DE4127224A1 - Verfahren zur kaelteerzeugung mit luft als kaeltemittel und kaeltetraeger - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Kälteerzeugung nach dem Oberbegriff des Anspruches 1. Dieses Verfahren ist als offener Prozeß ausgeführt und kommt dem von Nesselmann ("Grundtypen kältetechnischer Prozesse", Kältetechnik 8. Jg. (1956) H. 3, S. 73-75) angegebenen idealen Dreieckprozeß für die Kälteerzeugung bei gleitenden Temperaturen sehr nahe. Eine Anwendung ist überall dort gegeben, wo Luft als Kälteträger bei Atmos­ phärendruck eingesetzt wird, z. B. für die Kühlung und Frostung von Nahrungsmitteln, für die Schnellfrostung von Fleisch und Fisch, zur Bewetterung des Untertage-Bergbaus, zur Abkühlung großer Mengen zäher Materialien vor ihrer Zerkleinerung und Aufbereitung (z. B. Gummi) und für weitere industrielle Anwendungen.

In der Literatur wird die Kaltgasmaschine nach dem Joule-Prozeß gewöhnlich in den Anwendungsbereich unter -60°C bis -100°C eingestuft. Grund dafür sind die hochentwickelten Kaltdampfprozesse, mit denen mühelos hohe Leistungszahlen ε erreichbar sind. Mit Luft als Kältemittel in Kaltgasprozessen werden große Kreislauf­ mengen benötigt, wobei häufig ein viel zu großer spezi­ fischer Verdichtungsaufwand betrieben werden muß, der die Leistungszahl ε der Kaltgasprozesse mit Luft er­ niedrigt und ihre Wettbewerbsfähigkeit gegenüber Kaltdampfprozessen einschränkt oder ausschließt.

Die Situation ändert sich dadurch, daß durch Forderungen des Umweltschutzes die sogenannten Sicherheitskälte­ mittel, die Fluorchlorkohlenwasserstoffe, in die Kritik geraten sind, weshalb umweltfreundliche alternative Ver­ fahren zur Kältererzeugung dringend erforderlich sind. Die Chancen der Kaltgasprozesse verbessern sich auch dadurch, daß mit dem Schraubenverdichter durch Wasser­ eindüsung ein quasi isothermer Verdichter mit weit ge­ ringerem spezifischen Verdichtungsaufwand verfügbar ist. Die Wassereindüsung in die Verdichtungsräume eines Schraubenverdichters hat sich bewährt und ist der Ölein­ spritzung weit überlegen. Neben der Vermeidung von Brän­ den wurde die Annäherung an den isothermen Verlauf der Verdichtung stark verbessert (G. Kirsten: Mit Wasser zur idealen Verdichtung, Produktion 7.2.91 Nr. 6 S. 12/13). Henatsch hat ein Verfahren zur Kälteerzeugung angegeben, bei dem ein Teil der Verdichtung durch einen Schrauben­ verdichter mit der an sich bekannten Wassereindüsung realisiert wird (DD F 25 B/31 39 398). Der andere Teil der Verdichtung erfolgt adiabat über ein mit einem Turbinenrad gekoppelten schnellaufenden Turboverdichter- Laufrad. Nachteilig ist dabei, daß nur ein Teil der Ver­ dichtung quasi isotherm erfolgt und daß überdies an 3 Prozeßstellen eine indirekte Wärmeübertragung statt­ findet, die bei dem bekanntermaßen schlechten Wärmeüber­ gang zwischen Luft und einer festen Wand zu relativ hohem apparativen Aufwand beiträgt.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Kaltgasprozeß mit Luft als Kältemittel und Kälteträger anzugeben, der wett­ bewerbsfähige Leistungszahlen ε auch im typischen An­ wendungsbereich der Kaltdampfprozesse anbietet, sowohl den Dreieckprozeß als auch den Prozeß mit innerem Wärme­ austausch und adiabater Entspannung bei tiefen Tempera­ turen nach Nesselmann gut annähert und offene Pro­ zesse bei völlig ölfreier Kaltluftversorgung sichert. Erfindungsgemäß wird das dadurch erreicht, daß

• - die Verdichtung in einem Schritt in einem an sich be­ kannten Schraubenverdichter mit Wassereindüsung er­ folgt,
• - die komprimierte Luft in einem Wascher im Gegenstrom mit Kalt- und/oder Kühlwasser direkt gekühlt wird
• - die feuchte Luft mit einem Tropfen-Feinabscheider (Demister) von tropfbarer Nässe befreit wird und ggf. durch eine Trocknungsstufe mit Regeneration nachge­ trocknet oder bei Verwendung von umschaltbaren Reku­ peratoren Feuchtigkeit ausgefroren wird, wobei hierzu
  • -- mindestens zwei Rekuperatoren mit kompakter Austauschfläche für die regenerative Nutzung des im Kaltraum nicht nutzbaren Kälteinhalts der Luft erforderlich sind,
  • -- jeweils einer der Rekuperatoren das Abkühlen der ver­ dichteten Luft übernimmt, die von unten nach oben strömt, wobei Wasserdampf ausgefroren und die Luft aus dem Kaltraum im anderen Strömungskanal und im Gegenstrom zur verdichteten Luft von oben nach unten geführt wird,
  • -- der jeweils andere Rekuperator zunächst von einem ge­ ringen Teilstrom x der komprimierten Luft durchströmt wird, bis alle Ausfrierungen abgetaut und als Wasser nach unten abgeflossen sind, wobei die Niederdruck- Kaltluft im anderen Strömungskanal des Rekuperators abgesperrt ist und der Teilstrom der komprimierten Luft beim Abtauen abgekühlt und nach Durchgang durch den Rekuperator zum Hauptstrom wieder zugemischt wird,
  • -- nach dem Abschluß der Abtauphase im gleichen Rekupe­ rator, jedoch auf der Kaltluftseite, sofort oder mit Verzögerung ein geringer Teilstrom y der Niederdruck­ kaltluft aufgegeben wird, während der zum Abtauen verwendete Teilstrom der komprimierten Luft abge­ sperrt, in der Menge x beibehalten oder auf Werte < x zur Vorbereitung der Umschaltung für die Rekuperatoren gefahren wird,
  • -- nach Verschlechterung des Wärmedurchgangs infolge Ausfrierens von Wasserdampf vom Betriebsrekuperator auf den abgetauten und vorgekühlten Rekuperator umgeschaltet und der vorher als Betriebsapparat geschaltete Rekuperator durch Abtauen und Vorkühlen regeneriert wird,
• - die so konditionierte Luft über eine schnellaufende Entspannungsmaschine, die mit dem Schraubenverdichter gekoppelt ist, entspannt wird, wobei die Entspannungs­ maschine in hohem Maße adiabat und angenähert isentrop arbeitet,
• - der am Entspannungsende bei Verzicht auf Lufttrocknung vor der Entspannung in der kalten Luft ggf. sublimierte Schnee durch Schneeabscheider abgetrennt und in einem separaten Behälter geschmolzen wird,
• - die Luft für den Gaskälteprozeß nach Maßgabe der je­ weils niedrigeren Temperatur aus dem Kaltraum oder aus der Umgebung entnommen wird.

In einer Ausgestaltung des Verfahrens, bei Ansaugung der Luft aus dem Kaltraum mit lohnenswert niedrigen Tempera­ turen, wird die angesaugte Luft mit einem Teilstrom des Kreislauf-Kühlwassers gewaschen und das Wasser dadurch gekühlt. Nach Reinigung des Wassers in einem Filter und ggf. Entkeimung wird dieses am oberen kalten Ende des druckseitigen Waschers wieder eingesetzt. Unerwünschte Stäube und Geruchsstoffe werden dadurch vom Kaltraum nicht mehr an die Umgebung freigesetzt. Ein Teilstrom des so aufbereiteten Kaltwassers kann zur Versorgung des Schraubenverdichters mit Einspritzwasser verwendet werden.

Für die Entspannung des Kältemittels kommen sowohl Ver­ drängungsmaschinen wie der Schraubenmotor als auch Tur­ bomaschinen, z. B. eine einstufige Radialturbine, in Be­ tracht. Turbomaschinen realisieren die Vorgabe nahezu isentroper Entspannung am besten, erfordern aber ein Ge­ triebe. Die mechanische Abscheidung des Schnees kann z. B. mit Hilfe von tangential angeordneten Sieben, mit Zyklonabscheidern usw. erfolgen.

Durch die erfindungsgemäße Lösung ergeben sich folgende Hauptvorteile:

• - Durch fast isotherme Verdichtung in einem Schritt und durch starke Abkühlung mittels Direktwärmetausch er­ gibt sich ein hoher Wert für die Leistungszahl ε und zwar in gleicher Höhe wie beim Kaltdampfprozeß mit Ammoniak.
• - Durch Verzicht auf indirekten Wärmetausch zwischen Luft und Kühlmedium benötigt man für Prozesse mit mäßigem Kälteniveau, die einem Dreickprozeß folgen, nur einen geringen apparativen Aufwand.
• - Durch Verdichten in einem Schritt wird auch dieser Pro­ zeßschritt verbilligt.
• - Es gibt keine Stapelbehälter für Kältemittel.
• - Der Prozeß arbeitet nur mit Luft und Wasser, also um­ weltfreundlich und mit hoher Sicherheit für das Bedien­ personal.
• - Die Waschstufen des Verfahrens haben nicht nur kälte­ technische Aufgaben wahrzunehmen, sondern sind zugleich Prozeßstufen der Luftkonditionierung, d. h. Stäube, Ge­ ruchsstoffe, unerwünschte Gaskomponenten, bakterielle Belastungen usw. werden ausgewaschen und durch Reinigung, UV-Entkeimung, Ozonbehandlung, Neutrali­ sierung usw. des Waschwassers der oberen Waschsäule können solche Belastungen eliminiert werden.
• - Durch umschaltbare Rekuperatoren kann ein Prozeß mit innerem Wärmeaustausch, sehr niedrigen Temperaturen und einer verlustarmen Trocknung durch Ausfrieren von Feuchtigkeit vor der Entspannung ausgeführt werden.

Ausführungsbeispiel

Die Erfindung soll nachstehend anhand verfahrenstech­ nischer Prinzipskizzen näher erläutert werden. In den zugehörigen Zeichnungen zeigen:

Fig. 1 das Kälteerzeugungsverfahren ohne Trocknung der Luft vor der Entspannung und mit mechanischer Schneeabtrennung,

Fig. 2 das Kälteerzeugungsverfahren ohne Trocknung der Luft vor der Entspannung und mit mechanischer Schneeabtrennung einschließlich Wasserkühlung durch saugseitige Luftwaschung,

Fig. 3 das Kälteerzeugungsverfahren mit Trocknung der Luft vor der Entspannung, ohne mechanische Schneeabtrennung aber einschließlich Wasserkühlung durch saugseitige Luftwaschung,

Fig. 4 das Kälteerzeugungsverfahren mit Rekuperatoren für den inneren Wärmetausch und zum Ausfrieren von Feuchtigkeit zur Anwendung bei niedriger Aus­ trittstemperatur aus dem Kaltraum.

Beim erfindungsgemäßen Verfahren wird Luft als Kälte­ mittel in einem Schraubenverdichter 6 mit Wassereindüsung nahezu isotherm verdichtet und in einem druckseitigen Wascher 10 direkt nachgekühlt. Sofern das Eindringen von Schmieröl in das Fördermedium nicht völlig ausgeschlossen werden kann, wird am unteren Ende des Waschers 10 eine Flüssigkeitsabscheidung mit Demister vorgesehen, so daß für den Schraubenverdichter 6 ein separater Einspritz­ wasserkreislauf mit Ölabscheider 16, Einspritzwasserpumpe 18 und Einspritzwasseraufbereitung 17 gebildet wird. Dem Schraubenverdichter 6 ist ein Einspritzwasserkühler 19 zugeordnet. Die komprimierte Luft strömt über einen Kaminboden in den eigentlichen Waschteil des druck­ seitigen Waschers 10 und wird durch möglichst kalten Rückkühlwasser-Vorlauf 2 im Gegenstrom direkt gekühlt und gewaschen. Wenn eine Versorgung mit Rückkühlwasser mög­ lichst niedriger Temperatur schwierig ist, kann am Kopf des Waschers 10 auch mit Brunnenwasser 1 allein gewaschen werden. Am Kopf des druckseitigen Waschers 10 erfolgt eine Abscheidung des tropfbaren Wassers durch Tropfen­ feinabscheider.

In den Verfahrensvarianten nach Fig. 1 und 2 wird eine weitere Trocknung der Luft nicht vorgenommen. Durch die Entspannung der so aufbereiteten Luft in der Ent­ spannungsmaschine 8, die je nach Bauart mit oder ohne Ge­ triebe 9 am Antriebsmotor 7 des Schraubenverdichters 6 angekoppelt ist, können bei hohem Druckverhältnis Tempe­ raturen weit unter dem Gefrierpunkt entstehen, so daß verbliebene Feuchtigkeit durch Sublimation als Schnee ausfällt. Dieser Schnee wird in einem Schneeabscheider 12 mechanisch abgetrennt und der Schnee in einer Wasservor­ lage 13 durch indirekte oder direkte Wärmezufuhr mit Wassereindüsung geschmolzen, wobei Waschwasser als Brunnenwasser 1 oder Rückkühlwasser 2 weiter abgekühlt wird.

Schneefreie Kaltluft gelangt in den Kaltraum 11. Die je­ weils kältere Luft aus der Umgebung 4 oder vom "warmen Ende" des Kaltraums 11 wird über eine Umschaltarmatur 5 und Luftfilter 14 vom Schraubenverdichter 6 mit Wasser­ einspritzung angesaugt.

Nach einer Verfahrensvariante nach Fig. 2, die für niedrige Kaltraumtemperaturen vorgesehen ist, wird der Kältevorrat der aus dem Kaltraum 11 abgesaugten Luft im saugseitigen Wascher 20 an das Kühlwasser abgegeben und somit wird der Kälteüberschuß von der Saugseite des Schrauben­ verdichters 6 zum druckseitigen Wascher 10 über Pumpe 21 transportiert. Eine Ergänzung dieses internen Wasser­ kreislaufs durch Brunnenwasser 1 wird durch ein Überlauf­ wehr 22 im druckseitigen Wascher 10 gegen Überflutung abgesichert. Der interne Wasserkreislauf zwischen den Waschern 20 und 10 ermöglicht häufig einen Verzicht auf Rückkühlwasser zur Vorkühlung im Wascher 10. Durch Einbau eines Filters 23 und einer Kaltwasserkonditionierung 24 kann dieser interne Wasserkreislauf sauber und weitgehend keimfrei gehalten werden.

Nach einer anderen Verfahrensvariante gemäß Fig. 3 wird die komprimierte Luft vor der Entspannung in der Ent­ spannungsmaschine 8 in Trocknern 25 getrocknet, die mit regenerierfähigen Trockenmassen arbeiten. Damit fällt eine Schneeabscheidung und das Schneeschmelzen weg.

In einer weiteren Verfahrensvariante nach Fig. 4 wird die gekühlte und von tropfbarem Wasser befreite Druckluft über die Umschaltarmatur 28 auf Rekuperatoren 26 und 27 aufgeteilt, in denen eine Abkühlung der verdichteten Luft durch Kaltluft aus dem Kaltraum 11 erfolgt, die über die Umschaltarmatur 29 den Rekuperatoren 26 und 27 zuge­ ordnet wird. Die Hauptkühlung und das gleichzeitige Aus­ frieren von Feuchtigkeit erfolgt jeweils in einem der Rekuperatoren 26 und 27. Der jeweils andere Rekuperator befindet sich in einem Regenerationsregime und wird durch einen Teilstrom x der komprimierten Luft aus dem Wascher/ Abscheider 10 abgetaut, wobei die Kaltluft über die Um­ schaltarmatur 29 abgesperrt ist und nach Abschluß des Abtauens der betreffende Rekuperator durch einen Teilstrom y der Kaltluft wieder auf Betriebstemperatur vorgekühlt wird. Dabei kann der Teilstrom x der komprimierten Luft im anderen Strömungskanal beibehalten, über die Umschaltarmatur 28 abgesperrt oder sogar auf Werte < x erhöht werden, um einen gleitenden Übergang vom Regenerationsregime zum Arbeitsregime zu gewähr­ leisten und den sich durch Vereisung verschlechternden Wärmeübergang im jeweiligen Betriebsrekuperator so schnell wie möglich auszugleichen. Durch Umschaltung auf den vorher regenerierten Rekuperator übernimmt dieser die Wärmeübertragung und der vorher im Betriebsregime gewesene Rekuperator wird in der beschriebenen Weise regeneriert.

Somit gelangt immer gekühlte, komprimierte Luft zur Ent­ spannungsmaschine 8, während die zu verdichtende Luft vorgewärmt in den Schraubenverdichter 6 geführt wird. Das beim Abtauen gewonnene Schmelzwasser wird über Kondensat­ ableiter 30, 31 unter Druck gewonnen und als salzarmes Wasser nach Aufbereitung (z. B. Entkeimung, adsorptive Entfernung von Geruchsstoffen) als Zusatzwasser des Pro­ zesses zur Eindüsung in den Schraubenverdichter 6 ver­ wendet. Durch Mischen des kalten Hauptstromes der kom­ primierten Luft mit dem wärmeren Teilstrom, der für das Abtauen des jeweils anderen Rekuperators verwendet wird und eine höhere Temperatur und Feuchtigkeit aufweist, entsteht bei Temperaturen unter dem Nullpunkt eine feste Ausscheidung des Wassers in Form von Reif bzw. Schnee. Diese wird durch einen Schneeabscheider 32 vor der Entspannungsmaschine 8 ausgeschieden und in einer Wasservorlage 33 geschmolzen. Anstelle der mechanischen Abtrennung mithilfe des Schneeabscheiders 32 ist ein Ausfrieren der Feuchtigkeit aus dem Teilstrom der Abtauphase mit Hilfsrekuperatoren möglich.

Aufstellung der verwendeten Bezugszeichen

 1 Brunnenwasser
 2 Rückkühlwasser-Vorlauf
 3 Rückkühlwasser-Rücklauf
 4 Umgebung
 5 Umschaltarmatur
 6 Schraubenverdichter mit Wassereinspritzung
 7 Drehstrommotor
 8 Entspannungsmaschine
 9 Getriebe
10 Wascher/Abscheider
11 Kaltraum
12 Schneeabscheider
13 Wasservorlage
14 Luftfilter
15 abgeschiedenes Öl
16 Ölabscheider
17 Einspritzwasseraufbereitung
18 Einspritzwasserpumpe
19 Einspritzwasserkühler
20 saugseitiger Wascher
21 Pumpe für Kreislauf-Kaltwasser
22 Überlaufwehr
23 Filter
24 Kaltwasserkonditionierung
25 Trockner
26, 27 Rekuperator
28, 29 Umschaltarmatur
30, 31 Kondensatableitung
32 Schneeabscheider (Druckseite)
33 Wasservorlage (Druckseite)

Claims (9)

1. Verfahren zur Kälteerzeugung mit Luft als Kältemittel und Kälteträger bei weitgehend isothermer Verdichtung und adiabater, angenähert isentroper Entspannung, wobei für die Verdichtung ein an sich bekannter Schraubenver­ dichter mit Wassereinspritzung verwendet wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Verdichtung in einem Schritt im Schraubenverdichter (6) erfolgt, wobei die so kompri­ mierte Luft in einem Wascher (10) im Gegenstrom mit Kalt- und/oder Kühlwasser direkt gekühlt, die entstehende Feuchtluft in einem Tropfenfeinabscheider von tropfbarer Nässe befreit und über eine schnellaufende Entspannungsmaschine (8), die mit dem Schrauben­ verdichter (6) gekoppelt ist, adiabat entspannt wird, wo­ bei der bei Entspannung der ungetrockneten Luft ent­ standene Schnee durch einen Schneeabscheider (12) abge­ trennt, die so getrocknete Luft in den Kaltraum (11) ge­ führt und über den Luftfilter (14) vom Schraubenver­ dichter (6) angesaugt wird.

2. Verfahren zur Kälteerzeugung mit Luft als Kältemittel und Kälteträger bei weitgehend isothermer Verdichtung und adiabater, angenähert isentroper Entspannung, wobei für die Verdichtung ein an sich bekannter Schraubenverdichter mit Wassereinspritzung verwendet wird, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Verdichtung in einem Schritt im Schraubenverdichter (6) erfolgt, wobei die so komprimierte Luft in einem Wascher/Abscheider im Gegenstrom mit Kalt- und/oder Kühlwasser direkt gekühlt, die entstehende Feuchtluft in einem Tropfenfeinab­ scheider von tropfbarer Nässe befreit, durch Trockner (25) adsorptiv oder mit umschaltbaren Rekuperatoren (26), (27) durch Ausfrieren getrocknet und über eine schnellaufende Entspannungsmaschine (8), die mit dem Schraubenverdichter (6) gekoppelt ist, adiabat entspannt und die entspannte, getrockenete Luft direkt in den Kaltraum (11) geführt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kältevorrat der am "warmen" Ende des Kaltraumes (11) angesaugten Luft durch Direktwärmeübertragung in einem auf der Saugseite des Schraubenverdichters (6) befind­ lichen Wascher (20) an Kaltwasser übertragen und dieses über eine Kreislaufpumpe (21), einen Filter (23) und eine Kaltwasserkonditionierung (24) in den auf der Druckseite des Schraubenverdichters (6) befindlichen Wascher (10) zurückgeführt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Luft für den Gaskälteprozeß nach Maßgabe der jeweils niedrigeren Temperatur aus dem Kaltraum (11) oder aus der Umgebung (4) entnommen wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schraubenverdichter (6) durch einen Teilstrom des aufbereiteten Kaltwassers aus den prozeßintern anfallen­ den Wassermengen mit Einspritzwasser versorgt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die komprimierte und vorgekühlte Luft in mindestens zwei Rekuperatoren (26), (27) durch indirekten Wärmetausch vor der Entspannungsmaschine (8) abgekühlt wird und eine Trocknung durch Ausfrieren von Wasserdampf erfolgt, wobei jeweils ein Rekuperator die Wärmeübertragungsphase zum Abkühlen der komprimierten Luft bei gleichzeitigem Aus­ frieren der Luftfeuchtigkeit und Vorwärmen der Kaltluft übernimmt und der jeweils andere Rekuperator durch einen Teilstrom x der komprimierten Luft bei abgesperrtem Durchfluß der Kaltluft abgetaut wird, wobei das Kondensat nach unten abfließt, der Teilstrom x der komprimierten Luft vor der Entspannungsmaschine (8) zum Hauptstrom wieder zugemischt wird, und nach Abschluß der Abtauphase über einen Teilstrom y der Kaltluft eine Vorkühlung des regenerierten Rekuperators zur Wärmeübertragungsphase er­ folgt, die durch Betätigen der Umschaltarmaturen (28), (29) eingeleitet wird.

7. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß in der Vorkühlungsphase eines vorher abgetauten Rekupe­ rators die Menge des Teilstroms der komprimierten Luft O, x oder < x betragen kann und daß ein gleitender Übergang von der Betriebsphase des einen auf die Betriebsphase des anderen Rekuperators erfolgt.

8. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß vor der Entspannungsmaschine (8) eine mechanische Schnee­ abscheidung erfolgt.

9. Verfahren nach Anspruch 2, gekennzeichnet dadurch, daß der Teilstrom der komprimierten Luft für die Abtauphase eines Rekuperators eine weitere Nachentfeuchtung durch Trocknung oder Ausfrierung erfährt.