DE4224896B4

DE4224896B4 - Kühlverfahren und Vorrichtung

Info

Publication number: DE4224896B4
Application number: DE4224896A
Authority: DE
Inventors: Stephen Forbes Glasgow Pearson
Original assignee: Star Refrigeration Ltd
Current assignee: Star Refrigeration Ltd
Priority date: 1991-07-31
Filing date: 1992-07-28
Publication date: 2007-10-18
Anticipated expiration: 2012-07-29
Also published as: DE4224896A1; GB9215183D0; GB2258298A; US5400615A; FR2679985B1; FR2679985A1; GB2258298B

Abstract

Kühlvorrichtung mit:
– einem Primär-Kühlkreislauf (12, 20, 18, 22, 16);
– einem Sekundärwärme übertragenden Kreislauf (14), der einen sekundären Kondensator (26), gekühlt durch den Primär-Kühlkreislauf (12), und einen sekundären Verdampfer (30, 32), um eine gewünschte Stelle zu kühlen, enthält; wobei
– der Sekundärwärme übertragende Kreislauf (14) eine flüchtige, Sekundärwärme übertragende Flüssigkeit enthält, dadurch gekennzeichnet,
dass die Sekundärwärme übertragende Flüssigkeit in an sich bekannter Weise Kohlendioxid ist, dass das Kohlendioxid unter Druck steht, so dass es im sekundären Kondensator (26) verflüssigt wird und im sekundären Verdampfer (30, 32) verdampft, und dass ein Zirkulationsmittel (28) angeordnet ist zum Transportieren des flüssigen Kohlendioxids ohne Druckerhöhung vom sekundären Kondensator (26) zum sekundären Verdampfer (30, 32).

Description

Diese Erfindung bezieht sich auf ein Kühlverfahren und eine Vorrichtung, und im besonderen auf Kühlsysteme, die Sekundärwärme übertragende Flüssigkeiten enthalten.
Die Zahl an konventionellen, flüchtigen Kühlflüssigkeiten die zur Benutzung verfügbar sind, nimmt aufgrund der Gesetzgebung und dem allgemeinen Interesse ständig ab, hervorgerufen durch eine sichtbare Beteiligung gewisser weitverbreiteter Kühlmittel beim Abbau der Ozonschicht, und ferner verursacht durch den Beitrag dieser Kühlmittel zur weltweiten Erwärmung und zum Treibhaus-Effekt.
Folglich ergibt sich eine Notwendigkeit die Benutzung dieser Kühlmittel zu verringern, oder durch solche, die kein oder zumindest nur ein geringes ozonabbauendes Potential besitzen und nicht übermäßig zum Treibhaus-Effekt beitragen, zu ersetzen.
Ein mögliches Mittel, um die Benutzung dieser potentiell schädlichen Kühlmittel zu reduzieren, ist die, daß man ein kleines Volumen an flüchtigem Primär-Kühlmittel benutzt, um ein viel größeres Volumen an Sekundärwärme übertragender Flüssigkeit zu kühlen, welche an die Stelle gepumpt werden kann, wo die Kühlung benötigt wird. Seitdem die Verteilung von Kühlung durch die Benutzung von Sekundärwärme übertragenden Flüssigkeiten an die gewünschte Stelle möglich ist, kann auf diese Weise die Gesamtmenge an Kühlmitteln reduziert werden. Diese Methode wird gewöhnlich bei Klimaanlagen angewendet, wobei Wasser als wärmeübertragende Flüssigkeit benutzt wird. Wo eine Kühlung unter den Gefrierpunkt notwendig ist, werden verschiedene wässrige Lösungen wie zum Beispiel Propylenglykol, Ethylenglykol und Calciumchlorid-Sole als Sekundärwärme übertragende Flüssigkeiten verwendet.
Ein solches System wird in der DE-A-21 57 079 beschrieben. Darin wird Kohlendioxid als eines von mehreren Primär-Kühlmitteln vorgeschlagen, wobei ein flüssiges Kühlmittel ohne Phasenwechsel im Sekundärwärme übertragenden Kreislauf zirkuliert.
Bei noch tieferen Temperaturen nimmt die Viskosität der wässrigen Lösungen zu, so dass die Verwendung von Flüssigkeiten wie zum Beispiel Trichlorethylen notwendig wird. Jedoch neigen Substanzen wie zum Beispiel Trichlorethylen zur Giftigkeit und sind häufig stark korrosiv.
US Patent US 4,344,296 A (Staples) offenbart ein zweistufiges Kühlungssystem, welches einen ersten gasverdichtenden Kühlmittel-Kreislauf, und einen zweiten, wärmeübertragenden Kreislauf besitzt.
Der Sekundärwärme übertragende Kreislauf enthält einen Kondensator (der durch den Verdampfer der ersten Kältemaschine gekühlt wird) und einen sekundären Verdampfer der die Kühlung an einer gewünschten Stelle zur Verfügung stellt. Ammoniak wird als Kühlmittel für den ersten Kühlkreislauf vorgeschlagen. Jedoch ist Ammoniak potentiell gefährlich. Die Einrichtung eines zweiten Kühlkreislaufs erlaubt die Benutzung eines weniger giftigen Kühlmittels. Als Sekundärwärme übertragende Flüssigkeit wird Kühlmittel 22 vorgeschlagen. Jedoch ist Kühlmittel 22 ein Fluorkohlenstoff-Kühlmittel, welches ein gewisses Potential zum Ozonabbau und zur globalen Erwärmung aufweist. Der hohe für ein Kohlendioxidsystem benötigte Druck macht Kohlendioxid für die Verwendung in dem System gemäß der US 4,344,296 A unbrauchbar.
US Patent US 3,683,640 A sieht gleichermaßen einen zweiten Kühlkreislauf vor, der eine Mischung aus flüchtigen, wärmeübertragenden Flüssigkeiten verwendet, die durch eine erste Kühlmaschine vom Typ Elektrolux gekühlt werden. Es wird eine Mischung aus Kühlmittel 12 und Kühlmittel 13 als flüchtige, Sekundärwärme übertragende Flüssigkeit vorgeschlagen. Diese Kühlmittel sind in Bezug auf die Umwelt ebenfalls unannehmbare Fluorkohlenstoffe. Es sei erwähnt, dass diese Systeme sich von solchen, üblicherweise Kaskadensysteme unterscheiden, da kein Kompressor in dem Sekundärwärme übertragenden Kreislauf vorhanden ist. Im Stand der Technik bezüglich Kohlendioxid als verdampfendes Kühlmittel wird ein Kompressor verwendet, um eine positive Druckdifferenz zwischen dem Kohlendioxid-Kondensor und dem Kohlendioxid-Verdampfer aufrecht zu erhalten. Kohlendioxid ist bisher nicht als ein geeignetes Fluid zur Verwendung als volatile Sekundärwärme übertragende Flüssigkeit angesehen worden.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, Kühlung durch die Verwendung eines Sekundärwärme übertragenden Systems zu schaffen, und insbesondere die latente Wärme einer flüchtigen und in Bezug auf die Umwelt akzeptablen Sekundärwärme übertragenden Flüssigkeit, nämlich Kohlendioxid, zu verwenden, um das Volumen an Flüssigkeit, welches für eine zufrieden stellende Kühlung erforderlich ist, zu minimieren.
Die vorliegende Erfindung sieht eine Kühlvorrichtung vor, die beinhaltet:

– einen Primär-Kühlkreislauf,
– einen Sekundärwärme übertragenden Kreislauf, der einen sekundären Kondensator, gekühlt durch den Primär-Kühlkreislauf, und einen sekundären Verdampfer, um eine gewünschte Stelle zu kühlen enthält, wobei,
– der Sekundärwärme übertragende Kreislauf eine flüchtige, Sekundärwärme übertragende Flüssigkeit enthält.

Sie zeichnet sich dadurch aus, dass die Sekundärwärme übertragende Flüssigkeit in an sich bekannter Weise Kohlendioxid ist, dass das Kohlendioxid unter Druck steht, so dass es im sekundären Kondensator verflüssigt wird und im sekundären Verdampfer verdampft, und dass ein Zirkulationsmittel angeordnet ist zum Transportieren des flüssigen Kohlendioxids ohne Druckerhöhung vom sekundären Kondensator zum sekundären Verdampfer.
Die Erfindung beschreibt ebenso ein entsprechendes Verfahren, um die Kühlvorrichtung zu betreiben. Im allgemeinen wird das flüssige und unter Druck stehende Kohlendioxid mittels einer Zirkulationspumpe von dem sekundären Kondensator zum sekundären Verdampfer gepumpt, wo das flüssige CO₂ ein Expansionsmittel (wie z.B. eine Düse oder ein Kapillarrohr) passiert, um den Druck des Kühlmittels auf den gewünschten Verdampfungsdruck zu reduzieren.
In dem Verdampfer nimmt die verdampfte, Sekundärwärme übertragende Flüssigkeit Hitze von der Umgebung auf, und wird dann zum Kondensator des zweiten Kreislaufs zurückgeführt.
Auf diese Weise kann das Volumen an Kühlmittel im ersten Kreislauf wesentlich niedriger sein als das an Sekundärwärme übertragender Flüssigkeit.
Kohlendioxid wird als Sekundärwärme übertragende F1üssigkeit verwendet. Es ist leicht verfügbar, nicht-umweltverschmutzend, nicht-giftig und weist in der benötigten Menge eine minimale Umweltbelastung auf. Es ist erforderlich, daß man das Kohlendioxid-Kühlmittel bei einem relativ hohen Druck zirkulieren läßt; bei 0°C beträgt der Sättigungsdruck des flüssigen und dampfförmigen Kohlendioxid 33,8 bar. Dieser liegt über dem Betriebsdruck von üblichen Kühlungssystemen, aber gut innerhalb der Tauglichkeit von konventionellen Rohrleitungssystemen. Ein entscheidender Vorteil, eine flüchtige Substanz als Sekundärwärme übertragende Flüssigkeit zu verwenden, ist der, daß das Volumen an benötigtem Kohlendioxid relativ niedrig ist, da die Übertragung von Wärme im wesentlichen über den Weg der Verdampfungswärme durchgeführt wird. Ferner besitzt Kohlendioxid eine relativ hohe latente Wärme. Außerdem hat Kohlendioxid eine sehr niedrige Viskosität, und gefriert nicht bis unter –56°C, und kann so im Anwendungsbereich von Klimaanlagen (Verdampfung typischerweise von –5°C bis 5°C), bis Tieftemperatur-Gefrieren und Kühlräumen (Verdampfung typischerweise von –30°C bis –50°C) benutzt werden. Ein weiterer Vorteil in der Anwendung von kleinen Volumina einer Sekundärwärme übertragenden Flüssigkeit unter einem hohen Druck ist der, daß die Erfordernisse des Rohrdurchmessers verringert werden können.
In einer Anwendungsform der vorliegenden Erfindung kann die Vorrichtung mit einem alternativen zweiten Kreislauf ausgestattet werden, um den zweiten Kreislauf zu entfrosten. Abwärme kann von dem ersten Kühlkreis auf die Sekundärwärme übertragende Flüssigkeit mit dem Druck der Zirkulationspumpe übertragen werden. Der erwärmte Dampf kann zu der Kühleinheit geleitet werden und kondensiert darin, um irgendwelchen Frost, der sich an der Außenseite des zweiten Verdampfers gebildet hat, zu schmelzen.
Diese und andere Aspekte der vorliegenden Erfindung sollen nun anhand eines Beispiels beschrieben werden, unter Berücksichtigung der begleitenden Zeichnung, in welcher 1 eine graphische Darstellung eines Kühlsystems ist, in Übereinstimmung mit einer bevorzugten Anwendungsform der vorliegenden Erfindung.
Die Zeichnung zeigt eine graphische Darstellung eines Kühlungssystems 10 in Übereinstimmung mit einer bevorzugten Anwendungsform der vorliegenden Erfindung. Das System 10 schließt einen primären und sekundären Kühlkreislauf 12 und 14 ein.
Der Primärkreislauf 12 (gezeigt durch Strich-Punkt-Linien) schließt einen Verdampfer 16, einen Kondensator 18, einen Dampfkompressor 20 und eine Expansions-Einrichtung 22 ein. Der Kreislauf 12 enthält flüchtiges Primärkühlmittel konventioneller Zusammensetzung.
Im zweiten Kühlkreislauf 14 (gezeigt in durchgezogener Linie) wird die Kühlung des sekundären Kondensators 26 durch den primären Verdampfer 16 besorgt. Von Kondensator 26 wird die verflüssigte, Sekundärwärme übertragende Flüssigkeit unter Benutzung einer Zirkulationspumpe 28 zu den Kühleinheiten 30 gepumpt, die sich dort befinden, wo die Kühlung benötigt wird. Bevor die Sekundärwärme übertragende Flüssigkeit in die Kühleinheiten 30 eintritt, muß sie eine Expansions-Einrichtung 32 passieren, um den Druck des Kühlmittels auf den beabsichtigten Dampfdruck zu reduzieren. In der Kühleinheit 30 nimmt die Wärmedampf übertragende Flüssigkeit von der Umgebung Wärme auf und kehrt dann zum sekundären Kondensator 26, der, wie oben erwähnt, durch den primären Kreislauf 12 gekühlt wird, zurück. Die Sekundärwärme übertragende Flüssigkeit rekondensiert dann. Abschaltventile 40 stehen zur Verfügung. Die Sekundärwärme übertragende Flüssigkeit ist unter Druck stehendes Kohlendioxid, was eine Anzahl von Arbeitsvorteilen bietet. Kohlendioxid ist leicht verfügbar, preiswert, nicht-giftig, nicht-umweltverschmutzend, trägt vermutlich nicht zum atmosphärischen Ozonabbau bei und weist, obwohl es ein anerkanntes "Treibhaus"-Gas ist, einen um viele Faktoren niedrigeren Treibhaus-Effekt auf als konventionelle Halogen-Kohlenstoff-Kühlmittel. Es ist notwendig, daß das Kohlendioxid unter einem relativ hohen Druck gehalten wird; bei 0°C liegt der Sättigungsdruck des flüssigen und dampfförmigen Kohlendioxids bei 33,8 bar (33,8 × 10⁵ Pascal). Diese Drücke liegen über dem normalen Druckbereich von konventionellen Kühlungssystemen, aber gut im Bereich der Betriebstauglichkeit von konventionellen Rohrleitungssystemen.
Verglichen mit Systemen, die nicht-flüchtige, Sekundärwärme übertragende Flüssigkeit verwenden, ist der Mengenfluß an Kohlendioxid, der benötigt wird, um den gleichen Kühleffekt zu erreichen, wesentlich geringer, was der hohen latenten Wärme des Kohlendioxids zu verdanken ist, verglichen mit den geringen spezifischen Wärmekapazitäten der konventionellen wärmeübertragenden Flüssigkeiten. Zusätzlich ist es den relativ hohen Drücken zu verdanken, unter welchen der verflüchtigte Dampf zurückgeführt wird, daß die Dimensionen des zweiten Rohrleitungssystems wesentlich verringert werden können.
Es ist ein weiterer Vorteil, ein flüchtiges, zweites Kühlmittel zu benutzen, so daß das Abtauen der Kühleinheiten 30 relativ einfach durch Verdampfen des verflüssigten CO₂ mit dem Druck der Abtaupumpe 39 durch Wärmeaustausch mit der Abwärme des ersten Kühlsystems in einem Verdampfer 21 erreicht werden kann. Solch ein System wird durch die strich-punktierte Linie 36 und 38 angedeutet, wie in der Zeichnung gezeigt wird. Linie 36 zeigt das primäre Kreislaufsystem, dessen Umstellung durch Ventile 37 geschieht, und Linie 38 zeigt den alternativen zweiten Kühlpfad, der die zweite Expansions-Einheit 32 umgeht. Der relativ warme Kohlendioxid-Dampf wird direkt zu den Kühleinheiten 30 geleitet, und kondensiert darin unter Druck, um etwaigen Frost, der sich an der Außenseite der Einheit gebildet hat, zu schmelzen. Die Ventile, die notwendig sind, damit sich in den Kühleinheiten 30 ein Druck aufbaut, und die Mittel, die das in den Kühleinheiten 30 kondensierte CO₂ bis herunter zum Pumpenansaugdruck freisetzen, sind im Interesse der Klarheit nicht dargestellt worden. Wie auch immer, mit heißem Gas abzutauen, und die Einrichtung von geeigneten Apparaturen, sind Standardmerkmale von Kühlsystemen und für einen Fachmann naheliegend.
Die oben beschriebene Anwendungsform ist für die Benutzung in Klimaanlagen sehr nützlich, aber weil Kohlendioxid eine sehr niedrige Viskosität hat, und bis unter –56°C nicht einfriert, kann ein ähnliches System gleichermaßen gut bei Tieftemperatur-Anwendungen benutzt werden, wie z.B. Tieftemperatur-Gefrieren und Kühlräume. Typischerweise wird das CO₂ für Anwendungen in Klimaanlagen bei 0°C ± 2°C und einem Druck von 34,85 bar (34.85 × 10⁵ Pascal) verdampft. Für Anwendungen zum Einfrieren wird das CO₂ typischerweise bei –40°C ± 2°C und einem Druck von 10,05 bar (10,05 × 10⁵ Pascal) verdampft.
Aus der obigen Beschreibung wird klar, daß die vorliegende Erfindung ein in Bezug auf die Umwelt günstiges System zur Verfügung stellt, und das sich außerdem eine Anzahl von Vorteilen gegenüber herkömmlichen Sekundärwärme übertragenden Systemen bietet.
Für Fachleute ist klar, daß die oben beschriebene Anwendungsform der vorliegenden Erfindung rein exemplarisch ist, und daß verschiedene Abänderungen und Verbesserungen zum beschriebenen Beispiel gemacht werden können, ohne vom Rahmen der Erfindung abzuweichen; der oben beschriebene erste Kühlkreis 12 ist von herkömmlicher Form, aber es kann gleich gut ein abweichender Kühlkreis verwendet werden, und demgemäß mit abweichenden Kühlkreislauf-Elementen ausgestattet werden.

Claims

Kühlvorrichtung mit: – einem Primär-Kühlkreislauf (12, 20, 18, 22, 16); – einem Sekundärwärme übertragenden Kreislauf (14), der einen sekundären Kondensator (26), gekühlt durch den Primär-Kühlkreislauf (12), und einen sekundären Verdampfer (30, 32), um eine gewünschte Stelle zu kühlen, enthält; wobei – der Sekundärwärme übertragende Kreislauf (14) eine flüchtige, Sekundärwärme übertragende Flüssigkeit enthält, dadurch gekennzeichnet, dass die Sekundärwärme übertragende Flüssigkeit in an sich bekannter Weise Kohlendioxid ist, dass das Kohlendioxid unter Druck steht, so dass es im sekundären Kondensator (26) verflüssigt wird und im sekundären Verdampfer (30, 32) verdampft, und dass ein Zirkulationsmittel (28) angeordnet ist zum Transportieren des flüssigen Kohlendioxids ohne Druckerhöhung vom sekundären Kondensator (26) zum sekundären Verdampfer (30, 32).
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Primär-Kühlkreislauf (12) ein Dampf komprimierender Kühlkreislauf ist, und einen Dampf-Kompressor (20), einen primären Kondensator (18), um den komprimierten Dampf aufzunehmen und zu kühlen, und einen primären Verdampfer (16) aufweist, in dem der kühlkomprimierte Dampf verdampft wird, wobei der primäre Verdampfer (16) so angeordnet ist, dass er den sekundären Kondensator (26) kühlt.
Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Sekundär-Kühlkreislauf (14) einen Abtaukreislauf mit einem Verdampfer (21) und ein Umlenkmittel (39) zum Umlenken des flüssigen Kohlendioxid, welches den sekundären Kondensator (26) durch den Verdampfer (21) verlässt, so dass der Kohlendioxid-Dampf den sekundären Verdampfer (30) durchströmt, um dort abzutauen und ein erstes Abwärme-Zirkulationssystem (36) aufweist, welches zum Zirkulieren des komprimierten, kühlenden Dampfes im Primär-Kühlkreislauf (12) zu dem Verdampfer (21) vorgesehen ist, um dafür Wärme zur Verfügung zu stellen.