagegen das den Ejektor 16 mit weniger als 70 0C verlassende Treibfluid im Wärmetauscher 19 zur Kühlung des zwischen den Wärmetauschern 11 und 13 strömenden Betriebsfluids genutzt. Wie bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 verringert der Wärmetauscher 11 die Temperatur des Betriebsfluids von 200 0C auf 70 0C, aber nunmehr wird die Temperatur des Betriebsfluids von 70 0C auf ca. 60 0C im Wärmetauscher 19 verringert, bevor das Betriebsfluid dem Wärmetauscher 13 zugeführt wird, in dem es von 60 0C auf 35 0C abgekühlt wird. Dies entspricht einem Ejektor-Wirkungsgrad von (60-35) ; (200 - 70) = 0,19, was erheblich weniger als bei dem Ausführungsbeispiel von Fig. 1 ist.
Besonders bevorzugt wird die angegebene Einrichtung zur Kühlung der Ladeluft eines Dieselmotors eingesetzt, wobei die Ladeluft nacheinander durch die Wärmetauscher geführt
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wird, bevor sie in den Brennraum des Motors eintritt. Die Wärmeableitungsvorrichtung 17 kann dabei der Kühlwassermantel des Motors sein, oder das Kühlmittel 18 kann einfach aus der Umgebungsluft bestehen. Eine weitere Anwendungsmöglichkeit ergibt sich bei der Kühlung der Ladeluft eines Turbolader-Motors, wobei die verdichtete und erwärmte Luft aus dem Turbolader nacheinander durch die Wärmetauscher geführt wird. Ferner ist die Einrichtung bei einem Gasverdichter zur Kühlung des Gases vor dessen Verdichtung einsetzbar. Im Fall eines Mehrstufenverdichters kann auf diese Weise das Zwischenstufengas gekühlt werden, so daß nicht nur die Ausgangsleistung des Verdichters gesteigert wird, sondern das geförderte verdichtete Gas auch trockener ist.
In der vorstehenden Beschreibung strömen dasselbe Betriebsfluid und dasselbe Treibfluid durch beide Wärmetauscher 11 und 13. Es ist jedoch ebenso gut möglich, daß die Wärmetauscher verschiedene Betriebsfluidströme kühlen. Außerdem können den beiden Wärmetauschern verschiedene Arbeitsfluide zugeführt werden, und in diesem Fall ist es natürlich notwendig, ein gesondertes Kreislaufsystem für jedes Fluid vorzusehen, und zur Druckminderung des den Wärmetauscher 13 durchströmenden Treibfluids ist eine andere Vorrichtung vorzusehen, da der Ejektor nicht verwendet werden kann.
Leerseite

Claims (13)

Ansprüche
1. Verfahren zum Entzug von Wärmeenergie aus einem Stoff, wobei dieser Stoff in Wärmeaustausch mit einem ersten Kühlfluid gebracht wird, so daß Wärmeenergie auf das erste Kühlfluid übertragen wird, und wobei dieser oder ein weiterer Stoff in Wärmeaustausch mit einem zweiten ■Kühlfluid gebracht wird,
dadurch gekennzeichnet, daß die auf das erste Kühlmittel übertragene Wärmeenergie zur Verminderung des Drucks des zweiten Kühlfluids genutzt
wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Kühlfluide Flüssigkeiten sind, daß die auf das erste Kühlfluid übertragene Wärmeenergie dessen Verdampfung bewirkt, und
daß der Siedepunkt des zweiten Kühlfluids durch die Druckminderung gesenkt wird.
67-102 720E-Schö
3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß derselbe Stoff nacheinander von dem ersten und dem zweiten Kühlfluid gekühlt wird, und daß dieser Stoff wiederum in Wärmeaustausch mit dem ersten Kühlfluid gebracht wird, nachdem die auf dieses übertragene Wärmeenergie in der genannten Weise genutzt wurde, und/oder mit dem zweiten Kühlfluid nach dem Wärmeaustausch mit dem Stoff an einem Punkt zwischen den Stellen, an denen der Stoff in Wärmeaustausch mit dem ersten bzw. dem zweiten Kühlfluid gelangt, in Wärmeaustausch gebracht wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das erste und das zweite Kühlfluid ein und dasselbe sind.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das erste und das zweite Kühlfluid von einer gemeinsamen Speisevorrichtung gefördert werden, und daß nach dem Wärmeaustausch mit dem Stoff oder mit dem weiteren Stoff die Kühlfluide vor Rückführung zur Speisevorrichtung gekühlt werden.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, daß nacheinander durch das erste und das zweite Kühlfluid derselbe Stoff gekühlt wird, wobei der Stoff die Ladeluft eines Dieselmotors ist.
7. Einrichtung zum Entzug von Wärmeenergie aus einem Stoff, mit
- einem ersten Wärmetauscher, in dem der Stoff in Wärmeaustausch mit einem ersten Kühlfluid bringbar ist, so daß Wärmeenergie auf das erste Kühlfluid übertragen wird, und
einem zweiten Wärmetauscher, in dem dieser oder ein weiterer Stoff in Wärmeaustausch mit einem zweiten Kühlfluid bringbar ist,
dadurch gekennzeichnet,
- daß eine Einheit (16), die von der auf das erste Kühlfluid übertragenen Wärmeenergie gespeist wird, den Druck des zweiten Kühlfluids im zweiten Wärmetauscher (13) vermindert.
8. Einrichtung nach Anspruch 7,
dadurch gekennzeichnet,
daß das erste und das zweite Kühlfluid Flüssigkeiten sind.
9. Einrichtung nach einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet,
daß das erste und das zweite Kühlfluid ein und dasselbe sind.
10. Einrichtung nach Anspruch 9,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Kühlfluide den Wärmetauschern (11, 13) von einer gemeinsamen Speisevorrichtung (10) zugeführt und aus den Wärmetauschern durch eine Kühlvorrichtung (17) zwecks Kühlung vor Rückführung zur Speisevorrichtung (10) geschickt werden.
11. Einrichtung nach einem der Ansprüche 7-10, dadurch gekennzeichnet,
daß derselbe Stoff (15) nacheinander durch den ersten und den zweiten Wärmetauscher (11, 13) gekühlt wird und ein dritter Wärmetauscher (19) vorgesehen ist, in dem der Stoff in Wärmeaustausch mit dem ersten Kühlfluid gebracht wird, nachdem die auf dieses übertragene Wärmeenergie zur Speisung der Einheit (16) genutzt wurde, und/oder mit dem zweiten Kühlfluid nach Wärmeaustausch im zweiten Wärmetauscher (13) in Wärmeaustausch gebracht wird, wobei der dritte Wärmetauscher (19) zwischen dem ersten und dem zweiten Wärmetauscher (11, 13) in Strömungsrichtung des Stoffs angeordnet ist.
12. Einrichtung nach einem der Ansprüche 7-11, dadurch gekennzeichnet,
daß die Einheit zur Druckminderung des Kühlfluids ein Ejektor (16) ist.
13. Dieselmotor mit
einem ersten Wärmetauscher, in dem Motor-Ladeluft in Wärmeaustausch mit einem ersten Kühlfluid gebracht wird, so daß Wärmeenergie auf dieses übertragen wird, und einem zweiten Wärmetauscher, in dem die Ladeluft in Wärmeaustausch mit einem zweiten Kühlfluid gebracht wird,
dadurch gekennzeichnet, daß eine Einheit (16), die von der auf das erste Kühlfluid übertragenen Wärmeenergie gespeist wird, den Druck des zweiten Kühlfluids im zweiten Wärmetauscher (13) vermindert.
DE19823223448 1981-06-25 1982-06-23 Verfahren und einrichtung zum entzug von waermeenergie aus einem stoff Withdrawn DE3223448A1 (de)

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