DE4138114A1 - Kuehlvorrichtung und kuehlverfahren zur kuehlung eines mediums innerhalb eines gefaesses - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Kühlverfahren und eine Kühlanordnung zur Kühlung eines Me­ diums innerhalb eines Gefäßes.

Bekannt sind beispielsweise aus der DE 34 25 419 Kühlverfahren nach dem Sorptions­ prinzip, wobei aus einer wäßrigen Lösung Wasser verdampft und dieser Wasserdampf in einer Sorptionsmittelfüllung adsorbiert wird. Die verdampfende Wassermenge kühlt sich dabei ab, während die Sorptionsmittel­ füllung erwärmt wird. Dieses Verfahren läuft in geschlossenen Systemen ab, in welchen der Unterdruck, um die wäßrige Lösung bei entsprechend tiefen Temperaturen ver­ dampfen zu lassen, bei der Herstellung des Systemes aufgebaut wird und erhalten bleibt. Diese Kühlvorrichtungen sind des­ halb relativ unflexibel in ihrem Anwendungs­ bereich, da das zu kühlende Medium immer fest mit der gesamten Kühlvorrichtung ver­ bunden sein muß.

Aus der DE 40 03 107 ist ein Eiserzeuger nach dem Sorptionsprinzip bekannt. Hier wird mittels eines vakuumfesten Sorptions­ behälters, der einen festen Sorptionsstoff enthält und an dem eine Vakuumpumpe an­ geschlossen ist, in einem Vereisungsgefäß eine wäßrige Flüssigkeit gefroren. Dieser Eiserzeuger dient somit zur Erzeugung von frischem Eis beispielsweise für die Kühlung von Getränken. Eine direkte Kühlung von Gefäßen ist damit nicht möglich.

Die Entsorgung von Kälteanlagen, die mit Fluorchlorkohlenwasserstoffen gefüllt sind erfolgt heute beispielsweise über eine min Aktivkohle gefüllte Patrone, welche das FCKW-Gas sorbiert. Gebräuchlichere Ver­ fahren arbeiten auch hier nach dem Kalt­ dampfverfahren. Die zu entsorgende Anlage wird dabei mit Hilfe eines herkömmlichen Kältemittelverdichters abgesaugt. Das ver­ dichtete und verflüssigte Kältemittel wird so­ dann in einen Transportbehälter gedrückt. Nachteile dieser Systeme sind ein kompli­ zierter Aufbau und ein zwangsläufig hohes Gewicht.

Sowohl das Entsorgungsproblem bei FCKW-Kühlanlagen als auch die Bereitstel­ lung von Kälte ohne Anlagen nach dem Kaltdampfprozeß sind bisher unbefriedi­ gend gelöst.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Darstellung einer Kühlmethode und einer Kühlvorrichtung mit weicher kurzfristig und kurzzeitig große Kälteleistungen bei mög­ lichst geringem Aufwand an Volumen und Gewicht für eine Reihe sehr unterschiedli­ cher Anwendungsfälle abgedeckt werden können.

Gelöst wird diese Aufgabe gemäß den kennzeichnenden Teilen der Ansprüche 1 und 10.

Das zur Kühlung vorgesehene Medium be­ findet sich dabei grundsätzlich in einem Ge­ fäß über dessen Wände Wärme an die Kühl­ vorrichtung abgegeben wird. Unter Gefäßen sollen dabei alle Behältnisse verstanden werden, welche zur Aufnahme eines flüssi­ gen, festen aber auch gasförmigen Medi­ ums geeignet sind. Es kann sich dabei bei­ spielsweise um Getränkedosen, Getränke­ flaschen, Tröge, Töpfe, Flaschen aber auch Rohrleitungssysteme handeln, in denen flüssige oder gasförmige Medien stehen aber auch strömen.

Insbesondere sind damit auch Sammelbe­ hälter gemeint, in denen FCKW-haltiges Käl­ temittel aus Anlagen oder Sammelbehältern umgefüllt wird, indem innerhalb des Ge­ fäßes das Kältemittel durch Wärmentzug kondensiert und verflüssigt wird. Die zur Verflüssigung notwendige Kälte wird dabei über die Gefäßwandungen an die Kühlvor­ richtung übertragen, und durch die damit einhergehende Erniedrigung des Dampf­ druckes, innerhalb des Gefäßes, kann Kälte­ mittel aus der zu entsorgenden Anlage ver­ dampfen und in die Kältemittelflasche kon­ densieren.

Weiterhin sind unter dem Begriff /Gefäß. auch z. B. Heizungsrohrnetze gemeint, in denen normalerweise warmes Heizungs­ wasser zur Versorgung von Heizkörpern fließt. Bei stillstehendem Heizungswasser kann durch Entzug von Wärme, über die Rohroberflächen, das Heizungswasser unter 0°C abgekühlt werden und erstarren. Erstarrtes Heizungswasser verhindert dann den weiteren Fluß des Heizungswassers, so daß beispielsweise defekte Heizkörper ohne Entleerung des gesamten Heizungsrohrnet­ zes ausgetauscht werden können.

In den Anwendungsbereich der Erfindung fallen aber auch Gefäße, welche speziell für die erfindungsgemäße Kälteerzeugung abgewandelt sind. So können beispiels­ weise Gefäße im inneren oder äußeren Be­ reich mit einer zusätzlichen Einbuchtung versehen sein, in welcher die wäßrige Lö­ sung verdampfen kann. Möglich ist es aber auch, die Form des Gefäßes so zu gestal­ ten, daß es einfach und ohne zusätzlichen Vorrichtungsaufwand in die Verdampferein­ heit eingeschoben werden kann und bei an­ liegendem Vakuum im System luftdicht mit der Verdampfereinheit abschließt. Vorteil­ haft ist dies beispielsweise bei Kältemittelfla­ schen, welche während des Füllvorgangs über eine Fülleitung mit der zu entsorgen­ den Kälteanlage verbunden sind.

In sich geschlossene Gefäße, wie beispiels­ weise Getränkedosen oder Getränkefla­ schen, können aber auch als ganzes in der Verdampfereinheit eingeschlossen sein. Hierbei ist darauf zu achten, daß die wäßrige Flüssigkeit einen guten Wärmekontakt zur Gefäßwandung hat.

Einen guten Wärmekontakt zwischen Ge­ fäßwandung und wäßriger Lösung erreicht man erfindungsgemäß dadurch, daß das Gefäß innerhalb der Verdampfereinheit zu­ mindest teilweise in die wäßrige Flüssigkeit eintaucht. Vorteilhaft ist aber auch, die Ge­ fäßwand mit einem saugfähigem Material in Kontakt zu bringen, welches mit der wäßrigen Flüssigkeit benetzt ist. Als besonders geeignet erweisen sich dabei Materialien, die strumpfartig von außen über die Gefäß­ wand gezogen werden und anschließend mit Wasser getränkt werden.

Vorteilhafterweise kann die Verdampferein­ heit aber auch, zumindest teilweise, aus flexiblen Materialien hergestellt werden, wel­ che sich insbesondere bei Unterdruck der Oberflächenstruktur der Gefäße anpassen. Auf diese Weise wird eine luftdichte Ver­ dampfereinheit hergestellt, welche einer­ seits direkt aus Teilen der Gefäßwandung andererseits aus dem anschmiegsamen Material der Verdampfereinheit besteht. Be­ sonders vorteilhaft erscheint es dabei, den flexiblen Teil so mit dem saugfähigem Ma­ terial zu koppeln, daß - bedingt durch den Unterdruck - das saugfähige Material auf die Behälterwand gepreßt wird. Dabei ist da­ rauf zu achten, daß für den abströmenden Wasserdampf ausreichend Strömungska­ näle erhalten bleiben. Prinzipiell bekannt sind solche Systeme beispielsweise aus der Handhabung von Glasscheiben mittels Unterdrucksaugnäpfen oder auch bei der Fixierung von Bohrmaschinen durch Va­ kuumsaugfüße bei Kernlochbohrungen.

Bei der vorliegenden Erfindung wird der aus der Verdampfereinheit abströmende Was­ serdampf in einer Sorptionsmittelfüllung ad­ sorbiert. Als Sorptionsmittelfüllung eignen sich insbesondere Zeolithe, welche bis zu 36 Gew.-% Wasser unter Wärmefreisetzung anlagern können. Zeolithe sind in vielen Be­ reichen der Sorptionstechnik im Einsatz und dank einer großtechnischen Synthese rela­ tiv preiswert verfügbar. Zeolithe haben fer­ ner den Vorteil, daß sie das adsorbierte Wasser durch Wärmezufuhr bei höheren Temperaturen wieder abgeben können. Eine Sorptionsmittelfüllung aus Zeolith ist deshalb wiederholt regenerierbar. Um den notwendigen Verdampfungsunterdruck auf­ recht zu erhalten, ist es notwendig, die Sorptionsmittelfüllung innerhalb eines Sorp­ tionsmittelbehälters unterzubringen.

Die Verbindung zur Verdampfereinheit kann dabei beispielsweise aus einem flexiblen Schlauch bestehen, wie er gewöhnlich bei Haushaltsstaubsaugern benutzt wird. Wich­ tig ist allerdings, daß der Schlauchquer­ schnitt der gewünschten Verdampfer­ leistung angepaßt ist.

Der Sorptionsmittelbehälter kann weiterhin eine Heizvorrichtung, beispielsweise elektri­ sche Heizleiter enthalten, um die Sorptions­ mittelfüllung innerhalb des Behälters zu er­ wärmen und damit das adsorbierte Wasser wieder zu desorbieren. Vorteilhaft ist es aber auch den Sorptionsbehälter so zu ge­ stalten, daß die Sorptionsmittelfüllung durch eine frische Füllung ersetzt werden kann. Für bestimmte Anwendungsfälle erscheint es aber auch sinnvoll, die Sorptionsmittelfül­ lung in einen Behälter einzubringen, welcher nach Gebrauch verworfen wird.

Sinnvoll erscheint es weiterhin den Sorp­ tionsmittelbehälter so zu gestalten, daß die zuzuführende Desorptionswärme von außen über die Sorptionsmittelbehälterwandung in die Sorptionsmittelfüllung eingebracht wird. Vorteilhaft sind dabei z. B. flache Behältnisse oder Rohre mit einem Durchmesser von weniger als 100 mm.

Innerhalb des Sorptionsmittelbehälters ist die Sorptionsmittelfüllung so einzubringen, daß der von der Verdampfereinheit einströ­ mende Wasserdampf ohne große Druckverluste alle Teile des Sorptionsmittels erreichen kann.

Bei der Sorption von Wasserdampf wird im Sorptionsmittel Wärme frei, die zur Erhit­ zung des Sorptionsmittels führt. Bekanntlich kann heißes Sorptionsmittel bei gleichem Dampfdruck deutlich weniger Wasserdampf sorbieren als kaltes. Es ist deshalb Sorge dafür zu tragen, daß entweder die Sorp­ tionswärme in geeigneter Weise an die Um­ gebung oder an wärmeaufnehmende Medien abgeführt wird oder daß die Sorp­ tionsmittelfüllung derart groß gewählt wird, daß die gewünschte Kältemenge ohne we­ sentliche Abgabe von Sorptionswärme an die Umgebung erzeugt werden kann.

Sofern die erfindungsgemäße Kühlvorrich­ tung nicht als geschlossenes, einheitliches System vorgefertigt wird, bei welchem gleich bei der Herstellung der entsprechend notwendige Unterdruck erzeugt wurde, ist es notwendig, die Sorptionsmittelfüllung mittels einer geeigneten Vakuumpumpe zur Erzielung des Kälteeffektes zu evakuieren. Zu diesem Zweck ist an dem Sorptionsmit­ telbehälter eine Vakuumpumpe angeschlos­ sen, welche Luft und andere nicht-konden­ sierbare Gase aus der Verdampfereinheit und dem Sorptionsmittelbehälter absaugt. Die Absaugung hat dabei erfindungsgemäß so zu erfolgen, daß die Gase aus allen Be­ reichen des Sorptionsmittelbehälters ent­ fernt werden können und dem zutretenden Wasserdampf nicht entgegen wirken. Die Absaugleitung zur Vakuumpumpe kann im Gegensatz zur Wasserdampfleitung zwi­ schen Verdampfereinheit und Sorptionsmit­ telbehälter mit relativ kleinen Durchmesser ausgeführt werden.

Als Vakuumpumpen eignen sich alle han­ delsüblichen Produkte, deren Enddruck etwas niedriger liegt als der Verdampfungs­ druck der wäßrigen Flüssigkeit bei der ge­ wünschten Verdampfungstemperatur. Rei­ nes Wasser hat beispielsweise bei 0°C einen Wasserdampfdruck von 6,1 mbar. Um bei dieser Temperatur reines Wasser zu ver­ dampfen, benötigt die Vakuumpumpe des­ halb einen Enddruck von ca. 5 mbar.

Bei einen Verdampfungsdruck unter 6,1 mbar erstarrt Wasser zu Eis. Erst wenn die gesamte Wassermenge zu Eis gefroren ist, wird bei fortgesetzter Wasserdampfsubli­ mation die Eistemperatur unter 0°C absin­ ken.

Sofern Temperaturen unter 0°C gewünscht sind, ohne daß die Wassermenge erstarrt, empfiehlt sich die Zugabe entsprechender Frostschutzmittel. Geeignet sind hier alle bekannten Mittel, insbesondere aber Salzlö­ sungen. Zu beachten ist, daß bei Zugabe von Frostschutzmitteln der Wasserdampf­ partialdruck unter den Wasserdampfdruck von reinem Wasser absinkt.

Besonders geeignet sind ölfreie Vakuum­ pumpen, die ohne Abgabe von Ölnebeln auch völlig lageunabhängig einzubauen sind. Insbesondere beim Absaugen von Käl­ temitteldämpfen kann die bei jedem Kälte­ mittelanlagenbauer vorhandene Vakuum­ pumpe benutzt werden. Auf diese Weise steht dem Kältefachmann ein einfach aufge­ bautes und kostengünstiges System zur Verfügung. Neben der vorhandenen Kälte­ mittelflasche und der Vakuumpumpe sind lediglich eine Sorptionsmittelpatrone sowie ein entsprechender, flexibler Adapter für die Kältemittelflaschenwandung notwendig.

Besonders vorteilhaft erscheint es auch, wenn alle Bauteile voneinander trennbar aufgebaut sind. So lassen sich Verdampfer­ einheit, Sorptionsmittelbehälter und Vaku­ umpumpe in beliebiger Weise kombinieren. Mit mehreren kleinen Sorptionsmittelbehäl­ tern können somit auch große Kältemittel­ anlagen von FCKW entsorgt werden. Durch einen einfachen Wechsel der Verdampfer­ einheit kann jede beliebige Kältemittel­ flasche an die Sorptionsmittelbehälter ange­ koppelt werden Übliche Vakuumpumpen haben einen 220-V-Anschluß. Besonders vorteilhaft sind aber auch Pumpen, welche mit 12-V oder 24-V, etwa aus einem PKW- oder LKW-Bordnetz, betrieben werden können. In diesen Fällen ist auch der Camping- und Freizeit-Bereich mit einer erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung ausrüstbar. Vorteilhaft sind aber auch handbetätigte Vakuumpumpen, sofern sie ein ausreichendes Endvakuum erreichen.

In der Zeichnung sind vorteilhafte Ausfüh­ rungsbeispiele der Erfindung dargestellt. Es zeigen:

Fig. 1 eine Kühlvorrichtung mit einem Gefäß, in welchem die Verdampferein­ heit integriert ist.

Fig. 2 eine Kühlvorrichtung mit einer flexiblen Verdampfereinheit und

Fig. 3 eine Kühlvorrichtung mit einem Gefäß, welches von der Verdampferein­ heit teilweise umschlossen ist.

Fig. 1 zeigt eine Kältemittelflasche 1 mit einem Füllventil 2, welche mit einem Hohl­ raum 3 ausgestattet ist, der ein saugfähiges Material 4 enthält. Die Kältemittelflasche 1 ist mittels eines Dichtringes 5 mit dem Sorp­ tionsmittelbehälter 6 verbunden. Ein Sorp­ tionsmittel 7 kann über eine Saugleitung 8 mittels einer Vakuumpumpe 9 evakuiert werden. Der Sorptionsmittelbehälter 6 ent­ hält im oberen Bereich eine Öffnung 10, welche vor Gebrauch mit einer Folie abge­ deckt ist, um die Aufnahme von Wasser­ dampf aus der Luft durch das Sorptionsmit­ tel 7 zu verhindern. Das saugfähige Material 4 wird erst vor der Benutzung mit Wasser getränkt.

Auch Fig. 2 zeigt eine Vakuumpumpe 9, über eine Schlauchleitung 8 angeschlossen an einen Sorptionsmittelbehälter 6, gefüllt mit Sorptionsmittel 7 und versehen mit einer elektrischen Heizung 11. Über eine flexible Saugleitung 12 ist der Sorptionsmittelbehäl­ ter 6 mit einer flexiblen Verdampfereinheit 13 verbunden. Die flexible Verdampferein­ heit 13 enthält ein saugfähiges Material 14, welches in gutem Wärmekontakt mit der Mantelfläche einer Getränkedose 15 steht. Die flexible Verdampfereinheit 13 wird durch den von der Vakuumpumpe 9 aufgebauten Unterdruck luftdicht auf die Wandung der Getränkedose 15 gesaugt und das saug­ fähige Material 14 dabei auf die Behälter- Wandung gedrückt.

Fig. 3 zeigt wiederum eine Kältemittel­ flasche 1 mit einem Füllventil 2, größtenteils eingebunden in eine Verdampfereinheit 16, welche im oberen Teil einen Schraubdeckel 17 enthält. Er enthält eine zentrische Öff­ nung, durch welche der Hals der Kältemit­ telflasche 1 ragt. Durch den anliegenden Unterdruck wird der Schraubdeckel 17 luft­ dicht auf die Kältemittelflasche 1 gepreßt. In der Verdampfereinheit 16 befindet sich im unteren Bereich eine Wasserfüllung 17. Der Wasserdampf gelangt über eine flexible Dampfleitung 12 in die Sorptionsmittelfül­ lung 7. Der Sorptionsmittelbehälter 6 ist auch in diesem Ausführungsbeispiel über eine Saugleitung 8 an eine Vakuum­ pumpe 9 angeschlossen.

Claims (10)

1. Kühlvorrichtung zur Kühlung eines Me­ diums, das sich innerhalb eines Ge­ fäßes befindet, dadurch gekennzeichnet,
daß die Gefäßwand gut wärmeleitend mit einer wäßrigen Flüssigkeit in Kon­ takt steht, die sich durch Verdampfen abkühlt und
daß für den im Unterdruck abströmen­ den Wasserdampf eine Sorptionsmittel­ füllung bereit steht, die den abströmen­ den Wasserdampf sorbiert und die da­ bei freigesetzte Sorptionswärme unter Temperaturerhöhung aufnimmt.

2. Kühlvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß zur Erzeugung bzw. Aufrechterhal­ tung des Unterdrucks eine Vakuum­ pumpe angeschlossen ist, welche Luft und andere das Vakuum störende Gase so aus der Sorptionsmittelfüllung ab­ saugt,
daß die Wasserdampfströmung ungehindert in alle Bereiche der Sorp­ tionsmittelfüllung einströmen kann.

3. Kühlvorrichtung nach einem der voran­ gehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die wäßrige Flüssigkeit in einer Verdampfereinheit enthalten ist, in wel­ che das Gefäß mindestens teilweise ein­ taucht und die Verdampfereinheit luft­ dicht an einen Sorptionsmittelbehälter, der die Sorptionsmittelfüllung beinhaltet, anschließbar ist.

4. Kühlvorrichtung nach einem der voran­ gehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die wäßrige Flüssigkeit in einem saugfähigem Material enthalten ist, das großflächig an die Gefäßwand ange­ bracht werden kann.

5. Kühlvorrichtung nach einem der voran­ gehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet daß die Verdampfereinheit in das Gefäß selbst integriert ist.

6. Kühlvorrichtung nach einem der voran­ gehenden Ansprüche, durch gekennzeichnet, daß die Verdampfereinheit mindestens teilweise aus einem flexiblen Material aufgebaut ist und sich bei Unterdruck an die Gefäßwand anlegt und damit einen luftdicht abgeschlossenen Ver­ dampferraum bildet, in dem die wäßrige Flüssigkeit verdampfen kann.

7. Kühlvorrichtungen nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Verdampfereinheit ein saugfähi­ ges Material enthält, welches durch das flexible Material der Verdampfereinheit an die Gefäßwand gedrückt wird.

8. Kühlvorrichtung nach einem der voran­ gehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Sorptionsmittelfüllung von den restlichen Teilen der Kühlvorrichtung abtrennbar ist.

9. Kühlvorrichtung nach einem der voran­ gehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei dem zu kühlenden Ge­ fäß um eine Kältemittelflasche handelt, in welche Kältemittel einfüllbar ist.

10. Verfahren zur Kühlung eines Mediums in einem Gefäß, dadurch gekennzeichnet, daß eine wäßrige Flüssigkeit im Vaku­ um verdampft, die Verdampfungskälte über die Gefäßwand an das Medium übertragen wird und daß der bei der Verdampfung entstehende Wasser­ dampf von einem Sorptionsmittel ange­ saugt und adsorbiert wird und daß der notwendige Unterdruck durch eine me­ chanische Vakuumpumpe erzeugt wird.