EP0543214B1 - Kühlvorrichtung und Kühlverfahren zur Kühlung eines Mediums innerhalb eines Gefässes - Google Patents

Description

• Die Erfindung betrifft ein Kühlverfahren und eine Kühlanordnung zur Kühlung eines Mediums innerhalb eines Gefäßes.
• Bekannt sind beispielsweise aus der DE-A-34 25 419 bzw. der US-A-4 250 720 Kühlverfahren nach dem Sorptionsprinzip, wobei aus einer wässrigen Lösung Wasser verdampft und dieser Wasserdampf in einer Sorptionsmittelfüllung adsorbiert wird. Die verdampfende Wassermenge kühlt sich dabei ab, während die Sorptionsmittelfüllung erwärmt wird. Dieses Verfahren läuft in geschlossenen Systemen ab. in welchem der Unterdruck. um die wäßrige Lösung bei entsprechend tiefen Temperaturen verdampfen zu lassen, bei der Herstellung des Systems aufgebaut wird und erhalten bleibt. Diese Kühlvorrichtungen sind deshalb relativ unflexibel in ihrem Anwendungsbereich. da das zu kühlende Medium immer fest mit der gesamten Kühlvorrichtung verbunden sein muß.
• Aus der DE 40 03 107 ist ein Eiserzeuger nach dem Sorptionsprinzip bekannt. Hier wird mittels eines vakuumfesten Sorptionsbehälters. der einen festen Sorptionsstoff enthält und an dem eine Vakuumpumpe angeschlossen ist, in einem Vereisungsgefäß eine wäßrige Flüssigkeit gefroren. Dieser Eiserzeuger dient somit zu 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 Fluorkohlenwasserstoffen gefüllt sind erfolgt heute beispielsweise über eine mit Aktivkohle gefüllten Patrone, welche das FCKW-Gas sorbiert. Gebräuchliche Verfahren arbeiten auch hier nach dem Kaltdampfverfahren. Die entsorgende Anlage wird dabei mit einem herkömmlichen Kältemittelverdichter abgesaugt. Das verdichtete und verflüßigte Kältemittel wird sodann in einen Transportbehälter gedrückt. Nachteile dieser System sind ein komplizierter Aufbau und ein zwangsläufig hohes Gewicht.
• Sowohl das Entsorgungsproblem bei FCKW-Kühlanlagen als auch die Bereitstellung von Kälte ohne Anlagen nach dem Kaltdampfprozeß sind bisher unbefriedigend gelöst.
• Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Darstellung einer Kühlmethode und einer Kühlvorrichtung, mit welcher kurzfristig und kurzzeitig große Kälteleistungen bei möglichst geringen Aufwand an Volumen und Gewicht für eine Reihe sehr unterschiedlicher Anwendungsfälle bereitgestellt werden können.
• Gelöst wird diese Aufgabe gemäß den kennzeichnenden Teilen der Ansprüchen 1 und 7.
• Das zur Kühlung vorgesehene Medium befindet sich in einem Gefäß über dessen Wände Wärme an die Kühlvorrichtung abgegeben wird. Unter Gefäßen sollen dabei alle Behältnisse verstanden werden, welche zur Aufnahme eines flüssigen, festen aber auch gasförmigen Mediums geeignet sind. Es kann sich dabei um Getränkedosen, Getränkeflaschen, Tröge, Töpfe, Flaschen aber auch Rohrleitungssysteme handel, in denen flüssige oder gasförmige Medien stehen aber auch strömen.
• Insbesondere sind damit auch Sammelbehälter gemeint. in denen FCKW-haltiges Kältemittel aus Anlagen oder Sammelbehältern umgefüllt wird, indem innerhalb des Gefäßes das Kältemittel durch Wärmeentzug kondensiert und verflüssigt wird. Die zur Verflüssigung notwendige Kälte wird dabei über die Gefäßwandungen an die Kühlvorrichtung übertragen und durch die damit einhergehende Erniedrigung des Dampfdruckes innerhalb des Gefäßes, kann Kältemittel aus der zu entsorgenden Anlage verdampfen und in die Kältemittelflasche kondensieren.
• Weiterhin sind unter »Gefäßen« auch z.B. Heizungsrohrnetze gemeint, in denen normalerweise warmes Heizungswasser 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 Heizungsrohrnetzes ausgetauscht werden können.
• In den Anwendungsbereich der Erfindung fallen aber auch Gefäße, welche speziell für die erfindungsgemäße Kälteerzeugung abgewandelt sind. So können beispielsweise Gefäße im inneren oder äußeren Bereich mit einer zusätzlichen Einbuchtung versehen werden, in welcher die wäßrige Lösung verdampfen kann. Möglich ist aber auch, die Form des Gefäßes so zu gestalten, daß es einfach und ohne zusätzlichen Vorrichtungsaufwand in die Verdampfereinheit geschoben werden kann und bei anliegendem Vakuum im System luftdicht mit der Verdampfereinheit abschließt. Vorteilhaft ist dies beispielsweise bei Kältemittelflaschen, welche während des Füllvorgangs über eine Fülleitung mit der zu entsorgenden Kälteanlage verbunden sind.
• In sich geschlossene Gefäße, wie beispielsweise Getränkedosen oder Getränkeflaschen können aber auch als Ganzes in der Verdampfereinheit angeschlossen sein. Hierbei ist darauf zu achten, daß die wäßrige Flüssigkeit einen guten Kontakt zur Gefäßwandung hat.
• Einen guten Wärmekontakt zwischen Gefäßwandung und wäßriger Lösung erreicht man erfindungsgemäß dadurch, daß das Gefäß innerhalb der Verdampfereinheit zumindest teilweise in die wäßrige Flüssigkeit eintaucht. Vorteilhaft ist aber auch, die Gefäßwand mit einem saugfähigem Material in Kontakt zu bringen, welches mit wäßriger Flüssigkeit benetzt ist. Als besonders geeignet erweisen sich dabei Materialien, die strumpfartig von außen über die Gefäßwand gezogen und anschließend mit Wasser getränkt werden.
• Vorteilhafterweise kann die Verdampfereinheit aber auch, zumindest teilweise, aus flexiblen Materialien hergestellt werden, welche sich insbesondere bei Unterdruck der Oberflächenstruktur der Gefäße anpassen. Auf diese Weise wird eine luftdichte Verdampfereinheit hergestellt, welche einerseits direkt aus Teilen der Gefäßwandungen, andererseits aus dem anschmiegsamen Material der Verdampfereinheit besteht. Besonders vorteilhaft scheint es dabei, den flexiblen Teil so mit saugfähigem Material zu koppeln daß - bedingt durch den Unterdruck - das saugfähige Material auf die Behälterwand gepreßt wird. Dabei ist darauf zu achten, daß für den abströmenden Wasserdampf ausreichend Strömungskanäle erhalten bleiben. Prinzipiell bekannt sind solche Systeme beispielsweise beim Transport von Glasscheiben mittels Unterdrucksaugnäpfen oder auch bei der Fixierung von Bohrmaschinen durch Vakuumsaugfüße bei Kernlochbohrungen.
• Bei der vorliegenden Erfindung wird der aus der Verdampfereinheit abströmende Wasserdampf in einer Sorptionsmittelfüllung adsorbiert. Als Sorptionsmittelfüllung eignen sich insbesondere Zeolithe, welche bis zu 36 Gew.% Wasser unter Wärmefreisetzung anlagern können. Zeolithe sind in vielen Bereichen der Sorptionstechnik im Einsatz und dank einer großtechnischen Synthese relativ preiswert verfügbar. Zeolithe haben ferner 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 aufrecht zu erhalten, ist es notwendig, die Sorptionsmittelfüllung innerhalb eines Sorptionsmittelbehälters unterzubringen.
• Die Verbindung zur Verdampfereinheit kann dabei beispielsweise aus einem flexiblen Schlauch bestehen, wie er gewöhnlich bei Haushaltsstaubsaugern benutzt wird. Wichtig ist allerdings, daß der Schlauchquerschnitt der gewünschten Verdampferleistung angepaßt ist.
• Der Sorptionsmittelbehälter kann weiterhin eine Heizvorrichtung, beispielsweise elektrische Heizleiter enthalten, um die Sorptionsmittelfüllung innerhalb des Behälters zu erwärmen und damit das adsorbierte Wasser wieder zu desorbieren. Vorteilhaft ist es aber auch den Sorptionsbehälter so zu gestalten, daß die Sorptionsmittelfüllung durch eine frische Füllung ersetzt werden kann. Für bestimmte Anwendungen erscheint es aber auch sinnvoll, die Sorptionsmittelfüllung in einen Behälter einzubringen, welcher nach Gebrauch verworfen wird.
• Sinnvoll erscheint es weiterhin den Sorptionsmittelbehälter 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 Sorptionsfüllung so einzubringen, daß der von der Verdampfereinheit einströmende Wasserdampf ohne große Druckverluste alle Teile des Sorptionsmittels erreichen kann.
• Bei der Sorption von Wasserdampf wird im Sorptionsmittel Wärme frei, die zur Erhitzung 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 Sorptionswärme in geeigneter Weise an die Umgebung oder an wärmeaufnehmende Medien abgeführt wird oder daß die Sorptionsmittelfüllung derart groß gewählt wird, daß die gewünschte Kältemenge ohne wesentliche Abgabe von Sorptionswärme an die Umgebung erzeugt werden kann.
• Sofern die erfindungsgemäße Kühlvorrichtung nicht als geschlossenes, einheitliches System vorgefertigt wird, bei welchem gleich bei der Herstellung der entsprechend notwendige Unterdruck erzeugt wird, ist es notwendig, die Sorptionsmittelfüllung mittels einer geeigneten Vakuumpumpe zur Erzielung des Kälteeffektes zu evakuieren. Zu diesem Zweck ist an dem Sorptionsmittelbehälter eine Vakuumpumpe angeschlossen, welche Luft und andere nicht-kondensierbare Gase aus der Verdampfereinheit und dem Sorptionsmittelbehälter absaugt. Die Absaugung hat dabei erfindungsgemäß so zu erfolgen, daß die Gase aus allen Bereichen des Sorptionsmittelbehälters entfernt werden können und dem zutretenden Wasserdampf nicht entgegen wirken. Die Absaugleitung zur Vakuumpumpe kann im Gegensatz zur Wasserdampfleitung zwischen Verdampfereinheit und Sorptionsmittelbehälter mit relativ kleinem Durchmesser ausgeführt werden.
• Als Vakuumpumpe eignen sich alle handelsüblichen Produkte, deren Enddruck etwas niedriger liegt als der Verdampfungsdruck der wäßrigen Flüssigkeit bei der gewünschten Verdampfertemperatur. Reines Wasser hat beispielsweise bei 0 °C einen Wasserdampfenddruck von 6,1 mbar. Um bei dieser Temperatur reines Wasser zu verdampfen, benötigt die Vakuumpumpe deshalb 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 Wasserdampfsublimation die Eistemperatur unter 0 °C absinken.
• 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 Salzlösungen. Zu beachten ist, daß bei Zugabe von Frostschutzmitteln der Wasserdampf-Partialdruck unter den Wasserdampfdruck von reinem Wasser absinkt.
• Besonders geeignet sind ölfreie Vakuumpumpen, die ohne Abgabe von Ölnebeln auch völlig lageunabhängig einzubauen sind. Insbesondere beim Absaugen von Kältemitteldämpfen kann die bei jedem Kältemittelanlagenbauer vorhandene Vakuumpumpe benutzt werden. Auf diese Weise steht dem Kältefachmann ein einfach aufgebautes und kostengünstiges System zur Verfügung. Neben der ohnehin vorhandenen Kältemittelflasche und der Vakuumpumpe sind lediglich eine Sorptionsmittelpatrone sowie ein entsprechender, flexibler Adapter für die Kältemittelflaschenwandungen notwendig.
• Besonders vorteilhaft erscheint es auch, wenn alle Bauteile voneinander trennbar aufgebaut sind. So lassen sich Verdampfereinheit, Sorptionsmittelbehälter und Vakuumpumpe in beliebiger Weise kombinieren. Mit mehreren kleinen Sorptionsmittelbehältern können somit auch große Kältemittelanlagen von FCKW entsorgt werden. Durch einen einfachen Wechsel der Verdampfereinheit kann jede beliebige Kältemittelflasche an die Sorptionsmittelbehälter angekoppelt 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 Ausführungen der Erfindungen dargestellt. Es zeigen:
• Fig. 1 eine Kühlvorrichtung mit einem Gefäß. in welchem die Verdampfereinheit integriert ist, und
• Fig. 2 eine Kühlvorrichtung mit einer flexiblen Verdampfereinheit.
• Fig. 1 zeigt eine Kältemittelflasche 1 mit einem Füllventil 2, welche mit einem Hohlraum 3 ausgestattet ist, der ein saugfähiges Material 4 enthält. Die Kältemittelflasche 1 ist mittels eines Dichtringes 5 mit dem Sorptionsmittelbehälter 6 verbunden. Ein Sorptionsmittel 7 kann über eine Saugleitung 8 mittels einer Vakuumpumpe 9 evakuiert werden. Der Sorptionsmittelbehälter 6 enthält im oberen Bereich eine Öffnung 10, welche vor Gebrauch mit einer Folie abgedeckt ist, um die Aufnahme von Wasserdampf aus der Luft durch Sorptionsmittel 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 Sorptionsmittelbehälter 6 mit einer flexiblen Verdampfereinheit 13 verbunden. Die flexible Verdampfereinheit 13 enthält 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 saugfähige Material 14 dabei auf die Behälterwandung gedrückt.

Claims (8)

1. Kühlvorrichtung zur Kühlung eines Mediums in einem Gefäß, mit einer Verdampfereinheit, in der sich eine wässrige Flüssigkeit befindet, einem mit der Verdampferreinheit verbindbaren Sorptionsmittelbehälter mit einer Sorptionsmittelfüllung zur Sorption von Wasserdampf aus der Verdampfereinheit und einer Vakuumpumpe zur Erzeugung eines Unterdrucks in der Verdampfereinheit und dem Sorptionsmittelbehälter,
   dadurch gekennzeichnet, daß die Verdampfereinheit zumindest teilweise aus einem flexiblen Material gebildet ist, das sich bei Unterdruck an die Oberfläche des Gefäßes anlegen kann und damit einen dicht abgeschlossenen Verdampferraum für die wässrige Flüssigkeit bildet.
2. Kühlvorrichtung nach Anspruch 1.
   dadurch gekennzeichnet, daß die Vakuumpumpe so an den Sorptionsmittelbehälter angeschlossen ist, daß sie Luft und andere das Vakuum störende Gase so aus der Sorptionsmittelfüllung absaugt, daß die Wasserdampfströmung ungehindert in alle Bereiche der Sorptionsmittelfüllung einströmen kann.
3. Kühlvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche.
   dadurch gekennzeichnet, daß die wässrige Flüssigkeit in einem saugfähigen Material enthalten ist, das großflächig an die Gefäßwand angebracht werden kann.
4. Kühlvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2,
   dadurch gekennzeichnet, daß die Verdampfereinheit ein saugfähiges Material enthält, welches durch das flexible Material der Verdampfereinheit an die Gefäßwand gedrückt wird.
5. Kühlvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche,
   dadurch gekennzeichnet, daß die Sorptionsmittelfüllung von den restlichen Teilen der Kühlvorrichtung abtrennbar ist.
6. Kühlvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche,
   dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei dem zu kühlenden Gefäß um eine Kältemittelflasche handelt, in welche Kältemittel einfüllbar ist.
7. Verfahren zur Kühlung eines Mediums in einem Gefäß, bei dem das Gefäß gut wärmeleitend mit einer wässrigen Flüssigkeit in Kontakt gebracht wird und die Flüssigkeit bei Unterdruck verdampft und in einer Sorptionsmittelfüllung sorbiert wird, wobei zur Erzeugung bzw. Aufrechterhaltung des Unterdrucks eine Vakuumpumpe verwendet wird,
   dadurch gekennzeichnet, daß ein Bereich der Gefäßwand mit einem saugfähigen Material in direkten Kontakt gebracht wird, welches mit der wässrigen Flüssigkeit benetzt ist, und der Bereich luftdicht mit der Sorptionsmittelfüllung verbunden wird, wobei die Flüssigkeit im saugfähigen Material verdampft und dadurch das Medium im Gefäß kühlt.
8. Kühlverfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das saugfähige Material in das Gefäß selbst integriert ist.

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