DE4315924A1 - Kälteträger für Kältemaschinen oder Wärmepumpen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Kälteträger für Kältemaschinen oder Wärmepumpen gemäß Patentanspruch 1.

Die Erfindung betrifft weiterhin eine Kälteanlage oder eine Wärmepumpenanlage mit indirekter Verdampfung gemäß Pa­ tentanspruch 4.

Im Stand der Technik werden in Kälteanlagen mit indirekter Verdampfung als Kälteträger üblicherweise Flüssigkeiten ver­ wendet, die bei Normaldruck (1 bar) nicht sieden. Solche bisher zu diesem Zweck verwendete Flüssigkeiten sind z. B. wäßrige Salzlösungen oder höherviskose Fluide, wie syntheti­ sche Öle. Die bisher verwendeten wäßrigen Salzlösungen sind jedoch stark korrosiv. Synthetische Öle besitzen den Nach­ teil, daß sie bei Störfällen oder beim Abbruch der Kältean­ lage die Umwelt verschmutzen und daher zeit- und kostenauf­ wendig entsorgt werden müssen.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Kälte­ träger für Kältemaschinen oder Wärmepumpen zur Verfügung zu stellen, der die obengenannten Nachteile bekannter Kälteträ­ ger nicht aufweist.

Gegenstand der Erfindung ist daher ein Kälteträger für Käl­ temaschinen oder Wärmepumpen, der aus CO₂ besteht oder die­ ses enthält. Erfindungsgemäß wird vor allem der Vorteil er­ zielt, daß CO₂ in den hier betrachteten geringen Mengen um­ weltfreundlich ist. Da CO₂ ohnehin in der Atmosphäre enthal­ ten ist, ist es nicht nötig, es vor dem Ablassen in die At­ mosphäre biologisch abzubauen. Im Leckagefall wird es daher umweltfreundlich und rückstandslos verdampfen. Ferner ist CO₂ nicht toxisch und nicht brennbar.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform besteht der neue Kälteträger für Kältemaschinen und Wärmepumpen aus einem Ge­ misch von 10 - < 100 Vol% und SO₂ - < 0 Vol% eines weite­ ren Stoffes oder mehrerer weiterer Stoffe. Hierdurch lassen sich die physikalischen Eigenschaften des Kälteträgers nach Wunsch modifizieren. Durch den Zusatz eines oder mehrerer weiter Stoffe(s) zu dem Kälteträger CO₂ kann der Druck im CO₂-Druckkreislauf erniedrigt werden. So sublimiert CO₂ z. B. bei -57°C unter einem Druck von 5,2 bar. Bei -35°C steht flüssiges CO₂ unter einem Druck von 12 bar. Verwendet man als Kälteträger ein Gemisch von ca. 40 Massen-% CO₂ und ca. 60 Massen-% Aceton, kann der Druck des im Stillstand der An­ lage auf 30°C erwärmten Kälteträgers auf die für viele käl­ tetechnische Komponenten geltende Auslegungsgrenze von 25 bar erniedrigt werden.

Besonders vorteilhaft ist der Zusatz einer oder mehrerer der folgenden Verbindungen zum Kälteträger CO₂:
Aceton, N,N-Dimethylformamid, Xylol, Diethylenglykoldime­ thylether, Propylacetat, Isobutylacetat, Methanol, Methyl­ acetat.

Gegenstand der Erfindung ist weiterhin eine Kälteanlage oder Wärmepumpenanlage mit indirekter Verdampfung, die einen der oben vorgeschlagenen Kälteträger enthält. Bei solchen Käl­ teanlagen oder Wärmepumpenanlagen kommen die obengenannten Vorteile des neuen Kälteträgers voll zur Geltung.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist bei einer sol­ chen Kälte- oder Wärmepumpenanlage für den Kälteträger ein Phasenwechsel vorgesehen. Beim Einsatz von CO₂ als Kälteträ­ ger mit Phasenwechsel kann der erforderliche Energieeinsatz für das Umpumpen des Fluids vorteilhaft gegenüber herkömmli­ chen Kälteträgersystemen erheblich reduziert werden. Ferner können häufig dieselben Komponenten und Rohrleitungsdimen­ sionen eingesetzt werden, die bei direkten Systemen verwen­ det werden. Damit ist auch die Umrüstung von bestehenden An­ lagen mit z. B. FCKw-Kältemitteln auf Kälte-und Wärmepumpen­ anlagen mit indirekter Verdampfung mit CO₂ als Kälteträger­ fluid mit Phasenwechsel und einem umweltfreundlichen, aber brennbaren bzw. toxischen Kältemittel, wie z. B. Ammoniak NH₃, möglich.

Bei den vorgeschlagenen Kälte- und Wärmepumpenanlagen treten wegen des niedrigen kritischen Punktes von CO₂ hohe Still­ standsdrucke einer derartigen Anlage auf. Diese können bei Bedarf durch eine geeignete Sicherheitseinrichtung, die die Einhaltung vorgegebener Druckgrenzen gewährleistet, be­ herrscht werden. Eine solche Sicherheitseinrichtung kann z. B. ein druckgesteuertes Sicherheitsventil sein. Besonders vorteilhaft ist die Kombination eines druckgesteuerten Si­ cherheitsventils mit einem Sorptionssystem. Alternativ hier­ für oder zusätzlich kann die Sicherheitseinrichtung ein Eis­ speicher sein, der einen unzulässigen Temperatur- und damit Druckanstieg des Kälteträgers für einen gewissen Zeitraum verhindert. Es kann auch ein zusätzlicher Verdichter kleiner Leistung eingesetzt werden, der das CO₂ bei Druckanstieg in einen gegenüber dem übrigen System druckfesteren Bereich fördert.

Eine Sicherheitseinrichtung kann möglicherweise entfallen, wenn das CO₂ zusammen mit einem Lösemittel als Kälteträger eingesetzt wird, wodurch sich die Drücke wie oben beschrie­ ben deutlich erniedrigen. Beim Phasenwechsel wird dann das CO₂ gasförmig aus dem flüssigen Lösemittel unter Wärmeauf­ nahme ausgetrieben.

Als Sicherheitseinrichtung kann auch eine Kombination mehre­ rer einzelner Sicherheitseinrichtungen vorgesehen sein.

Fig. 1 ist die schematische Darstellung einer Kälteanlage gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.

Fig. 1 zeigt eine gewerbliche Kälteanlage im Supermarkt, die von einem FCKw-Kältemittel, z. B. R502, mit Di­ rektverdampfung auf CO₂ als Kälteträgerfluid mit Phasenwech­ sel und Ammoniak-Kälteanlage außerhalb des Publikumsberei­ ches umgerüstet ist. Die Kälteanlage ist in einen Außenbe­ reich A und einen Publikumsbereich B unterteilt. Der Kälte­ mittelkreislauf 1, z. B. ein Ammoniak-Kreislauf, befindet sich im Außenbereich A. Der CO₂-Kälteträgerkreislauf 2 über­ trägt die im Kältemittelkreislauf 1 erzeugte Kälte vom Außenbereich A in den Publikumsbereich B. Der Kältemittel­ kreislauf 1 enthält einen üblichen Wärmeaustauscher 4, z. B. einen Plattenwärmeübertrager. Dieser ist kältemittelseitig als Verdampfer, CO₂-seitig als Flüssigkeitskühler oder Ver­ flüssiger ausgebildet. In üblicher weise enthält der Kälte­ mittelkreislauf 1 einen Verdichter 6, einen Verflüssiger 8 und ein Expansionsventil 10.

Der CO₂-Kreislauf 2 enthält eine CO₂Flüssigkeitsleitung 12, eine CO₂Flüssigkeitspumpe 14, mehrere Wärmeaustauscher 16, die CO₂-seitig als Erwärmer oder Verdampf er ausgebildet sind, gegebenenfalls ein Ventil 18 zur Regelung, das z. B. als Magnetventil ausgebildet sein kann, und eine CO₂-Leitung 20, in der das flüssige, dampfförmige oder zweiphasige CO₂ zum Wärmeaustauscher 4 zurückgeführt wird.

Die Vorteile, die mit der erfindungsgemäßen Kälteanlage ge­ mäß Fig. 1 erzielbar sind, sind offensichtlich:

• 1. Durch die Begrenzung der Ammonik-(NH₃)Anlage 1 auf den Außenbereich A außerhalb des Publikumsbereiches B ist si­ chergestellt, daß bei Leckagen kein Sicherheitsproblem durch das toxische, brennbare und panikverursachende Kältemittel NH₃ auftritt. Durch die Verwendung von CO₂ als Kälteträger­ fluid im Phasenwechsel können die im Puplikumsbereich B be­ stehenden Rohrleitungen 12 und 20 weiterhin genutzt werden. Die thermostatischen Expansionsventile, die für das Kälte­ mittel R502 benötigt wurden, sind überflüssig und daher er­ satzlos zu entfernen. Die Umstellung der Verdampfer vom Trockenexpansionsbetrieb auf den überfluteten Betrieb mit CO₂ läßt eine Leistungserhöhung und damit einen weiteren energetischen Vorteil erwarten. Die Übertragung der erzeug­ ten Kälteleistung vom Kältemittel-(NH₃)Kreislauf 1 auf den CO₂-Kreislauf 2 kann beispielsweise durch einen Plattenwär­ meübertrager 4 erfolgen.
• 2. Somit ist die Umstellung einer Anlage mit einem umwelt­ schädlichen Kältemittel, wie z. B. dem ozonabbauenden und in besonderem Maße treibhauswirksamen Kältemittel R502, auf ein umweltfreundliches Mittel, NH₃, durch den Einsatz des um­ weltfreundlichen Kälteträger CO₂ möglich.
• 3. Vorteilhaft ist ferner die höhere verfügbare Ver­ dampfungsenthalpie beim Kohlendioxid, die für die Anwendung im Supermarkt beispielsweise für eine Verdampfungstemperatur von -35°C als Enthalpiedifferenz zwischen Flüssigkeit und Dampf 316 kJ/kg für CO₂ gegenüber nur 169 kJ/kg für R502 be­ trägt.
• 4. Bezogen auf das spezifische Volumen der Flüssigkeit erge­ ben sich 346 kJ/dm³ für CO₂ und 245 kJ/dm³ für R502. Bezogen auf das spezifische Dampfvolumen ergeben sich 9,8 kJ/dm³ für CO₂ gegenüber nur 1,60 kJ/dm³ für R502. Damit wird deutlich, daß bei Umrüstungen nicht nur die bestehenden Rohrleitungen weiterverwendet werden können, sondern auch energetische Vorteile aufgrund der deutlich geringeren Strömungsgeschwin­ digkeit in der Dampfleitung zu erwarten sind.
• 5. Bei der im konventionellen Fall üblicherweise eingesetz­ ten direkten Verdampfung erfolgt die Drosselung in das Naßdampfgebiet. Die Verdampfungs-Enthalpie des R502 steht damit nicht vollständig am Verdampfer zur Verfügung. Die An­ lagen werden daher auf entsprechend größere Massen- und Vo­ lumenströme ausgelegt. Bei der erfindungsgemäß für das CO₂ vorgeschlagenen Anlagenschaltung entsprechend Fig. 1 kann die Verdampfungs-Enthalpie des CO₂ dagegen vorteilhaft voll­ ständig genutzt werden.
• 6. Ferner muß im konventionellen Fall bei der direkten Ver­ dampfung das Kältemittel im Verdampfer überhitzt werden, da­ mit eine stabile Regelung über das thermostatische Expansionsventil möglich ist. Dies bedingt jedoch, daß bis zu etwa 20% der Verdampferfläche nur für die Überhitzung benötigt werden, wobei der Wärmeübergang auf das dampf­ förmige Kältemittel deutlich schlechter als bei der eigent­ lichen Verdampfung ist. Eine Überhitzung des Kältemittels im Verdampfer ist bei dem vorgeschlagenen CO₂-Kreislauf vorteilhaft nicht erforderlich. Die Ausnutzung des Ver­ dampfers kann damit entsprechend höher sein.

Claims (11)

1. Kälteträger für Kältemaschinen oder Wärmepumpen, ent­ haltend oder bestehend aus CO₂.

2. Kälteträger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß er aus einem Gemisch von 10 - < 100 Vol% CO₂ und 90- < 0 Vol% eines weiteren Stoffes oder mehrerer wei­ terer Stoffe besteht.

3. Kälteträger nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der weitere Stoff Aceton, N,N-Dimethylformamid, Xylol, Diethylenglykoldimethylether, Propylacetat, Isobutylacetat, Methanol und/oder Methylacetat ist.

4. Kälteanlage oder Wärmepumpenanlage mit indirekter Ver­ dampfung, gekennzeichnet durch einen Kälteträger gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3.

5. Kälteanlage oder Wärmepumpenanlage nach Anspruch 4, da­ durch gekennzeichnet, daß für den Kälteträger ein Pha­ senwechsel vorgesehen ist.

6. Kälteanlage oder Wärmepumpenanlage nach Anspruch 4 und/oder 5, gekennzeichnet durch eine Sicherheitsein­ richtung, die die Einhaltung vorgegebener Druckgrenzen gewährleistet.

7. Kälteanlage oder Wärmepumpenanlage nach Anspruch 6, da­ durch gekennzeichnet, daß die Sicherheitseinrichtung ein druckgesteuertes Sicherheitsventil ist.

8. Kälteanlage oder Wärmepumpenanlage nach Anspruch 6, da­ durch gekennzeichnet, daß die Sicherheitseinrichtung ein Eisspeicher ist, der einen unzulässigen Temperatur- und damit Druckanstieg des Kälteträgers für einen ge­ wissen Zeitraum verhindert.

9. Kälteanlage oder Wärmepumpenanlage nach Anspruch 6, da­ durch gekennzeichnet, daß die Sicherheitseinrichtung ein Verdichter ist, der beim Druckanstieg des CO₂ die­ ses in einen druckfesteren Bereich fördert.

10. Kälteanlage oder Wärmepumpenanlage nach Anspruch 6, da­ durch gekennzeichnet, daß die Sicherheitseinrichtung aus einem druckgesteuerten Ventil und einem Sorptions­ system besteht.

11. Kälteanlage oder Wärmepumpenanlage nach einem der An­ sprüche 6-10, dadurch gekennzeichnet, daß die Sicher­ heitseinrichtung eine Kombination mehrerer einzelner Sicherheitseinrichtungen ist.