EP3094930A1 - Solar-kälteeinheit - Google Patents
Solar-kälteeinheitInfo
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- EP3094930A1 EP3094930A1 EP14798698.8A EP14798698A EP3094930A1 EP 3094930 A1 EP3094930 A1 EP 3094930A1 EP 14798698 A EP14798698 A EP 14798698A EP 3094930 A1 EP3094930 A1 EP 3094930A1
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- EP
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- solar
- container
- steam jet
- cooling unit
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- Withdrawn
Links
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Classifications
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-
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-
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- F25D11/00—Self-contained movable devices, e.g. domestic refrigerators
- F25D11/003—Transport containers
Definitions
- the invention relates to a solar refrigeration unit according to the preamble of patent claim 1.
- DE 10 2010 000 137 A1 discloses a solar refrigeration unit which comprises a solar collector system which has a solar thermal device for generating electric current photovoltaic cells and for simultaneously generating heat. Furthermore, an adsorption or absorption chiller is provided, which is in fluidic contact with the solar thermal device via a fluid line system.
- An electrical control unit is used for the electrical and / or fluidic control of components of the solar refrigeration unit requiring regulation, wherein the electrical energy for operating the control unit and the refrigeration machine is provided by the photovoltaic cells.
- the power supply of the solar cooling unit is self-sufficient from an external power supply.
- Sorption chillers use pairs of working substances consisting of a refrigerant and a sorbent. Under unfavorable conditions, some pairs of working fluids may crystallize, requiring repair of the machine. Sorption chillers have a little robust, error-prone process control.
- a steam jet refrigerator Compared to electric compression refrigeration machines, a steam jet refrigerator has the advantage that a thermal drive source can be used.
- this thermal drive source is a solar thermal collector array.
- the steam jet refrigerating machine can thereby provide cooling power regardless of the power supply through an electric grid or a generator operated by a motor. This allows the
- CONFIRMATION COPY Saving fossil fuels and reducing pollutant emissions.
- the independence from an electrical power supply enables a self-sufficient operation of the chiller, for example, in remote and economically weak areas.
- steam jet chillers Compared to electric compression chillers, steam jet chillers have the advantage that they do not require any special refrigerants, which exert an environmental and climate damaging effect on leaving the machine.
- the refrigerants used in other chillers are expensive and little available, especially in developing countries.
- steam jet chillers can use various environmentally friendly, climate-friendly, non-toxic, cheap and easily available refrigerants (for example, water, butane, propane). Maintenance and operation of the plant are thus simplified and financially reduced, making the plant particularly suitable for developing countries.
- sorption refrigeration machines have the same advantage as steam jet chillers that they can use thermal power sources; However, the construction of the sorption chillers is more complex and error-prone than the construction of a steam jet chiller.
- sorption chillers usually operate at a very low system pressure, which makes a vacuum-tight hydraulic system necessary.
- the solar refrigeration unit is connected to a transportable arrangement, in particular to a transport container.
- a transportable arrangement in particular to a transport container.
- all components of the solar refrigeration unit can be accommodated in the transport container and, if necessary, removed again for use for cooling, the transport container.
- the solar cooling unit is disposed at least partially transportable within the arrangement and removably arranged for commissioning from the arrangement.
- the arrangement is designed as a whole as a thermally insulated container or at least comprises a thermally insulated container.
- the arrangement according to the invention can advantageously be designed so that it comprises a first, designed as a refrigerated container, thermally insulated container and a second, designed as a holding container, also thermally insulated container that at a low temperature to be held components in the first container and that to be kept at a high temperature components are arranged in the second container.
- the particular benefit of the solar refrigeration unit according to the invention is to provide a self-sufficient cooling source even in remote and economically less developed areas of the earth to store foods, medicines or other goods in need of refrigeration cooled over a long period at a low temperature to the Spoilage or deterioration of the goods.
- the prerequisite for this is that the device is robust, low-maintenance, environmentally friendly, transportable and affordable for the local population.
- the solar refrigeration unit presented here creates such a solution.
- a solar cooling unit requires in particular even less technically country did not receive any technical support from an industrialized country. Therefore, the solar cooling unit is particularly suitable for use in developing countries.
- FIGURE shows the system diagram of a powered by a steam jet cooling machine solar cooling unit in conjunction with a refrigerated container.
- a solar refrigeration unit (FIG. 1) for cooling a refrigerated container A is accommodated during transport together with all other units listed below or at least the majority of the units listed below in a container 1 suitable for transport.
- the container 1 is either thermally insulated as a whole, so that it serves or can serve as a whole as a cooling container, or it comprises at least one designed as a cooling container, in turn thermally insulated cooling container A.
- the solar refrigeration unit comprises a steam jet refrigeration machine B, the thermal energy of which is provided by a solar thermal collector field C.
- the collector field C is connected via a hydraulic circuit C1 in the form of a pipeline system with a steam generator 25 of the Da mpfstrahlkal Itemasch ine B.
- the fluid in the drive circuit C1 is conveyed by a pump 2.
- the pump 2 is controlled by a regulator G as a function of the steam generator pressure measured by a pressure sensor 20 and the collector flow temperature measured by a temperature sensor 3.
- the fluid in the drive circuit absorbs thermal energy in the collector field C and, in the steam generator 25 of the steam jet engine B, releases thermal energy to the working medium of the steam jet cooling machine B, so that the working fluid evaporates.
- the now gaseous working fluid is passed through a Laval nozzle in a jet compressor 4 of the steam jet cooling machine B and thereby accelerated to supersonic. This leads to a decrease in pressure of the working fluid. By the low pressure can further working fluid in an evaporator 5 of the steam jet refrigerator B evaporated and sucked.
- the thermal energy required for the evaporation in the evaporator 5 is withdrawn from the fluid of a refrigeration circuit K connected to the evaporator 5.
- the refrigeration cycle K is a hydraulic circuit which connects the evaporator 5 of the steam jet refrigerating machine B with a refrigerating distribution system 6 arranged in the refrigerated container A in the form of a piping system.
- the refrigeration distribution system 6 comprises at least one convector.
- an energy storage 7 ' For storing thermal energy in this circuit K, an energy storage 7 'with a storage container 7' interposed. If the steam jet cooling machine B provides a higher cooling capacity than is required to cover the refrigeration load in the refrigerated container A, a portion of the fluid flow which flows through the evaporator 5 of the steam jet refrigerating machine B is conducted through the energy store 7 via a 3-way mixing valve 8. The energy storage 7 outputs thermal energy to the fluid.
- the steam jet cooling machine B can not cover the required cooling capacity, then part of the fluid flow which flows through the refrigeration distribution system 6 is conducted through the energy storage 7 via the three-way mixing valve 8. In this case, the fluid releases thermal energy to the energy store 7.
- the fluid in the cooling circuit K is conveyed by two pumps 9, 10.
- the position of the 3-way mixing valve 8 and the speed of the pumps 9, 10 are measured by the controller G as a function of the measured by a pressure sensor 11 evaporator pressure, the measured temperature of a temperature sensor 12 and the temperature measured by a temperature sensor 13 internal temperature of the refrigerated container A regulated.
- the working medium flows coming from the steam generator 25 and from the evaporator 5 mix, and are slowed down by compaction shocks and a diffuser and compressed at the same time.
- the mixed working fluid passes into a condenser 14.
- the recooling circuit R is a hydraulic circuit which connects the condenser 14 of the steam jet refrigerating machine B with a recooling system 15 in the form of a piping system.
- the recooling system 15 is formed, for example, by a wet cooler, a dry cooler or a hybrid cooler.
- an energy store 16 For storing thermal energy, an energy store 16 is interposed in this circuit. If the recooling system 15 provides a higher cooling capacity than is required by the steam jet cooling machine B, a portion of the fluid flow flowing through the recooling system 15 is conducted via a 3-way mixing valve 17 through an energy accumulator 16 to a storage tank 16 '. The energy storage 16 outputs thermal energy to the fluid.
- the energy storage 7, 16 for example, as a water storage or as a phase change memory, so for example as ice storage, water storage, Salzhydrat 1918 or as paraffin storage executed.
- the energy store 7 is preferably mounted outside of the refrigerated container A, may also be located within the refrigerated container A.
- the recooling system 15 can not provide the required cooling capacity, then part of the fluid flow which flows through the condenser 14 of the steam jet cooling machine B is conducted through the energy accumulator 16 via a 3-way mixing valve 17.
- the fluid is thereby thermal energy to the energy storage 16.
- the fluid in the refrigerant circuit is conveyed by two pumps 18, 19.
- the position of the 3-way mixing valve 17 and the speed of the pumps 18, 19 are determined by the controller G as a function of the measured from the pressure sensor 11 evaporator pressure, the measured steam pressure from a pressure sensor 20, the measured from a temperature sensor 21 storage temperature and the regulated by a temperature sensor 22 measured outside temperature.
- the working fluid in the steam jet refrigerator B is conveyed by a pump 23.
- a regulated by the regulator G throttle valve 24 By a regulated by the regulator G throttle valve 24, the evaporator pressure and thus the fluid temperature at the outlet of the steam jet refrigeration machine B are regulated in the refrigerant circuit.
- the pumps used in the system 2, 9, 10, 18, 19, 23, the valves 8, 17, 24, the pressure sensors 11, 20, the temperature sensors 3, 12, 13, 21, 22 and the other electrical equipment are from Controller G is supplied for the operation with auxiliary energy in the form of electrical energy.
- the regulator G in turn, the required electrical energy of photovoltaic modules H and one, electrical energy storage I is provided.
- a control unit G and a system H to provide electrical power and with an energy storage I.
- Equally, however, can be configured as a whole thermally insulated as an alternative to the thermally insulated container A of the container.
- the steam jet refrigerator B is either integrated in the container 1 or provided as an external unit.
- the steam jet refrigeration machine B can also be arranged so that only the low-temperature parts such as the refrigeration cycle K or parts of the refrigeration cycle K are arranged in the container A, while the solar thermal drive system C must be exposed to the sun in each case, so that if the transport arrangement has no, for example translucent, solar heat transmitting cover, the drive system C during operation on the top cover of the assembly or elsewhere, for example, next to the arrangement, the sun must be suspended.
- the integrated energy storage 7 and 16 for storing cold or heat are also preferably each arranged in individual insulated containers or adjacent to such thermally insulated containers, wherein the insulated containers are placed during operation either within the suitable arrangement for transport or outside the arrangement. During transport, all containers are preferably stored within the assembly.
- the integrated energy storage 7 and 16 for storing cold or heat are arranged outside of the refrigerated container A; they can also be accommodated outside the transport container 1 or in other transport containers. During transport, all system components are stored within the transport container 1 or distributed on a plurality of transport containers that make up the overall system. The energy storage 7 can also be arranged within the refrigerated container A.
- the solar refrigeration unit comprises a steam jet refrigerating machine B which is preferably permanently installed in the transport container 1.
- Convectors 6 distribute the cold in the container A.
- the collector field C solar thermal collectors, hydraulic lines and elevation
- the photovoltaic system photovoltaic modules H, electrical wiring and elevation
- a recooling system for example, with a dry cooler, with corresponding hydraulic lines housed inside the transport container.
- the cold-side thermal storage ie the refrigerated container A
- the cold-side thermal storage can also be designed so that it is not hydraulically integrated into the refrigeration circuit.
- wall and / or ceiling elements (panels) are used, the Contain phase change material and are introduced as a cold storage in the refrigerated container A, to cool it to the desired temperature.
- the same container or other containers contain the thermal storage 7.
- One or more Thermally insulated containers each contain a refrigeration distribution system and optionally a cold-side thermal storage B.
- the containers are interconnected by hydraulic and electrical lines.
- the components are designed so that the overall system has a modular design.
- a larger steam jet refrigerator B can be used, for the increase of the thermal storage capacity larger storage or a larger number of storage facilities can be used.
- the container may be designed to have different spaces separated by heat-insulated walls.
- the system components can be arranged according to their operating temperatures in these different areas. Heat storage and high temperature fluid lines are then outside the refrigerated space, cold storage, and low temperature fluid lines within the refrigerated space.
- the arrangement comprises at least one water storage, a latent heat storage and / or a thermochemical heat storage.
- a Kälteverteilsystem be integrated.
- a surface cooling system for example on a wall and / or on the floor and / or on the ceiling, may be provided.
- Convectors can also be arranged.
- a recooling system R is provided for dissipating heat to the ambient air.
- the solar refrigeration unit can be designed as a dry cooler, as a wet cooling tower or as a hybrid cooler. It can provide systems for heat dissipation to the ground, the groundwater or to flowing and dormant waters.
- systems for using the waste heat of the steam jet cooling machine are used. These are also regulated by the control unit G.
- a system H with photovoltaic cells for providing electrical auxiliary energy is provided, which can be temporarily stored in an electrical energy store I.
- a grid connection can also be provided, via which the photovoltaic system H dissipates excess electrical energy.
- the operation of the solar refrigeration unit is that the entire system allows the cooling of the container contents regardless of the presence of an electric drive source in the form of a connection to an electrical power grid or a motor-driven generator.
- the cooling capacity is generated by a steam jet chiller.
- the steam jet chiller is housed as part of the refrigerated container unit in the container or can be coupled as an external unit to the container.
- the steam jet chiller requires thermal power to provide cooling power.
- the thermal drive energy is provided by a solar thermal collector field, which is mounted directly on the container. Heat from geothermal energy or waste heat from, for example, industrial processes can also be used as drive energy as long as the temperature level for the operation of the steam jet cooling machine is sufficient (equal to or greater than approximately 80 ° C.).
- the drive system C is connected via a hydraulic circuit to the steam jet chiller. The efficiency of Steam jet chiller process increases with the inlet temperature of the cold distribution cycle of the steam jet chiller.
- a cooling system dissipates thermal energy from the container interior via a refrigeration distribution system.
- the Kälteverteilsystem is connected via a hydraulic circuit to the steam jet chiller or integrated directly into the steam jet chiller. It consists of convectors and / or a surface cooling system (floor and / or wall and / or ceiling cooling system).
- the Kälteverteilsystem ensures a sufficiently low inlet temperature of the refrigeration cycle of the steam jet chiller (equal to or greater about 5 ° C).
- the efficiency of the steam jet chiller process increases with the exit temperature of the chiller's refrigeration distribution loop.
- the thermal energy which is supplied to the steam jet cooling machine from the thermal drive system and the cooling distribution system has to be removed from the steam jet cooling machine via a further hydraulic circuit.
- the dissipation of the thermal energy to the environment and / or the further use of the thermal energy takes place in a downstream process.
- the heat is dissipated to the ambient air actively via a dry cooler, a wet cooling tower, a hybrid recooler or a passive recooling system in the form of a large-area air-water heat exchanger.
- Other ways of dissipating the thermal energy from the steam jet chiller to the environment provide water, groundwater or soil.
- Utilization of the waste heat of the steam jet cooling machine in a downstream process can be, for example, a drying or preheating process.
- the recooling system ensures a sufficiently low inlet temperature of the recooling circuit R of the steam jet chiller (equal or less than 80 ° C).
- the efficiency of the steam jet chiller process decreases with increasing inlet temperature of the recooling circuit R of the steam jet chiller.
- thermal energy storage 7, 16 Times with insufficient thermal drive power (eg at night), too low recooling power or too low cooling capacity are bridged by the use of thermal energy storage 7, 16.
- thermal energy storage 7, 16 In addition to thermal drive energy, the entire system requires electrical auxiliary energy in the form of a photovoltaic system only for the operation of pumps, the control H and rotors of the convectors of Kälteverteilsystems or similar units.
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Abstract
Solar-Kälteeinheit mit einem Solarkollektorsystem, umfassend: wenigstens ein Solarkollektorsystem, welches zur Erzeugung von Wärme wenigstens eine Solarthermievorrichtung (C) und zur Erzeugung von elektrischem Strom wenigstens eine Photovoltaikzelle aufweist, wenigstens eine Kältemaschine, welche über ein Fluidleitungssystem mit der wenigstens einen Solarthermievorrichtung in fluidtechnischem Kontakt steht, und eine elektrische Steuereinheit zur elektrischen und/oder fluidtechnischen Regelung von Komponenten der Solar-Kälteeinheit, die Kältemaschine ist eine Dampfstrahlkältemaschine (B) mit einem Strahlverdichter (4) und einem Verdampfer (5).
Description
Solar-Kälteeinheit
Die Erfindung bezieht sich auf eine Solar-Kälteeinheit nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
In DE 10 2010 000 137 A1 wird eine Solar-Kälteeinheit offenbart, die ein Solarkollektorsystem umfasst, das zur Erzeugung von elektrischem Strom Photovoltaikzellen und zur gleichzeitigen Erzeugung von Wärme eine Solarthermievorrichtung aufweist. Ferner ist eine Adsorptions- oder Absorptionskältemaschine vorgesehen, die über ein Fluidleitungssystem mit der Solarthermievorrichtung in fluidtechnischem Kontakt steht. Eine elektrische Steuereinheit dient zur elektrischen und/oder fluidtechnischen Regelung regelungsbedürftiger Komponenten der Solar-Kälteeinheit, wobei die elektrische Energie zum Betrieb der Steuereinheit und der Kältemaschine durch die Photovoltaikzellen bereitgestellt wird. Die Stromversorgung der Solar-Kälteeinheit ist autark von einer externen Stromversorgung.
In Sorptionskältemaschinen kommen Arbeitsstoffpaare, bestehend aus einem Kältemittel und einem Sorptionsmittel, zum Einsatz. Unter ungünstigen Bedingungen kann es bei einigen Arbeitsstoffpaaren zur Kristallisation kommen, was eine Instandsetzung der Maschine erforderlich macht. Sorptionskältemaschinen weisen eine wenig robuste, fehleranfällige Prozessführung auf.
Es ist die Aufgabe der Erfindung, eine Solar-Kälteeinheit zu schaffen, in der auf einfache Weise ein Prozess zur Kälteerzeugung unterhalten werden kanns
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst, wie in Patentanspruch 1 angegeben.
Gegenüber elektrischen Kompressionskältemaschinen besitzt eine Dampfstrahlkältemaschine den Vorteil, dass eine thermische Antriebsquelle verwendet werden kann. In der vorliegenden Vorrichtung ist diese thermische Antriebsquelle ein solarthermisches Kollektorfeld. Die Dampfstrahlkältemaschine kann dadurch unabhängig von der Stromversorgung durch ein elektrisches Netz oder einen von einem Motor betriebenen Generator Kühlleistung bereitstellen. Dies ermöglicht die
BESTÄTIGUNGSKOPIE
Einsparung von fossilen Energieträgern und die Reduktion von Schadstoffemissionen. Die Unabhängigkeit von einer elektrischen Stromversorgung ermöglicht einen autarken Betrieb der Kältemaschine z.B. in entlegenen und wirtschaftlich schwach entwickelten Gebieten.
Im Vergleich zu elektrischen Kompressionskältemaschinen haben Dampfstrahlkältemaschinen den Vorteil, dass sie keine besonderen Kältemittel benötigen, die beim Austritt aus der Maschine eine umweit- und klimaschädliche Wirkung entfalten. Die in anderen Kältemaschinen verwendeten Kältemittel sind teuer und besonders in Entwicklungsländern wenig verfügbar. Hingegen können in Dampfstrahlkältemaschinen verschiedene umweltfreundliche, klimafreundliche, ungiftige, günstige und leicht verfügbare Kältemittel (beispielsweise Wasser, Butan, Propan) verwendet werden. Wartung und Betrieb der Anlage werden somit vereinfacht und finanziell vergünstigt, wodurch die Anlage auch für Entwicklungsländer besonders geeignet ist.
Zwar besitzen Sorptionskältemaschinen genauso wie Dampfstrahlkältemaschinen den Vorteil, dass sie thermische Antriebsquellen verwenden können; die Konstruktion der Sorptionskältemaschinen ist jedoch aufwändiger und fehleranfälliger als die Konstruktion einer Dampfstrahlkältemaschine. Eine Sorptionskältemaschine zur Kühlung eines 20-Fuß-Containers (20 Fuß = 6,10 m) wäre erheblich größer und schwerer als eine entsprechende Dampfstrahlkältemaschine als Teil eines soiarthermischen Kühlcontainers gemäß der vorliegenden Erfindung mit der gleichen Kälteleistung. Zudem arbeiten Sorptionskältemaschinen meist auf einem sehr niedrigen Systemdruck, was eine vakuumdichte Hydraulik nötig macht.
Der Einsatz einer Dampfstrahlkältemaschine zur Kühlung eines Containers ermöglicht die autarke Bereitstellung von Kühlleistung. Der Betrieb und die Wartung eines solchen Containers sind aufgrund der zuverlässigen, robusten Konstruktion und Prozessführung einfach und kostengünstig. Da es sich bei der Solar-Kälteeinheit gemäß der Erfindung um ein geschlossenes System handelt, werden keine besondere Ausrüstung oder besondere Materialien oder Fluide für die Wartung benötigt. Dies qualifiziert die vorgestellte Erfindung besonders für den Einsatz in Entwicklungsländern oder Gebieten mit fehlender Infrastruktur.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen.
Von Vorteil ist es insbesondere, wenn die Solar-Kälteeinheit mit einer transportablen Anordnung, insbesondere mit einem Transportcontainer, verbunden ist. Während des Transports lassen sich alle Bestandteile der Solar-Kälteeinheit in dem Transportcontainer unterbringen und für den Einsatz zur Kälteerzeugung, soweit erforderlich, wieder dem Transportcontainer entnehmen.
Daher ist es insbesondere vorteilhaft, wenn die Solar-Kälteeinheit wenigstens teilweise innerhalb der Anordnung transportierbar angeordnet und zur Inbetriebnahme aus der Anordnung entnehmbar angeordnet ist.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung ist vorgesehen, dass die Anordnung als ganze als wärmegedämmter Container ausgestaltet ist oder wenigstens einen wärmegedämmten Container umfasst.
In einem solchen Fall lässt sich die Anordnung gemäß der Erfindung mit Vorteil so ausgestalten, dass sie einen ersten, als Kühlcontainer ausgebildeten, thermisch isolierten Container und einen zweiten, als Warmhaltecontainer ausgebildeten, ebenfalls thermisch isolierten Container umfasst, dass auf einer niedrigen Temperatur zu haltende Bauteile in dem ersten Container und dass auf einer hohen Temperatur zu haltende Bauteile in dem zweiten Container angeordnet sind.
Der besondere Nutzen der erfindungsgemäßen Solar-Kälteeinheit besteht darin, auch in entlegenen und wirtschaftlich wenig entwickelten Gebieten der Erde eine autarke Kühlquelle bereit zu stellen, um Lebensmittel, Medikamente oder sonstige kühlbedürftige Waren über einen längeren Zeitraum gekühlt auf einer niedrigen Temperatur zu lagern, um den Verderb oder Verfall der Waren zu verhindern. Voraussetzung hierfür ist, dass die Vorrichtung robust, wartungsarm, umweltverträglich, transportabel und für die Bevölkerung vor Ort bezahlbar ist. Die hier vorgestellte Solar-Kälteeinheit schafft eine solche Lösung. Eine Solar- Kälteeinheit erfordert insbesondere auch in einem noch weniger technisch
entwickelten Land keine technischen Unterstützungsleistungen aus einer Industrienation. Daher ist die Solar-Kälteeinheit besonders für den Einsatz in Entwicklungsländern geeignet.
Nachstehend wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. Die einzige Figur zeigt das Anlagenschema einer durch eine Dampfstrahlkältemaschine angetriebenen Solar-Kälteeinheit in Verbindung mit einem Kühlcontainer.
Eine Solar-Kälteeinheit (Figur) zur Kühlung eines Kühlcontainers A ist während des Transports zusammen mit allen anderen, nachstehend aufgeführten Aggregaten oder wenigstens der Mehrzahl der nachstehend aufgeführten Aggregate in einem für den Transport geeigneten Container 1 untergebracht. Der Container 1 ist entweder als ganzer wärmegedämmt, so dass er als ganzer als Kühlbehälter dient oder dienen kann, oder er umfasst wenigstens einen als Kühlbehälter ausgebildeten, seinerseits wärmegedämmten Kühlbehälter A.
Im einsatzfähigen Zustand umfasst die Solar-Kälteeinheit eine Dampfstrahlkältemaschine B, deren thermische Antriebsenergie von einem solarthermischen Kollektorfeld C bereitgestellt wird. Das Kollektorfeld C ist über einen hydraulischen Kreislauf C1 in Form eines Rohrleitungssystems mit einem Dampferzeuger 25 der Da mpfstrahlkä Itemasch ine B verbunden. Das Fluid im Antriebskreislauf C1 wird von einer Pumpe 2 gefördert. Die Pumpe 2 wird von einem Regler G in Abhängigkeit von dem von einem Drucksensor 20 gemessenen Dampferzeugerdruck und der von einem Temperatursensor 3 gemessenen Kollektorvorlauftemperatur geregelt.
Das Fluid im Antriebskreislauf nimmt im Kollektorfeld C thermische Energie auf und gibt im Dampferzeuger 25 der Dampfstrahlmaschine B thermische Energie an das Arbeitsmittel der Dampfstrahlkältemaschine B ab, so dass das Arbeitsmittel verdampft. Das nun gasförmige Arbeitsmittel wird in einem Strahlverdichter 4 der Dampfstrahlkältemaschine B durch eine Lavaldüse geleitet und dabei auf Überschall beschleunigt. Dies führt zu einer Druckabnahme des Arbeitsmittels. Durch den
geringen Druck kann weiteres Arbeitsmittel in einem Verdampfer 5 der Dampfstrahlkältemaschine B verdampft und angesaugt werden.
Die für die Verdampfung im Verdampfer 5 benötigte thermische Energie wird dem Fluid eines mit dem Verdampfer 5 verbundenen Kältekreislaufs K entzogen. Der Kältekreislauf K ist ein hydraulischer Kreislauf, der den Verdampfer 5 der Dampfstrahlkältemaschine B mit einem in dem Kühlcontainer A angeordneten Kälteverteilsystem 6 in Form eines Rohrleitungssystems verbindet. Das Kälteverteilsystem 6 umfasst wenigstens einen Konvektor.
Zur Speicherung thermischer Energie ist in diesem Kreislauf K ein Energiespeicher 7 ' mit einem Speicherbehälter 7' zwischengeschaltet. Erbringt die Dampfstrahlkältemaschine B eine höhere Kälteleistung, als zur Deckung der Kältelast im Kühlcontainer A benötigt wird, so wird ein Teil des Fluidstroms, der durch den Verdampfer 5 der Dampfstrahlkältemaschine B strömt, über ein 3-Wege- Mischventil 8 durch den Energiespeicher 7 geleitet. Der Energiespeicher 7 gibt dabei thermische Energie an das Fluid ab.
Kann die Dampfstrahlkältemaschine B die geforderte Kälteleistung nicht decken, so wird ein Teil des Fluidstroms, der durch das Kälteverteilsystem 6 strömt, über das 3- Wege-Mischventil 8 durch den Energiespeicher 7 geleitet. In diesem Fall gibt das Fluid thermische Energie an den Energiespeicher 7 ab. Das Fluid im Kältekreis K wird von zwei Pumpen 9, 10 gefördert. Die Stellung des 3-Wege-Mischventils 8 und die Drehzahl der Pumpen 9, 10 werden von dem Regler G in Abhängigkeit von dem von einem Drucksensor 11 gemessenen Verdampferdruck, der von einem Temperatursensor 12 gemessenen Speichertemperatur und der von einem Temperatursensor 13 gemessenen Innentemperatur des Kühlcontainers A geregelt.
Im Strahlverdichter 4 der Dampfstrahlkältemaschine B mischen sich die Arbeitsmittelströme, die vom Dampferzeuger 25 und vom Verdampfer 5 kommen, und werden über Verdichtungsstöße und einen Diffusor verlangsamt und gleichzeitig verdichtet. Das gemischte Arbeitsmittel gelangt in einen Kondensator 14. Unter Abgabe thermischer Energie an das Fluid eines mit dem Kondensator 14 der Dampfstrahlkältemaschine B verbundenen Rückkühlkreislaufs R kondensiert das
gasförmige Arbeitsmittel im Kondensator 14. Der Rückkühlkreislauf R ist ein hydraulischer Kreislauf, der den Kondensator 14 der Dampfstrahlkältemaschine B mit einem Rückkühlsystem 15 in Form eines Rohrleitungssystems verbindet. Das Rückkühlsystem 15 wird beispielsweise von einem Nasskühler, einem Trockenkühler oder einem Hybridkühler gebildet.
Zur Speicherung thermischer Energie ist in diesem Kreislauf ein Energiespeicher 16 zwischengeschaltet. Erbringt das Rückkühlsystem 15 eine höhere Kühlleistung, als von der Dampfstrahlkältemaschine B benötigt wird, so wird ein Teil des Fluidstroms, der durch das Rückkühlsystem 15 strömt, über ein 3-Wege-Mischventil 17 durch einen Energiespeicher 16 mit einem Speicherbehälter 16' geleitet. Der Energiespeicher 16 gibt dabei thermische Energie an das Fluid ab.
Die Energiespeicher 7, 16 sind beispielsweise als Wasserspeicher oder als Phasenwechselspeicher, also beispielsweise als Eisspeicher, Wasserspeicher, Salzhydratspeicher oder als Paraffinspeicher, ausgeführt. Der Energiespeicher 7 ist vorzugsweise außerhalb des Kühlcontainers A angebracht, kann sich auch innerhalb des Kühlcontainers A befinden.
Kann das Rückkühlsystem 15 die geforderte Kühlleistung nicht erbringen, so wird ein Teil des Fluidstroms, der durch den Kondensator 14 der Dampfstrahlkältemaschine B strömt, über ein 3-Wege-Mischventil 17 durch den Energiespeicher 16 geleitet. Das Fluid gibt dabei thermische Energie an den Energiespeicher 16 ab. Das Fluid im Kältekreis wird von zwei Pumpen 18, 19 gefördert. Die Stellung des 3-Wege- Mischventils 17 und die Drehzahl der Pumpen 18, 19 werden von dem Regler G in Abhängigkeit von dem von dem Drucksensor 11 gemessenen Verdampferdruck, dem von einem Drucksensor 20 gemessenen Dampferzeugerdruck, der von einem Temperatursensor 21 gemessenen Speichertemperatur und der von einem Temperatursensor 22 gemessenen Außentemperatur geregelt.
Das Arbeitsmittel in der Dampfstrahlkältemaschine B wird von einer Pumpe 23 gefördert. Durch ein vom Regler G geregeltes Drosselventil 24 werden der Verdampferdruck und damit die Fluidtemperatur am Austritt der Dampfstrahlkältemaschine B in den Kältekreis geregelt.
Die in der Anlage verwendeten Pumpen 2, 9, 10, 18, 19, 23, die Ventile 8, 17, 24, die Drucksensoren 11 , 20, die Temperatursensoren 3, 12, 13, 21 , 22 und die sonstigen elektrischen Geräte werden vom Regler G für den Betrieb mit Hilfsenergie in Form von elektrischer Energie versorgt. Dem Regler G wiederum wird die benötigte elektrische Energie von Photovoltaikmodulen H und einem , elektrischen Energiespeicher I bereitgestellt.
Die Solar-Kälteeinheit umfasst somit einen wärmegedämmten Container A, der beispielsweise ein ISO-Container mit einer Länge von 20' (= 6,10 m) oder 40' (= 12,20 m) sein kann; die Dampfstrahlkältemaschine B mit einem solarthermischen Antriebssystem C, einem Kälteverteilsystem 6 im Container A, einem Strahlverdichter 4, einem System 7 zur Speicherung thermischer Energie (Wärme) aus dem Antriebssystem C und/oder dem Rückkühlsystem 15 und/oder einem System 16 zur Speicherung thermischer Energie (Kälte) aus der Dampfstrahlkältemaschine B, mit einer Regelungseinheit G und einem System H zur Bereitstellung elektrischer Hilfsenergie und mit einem Energiespeicher I. Genauso kann aber alternativ zu dem wärmegedämmten Container A der Container 1 als ganzer wärmegedämmt ausgestaltet sein.
Gemäß der Erfindung ist die Dampfstrahlkältemaschine B entweder in dem Container 1 integriert oder als externes Aggregat vorgesehen. Die Dampfstrahlkältemaschine B kann auch so angeordnet sein, dass nur die bei niedriger Temperatur fungierenden Teile wie der Kältekreislauf K oder Teile des Kältekreislaufs K in dem Container A angeordnet sind, während das solarthermische Antriebssystem C in jedem Fall der Sonne ausgesetzt sein muss, so dass, wenn die zum Transport vorgesehene Anordnung keine, beispielsweise lichtdurchsichtige, Sonnenwärme hindurchlassende Abdeckung aufweist, das Antriebssystem C während des Betriebs auf der oberen Abdeckung der Anordnung oder an anderer Stelle, beispielsweise neben der Anordnung, der Sonne ausgesetzt werden muss.
Die integrierten Energiespeicher 7 und 16 zur Speicherung von Kälte bzw. Wärme sind ebenfalls bevorzugt jeweils in einzelnen wärmegedämmten Containern oder angrenzend an derartige wärmegedämmte Container angeordnet, wobei die
wärmegedämmten Container während des Betriebs entweder innerhalb der für den Transport geeigneten Anordnung oder auch außerhalb der Anordnung angeordnet werden. Während des Transports sind alle Container vorzugsweise innerhalb der Anordnung gelagert.
Die integrierten Energiespeicher 7 und 16 zur Speicherung von Kälte bzw. Wärme sind außerhalb des Kühlcontainers A angeordnet; sie können auch außerhalb des Transportcontainers 1 oder in weiteren Transportcontainern untergebracht werden. Während des Transports sind alle Systemkomponenten innerhalb des Transportcontainers 1 oder auf eine Mehrzahl von Transportcontainern verteilt gelagert, aus denen das Gesamtsystem besteht. Der Energiespeicher 7 kann auch innerhalb des Kühlcontainers A angeordnet werden.
Die Solar-Kälteeinheit umfasst eine vorzugsweise fest in den Transportcontainer 1 eingebaute Dampfstrahlkältemaschine B. Konvektoren 6 verteilen die Kälte in dem Container A. Es sind ein elektrischer Energiespeicher I, eine elektrische Regelungseinheit G und ein thermischer Speicher 7, vorzugsweise in Form eines Phasenwechselspeichers, vorhanden, der hydraulisch in den Kältekreislauf K eingebunden ist. Während des Transports sind im Inneren des Transportcontainers 1 Komponenten des Kollektorfeldes C (solarthermische Kollektoren, hydraulische Leitungen und Aufständerung), der Photovoltaikanlage (Photovoltaikmodule H, elektrische Leitungen und Aufständerung) sowie ein Rückkühlsystem 15, beispielsweise mit einem Trockenkühler, mit entsprechenden hydraulischen Leitungen untergebracht. Diese während des Transports im Container untergebrachten, aber nicht fest verbauten Komponenten können am Einsatzort dem Container entnommen werden und am oder auf dem Transportcontainer 1 montiert werden, wie beispielhaft in der Figur dargestellt ist, oder in der Umgebung aufgestellt werden. Über hydraulische und elektrische Leitungen werden die Komponenten mit den in dem Transportcontainer 1 fest verbauten Komponenten verbunden.
Der kälteseitige thermische Speicher, d. h. der Kühlcontainer A, kann auch so ausgeführt sein, dass er nicht hydraulisch in den Kältekreis eingebunden ist. In diesem Fall werden Wand- und/oder Deckenelemente (Paneele) verwendet, die
Phasenwechselmaterial enthalten und die als Kältespeicher in den Kühlcontainer A eingebracht werden, um diesen auf die gewünschte Temperatur abzukühlen.
Ein modularer Aufbau im Falle eines größeren Gesamtsystems, bestehend aus mehreren Containern, könnte folgendermaßen aussehen: Ein Container, insbesondere ein Transportcontainer, der nicht wärmegedämmt sein muss, enthält die Kältemaschine B. Derselbe Container oder weitere Container enthalten die thermischen Speicher 7. Einer oder mehrere wärmegedämmte Container enthalten jeweils ein Kälteverteilsystem und optional einen kälteseitigen thermischen Speicher B. Die Container sind untereinander durch hydraulische und elektrische Leitungen verbunden.
Um eine Skalierung der Gesamtgröße und Gesamtkühlleistung des Systems zu ermöglichen, sind die Komponenten so ausgeführt, dass das Gesamtsystem einen modularen Aufbau besitzt. Zur Erhöhung der Kühlleistung kann eine größere Dampfstrahlkältemaschine B eingesetzt werden, für die Erhöhung der thermischen Speicherkapazität können größere Speicher oder eine größere Anzahl an Speichern eingesetzt werden.
Der Container kann so ausgeführt sein, dass er verschiedene, voneinander durch wärmegedämmte Wände abgetrennte Räume besitzt. Die Systemkomponenten können entsprechend ihrer Betriebstemperaturen in diesen unterschiedlichen Bereichen angeordnet sein. Wärmespeicher und Leitungen mit einem Fluid hoher Temperatur liegen dann außerhalb des gekühlten Raums, Kältespeicher und Leitungen mit Fluid niedriger Temperatur innerhalb des gekühlten Raums.
Vorzugsweise umfasst die Anordnung wenigstens einen Wasserspeicher, einen Latentwärmespeicher und/oder einen thermochemischen Wärmespeicher. In der Anordnung kann ein Kälteverteilsystem integriert sein. Ebenso kann auch ein Flächenkühlsystem, beispielsweise an einer Wand und/oder am Boden und/oder an der Decke, vorgesehen sein. Auch Konvektoren lassen sich anordnen. Zur Abfuhr der Abwärme der Dampfstrahlkältemaschine B wird außerhalb der Anordnung, beispielsweise auf dem Dach der Anordnung, ein Rückkühlsystem R zur Wärmeabgabe an die Umgebungsluft vorgesehen.
Die Solar-Kälteeinheit kann als Trockenkühler, als Nasskühlturm oder als Hybridkühler ausgeführt sein. Es lassen sich Systeme zur Wärmeabgabe an das Erdreich, das Grundwasser oder an fließende und ruhende Gewässer vorsehen.
Vorzugsweise kommen Systeme zur Nutzung der Abwärme der Dampfstrahlkältemaschine zum Einsatz. Dieser werden ebenfalls von der Regelungseinheit G geregelt.
Erfindungsgemäß ist ein System H mit Photovoltaikzellen zur Bereitstellung elektrischer Hilfsenergie vorgesehen, die in einem elektrischen Energiespeicher I zwischengespeichert werden kann. Ein Netzanschluss kann ebenfalls vorgesehen werden, über den die Photovoltaikanlage H überschüssige elektrische Energie abführt.
Die Funktionsweise der Solar-Kälteeinheit besteht darin, dass das Gesamtsystem die Kühlung des Containerinhalts unabhängig vom Vorhandensein einer elektrischen Antriebsquelle in Form einer Anbindung an ein elektrisches Stromnetz oder einen motorbetriebenen Generator ermöglicht.
Die Kälteleistung wird von einer Dampfstrahlkältemaschine erzeugt. Die Dampfstrahlkältemaschine ist als Bestandteil der Kühlcontainereinheit im Container untergebracht oder kann als externes Aggregat an den Container angekoppelt werden.
Die Dampfstrahlkältemaschine benötigt zur Bereitstellung von Kälteleistung thermische Antriebsenergie. Die thermische Antriebsenergie wird von einem solarthermischen Kollektorfeld bereitgestellt, das direkt auf dem Container angebracht ist. Auch Wärme aus Geothermie oder Abwärme von z.B. industriellen Prozessen kann als Antriebsenergie eingesetzt werden, solange das Temperaturniveau für den Betrieb der Dampfstrahlkältemaschine ausreichend ist (gleich oder größer ca. 80 °C). Das Antriebssystem C wird über einen hydraulischen Kreislauf an die Dampfstrahlkältemaschine angeschlossen. Die Effizienz des
Dampfstrahlkältemaschinen-Prozesses steigt mit der Eintrittstemperatur des Kälteverteilkreislaufs der Dampfstrahlkältemaschine.
Über ein Kälteverteilsystem führt die Kältemaschine thermische Energie aus dem Containerinnenraum ab. Das Kälteverteilsystem ist über einen hydraulischen Kreislauf an die Dampfstrahlkältemaschine angeschlossen oder direkt in der Dampfstrahlkältemaschine integriert. Es besteht aus Konvektoren und/oder einem Flächenkühlsystem (Boden- und/oder Wand- und/oder Deckenkühlsystem). Das Kälteverteilsystem gewährleistet eine ausreichend niedrige Eintrittstemperatur des Kältekreislaufs der Dampfstrahlkältemaschine (gleich oder größer ca. 5 °C). Die Effizienz des Dampfstrahlkältemaschinen-Prozesses steigt mit der Austrittstemperatur des Kälteverteilkreislaufs der Dampfstrahlkältemaschine.
Die thermische Energie, die der Dampfstrahlkältemaschine vom thermischen Antriebssystem und dem Kälteverteilsystem zugeführt wird, muss über einen weiteren hydraulischen Kreislauf aus der Dampfstrahlkältemaschine abgeführt werden. Dies erfolgt über das Rückkühlsystem 15: Die Abfuhr der thermischen Energie an die Umgebung und/oder die weitere Nutzung der thermischen Energie erfolgt in einem nachgeschalteten Prozess. Die Wärmeabfuhr an die Umgebungsluft erfolgt aktiv über einen Trockenkühler, einen Nasskühlturm, einen hybriden Rückkühler oder über ein passives Rückkühlsystem in Form eines großflächigen Luft-Wasser-Wärmeübertragers. Weitere Möglichkeiten der Abfuhr der thermischen Energie aus der Dampfstrahlkältemaschine an die Umgebung bieten Gewässer, Grundwasser oder Erdreich. Eine Nutzung der Abwärme der Dampfstrahlkältemaschine in einem nachgeschalteten Prozess kann beispielsweise ein Trocknungs- oder Vorwärmprozess sein. Das Rückkühlsystem gewährleistet eine ausreichend niedrige Eintrittstemperatur des Rückkühlkreislaufs R der Dampfstrahlkältemaschine (gleich oder kleiner ca. 80 °C). Die Effizienz des Dampfstrahlkältemaschinen-Prozesses sinkt mit steigender Eintrittstemperatur des Rückkühlkreislaufs R der Dampfstrahlkältemaschine.
Zeiten mit unzureichender thermischer Antriebsleistung (z.B. nachts), zu geringer Rückkühlleistung oder zu geringer Kühlleistung werden durch den Einsatz von thermischen Energiespeichern 7, 16 überbrückt.
Neben thermischer Antriebsenergie benötigt das Gesamtsystem elektrische Hilfsenergie in Form einer Photovoltaikanlage lediglich für den Betrieb von Pumpen, der Regelung H und Rotoren der Konvektoren des Kälteverteilsystems oder ähnlichen Aggregaten.
Claims
1. Solar-Kälteeinheit mit einem Solarkollektorsystem, umfassend:
- wenigstens ein Solarkollektorsystem, welches zur Erzeugung von Wärme wenigstens eine Solarthermievorrichtung (C) und zur Erzeugung von elektrischem Strom wenigstens eine Photovoltaikzelle aufweist,
- wenigstens eine Kältemaschine, welche über ein Fluidleitungssystem mit der wenigstens einen Solarthermievorrichtung (C) in fluidtechnischem Kontakt steht, und
- eine elektrische Steuereinheit zur elektrischen und/oder fluidtechnischen Regelung von Komponenten der Solar-Kälteeinheit,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Kältemaschine . eine Dampfstrahlkältemaschine (B) mit einem Strahlverdichter (4) und einem Verdampfer (5) ist.
2. Solar-Kälteeinheit nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet,
dass sie mit einer transportablen Anordnung, insbesondere mit einem Transportcontainer, verbunden ist.
3. Solar-Kälteeinheit nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
dass sie wenigstens teilweise innerhalb der Anordnung transportierbar angeordnet und zur Inbetriebnahme aus der Anordnung entnehmbar angeordnet ist.
4. Solar-Kälteeinheit nach Anspruch 2 oder 3,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Anordnung als ganze als wärmegedämmter Container (A) ausgestaltet ist oder wenigstens einen wärmegedämmten Container (A) umfasst.
5. Solar-Kälteeinheit nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Anordnung einen ersten, als Kühlcontainer ausgebildeten Container (A) und einen zweiten, die Anlagentechnik umfassenden Container umfasst, dass auf einer niedrigen Temperatur zu haltende Bauteile in dem ersten Container (A) und dass auf einer hohen Temperatur zu haltende Bauteile in dem zweiten Container angeordnet sind.
6. Solar-Kälteeinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Solarthermievorrichtung (C) über einen hydraulischen Kreislauf (C1) in Form eines Rohrleitungssystems mit einem Dampferzeuger (25) der Dampfstrahlkältemaschine (B) verbunden ist und dass das Fluid in dem Kreislauf (C1) von einer Pumpe (2) gefördert wird.
7. Solar-Kälteeinheit nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Pumpe (2) von einem Regler (G) in Abhängigkeit von dem von einem Drucksensor (20) gemessenen Dampferzeugerdruck und der von einem Temperatursensor (3) gemessenen Kollektorvorlauftemperatur geregelt wird.
8. Solar-Kälteeinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
dadurch gekennzeichnet,
dass für die Verdampfung in dem Verdampfer (5) benötigte thermische Energie dem Fluid eines mit dem Verdampfer (5) verbundenen Kältekreislaufs (K) entzogen wird, der den Verdampfer (5) der Dampfstrahlkältemaschine (B) mit einem Kälteverteilsystem (6) des Kühlcontainers (A) in Form eines Rohrleitungssystems verbindet.
9. Solar-Kälteeinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 8,
dadurch gekennzeichnet,
dass in dem Kältekreislauf (K) zur Speicherung thermischer Energie ein Energiespeicher (7) zwischengeschaltet ist und dass, wenn die Dampfstrahlkältemaschine (B) eine höhere Kälteleistung erbringt, als zur
Deckung der Kältelast in dem Container (A) benötigt wird, ein Teil des Fluidstroms, der durch den Verdampfer (5) der Dampfstrahlkältemaschine (B) strömt, über ein 3-Wege-Mischventil (8) durch den Energiespeicher (7) geleitet wird, wobei der Energiespeicher (7) thermische Energie an das Fluid abgibt.
10. Solar-Kälteeinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 8,
dadurch gekennzeichnet,
dass, wenn das Rückkühlsystem (15) die geforderte Kühlleistung nicht erbringt, ein Teil des Fluidstroms, der durch den Kondensator (14) der Dampfstrahlkältemaschine (B) strömt, über ein 3-Wege-Mischventil (17) durch den Energiespeicher (16) geleitet wird, wobei das Fluid thermische Energie an den Energiespeicher (16) abgibt.
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