EP3365615B1 - Verfahren und vorrichtung zum betreiben eines kältekreislaufes mit einem sublimator für kohlendioxid als kältemittel - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zum betreiben eines kältekreislaufes mit einem sublimator für kohlendioxid als kältemittel Download PDF

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EP3365615B1
EP3365615B1 EP16797721.4A EP16797721A EP3365615B1 EP 3365615 B1 EP3365615 B1 EP 3365615B1 EP 16797721 A EP16797721 A EP 16797721A EP 3365615 B1 EP3365615 B1 EP 3365615B1
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EP
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sublimator
carbon dioxide
refrigerant path
cross
pressure
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Ullrich Hesse
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Technische Universitaet Dresden
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Technische Universitaet Dresden
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    • F25B2600/00—Control issues
    • F25B2600/25—Control of valves
    • F25B2600/2515—Flow valves

Definitions

  • the invention relates to a method for operating a refrigeration cycle with carbon dioxide as a refrigerant, wherein the refrigeration takes place below the triple pressure in a sublimator.
  • the invention further relates to a device for carrying out the aforementioned method.
  • Carbon dioxide also referred to as R744 or CO 2
  • R744 or CO 2 is an ideal and widely used natural refrigerant, which is used in the temperature range up to about -40 ° C.
  • the advantageous properties of carbon dioxide as a refrigerant are, in particular, that it is non-combustible and, under normal conditions, also non-toxic.
  • the triple point of carbon dioxide is about -56 ° C and 5.2 bar. Below the triple temperature, it is in solid or gaseous state.
  • the conventional cold vapor process with other refrigerants usually runs in the two-phase region of the gaseous and liquid state of the refrigerant.
  • the pressure in the circuit In order to achieve temperatures below -56 ° C with CO 2 as refrigerant, the pressure in the circuit must be lowered below the triple point, whereby at least partially carbon dioxide must be used as a solid.
  • the usable temperature level can be made accessible up to about -78 ° C or even lower.
  • the evaporator Compared to the conventional cold vapor process, when the sublimation line falls below the triple pressure, the evaporator becomes a sublimator. Due to the sublimation of the carbon dioxide from the solid into the gaseous phase, the useful cooling is created while absorbing heat.
  • a chiller refrigeration system which discloses a servo-controlled evaporator pressure control valve for a refrigeration system.
  • the DE 27 48 796 A1 discloses a method and apparatus for cooling materials using stored cryogenic cooling, particularly using carbon dioxide as the refrigerant.
  • the object of the invention is therefore to provide a method for operating a circuit with a sublimator with carbon dioxide as a refrigerant and a device available that largely prevents or reduces the problem of forming blockages or deposits of solid carbon dioxide in the sublimator.
  • the object of the invention is achieved in particular by a method for operating a refrigeration cycle with a sublimator for carbon dioxide as a refrigerant, wherein the refrigeration cycle is operated below the triple point.
  • the special feature is that in the sublimator the sublimation line of the carbon dioxide is exceeded below the triple point.
  • a cleaning of the sublimator of blockages with solid CO 2 or deposits of solid CO 2 by a targeted reduction of the cross section of the refrigerant path after the sublimator.
  • the pressure in the sublimator is raised above the triple pressure and the solid carbon dioxide is converted into liquid carbon dioxide.
  • the blockages and deposits of solid CO 2 are dissolved.
  • the refrigerant path is at least partially increased again and distributed the liquid carbon dioxide in the sublimator by the pressure drop and after falling below the Tripeldruckes converted back into solid or gaseous carbon dioxide.
  • the change in the cross section of the refrigerant path is carried out in dependence on control or regulating signals.
  • the invention is advantageously further developed in that the sublimator is filled discontinuously with liquid carbon dioxide above the triple pressure.
  • solid and gaseous carbon dioxide is produced in a uniform distribution in the sublimator.
  • the filling of the sublimator with liquid carbon dioxide is preferably carried out when the cleaning of the sublimator of solid carbon dioxide is carried out by cross-sectional constriction after the sublimator.
  • the reduction of the cross section of the refrigerant path is carried out until the refrigerant path is completely closed, in which case a pressure increase associated with the liquefaction of the solid carbon dioxide can be achieved.
  • the reduction of the cross section of the refrigerant path takes place as a function of a pressure loss limit value above the sublimator.
  • the reduction of the cross section of the refrigerant path takes place as a function of the compressor suction pressure.
  • a further advantage is the reduction of the refrigerant path as a function of a limit value for the temperature spread, which can be measured on the air side or on the secondary side via the sublimator.
  • the reduction of the cross section of the refrigerant path can be determined as a function of a limit value for the temperature spread on the refrigerant side.
  • the reduction of the cross section of the refrigerant path after a predetermined time interval in the manner of a control is achieved.
  • a particularly advantageous embodiment of the invention results from the fact that the reduction of the cross section of the refrigerant path in response to a combination of several of the aforementioned control and regulation signals.
  • the reduction of the cross section of the refrigerant path can be carried out according to an advantageous embodiment of the invention between 5 and 30 seconds.
  • the object of the invention is further achieved by a device with which the above-described method can be realized, which is characterized in that a shut-off device for changing the cross section of the refrigerant path is arranged after the sublimator in the refrigerant path. Furthermore, at least one sensor and a control and regulating device for controlling and regulating the shut-off device are provided for regulation and control.
  • An advantage of the invention is in particular that it is now possible to dissolve solid carbon dioxide deposits in the designed as a sublimator heat exchanger by a cleaning procedure during operation or distribute. By temporally minimal delays of the dissolution process, a substantially continuous cycle operation of a carbon dioxide cycle can be ensured below the triple point with constant heat transfer performance.
  • the sublimator is continuously supplied with carbon dioxide from the circulation by the upstream throttling element of the circuit.
  • the short-term supply of the sublimator with CO 2 at higher pressure can also be realized from another reservoir, for example from other plant zones, which are at a higher pressure level due to the process.
  • shut-off device for example in the form of a solenoid valve
  • the pressure in the sublimator rises. If the pressure briefly exceeds the triple pressure of the carbon dioxide of 5.18 bar, all carbon dioxide solids components dissolve immediately due to physical reasons and liquid carbon dioxide forms. Thereafter, the shut-off can be completely or partially reopened, whereby the liquid esters are distributed by the pressure drop and converted back to solid or gaseous CO 2 and fed to the main stream.
  • the shut-off device after the sublimator should just be opened so far that the pressure in the sublimator during the filling is still above the triple pressure.
  • the sublimator is filled with refrigerant, similar to a conventional evaporator.
  • the shut-off device is selectively opened after the sublimator and the pressure in the sublimator is lowered below the triple pressure.
  • a preferably homogeneous distribution of solid and gaseous CO 2 is formed in the sublimator, which can be used for providing the cold.
  • the cleaning procedure preferably takes only a few seconds, so that the effect of the short-term increase in temperature and pressure on the continuous provision of cooling in the sublimator is extremely low.
  • Control technology is the start signal for the cleaning procedure, ie the operation of the shut-off device for reducing or blocking the cross-section of the refrigerant path, by different sizes alone or in combination triggered.
  • Another advantage of the invention is that with the downstream Shut-off the pressure level in the sublimator can be maintained until complete filling with preferably liquid CO 2, the pressure above the triple conditions and then a rapid pressure drop below the triple conditions is possible.
  • the sublimator is then ideally filled evenly with solid and gaseous CO 2 .
  • control and regulating device is regulated via a pressure loss limit value above the sublimator.
  • Further control and regulation parameters are the triggering of the reduction of the cross section of the refrigerant path, the compressor suction pressure, a limit for the temperature spread or the outlet temperature on the air side, as well as a limit value for the temperature spread or the exit temperature on the refrigerant side and the absolute pressure at different points in the sublimator itself.
  • the cleaning procedure can be triggered, for example, after a predetermined time interval.
  • the cleaning procedure has a special technical condition, especially with sublimators in multi-pass design. Here, even with blocking or unwanted cross-sectional narrowing of individual passes, there is no other way to free the sublimator of its blockages. However, in order to dissolve and distribute individual solid carbon dioxide deposits or to ensure a homogeneous filling, the use of the cleaning procedure is also advantageous in the case of a passable design of the heat exchanger as a sublimator.
  • the concept of the invention consists in briefly triggering an increase in pressure above the triple pressure of carbon dioxide by means of an additional shut-off device in the flow direction downstream of the sublimator according to predetermined control and / or control signals and dissolving or distributing carbon dioxide solid matter deposits formed thereby.
  • the short-term desired increase in pressure can alternatively or cumulatively by supplying CO 2 from a reservoir with higher Pressure level done.
  • Fig. 1 is a phase diagram for carbon dioxide shown schematically.
  • the state of aggregation of CO 2 depends not only on its temperature but also on the pressure.
  • all three phases are fixed (f), liquid (fl) and gaseous (g) in equilibrium.
  • the triple pressure is 581 kPa and thus far above atmospheric pressure, the associated temperature is approximately - 56 ° C.
  • CO 2 can be present under normal conditions only as gas or in solid state as dry ice.
  • dry ice passes directly from solid (f) to gaseous (g), sublimating.
  • the line in the phase diagram which marks the transition from the solid to the liquid state, is also called the sublimation line.
  • Fig. 2 is a section of a refrigeration system with a sublimator 1 shown for generating lower temperatures with carbon dioxide as the refrigerant.
  • the sublimator 1 is a heat exchanger, which is specially designed to use the sublimation heat in the transition from solid carbon dioxide to gaseous carbon dioxide.
  • the heat exchanger shown is designed multi-pass, so that there are several parallel channels within the refrigerant path through the sublimator 1 therethrough.
  • the refrigerant path 2 thus branches at the input into the sublimator 1 and is recombined at the output of the sublimator 1.
  • the expansion element 4 for generating the solid carbon dioxide is arranged in front of the sublimator 1 in the flow path 2 and leads to the formation of solid carbon dioxide in the sublimator 1.
  • the additional shut-off device 3 is arranged, which with a control, not shown. and control device is connected. Furthermore, in Fig. 2 an optionally usable bypass 6 with throttling device is shown, via which carbon dioxide can be fed to the sublimator 1 at a pressure above the triple pressure in order to accelerate the process of pressure increase in the sublimator 1. A subsequent pressure reduction leads to a conversion of the liquid carbon dioxide into gaseous and solid carbon dioxide.
  • various sensors 5 are indicated in the circuit, which communicate state and process variables of various kinds to the control and regulating device, whereupon from the control device, a corresponding control or regulating signal to the shut-off device 3 for Close or open the same is transmitted.
  • Fig. 3 is a single-stage refrigeration system with internal heat exchanger 7 shown schematically.
  • the refrigeration plant is next to the in Fig. 2 already designated components in the flow direction of the refrigerant from the compressor components 9, a heat exchanger 8 for heat dissipation, which is referred to depending on the function and condition of the refrigerant as a recooler, gas cooler or condenser and the inner heat exchanger.
  • a heat exchanger 8 for heat dissipation which is referred to depending on the function and condition of the refrigerant as a recooler, gas cooler or condenser and the inner heat exchanger. 7
  • the bypass 6 taps the already present in the circulation higher pressure level on the high pressure side directly.
  • throttle body in the bypass 6 can preferably be designed so that it allows a release of the opening cross section only to just above the triple pressure. This allows the components on the low pressure side of the circuit to be additionally protected against excessive pressure increase.
  • the required control and regulation of the throttle body in the bypass 6 can preferably also be effected by the relevant state and process variables about the sublimator 1.
  • Fig. 4 is a two-stage refrigeration system with internal heat exchanger 7 shown schematically. Accordingly, an additional compressor 9, an additional expansion element 4 for the high-pressure stage, a recooler 8 at medium pressure level and a medium-pressure vessel 10 are provided in the circuit for the compression to medium pressure.
  • Another special feature is that two bypasses 6 are provided for the supply of carbon dioxide in the sublimator 1, wherein a bypass 6 from the medium-pressure level and a bypass 6 from the high-pressure level with the sublimator 1 is connected.
  • the plant represents a possible, particularly efficient variant for a sublimation cycle with CO 2 .
  • In the preferred process can be tapped with the bypass 6 and the medium pressure level of the circuit. This is particularly advantageous in that the relaxation of the carbon dioxide from the high pressure to the medium pressure level has already taken place and the liquid fraction of carbon dioxide thus obtained has already been supplied to the separator.

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Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Kältekreislaufes mit Kohlendioxid als Kältemittel, wobei die Kälteerzeugung unterhalb des Tripeldruckes in einem Sublimator erfolgt. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Vorrichtung zur Durchführung des vorgenannten Verfahrens.
  • Kohlendioxid, auch als R744 oder als CO2 bezeichnet, ist ein ideales und vielfach angewendetes natürliches Kältemittel, welches im Temperaturbereich bis etwa -40°C eingesetzt wird. Die vorteilhaften Eigenschaften von Kohlendioxid als Kältemittel bestehen insbesondere darin, dass es nicht brennbar und unter üblichen Bedingungen auch nicht toxisch ist. Der Tripelpunkt von Kohlendioxid liegt bei ca. -56°C und 5,2 bar. Unterhalb der Tripeltemperatur liegt es im festen oder im gasförmigen Zustand vor.
  • Der konventionelle Kaltdampfprozess mit anderen Kältemitteln verläuft jedoch in aller Regel im Zweiphasengebiet des gasförmigen und flüssigen Zustandes des Kältemittels. Um mit CO2 als Kältemittel Temperaturen unterhalb von -56°C zu erreichen, muss im Kreislauf der Druck unterhalb des Tripelpunktes abgesenkt werden, wobei somit zumindest teilweise mit Kohlendioxid als Feststoff gearbeitet werden muss. Damit kann jedoch das nutzbare Temperaturniveau bis ca. -78°C oder sogar darunter zugänglich gemacht werden.
  • Im Vergleich zum konventionellen Kaltdampfprozess wird der Verdampfer beim Unterschreiten der Sublimationslinie unterhalb des Tripeldruckes zum Sublimator. Durch die Sublimation des Kohlendioxids aus der festen in die gasförmige Phase entsteht unter Wärmeaufnahme die Nutzkälte.
  • Aus der Nutzung des Sublimationsprozesses ergeben sich gegenüber dem konventionellen Kaltdampfprozess einige Besonderheiten. Wird ein Verdampfer im konventionellen Kaltdampfprozess von Kältemittel durchströmt, ergibt sich bei Koexistenz von flüssiger und gasförmiger Phase lediglich ein technisch bedingter Druckverlust durch Fluidreibung. Der Druckverlust durch Fluidreibung in den Kanälen des Kältemittelpfades im Verdampfer ist relativ unproblematisch berechenbar und die entsprechenden Wärmeübertrager sind gut auf die jeweiligen Kältemittel mit ihren Dimensionen abstimmbar. Der Druckverlust bleibt bis auf übliche technische Schwankungen im stationären Betrieb der Anlage etwa gleich.
  • Wird die Kälte jedoch durch Sublimation bereitgestellt, ergibt sich technisch eine andere Situation. Wird ein Sublimator im Kohlendioxidkreislauf unterhalb des Tripelpunktes durchströmt, ergibt sich bei Koexistenz von fester und gasförmiger Phase neben dem technisch bedingten Druckverlust durch Fluidreibung eine weitere, deutlich unbestimmbarere Komponente mit Einfluss auf den Druckverlust. Es kommt zum Anlagern von festem Kohlendioxid an den Wänden des Sublimators sowie zum Agglomerieren von übergroßen CO2-Feststoffpartikeln.
  • In der Konsequenz kommt es zu Querschnittsverengungen oder gar Verblockungen in einzelnen Bereichen des Sublimators, die den Druckverlust erheblich beeinflussen.
    Da handelsübliche Wärmeübertrager im Allgemeinen mehrpassig ausgeführt sind, ist ein Verblocken einzelner Pfade nicht auszuschließen und würde den kontinuierlichen Betrieb einer Anlage mit Sublimator erheblich beeinflussen. Unter einem mehrpassigen Wärmeübertrager wird ein Wärmeübertrager verstanden, der im Unterschied zum einpassigen Wärmeübertrager mehrere parallele Kältemittelkanäle aufweist, welche in ihrer Summe als Kältemittelpfad bezeichnet werden. Die Bildung von Verstopfungen oder Ablagerungen von festem Kohlendioxid soll nun mit der in der Erfindung vorgeschlagenen Reinigungsprozedur umgangen beziehungsweise eingeschränkt werden.
  • Aus der DE 38 24 235 C1 ist eine Kältemaschine-Kälteanlage bekannt, welche ein hilfskraftgesteuertes Verdampferdruck-Regelventil für eine Kälteanlage offenbart.
  • Die DE 27 48 796 A1 offenbart ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Kühlen von Materialien unter Verwendung von gespeicherter, kälteerzeugender Kühlung, insbesondere unter Verwendung von Kohlendioxid als Kältemittel.
  • Im Stand der Technik ist aus der DE 30 04 114 A1 ein Verfahren zur Erzeugung tiefer Temperaturen mit Kohlendioxid als Kältemittel bekannt. Darin wird das Problem der Bildung von Agglomerationen von festem Kohlendioxid dadurch begegnet, dass die festen Kohlendioxidpartikel in einer nicht gefrierenden Flüssigkeit suspendiert und als Suspension durch den Kreislauf gefördert werden.
    Diesem Stand der Technik haftet der Nachteil an, dass apparativ und verfahrenstechnisch sowie auch energetisch und mit Bezug auf die Kosten zusätzliche Aufwendungen erforderlich sind, das Lösungsmittel bereitzustellen, die Anlage zu dimensionieren und die Suspension im Kreislauf zu führen.
  • Im Stand der Technik sind aus der DE 2 335 130 A1 weiterhin Bemühungen bekannt, Komponenten aus Kälteanlagen mit Kohlendioxid als Kältemittel beispielsweise mit einem selbstreinigenden Ventil auszugestalten. Dabei wird die Strategie verfolgt, dass die Ablagerung von festem CO2 an den Ventilflächen durch konstruktive Merkmale so gestaltet sind, dass bei einer Betätigung des Ventils diese Flächen zwangsweise mechanisch freigeschabt werden und eine Behinderung der Funktion der Ventile dadurch unterbunden werden soll.
  • Diesem Stand der Technik haftet der Nachteil an, dass in Bezug auf Komponenten mit unbewegten Teilen, wie beispielsweise einem Wärmeübertrager, dieses Lösungskonzept nicht ohne Weiteres adaptierbar ist.
  • Weiterhin geht aus der EP 1 939 548 A1 eine CO2 Kälteanlage gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 11 und ein Verfahren zum Betreiben einer CO2 Kälteanlage hervor, welche mit mehrstufiger Kompression im superkritischen Bereich mit Zwischenkühlung arbeitet.
  • Die Aufgabe der Erfindung besteht somit darin, ein Verfahren zum Betreiben eines Kreislaufes mit einem Sublimator mit Kohlendioxid als Kältemittel sowie eine Vorrichtung zur Verfügung zu stellen, die das Problem der sich bildenden Verstopfungen oder Ablagerungen von festem Kohlendioxid im Sublimator weitestgehend verhindert oder vermindert.
  • Die Aufgabe wird durch einen Gegenstand gemäß den selbstständigen Patentansprüchen gelöst. Weiterbildungen sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.
  • Die Aufgabe der Erfindung wird insbesondere durch ein Verfahren zum Betreiben eines Kältekreislaufes mit einem Sublimator für Kohlendioxid als Kältemittel gelöst, wobei der Kältekreislauf unterhalb des Tripelpunktes betrieben wird. Dabei entsteht bei der Kälteerzeugung die Besonderheit, dass im Sublimator die Sublimationslinie des Kohlendioxids unterhalb des Tripelpunktes überschritten wird. Erfindungsgemäß erfolgt eine Reinigung des Sublimators von Verstopfungen mit festem CO2 oder von Ablagerungen von festem CO2 durch eine gezielte Reduzierung des Querschnitts des Kältemittelpfades nach dem Sublimator. Dabei wird der Druck im Sublimator über den Tripeldruck angehoben und das feste Kohlendioxid wird in flüssiges Kohlendioxid umgewandelt. Dabei werden die Verstopfungen und Ablagerungen von festem CO2 aufgelöst. Danach wird der Kältemittelpfad mindestens teilweise wieder vergrößert und das flüssige Kohlendioxid im Sublimator durch den Druckabfall verteilt und nach Unterschreiten des Tripeldruckes in festes oder gasförmiges Kohlendioxid zurückgewandelt. Die Veränderung des Querschnitts des Kältemittelpfades erfolgt dabei in Abhängigkeit von Steuer- oder Regelungssignalen.
  • Die Erfindung wird vorteilhaft dadurch weitergebildet, dass der Sublimator diskontinuierlich mit flüssigem Kohlendioxid oberhalb des Tripeldruckes befüllt wird. Durch nachfolgendes rasches Absenken des Druckes unterhalb des Tripeldruckes wird festes und gasförmiges Kohlendixid in gleichmäßiger Verteilung im Sublimator erzeugt. Das Befüllen des Sublimators mit flüssigem Kohlendioxid erfolgt bevorzugt dann, wenn die Reinigung des Sublimators von festem Kohlendioxid durch Querschnittsverengung nach dem Sublimator durchgeführt wird.
  • Bevorzugt erfolgt die Reduzierung des Querschnitts des Kältemittelpfades bis zum vollständigen Verschließen des Kältemittelpfades, wobei dann ein Druckanstieg verbunden mit der Verflüssigung des festen Kohlendioxids erreichbar ist.
  • Besonders bevorzugt erfolgt die Reduzierung des Querschnitts des Kältemittelpfades in Abhängigkeit eines Druckverlustgrenzwertes über dem Sublimator.
  • Alternativ oder kumulativ erfolgt die Reduzierung des Querschnitts des Kältemittelpfades in Abhängigkeit des Verdichtersaugdruckes.
  • Vorteilhaft ist weiterhin die Reduzierung des Kältemittelpfades in Abhängigkeit eines Grenzwertes für die Temperaturspreizung, die luft- beziehungsweise sekundärseitig über dem Sublimator messbar ist.
  • Weiterhin vorteilhaft lässt sich die Reduzierung des Querschnitts des Kältemittelpfades in Abhängigkeit eines Grenzwertes für die Temperaturspreizung kältemittelseitig festlegen.
  • Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung erfolgt die Reduzierung des Querschnitts des Kältemittelpfades nach einem vorgebbaren Zeitintervall in der Art einer Steuerung.
  • Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ergibt sich dadurch, dass die Reduzierung des Querschnitts des Kältemittelpfades in Abhängigkeit einer Kombination von mehreren der vorgenannten Steuer- und Regelungssignalen erfolgt.
  • Die Reduzierung des Querschnitts des Kältemittelpfades kann dabei gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung zwischen 5 und 30 Sekunden erfolgen.
  • Die Aufgabe der Erfindung wird weiterhin durch eine Vorrichtung gelöst, mit welcher das vorbeschriebene Verfahren realisiert werden kann, welche dadurch gekennzeichnet ist, dass eine Absperrvorrichtung zur Veränderung des Querschnittes des Kältemittelpfades nach dem Sublimator im Kältemittelpfad angeordnet ist. Weiterhin ist zur Regelung und Steuerung mindestens ein Sensor und eine Steuer- und Regelungseinrichtung zur Steuerung und Regelung der Absperrvorrichtung vorgesehen.
  • Ein Vorteil der Erfindung besteht insbesondere darin, dass es nunmehr möglich ist, feste Kohlendioxidablagerungen in dem als Sublimator ausgeführten Wärmeübertrager durch eine Reinigungsprozedur im laufenden Betrieb aufzulösen bzw. zu verteilen. Durch zeitlich minimale Verzögerungen des Auflösungsprozesses kann nun ein im Wesentlichen kontinuierlicher Kreislaufbetrieb eines Kohlendioxidkreislaufs unterhalb des Tripelpunktes mit gleichbleibender Wärmeübertragungsleistung sichergestellt werden.
  • Konzeptionsgemäß wird der Sublimator durch das davor liegende Drosselorgan des Kreislaufes kontinuierlich mit Kohlendioxid aus dem Kreislauf versorgt. Zusätzlich kann die kurzzeitige Versorgung des Sublimators mit auf höherem Druck befindlichem CO2 auch aus einem anderen Reservoir realisiert werden, beispielsweise aus anderen Anlagenzonen, die sich verfahrensbedingt auf einem höheren Druckniveau befinden.
  • Wird durch eine Absperrvorrichtung, beispielsweise in Form eines Magnetventils, nach dem Wärmeübertrager der Durchfluss durch den Sublimator gezielt gestoppt bzw. reduziert, so steigt der Druck im Sublimator an. Übersteigt der Druck kurzzeitig den Tripeldruck des Kohlendioxids von 5,18 bar lösen sich alle Kohlendioxidfeststoffbestandteile physikalisch bedingt sofort auf und es bildet sich flüssiges Kohlendioxid. Danach kann die Absperrvorrichtung ganz oder teilweise wieder geöffnet werden, wodurch die Flüssignester durch den Druckabfall verteilt werden und wieder zu festem beziehungsweise gasförmigem CO2 zurückgewandelt und dem Hauptstrom zugeführt werden.
  • Wird die Befüllung des Sublimators mit flüssigem beziehungsweise gasförmigem Kohlendioxid gleichzeitig oder unabhängig von der Reinigungsprozedur zur Befüllung des Sublimators realisiert, so soll die Absperrvorrichtung nach dem Sublimator gerade so weit geöffnet sein, dass der Druck im Sublimator während der Befüllung noch oberhalb des Tripeldruckes liegt. Der Sublimator wird so, ähnlich einem konventionell arbeitenden Verdampfer, mit Kältemittel befüllt. Nach hinreichender Befüllung wird die Absperrvorrichtung nach dem Sublimator gezielt geöffnet und der Druck im Sublimator unterhalb des Tripeldruckes abgesenkt. Dadurch bildet sich im Sublimator eine vorzugsweise homogene Verteilung von festem und gasförmigem CO2 aus, die zur Kältebereitstellung genutzt werden kann.
  • Die Reinigungsprozedur dauert vorzugsweise nur wenige Sekunden, so dass der Effekt des kurzzeitigen Temperatur- und Druckanstieges auf die kontinuierliche Kältebereitstellung im Sublimator außerordentlich gering ist. Regelungstechnisch ist das Startsignal für die Reingungsprozedur, also die Betätigung der Absperrvorrichtung zur Reduzierung oder Absperrung des Querschnitts des Kältemittelpfades, durch verschiedene Größen allein oder in Kombination auslösbar.
  • Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, dass mit der nachgeschalteten Absperrvorrichtung das Druckniveau im Sublimator bis zur vollständigen Füllung mit vorzugsweise flüssigem CO2 der Druck oberhalb der Tripelbedingungen gehalten werden kann und danach ein rasches Druckabsenken unterhalb der Tripelbedingungen möglich wird. Der Sublimator ist danach idealerweise gleichmäßig mit festem und gasförmigem CO2 befüllt.
  • Nach einer Ausgestaltung wird die Steuer- und Regeleinrichtung über einen Druckverlustgrenzwert über dem Sublimator geregelt. Weitere Steuer- und Regelparameter sind die Auslösung der Reduzierung des Querschnitts des Kältemittelpfades, der Verdichtersaugdruck, ein Grenzwert für die Temperaturspreizung bzw. die Austrittstemperatur luftseitig, sowie einen Grenzwert für die Temperaturspreizung bzw. die Austrittstemperatur kältemittelseitig sowie der Absolutdruck an verschiedenen Stellen im Sublimator selbst.
    Alternativ oder in Kombination kann die Reinigungsprozedur beispielsweise nach einem vorgegebenen Zeitintervall ausgelöst werden. Die Reinigungsprozedur besitzt besonders bei Sublimatoren in mehrpassiger Ausführung eine besondere technische Bewandtnis. Hier ist selbst bei Blockierung oder unerwünschter Querschnittsverengung einzelner Pässe sonst keinerlei Möglichkeit gegeben, den Sublimator von seinen Verblockungen zu befreien. Um jedoch einzelne feste Kohlendioxidablagerungen aufzulösen und zu verteilen beziehungsweise eine homogene Befüllung zu gewährleisten, ist die Verwendung der Reinigungsprozedur auch bei einpassiger Ausführung des Wärmeübertragers als Sublimator vorteilhaft.
  • Zusammengefasst besteht die Konzeption der Erfindung darin, durch eine zusätzliche Absperrvorrichtung in Strömungsrichtung nach dem Sublimator nach vorgegebenen Steuerungs- und oder Regelungssignalen kurzzeitig einen Druckanstieg bis über den Tripeldruck von Kohlendioxid auszulösen und damit gebildete Kohlendioxidfeststoffablagerungen aufzulösen beziehungsweise zu verteilen. Der kurzzeitig angestrebte Druckanstieg kann dabei alternativ oder kumulativ auch durch Zuführung von CO2 aus einem Reservoir mit höherem Druckniveau erfolgen.
    Ein Vorteil der Anordnung der Absperrvorrichtung in Strömungsrichtung nach dem Sublimator besteht zusätzlich darin, dass das Druckniveau beim Befüllen des Sublimators noch leicht oberhalb des Tripeldruckes liegt und erst danach unterhalb des Tripeldruckes abgesenkt wird.
  • Im Ergebnis ist eine effizientere, kontinuierliche Wärmeübertragung im Sublimator möglich, und der Kreislauf kann quasi-kontinuierlich ohne größere Unterbrechungen arbeiten. Überdies ergibt sich die Möglichkeit, mehrere Sublimatoren bzw. Sektionen derselben parallel zu betreiben und jeweils zunächst gleichmäßig zu befüllen und dann zur Kältebereitstellung im Druck abzusenken, bis das feste CO2 vollständig sublimiert ist.
  • Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile von Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen mit Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen. Es zeigen:
    • Fig. 1:
    Phasendiagramm Kohlendioxid,
    Fig. 2:
    Ausschnitt aus einem Prinzipschaubild eines Kreislaufes mit Kohlendioxid als Kältemittel und Sublimator,
    Fig. 3:
    Schema einstufiger Grundprozess eines Kreislaufes mit Kohlendioxid als Kältemittel und Sublimator mit innerem Wärmeübertrager,
    Fig. 4:
    Schema zweistufiger Prozess.
  • In Fig. 1 ist ein Phasendiagramm für Kohlendioxid schematisch dargestellt. In welchem Aggregatzustand sich CO2 befindet, hängt nicht nur von dessen Temperatur sondern auch vom Druck ab. Am Tripelpunkt stehen alle drei Phasen fest (f), flüssig (fl) und gasförmig (g) im Gleichgewicht. Für CO2 liegt der Tripeldruck bei 581 kPa und damit weit oberhalb des Atmosphärendruckes, die dazugehörige Temperatur beträgt ungefähr - 56 °C. Damit ist flüssiges (fl) CO2 unter Normalbedingungen nicht existent, sondern nur unter erhöhtem Druck. CO2 kann bei Normalbedingungen nur als Gas oder in festem Zustand als Trockeneis vorliegen. Bei Raumtemperatur geht Trockeneis direkt vom festen (f) in den gasförmigen (g) Zustand über, es sublimiert. Die Linie im Phasendiagramm, welche den Übergang vom festen in den flüssigen Zustand kennzeichnet, wird auch als Sublimationslinie bezeichnet.
  • In Fig. 2 ist ein Ausschnitt einer Kälteanlage mit einem Sublimator 1 zum Erzeugen tieferer Temperaturen mit Kohlendioxid als Kältemittel dargestellt. Der Sublimator 1 ist ein Wärmeübertrager, der konstruktiv speziell zur Nutzung der Sublimationswärme beim Übergang von festem Kohlendioxid in gasförmiges Kohlendioxid angepasst ist. Der gezeigte Wärmeübertrager ist dabei mehrpassig ausgeführt, so dass es mehrere parallele Kanäle innerhalb des Kältemittelpfades durch den Sublimator 1 hindurch gibt. Der Kältemittelpfad 2 verzweigt sich somit beim Eingang in den Sublimator 1 und wird am Ausgang des Sublimators 1 wieder zusammengeführt. Das Expansionsorgan 4 zur Erzeugung des festen Kohlendioxids ist vor dem Sublimator 1 im Strömungspfad 2 angeordnet und führt zur Bildung von festem Kohlendioxid im Sublimator 1. In dem Kältemittelpfad 2 nach dem Sublimator 1 ist die zusätzliche Absperrvorrichtung 3 angeordnet, welche mit einer nicht dargestellten Steuer- und Regeleinrichtung verbunden ist. Weiterhin ist in Fig. 2 ein optional verwendbarer Bypass 6 mit Drosselvorrichtung dargestellt, über den Kohlendioxid auf einem Druck oberhalb des Tripeldruckes dem Sublimator 1 zugeführt werden kann, um den Prozess des Druckanstieges im Sublimator 1 zu beschleunigen. Eine nachfolgende Druckabsenkung führt zu einer Umwandlung des flüssigen Kohlendioxids in gasförmiges und festes Kohlendioxid.
    In Fig. 2 sind schematisch diverse Sensoren 5 im Kreislauf angedeutet, welche jeweils Zustands- und Prozessgrößen verschiedenster Art an die Steuer- und Regeleinrichtung übermitteln, woraufhin von der Regeleinrichtung ein entsprechendes Steuer- oder Regelsignal an die Absperrvorrichtung 3 zum Schließen oder Öffnen derselben übermittelt wird.
  • In Fig. 3 ist eine einstufige Kälteanlage mit innerem Wärmeübertrager 7 schematisch dargestellt. Die Kälteanlage besteht neben den in Fig. 2 bereits bezeichneten Komponenten in Strömungsrichtung des Kältemittels aus den Komponenten Verdichter 9, einem Wärmeübertrager 8 zur Wärmeabgabe, der je nach Funktion und Zustand des Kältemittels als Rückkühler, Gaskühler oder Kondensator bezeichnet wird sowie dem inneren Wärmeübertrager 7.
    Steigt der Druck im Sublimator 1 nach Schließen der Absperrvorrichtung 3 mit unzureichender Geschwindigkeit an, so kann durch den Bypass 6 ebenfalls Kältemittel in den Sublimator 1 eingeleitet werden. Der Bypass 6 zapft das im Kreislauf ohnehin vorliegende höhere Druckniveau auf der Hochdruckseite direkt an. Über das im Bypass 6 eingefügte Drosselorgan kann zusätzlich zum Expansionsventil 4 kurzzeitig ein weiterer Querschnitt geöffnet werden, um eine entsprechend erhöhte Menge an Kohlendioxid zuzuführen. Die Druckerhöhung im Sublimator 1 erfolgt dadurch rascher. Das Drosselorgan im Bypass 6 kann vorzugsweise so ausgeführt werden, dass es eine Freigabe des Öffnungsquerschnitts nur bis knapp oberhalb des Tripeldruckes zulässt. Dadurch können die Komponenten auf der Niederdruckseite des Kreislaufs zusätzlich vor übermäßigem Druckanstieg geschützt werden. Die erforderliche Ansteuerung und die Regelung des Drosselorgans im Bypass 6 kann vorzugsweise ebenfalls durch die in relevanten Zustands- und Prozessgrößen um den Sublimator 1 erfolgen.
  • In Fig. 4 ist eine zweistufige Kälteanlage mit innerem Wärmeübertrager 7 schematisch dargestellt. Entsprechend sind für die Verdichtung auf Mitteldruck ein zusätzlicher Verdichter 9, ein zusätzliches Expansionsorgan 4 für die Hochdruckstufe, ein Rückkühler 8 auf Mitteldruckniveau sowie ein Mitteldruckbehälter 10 im Kreislauf vorgesehen. Eine weitere Besonderheit besteht darin, dass zwei Bypässe 6 für die Zuführung von Kohlendioxid in den Sublimator 1 vorgesehen sind, wobei ein Bypass 6 vom Mitteldruckniveau und ein Bypass 6 vom Hochdruckniveau mit dem Sublimator 1 verbunden ist.
  • Die Anlage stellt eine mögliche, besonders effiziente Ausführungsvariante für einen Sublimationskreislauf mit CO2 dar.
    Beim bevorzugten Prozess kann mit dem Bypass 6 auch das Mitteldruckniveau des Kreislaufs angezapft werden. Dies ist insbesondere dadurch vorteilhaft, dass die Entspannung des Kohlendioxids vom Hochdruck- auf das Mitteldruckniveau bereits stattgefunden hat und der dadurch gewonnene Flüssigkeitsanteil des Kohlendioxids bereits dem Abscheider zugeführt wurde. Gemäß einer nicht dargestellten Variante der Kreisläufe werden mindestens zwei Sublimatoren 1 parallel geschaltet. Dies ermöglicht einen quasikontinuierlichen Betrieb der Kälteanlage, so dass keine Unterbrechung der Kälteerzeugung während der Reinigungsprozedur erfolgt.
    • Bezugszeichenliste
    • 1
    Sublimator
    2
    Kaltemittelpfad
    3
    Absperrvorrichtung
    4
    Expansionsorgan
    5
    Sensor
    6
    Bypass mit Drosselvorrichtung
    7
    Innerer Wärmeübertrager
    8
    Rückkühler, Gaskühler, Kondensator
    9
    Verdichter
    10
    Mitteldruckbehälter

Claims (12)

  1. Verfahren zum Betreiben eines Kältekreislaufes mit einem Sublimator (1) für Kohlendioxid als Kältemittel, dadurch gekennzeichnet, dass
    - der Kältekreislauf unterhalb des Tripeldruckes betrieben wird und dass
    - eine Reinigung des Sublimators (1) von Verstopfungen mit oder von Ablagerungen von festem Kohlendioxid durch eine Reduzierung des Querschnittes des Kältemittelpfades (2) nach dem Sublimator (1) erfolgt, wobei
    - der Druck im Sublimator (1) über den Tripeldruck angehoben und das feste Kohlendioxid in flüssiges Kohlendioxid umgewandelt wird und die Verstopfungen und Ablagerungen aufgelöst werden, wonach
    - der Kältemittelpfad (2) mindestens teilweise wieder vergrößert und das flüssige Kohlendioxid im Sublimator (1) durch den Druckabfall verteilt und nach Unterschreiten des Tripeldruckes in festes oder gasförmiges Kohlendioxid zurückgewandelt wird, wobei
    - die Veränderung des Querschnittes des Kältemittelpfades (2) in Abhängigkeit von Steuer- oder Regelungssignalen erfolgt.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass flüssiges Kohlendioxid in den Sublimator (1) geleitet wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Reduzierung des Querschnittes des Kältemittelpfades (2) bis zum Verschließen des Kältemittelpfades (2) erfolgt.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Reduzierung des Querschnittes des Kältemittelpfades (2) in Abhängigkeit eines Druckverlustgrenzwertes über dem Sublimator (1) erfolgt.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Reduzierung des Querschnittes des Kältemittelpfades (2) in Abhängigkeit des Verdichtersaugdruckes erfolgt.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Reduzierung des Querschnittes des Kältemittelpfades (2) in Abhängigkeit eines Grenzwertes für die Temperaturspreizung luftseitig erfolgt.
  7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Reduzierung des Querschnittes des Kältemittelpfades (2) in Abhängigkeit eines Grenzwertes für die Temperaturspreizung kältemittelseitig erfolgt.
  8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Reduzierung des Querschnittes des Kältemittelpfades (2) nach einem vorgebbaren Zeitintervall erfolgt.
  9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Reduzierung des Querschnittes des Kältemittelpfades (2) in Abhängigkeit einer Kombination von mehreren Steuer- und Regelungssignalen erfolgt.
  10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Reduzierung des Querschnittes des Kältemittelpfades (2) zwischen 5 und 30 Sekunden erfolgt.
  11. Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der vorangegangenen Ansprüche, aufweisend einen Verdichter (9), einen Wärmeübertrager (8) zur Wärmeabgabe sowie einen inneren Wärmeübertrager (7) und einen Sublimator (1), dadurch gekennzeichnet, dass eine Absperrvorrichtung (3) zur Veränderung des Querschnittes des Kältemittelpfades (2) nach dem Sublimator (1) im Kältemittelpfad (2) und ein Bypass (6) mit Drosselvorrichtung zum Expansionsorgan (4) vor dem Sublimator (1) angeordnet sind und dass mindestens ein Sensor (5) und eine Steuer- und Regelungsvorrichtung zur Steuerung und Regelung der Absperrvorrichtung (3) vorgesehen sind.
  12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Sublimatoren (1) parallel geschaltet im Kältekreislauf angeordnet sind.
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