WO1996024808A1 - Cooling system - Google Patents

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WO1996024808A1
WO1996024808A1 PCT/DE1996/000194 DE9600194W WO9624808A1 WO 1996024808 A1 WO1996024808 A1 WO 1996024808A1 DE 9600194 W DE9600194 W DE 9600194W WO 9624808 A1 WO9624808 A1 WO 9624808A1
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cooling system
liquid
cooling
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Inventor
Jürgen KELLER
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Keller Juergen
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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25BREFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B1/00Compression machines, plants or systems with non-reversible cycle
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25BREFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B41/00Fluid-circulation arrangements
    • F25B41/30Expansion means; Dispositions thereof
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25BREFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B9/00Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point
    • F25B9/02Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point using Joule-Thompson effect; using vortex effect
    • F25B9/04Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point using Joule-Thompson effect; using vortex effect using vortex effect

Definitions

  • the invention relates to a cooling system in which a flow of working fluid is subjected to an exothermic expansion process.
  • refrigeration machines and heat pumps which work with compression, absorption or adsorption technology.
  • expansion elements such as throttles or expansion valves are used. This is necessary in order to lower the temperature of a working substance which is generally present as a liquid (also referred to as working medium) below a certain level, which is generally predetermined by the environment.
  • the relaxation process of the working fluid in the throttle is adiabatic, isenthalpic and with loss of energy or with the production of entropy.
  • the working fluid vaporizes partially, ie after the relaxation in the cooled state it is no longer completely available, but is only partially available as a liquid for generating cold or for absorbing heat.
  • the invention is based on the object of increasing the performance figures of refrigeration machines and heat pumps by further developing the expansion process of the fluid working medium in the throttle in such a way that the proportion of liquid increases after expansion, the proportion of vapor decreases, ie the enthalpy ⁇ pie of the working fluid compared to their value in the entry state before the throttle reduced and thus the exergy losses during relaxation are reduced.
  • a thermal separation effect is used in a further developed vortex tube according to Ranque and Hilsch: a compressed, fluid, i.e. in particular a liquid, a liquid-vaporous or a vaporous working medium stream with ambient temperature using the thermal separation effect according to Ranque and Hilsch exothermic, i.e. releasing heat to the environment, relaxed and cooled.
  • a vortex tube according to Ranque and Hilsch is supplemented by a separate hot-flow cooler and a hot-current return with regulating valve and provided with further process engineering elements, namely heat exchanger, expansion valve, separator and regulating valve, in such a way that a generally liquid one is used in the plant according to the invention , a stream of working fluid containing one or more substances, which is compressed and is present at ambient temperature, can be relaxed exothermally, that is to say by releasing heat to the environment, so that the proportion of liquid in the resulting wet steam is greater than in the case of direct expansion in an adiabatic one Throttle.
  • the heat given off can at least partially be used as useful heat.
  • refrigeration systems the cooling capacity of the process is increased by reducing the steam content of the expanded working fluid.
  • the invention makes it possible to relax any fluid and compressed working materials in energy and process engineering exothermally, that is to say by releasing heat. This makes it possible, for example, to obtain additional heat in heat pump processes or to increase the cooling capacity of the working fluid by the heat given off in cooling processes. Both effects lead to increases in the energetic performance figures of the processes, which are typically 5%, in special cases, such as cyclic processes with carbon dioxide (C0 2 ) as a working medium, but can also be 10% - 15% (see JU Keller, AI climate, Cold, Heating, 21 (1993), 300-304.)
  • FIG. 2 shows a flow diagram of the thermal choke system according to FIG. 1 with process data
  • Fig. 7 is a flow diagram of a thermal reactor with additional evaporation
  • FIG. 1 shows a flow diagram of a thermal throttle system constructed in accordance with the invention.
  • the reference symbols used have the following meaning:
  • the working fluid flow m is conducted into the throttle D via the heat exchanger WT.
  • the steam generated during expansion in the throttle D is always colder than the supplied fluid, i.e. the original liquid. If the steam were released directly in a vortex tube, the temperature of the hot gas flow would only be slightly above the temperature of the original liquid flow, i.e. e.g. Ambient temperature! Therefore, the working steam in the vortex tube could give off practically no heat to the environment.
  • the vapor stream ⁇ I D separated from the residual liquid in the separator S is reheated as much as possible in a suitably designed heat exchanger WT by the heat of the incoming liquid stream m, ie to a few degrees below ambient temperature!
  • the preheated steam stream is expanded in the cooling vortex tube KWR, the temperature of the hot gas stream in forming near the wall of the vortex tube is.
  • H is clear, ie around 30-40 ° C above the ambient temperature.
  • the hot gas stream can thus be cooled in a separate cooler WK, which is usually designed as a coil.
  • the heat is emitted via cooling fins of the hot-flow cooler WK to a cooling medium, for example water, or to the ambient air.
  • FIG. 2 shows the system shown in FIG. 1, process data being entered at positions 3 to 9 as an example.
  • the data given relate from top to bottom - as can also be seen from the box in FIG. 2 - in each case on the temperature, the pressure, the mass flow, the specific enthalpy and the vapor content of the working medium in the individual states.
  • the working fluid has a steam content of approx. 28% (mass fraction) when it leaves the system.
  • FIG. 5 shows the cold diagram of an implemented thermal throttling process with the refrigerant R22.
  • the state numbers relate to the states or digits indicated in FIGS. 2-4.
  • FIG. 7 shows an advantageous development of the thermal reactor.
  • the flow diagram of a thermal throttling system with additional cooling of the hot current emerging from the hot-flow cooler WK is shown in the separator / steamer (S, V) of the system.
  • the original circuit according to FIG. 1 is also entered in broken lines.
  • the difference from the flow diagram shown in FIG. 1 is that the hot gas flow ⁇ . H after leaving the hot-flow cooler WK is not directly combined with the cold flow m c . Rather, the union takes place only after the hot gas flow has passed a heat exchanger built into the separator S. There, the hot current ⁇ I H gives off heat to the partially relaxed and pre-cooled liquid working fluid which, since it is in a vapor-liquid equilibrium state, does not heat up but also evaporates. This increases the steam flow mo compared to that of the circuit shown in FIG. 1. This also increases the warm gas flow IU H and the heat Q ⁇ ⁇ I H given off in the heat exchanger WK!
  • This circuit in which the separator S acts as an evaporator (V) at the same time, is particularly suitable for fluids and expansion processes that occur close to their critical state, i.e. with low values of the enthalpy of vaporization, such as with carbon dioxide (C0 2 ), since the increase in steam flow o due to the additional evaporation in the separator / evaporator can be particularly large.
  • the status numbers refer to the digits shown in Figure 2.
  • the boiling and dew lines of the working fluid are highlighted in bold in FIG. 3.
  • the dashed lines indicate the heat exchanger WT of the system. 4 qualitatively shows the thermal separation which initially takes place in the cooling vortex tube, described by the hot steam state H and the cold steam state C (cf. also FIG. 6), and the heat output Q released to the environment by cooling the hot steam in the warm steam cooler WK registered.
  • Fig. 6 shows a longitudinal section through a cooling vortex tube (KWR), (see also published application DE 43 45 137 AI from 06/29/1995).
  • KWR cooling vortex tube
  • the cooling vortex tube is a vortex tube according to Ranque and Hilsch (RHWR), which is provided with a hot-flow cooler (WK) provided with cooling fins (10), a warm-current return line (WR) and a regulating valve RV2.
  • the vaporous working material enters through an inlet channel (11) tangentially to the circular cross section of the vortex tube and is formed into a warm flow (12), state (H) and a cold flow (13), state (C), forming a swirl flow. , separated.
  • the hot current (12) is cooled in the hot-current cooler (WK) and gives off the heat output Q to a cooling medium or to the environment. Thereafter, the cooled hot flow is recombined with the cold flow 13 via a warm flow return WR and a regulating valve RV2 and emerges from the cooling vortex tube as cooled steam or wet steam.
  • FIG. 8 shows the flowchart of a process performed at the Institute for Fluid and Thermodynamics at the University of Siegen. planned, designed and built thermal throttle system. As an experimental system, it is provided with numerous measuring devices and can be operated with the refrigerant R22, for example, in a refrigeration system. 8 shows the entire system with the feed and discharge lines of the working fluid located in the center on the right in the figure. The usual symbols for the individual components are used so that a complete description is dispensed with and reference is instead made to the illustration in FIG. 8.
  • FIG. 9 shows a section of the system shown in FIG. 8, namely the connection of the cooling vortex tube KWR, the warm current cooler WK and the regulating valve RV2.
  • thermal chokes i.e. Cooling systems without moving parts for exothermic, i.e. heat-releasing relaxation of compressed fluid working materials in energy and process engineering can be realized.
  • the system generally consists of a heat exchanger, an expansion valve, a separator and a cooling vortex tube, ie a vortex tube supplemented by a separate hot-flow cooler and a hot-current return with regulating valve, in particular according to Ranque and Hilsch.
  • These elements are interconnected so that a Incoming stream of a compressed fluid, ie liquid, liquid-vapor mixed or vaporous working medium exothermic, ie with heat released to its environment, with the formation of a liquid-vapor mixture or a vapor is expanded.
  • the working medium can be a pure substance or a mixture of substances.
  • Ther o-throttle can basically be used in all processes of energy and process engineering instead of conventional, adiabatically operating throttle or relief valves. In heat pump and refrigeration cycle processes, it leads to energy savings, i.e. to not inconsiderable increases in performance figures.

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Abstract

The system comprises a heat exchanger (WT), a pressure-relief valve (D), a separator (S) and a cooling vortex tube (KWR), i.e. a Ranque and Hilsch vortex tube supplemented by a separate hot flow cooler (WK) and a hot flow return line (WR) with a regulating valve (RV2). These components are arranged relative to one another such that a flow of compressed fluid, i.e. liquid, mixed liquid-vaporized or vaporized, working medium which arrives at ambient temperature is expanded exothermically, i.e. releasing heat into its environment, forming a liquid-vapour mixture or a vapour. The working medium can be a pure substance or a mixture of substances.

Description

Kühlanlage Cooling system
B e s c h r e i b u n gDescription
Technisches GebietTechnical field
Die Erfindung bezieht sich auf eine Kühlanlage, in der ein Arbeitsmittelström einem exothermen Entspannungs¬ prozeß unterzogen wird.The invention relates to a cooling system in which a flow of working fluid is subjected to an exothermic expansion process.
Stand der TechnikState of the art
Allgemein sind Kältemaschinen und Wärmepumpen bekannt, die mit Kompressions-, Absorptions- oder Adsorptions¬ technik arbeiten. Bei diesen Kältemaschinen bzw. Wärme¬ pumpen werden Entspannungselemente wie Drosseln oder Entspannungsventile verwendet. Dies ist notwendig, um die Temperatur eines in der Regel als Flüssigkeit vor¬ liegenden Arbeitsstoffes (auch als Arbeitsmittel be¬ zeichnet) unter ein gewisses, im allgemeinen durch die Umgebung vorgegebenes Niveau abzusenken.In general, refrigeration machines and heat pumps are known which work with compression, absorption or adsorption technology. In these refrigeration machines or heat pumps, expansion elements such as throttles or expansion valves are used. This is necessary in order to lower the temperature of a working substance which is generally present as a liquid (also referred to as working medium) below a certain level, which is generally predetermined by the environment.
Einzelheiten der bekannten Prozesse sind in der folgen¬ den Basisliteratur ausführlich erläutert:Details of the known processes are explained in detail in the following basic literature:
R. Plank, Handbuch der Kältetechnik,R. Plank, Handbook of Refrigeration Technology,
Springer, Berlin, 1936 ff.Springer, Berlin, 1936 ff.
H.L. von Cube, Hsg., Lehrbuch der Kältetechnik,H.L. von Cube, ed., Textbook of refrigeration technology,
2 Bde, C.F. Müller, Karlsruhe, 1981.2 vols, C.F. Müller, Karlsruhe, 1981.
Bäckström, Emblik, Kältetechnik,Bäckström, Emblik, refrigeration technology,
Verlag G. Braun, Karlsruhe, 3. Aufl., 1974.Verlag G. Braun, Karlsruhe, 3rd edition, 1974.
H.L. von Cube, F. Steimle, WärmepumpenH.L. by Cube, F. Steimle, heat pumps
VDI-Verlag, Düsseldorf, 1978.VDI publishing house, Düsseldorf, 1978.
W. Niebergall, Sorptionskältemaschinen, Handbuch der Kältetechnik, R. Plank (Hsg.), Bd. 7W. Niebergall, Sorption Chillers, Handbook of Refrigeration Technology, R. Plank (Ed.), Vol. 7
Springer, Berlin, 1959. G. Alefeld, R. Radermacher, Heat Conversion Systems, CRC Press, Boca Raton etc., 1994.Springer, Berlin, 1959. G. Alefeld, R. Radermacher, Heat Conversion Systems, CRC Press, Boca Raton etc., 1994.
Auf diesen Stand der Technik wird im übrigen hin¬ sichtlich aller hier nicht näher erläuterten Begriffe ausdrücklich verwiesen.Reference is expressly made to this state of the art with regard to all terms that are not explained in more detail here.
Der Entspannungsprozeß des Arbeitsfluids in der Drossel verläuft adiabat, isenthalp und unter Verlust von Exer- gie bzw. unter Produktion von Entropie. Das Arbeits- fluid verdampft teilweise, steht also nach der Ent¬ spannung im gekühlten Zustand nicht mehr vollständig, sondern nur mehr teilweise als Flüssigkeit zur Kälte¬ erzeugung bzw. zur Wärmeaufnahme zur Verfügung.The relaxation process of the working fluid in the throttle is adiabatic, isenthalpic and with loss of energy or with the production of entropy. The working fluid vaporizes partially, ie after the relaxation in the cooled state it is no longer completely available, but is only partially available as a liquid for generating cold or for absorbing heat.
Dieser Umstand ist eine der wesentlichen Ursachen da¬ für, daß die Leistungszahlen der Kältemaschinen- bzw. Wärmepumpenprozesse grundsätzlich wesentlich kleiner als ihre theoretisch maximal möglichen, durch die Car- notschranken beschriebenen Werte sind. Zur Reduktion des bei der Drosselung entstehenden Dampfanteils ist es vorteilhaft, das Arbeitsfluid vorzukühlen. Dies ist aber im allgemeinen nur sehr begrenzt, bzw. ohne zu¬ sätzlichen Aufwand nur bis zur Umgebungstemperatur möglich.This circumstance is one of the main causes for the fact that the performance figures of the refrigeration machine or heat pump processes are fundamentally much smaller than their theoretically maximum possible values described by the car emergency barriers. To reduce the proportion of steam generated during throttling, it is advantageous to pre-cool the working fluid. In general, however, this is only very limited, or only possible up to the ambient temperature without additional effort.
Darstellung der ErfindungPresentation of the invention
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, die Lei¬ stungszahlen von Kältemaschinen und Wärmepumpen dadurch zu erhöhen, daß der Entspannungsprozeß des fluiden Arbeitsmittels in der Drossel so weitergebildet wird, daß der Flüssigkeitsanteil nach der Entspannung ver¬ größert, der Dampfanteil verkleinert, d.h. die Enthal¬ pie des Arbeitsfluids im Vergleich zu ihrem Wert im Eintrittszustand vor der Drossel verringert und damit die Exergieverluste bei der Entspannung reduziert wer¬ den.The invention is based on the object of increasing the performance figures of refrigeration machines and heat pumps by further developing the expansion process of the fluid working medium in the throttle in such a way that the proportion of liquid increases after expansion, the proportion of vapor decreases, ie the enthalpy ¬ pie of the working fluid compared to their value in the entry state before the throttle reduced and thus the exergy losses during relaxation are reduced.
Eine erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe ist im Patentanspruch 1 angegeben. Vorteilhafte Weiterbil¬ dungen sind Gegenstand der Ansprüche 2 bis 10. Die Ansprüche 11 und 12 betreffen vorteilhafte Verwendungen der erfindungsgemäß ausgebildeten Anlage.An inventive solution to this problem is specified in claim 1. Advantageous further developments are the subject of claims 2 to 10. Claims 11 and 12 relate to advantageous uses of the system designed according to the invention.
Erfindungsgemäß wird ein thermischer Separationseffekt in einem weitergebildeten Wirbelrohr nach Ranque und Hilsch verwendet: Dabei wird ein komprimierter, flui- der, d.h. insbesondere ein flüssiger, ein flüssig¬ dampfförmiger oder ein dampfförmiger Arbeitsmittel¬ strom mit Umgebungstemperatur unter Ausnutzung des thermischen Separationseffektes nach Ranque und Hilsch exotherm, d.h. unter Wärmeabgabe an die Umgebung, ent¬ spannt und abgekühlt.According to the invention, a thermal separation effect is used in a further developed vortex tube according to Ranque and Hilsch: a compressed, fluid, i.e. in particular a liquid, a liquid-vaporous or a vaporous working medium stream with ambient temperature using the thermal separation effect according to Ranque and Hilsch exothermic, i.e. releasing heat to the environment, relaxed and cooled.
Erfindungsgemäß wird ein Wirbelrohr nach Ranque und Hilsch durch einen gesonderten Warmstromkühler und eine Warmstromrückführung mit Regulierventil ergänzt und mit weiteren verfahrenstechnischen Elementen, nämlich Wär¬ metauscher, Entspannungsventil, Separator und Regulier¬ ventilen, derart versehen, daß in der erfindungsgemäßen Anlage ein in der Regel flüssiger, einen oder mehrere Stoffe enthaltender Arbeitsmittelstrom, welcher kompri¬ miert und bei Umgebungstemperatur vorliegt, exotherm, d.h. unter Wärmeabgabe an die Umgebung, entspannt wer¬ den kann, so daß im entstehenden Naßdampf der Flüssig¬ keitsanteil größer ist als beim direkten Entspannen in einer adiabaten Drossel. Bei Wärmepumpanlagen kann die abgegebene Wärme zu¬ mindest teilweise als Nutzwärme verwendet werden. Bei Kälteanlagen wird durch die Reduktion des Dampfgehaltes des entspannten Arbeitsfluids die Kälteleistung des Prozesses vergrößert.According to the invention, a vortex tube according to Ranque and Hilsch is supplemented by a separate hot-flow cooler and a hot-current return with regulating valve and provided with further process engineering elements, namely heat exchanger, expansion valve, separator and regulating valve, in such a way that a generally liquid one is used in the plant according to the invention , a stream of working fluid containing one or more substances, which is compressed and is present at ambient temperature, can be relaxed exothermally, that is to say by releasing heat to the environment, so that the proportion of liquid in the resulting wet steam is greater than in the case of direct expansion in an adiabatic one Throttle. In heat pump systems, the heat given off can at least partially be used as useful heat. In refrigeration systems, the cooling capacity of the process is increased by reducing the steam content of the expanded working fluid.
Der thermische Separationseffekt bei der Expansion komprimierter Gase und Dämpfe in Wirbelrohren nach Ranque und Hilsch ist anundfürsich seit vielen Jahren bekannt. Bei diesem Effekt wird ein Dampf- oder Gas¬ strom unter Druckabfall in einen Warmgasstrom und einen Kaltgasstrom geteilt, deren Temperaturen jeweils über bzw. unter der Temperatur des Eingangsstromes liegen. Auf folgende Basisliteratur wird hingewiesen:The thermal separation effect during the expansion of compressed gases and vapors in Ranque and Hilsch vortex tubes has been known for many years. With this effect, a steam or gas stream under pressure drop is divided into a warm gas stream and a cold gas stream, the temperatures of which are respectively above and below the temperature of the input stream. The following basic literature is pointed out:
G.J. Ranclue, "Experiences sur la detende gira- toire avec production simultanes d'un echappe- ment d'air chaud et dlun echappement d'air froid", Journal de physique et le radium, 4(1933), No.7;G.J. Ranclue, "Experiences sur la detende girtoire avec production simultanes d'un echappe- ment d'air chaud et dlun echappement d'air froid", Journal de physique et le radium, 4 (1933), No.7;
R. Hilsch, "Die Expansion von Gasen im Zentri¬ fugalfeld als Kälteprozeß", Z.f, Naturfor¬ schung, 1(1946), 208-214.R. Hilsch, "The expansion of gases in the centrifugal field as a cooling process", Z.f, Naturfor¬ research, 1 (1946), 208-214.
Eine interessante technische Anwendung zur Kühlung bzw. Trockung feuchter Gase wie z.B. feuchter Luft ist inAn interesting technical application for cooling or drying moist gases such as moist air is in
R.v. Linde, Einrichung zum Abkühlen eines verdichteten Gasstromes, DE-PS 926 729R.v. Linde, device for cooling a compressed gas stream, DE-PS 926 729
beschrieben.described.
In Flüssigkeiten tritt dieser Effekt zwar grundsätzlich auch auf, ist aber meist so klein, daß er praktisch keine Bedeutung besitzt. Will man den Effekt zur Küh¬ lung eines Flüssigkeitsstroms oder eines Flüssigkeit enthaltenden Fluidstroms nutzen, muß zunächst reiner Arbeitsdampf erzeugt werden. Dies kann durch partielles Expandieren und Verdampfen des zu entspannenden Fluid¬ stroms geschehen, von dem angenommen wird, daß er zu¬ nächst Umgebungstemperatur besitzt.In principle, this effect also occurs in liquids, but is usually so small that it has practically no meaning. If you want the effect of cooling a liquid flow or a liquid use containing fluid flow, pure working steam must first be generated. This can be done by partially expanding and evaporating the fluid stream to be expanded, which is assumed to have ambient temperature at first.
Die Erfindung erlaubt es, beliebige fluide und kompri¬ mierte Arbeitsstoffe der Energie- und Verfahrenstechnik exotherm, d.h. unter Wärmeabgabe zu entspannen. Damit ist es z.B. möglich, bei Wärmepumpenprozessen zusätz¬ lich Wärme zu gewinnen bzw. bei Kälteprozessen die Kältekapazität des Arbeitsfluids um die abgegebene Wärme zu erhöhen. Beide Effekte führen zu Erhöhungen der energetischen Leistungszahlen der Prozesse, die typischerweise bei 5 % liegen, in Sonderfällen, etwa Kreisprozessen mit Kohlendioxid (C02 ) als Arbeitsmit¬ tel, aber auch bei 10% - 15% liegen können (vgl. J.U. Keller, KI Klima, Kälte, Heizung, 21(1993), 300-304.)The invention makes it possible to relax any fluid and compressed working materials in energy and process engineering exothermally, that is to say by releasing heat. This makes it possible, for example, to obtain additional heat in heat pump processes or to increase the cooling capacity of the working fluid by the heat given off in cooling processes. Both effects lead to increases in the energetic performance figures of the processes, which are typically 5%, in special cases, such as cyclic processes with carbon dioxide (C0 2 ) as a working medium, but can also be 10% - 15% (see JU Keller, AI Climate, Cold, Heating, 21 (1993), 300-304.)
Kurze Beschreibung der ZeichnungBrief description of the drawing
Die Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens anhand von Ausführungs- beispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung exempla¬ risch beschrieben, auf die im übrigen bezüglich der Offenbarung aller im Text nicht näher erläuterten er¬ findungsgemäßen Einzelheiten ausdrücklich verwiesen wird. Es zeigen:The invention is described below by way of example without limitation of the general inventive concept by means of exemplary embodiments with reference to the drawing, to which reference is expressly made with regard to the disclosure of all details according to the invention not explained in detail in the text. Show it:
Fig. 1 ein Fließbild einer Thermodrosselanlage,1 is a flow diagram of a thermal choke system,
Fig. 2 ein Fließbild der Thermodrosselanlage gemäß Fig. 1 mit Prozeßdaten,2 shows a flow diagram of the thermal choke system according to FIG. 1 with process data,
Fig. 3 ein Kältediagramm des Thermodrosselprozesses ( P , h ) .3 shows a cold diagram of the thermal throttling process (P, h).
Fig. 4 ein Enthalpiestrom/Temperatur - Diagramm des Thermodrosselprozesses (H = hm, T) .4 shows an enthalpy current / temperature diagram of the thermal choke process (H = hm, T).
Fig. 5 eine Kältediagramm des Thermodrosselprozesses mit R22 als Arbeitsmittel,5 shows a cold diagram of the thermal throttling process with R22 as the working medium,
Fig. 6 einen Längsschnitt durch ein Kühlwirbelrohr,6 shows a longitudinal section through a cooling vortex tube,
Fig. 7 ein Fließbild einer Thermodrosselanlage mit Zusatzverdampfung, undFig. 7 is a flow diagram of a thermal reactor with additional evaporation, and
Fig. 8 und 9 die Schaltung einer ausgeführten Ver¬ suchsanlage,8 and 9 the circuit of an executed test system,
Darstellung von AusführungsbeispielenRepresentation of exemplary embodiments
Fig. 1 zeigt ein Fließbild einer erfindungsgemäß aufge¬ bauten Thermodrosselanlage. Die verwendeten Bezugs¬ zeichen haben folgende Bedeutung:1 shows a flow diagram of a thermal throttle system constructed in accordance with the invention. The reference symbols used have the following meaning:
WT WärmetauscherWT heat exchanger
D Entspannungsventil oder DrosselD expansion valve or throttle
S PhasenseparatorS phase separator
RV1, RV2, RV3 RegulierventileRV1, RV2, RV3 regulating valves
KWR KühlwirbelrohrKWR cooling vortex tube
WK WarmstromkühlerWK hot current cooler
WR Warmstromrückführung Arbeitsfluidstrom (kg/s)WR hot flow return working fluid flow (kg / s)
ΠID Dampfström (kg/s)ΠI D steam flow (kg / s)
Π.L Massenstrom siedender Flüssigkeiten (kg,s) m(L,V) Naßdampfström (kg/s) abgegebene Wärmeleistung (Watt)Π. L mass flow of boiling liquids (kg, s) m (L, V) wet steam flow (kg / s) heat output (watts)
H Enthalpiestrom Bezüglich der Verschaltung der einzelnen Elemente wird ausdrücklich auf die Darstellung in Fig. 1 verwiesen.H enthalpy current With regard to the connection of the individual elements, reference is expressly made to the illustration in FIG. 1.
Der Arbeitsfluidstrom m wird über den Wärmetauscher WT in die Drossel D geleitet. Der bei der Entspannung in der Drossel D entstehende Dampf ist stets kälter als das zugeführte Fluid, d.h. die ursprüngliche Flüssig¬ keit. Würde der Dampf direkt in einem Wirbelrohr ent¬ spannt, läge die Temperatur des Warmgasstroms nur un¬ wesentlich über der Temperatur des ursprünglichen Flüs¬ sigkeitsstroms, also z.B. Umgebungstemperatur ! Deshalb könnte der Arbeitsdampf im Wirbelrohr praktisch keine Wärme an die Umgebung abgeben.The working fluid flow m is conducted into the throttle D via the heat exchanger WT. The steam generated during expansion in the throttle D is always colder than the supplied fluid, i.e. the original liquid. If the steam were released directly in a vortex tube, the temperature of the hot gas flow would only be slightly above the temperature of the original liquid flow, i.e. e.g. Ambient temperature! Therefore, the working steam in the vortex tube could give off practically no heat to the environment.
Erfindungsgemäß wird deshalb der in dem Separator S von der Restflüssigkeit getrennten Dampfstrom ΠID in einem geeignet ausgelegten Wärmetauscher WT durch die Wärme des nachströmenden Flüssigkeitsstroms m wieder mög¬ lichst weit erwärmt, d.h. bis auf wenige Grade unter Umgebungstemperatur ! Wird der vorgewärmte Dampfstrom in dem Kühlwirbelrohr KWR expandiert, so liegt die Temperatur des in Wandnähe des Wirbelrohrs sich bilden¬ den Warmgasstroms Π.H erfahrungsgemäß deutlich, d.h. um ca. 30-4O°C über der Umgebungstemperatur. Der Warmgas¬ strom kann also in einem separaten, meist als Rohr¬ schlange ausgebildeten Kühler WK gekühlt werden. Die Wärme wird dabei über Kühlrippen des Warmstromküh¬ lers WK an ein Kühlmedium, z.B. Wasser, oder an die Umgebungsluft abgegeben. Nach der Kühlung wird der Warmgasstrom Π.H mit dem ebenfalls im Wirbelrohr er¬ zeugten Kaltstrom mc durch die Warmstromrückführung mit Regulierventil RV2 wieder vereinigt, um mit dem in einem weiteren Regulierventil RV3 entspannten Flüssig- keitsstrom im. zum Naßdampfström m(L,V) vereinigt zu werden.According to the invention, therefore, the vapor stream ΠI D separated from the residual liquid in the separator S is reheated as much as possible in a suitably designed heat exchanger WT by the heat of the incoming liquid stream m, ie to a few degrees below ambient temperature! If the preheated steam stream is expanded in the cooling vortex tube KWR, the temperature of the hot gas stream in forming near the wall of the vortex tube is. Experience has shown that H is clear, ie around 30-40 ° C above the ambient temperature. The hot gas stream can thus be cooled in a separate cooler WK, which is usually designed as a coil. The heat is emitted via cooling fins of the hot-flow cooler WK to a cooling medium, for example water, or to the ambient air. After cooling, the hot gas flow Π. H combined with the cold flow m c also generated in the vortex tube by the warm current return with regulating valve RV2, in order to work with the liquid expanded in a further regulating valve RV3. current in. to be combined to form the wet steam flow m (L, V).
Fig. 2 zeigt die in Fig. 1 dargestellte Anlage, wobei an den Stellen 3 bis 9 exemplarisch Prozeßdaten einge¬ tragen sind.FIG. 2 shows the system shown in FIG. 1, process data being entered at positions 3 to 9 as an example.
Die angegebenen Daten beziehen sich von oben nach unten - wie auch dem Kasten in Fig. 2 zu entnehmen ist - jeweils auf die Temperatur, den Druck, den Massenstrom, die spezifische Enthalpie und den Dampfgehalt des Ar¬ beitsmittels in den einzelnen Zuständen.The data given relate from top to bottom - as can also be seen from the box in FIG. 2 - in each case on the temperature, the pressure, the mass flow, the specific enthalpy and the vapor content of the working medium in the individual states.
Das Arbeitsmittel besitzt beim Austritt aus der Anlage einen Dampfgehalt von ca. 28% (Massenanteile).The working fluid has a steam content of approx. 28% (mass fraction) when it leaves the system.
Bei isenthalper Entspannung in einer Drossel her¬ kömmlicher Art würde - wie Fig. 5 zu entnehmen ist - der Dampfgehalt ca. 31-32% betragen. Diese Figur zeigt das Kältediagramm eines realisierten Thermodrosselpro¬ zesses mit dem Kältemittel R22. Die Zustandsnummern beziehen sich auf die in Figuren 2-4 angegebenen Zu¬ stände bzw. Stellen.In the case of isenthalpic relaxation in a throttle of a conventional type, the steam content would be approximately 31-32%, as can be seen in FIG. 5. This figure shows the cold diagram of an implemented thermal throttling process with the refrigerant R22. The state numbers relate to the states or digits indicated in FIGS. 2-4.
Der Enthalpiestrom H des Fluids wird in der Anlage von H = 1500 W durch Abgabe der Wärmeleistung Q = 60 W auf H - Q = 1440 W reduziert.The enthalpy flow H of the fluid is reduced in the system from H = 1500 W by giving off the heat output Q = 60 W to H - Q = 1440 W.
Für folgende Stellen sind Prozeßdaten angegeben:Process data are given for the following places:
3" Eintrittszustand des Arbeitsfluids,3 "state of entry of the working fluid,
4 Austrittszustand des Fluids nach Abkühlung im Wär¬ metauscher WT, 5 Austrittszustand des Arbeitsfluids nach Drossel D,4 outlet state of the fluid after cooling in the heat exchanger WT, 5 outlet state of the working fluid after throttle D,
5' Zustand der siedenden Flüssigkeit im Separator D,5 'state of the boiling liquid in separator D,
5" Zustand des Sattdampfes im Separator,5 "state of saturated steam in the separator,
6" Zustand des Arbeitsdampfes nach Erwärmung bzw. Über¬ hitzung im Wärmetauscher WT,6 "state of the working steam after heating or overheating in the heat exchanger WT,
7 Austrittszustand des Arbeitsdampfes nach Expansion und Kühlung im Kühlwirbelrohr,7 state of the working steam after expansion and cooling in the cooling vortex tube,
8 Entspannungszustand der siedenden Flüssigkeit nach Drosselung auf den Enddruck,8 state of relaxation of the boiling liquid after throttling to the final pressure,
9 Zustand des Naßdampfes nach Vereinigung des gekühl¬ ten Arbeitsdampfes (7) und der entspannten Arbeits¬ flüssigkeit (8) .9 Condition of the wet steam after combining the cooled working steam (7) and the relaxed working liquid (8).
Den angegebenen Werten liegen folgende Prozeßbedingun¬ gen zugrunde:The values given are based on the following process conditions:
Arbeitsstoff: R22,Working substance: R22,
Massenstrom(L) : 12 g/s,Mass flow (L): 12 g / s,
Abgegebene Wärmeleistung: 60 W.Heat output: 60 W.
Ebenfalls wird wieder ausdrücklich auf die aus Fig. 2 entnehmbaren Werte als Offenbarung der Erfindung ver¬ wiesen.Also explicitly referred to the values that can be gathered from FIG. 2 as a disclosure of the invention.
Fig. 7 zeigt eine vorteilhafte Weiterbildung der Ther- modrossel. Dargestellt ist das Fließbild einer Thermo¬ drosselanlage mit Zusatzkühlung des aus dem Warmstrom¬ kühlers WK austretenden Warmstromes im Separator/Ver- dampfer (S,V) der Anlage. Die ursprüngliche Schaltung gemäß Figur 1 ist strichliert zusätzlich eingetragen.7 shows an advantageous development of the thermal reactor. The flow diagram of a thermal throttling system with additional cooling of the hot current emerging from the hot-flow cooler WK is shown in the separator / steamer (S, V) of the system. The original circuit according to FIG. 1 is also entered in broken lines.
Der Unterschied zu dem in Fig. 1 dargestellten Flie߬ bild besteht darin, daß der Warmgasstrom Π.H nach dem Austreten aus dem Warmstromkühler WK nicht direkt mit dem Kaltstrom mc vereinigt wird. Die Vereinigung er¬ folgt vielmehr erst, nachdem der Warmgasstrom einen in den Separator S eingebauten Wärmetauscher passiert hat. Dort gibt der Warmstrom ΠIH Wärme an das teilentspannte und vorgekühlte flüssige Arbeitsmittel ab, welches, da es sich in einem Dampf-Flüssigkeits-Gleichgewichtszu¬ stand befindet, nicht erwärmt, sondern zusätzlich ver¬ dampft. Dadurch wird der Dampfström mo gegenüber dem der in Fig. 1 dargestellten Schaltung vergrößert. Damit steigt auch der Warmgasstrom IUH und die von ihm im Wärmetauscher WK abgegebene Wärme Q ~ ΠIH an !The difference from the flow diagram shown in FIG. 1 is that the hot gas flow Π. H after leaving the hot-flow cooler WK is not directly combined with the cold flow m c . Rather, the union takes place only after the hot gas flow has passed a heat exchanger built into the separator S. There, the hot current ΠI H gives off heat to the partially relaxed and pre-cooled liquid working fluid which, since it is in a vapor-liquid equilibrium state, does not heat up but also evaporates. This increases the steam flow mo compared to that of the circuit shown in FIG. 1. This also increases the warm gas flow IU H and the heat Q ~ ΠI H given off in the heat exchanger WK!
Diese Schaltung, in welcher der Separator S gleichzei¬ tig als Verdampfer (V) wirkt, eignet sich besonders für Fluide und Entspannungsprozesse, die in der Nähe ihres kritischen Zustandes, also bei kleinen Werten der Ver¬ dampfungsenthalpie erfolgen, wie z.B. bei Kohlendioxid (C02 ) , da dann die Zunahme des DampfStromes o durch die Zusatzverdampfung im Separator/Verdampfer besonders groß sein kann.This circuit, in which the separator S acts as an evaporator (V) at the same time, is particularly suitable for fluids and expansion processes that occur close to their critical state, i.e. with low values of the enthalpy of vaporization, such as with carbon dioxide (C0 2 ), since the increase in steam flow o due to the additional evaporation in the separator / evaporator can be particularly large.
In den Fig. 3 und 4 ist der in der Thermodrossel nach Fig. 1 stattfindende exotherme Entspannungsprozeß eines als flüssig angenommenen Arbeitsmediums im Kältedia- gramra nach C.v. Linde (p,h bzw. ln(p/p0 ),h) und im Enthalpiestrom-Temperatur-Diagramm nach Linhoff (T, H=hm) dargestellt. Die Zustandsnummern beziehen sich auf die in Figur 2 angegebenen Stellen. Halbfett hervorgehoben sind in Fig. 3 die Siede- und die Taulinie des Arbeitsfluids. Die strichlierten Li¬ nien deuten auf den Wärmetauscher WT der Anlage hin. In Fig. 4 sind qualitativ die im Kühlwirbelrohr zunächst erfolgende thermische Separation, beschrieben durch den Warmdampfzustand H und den Kaltdampfzustand C, (vgl. auch Fig. 6), sowie die durch Abkühlung des Warmdampfes im Warmdampfkühler WK an die Umgebung abgegebene Wärme¬ leistung Q eingetragen.3 and 4 is the exothermic relaxation process taking place in the thermal reactor according to FIG. 1 of a working medium assumed to be liquid in the refrigeration program according to Cv Linde (p, h or ln (p / p 0 ), h) and in the enthalpy flow -Temperature diagram according to Linhoff (T, H = hm) shown. The status numbers refer to the digits shown in Figure 2. The boiling and dew lines of the working fluid are highlighted in bold in FIG. 3. The dashed lines indicate the heat exchanger WT of the system. 4 qualitatively shows the thermal separation which initially takes place in the cooling vortex tube, described by the hot steam state H and the cold steam state C (cf. also FIG. 6), and the heat output Q released to the environment by cooling the hot steam in the warm steam cooler WK registered.
Fig. 6 zeigt einen Längsschnitt durch ein Kühlwirbelrohr (KWR), (vgl. auch Offenlegungsschrift DE 43 45 137 AI vom 29.06.1995) .Fig. 6 shows a longitudinal section through a cooling vortex tube (KWR), (see also published application DE 43 45 137 AI from 06/29/1995).
Das Kühlwirbelrohr ist ein Wirbelrohr nach Ranque und Hilsch (RHWR), welches mit einem mit Kühlrippen (10) versehenen Warmstromkühler (WK), einer Warmstromrück¬ führung (WR) und einem Regulierventil RV2 versehen ist. Der dampfförmige Arbeitsstoff tritt durch einen Ein¬ laßkanal (11) tangential an den kreisförmigen Quer¬ schnitt des Wirbelrohres ein und wird unter Bildung einer Drallströmung in einen Warmstrom (12), Zustand (H) und einen Kaltstrom (13), Zustand (C), separiert. Der Warmstrom (12) wird im Warmstromkühler (WK) gekühlt und gibt dabei an ein Kühlmedium oder an die Umgebung die Wärmeleistung Q ab. Danach wird der gekühlte Warm¬ strom über eine Warmstromrückführung WR und ein Re¬ gulierventil RV2 mit dem Kaltström 13 wieder vereinigt und tritt als gekühlter Dampf bzw. Naßdampf aus dem Kühlwirbelrohr aus.The cooling vortex tube is a vortex tube according to Ranque and Hilsch (RHWR), which is provided with a hot-flow cooler (WK) provided with cooling fins (10), a warm-current return line (WR) and a regulating valve RV2. The vaporous working material enters through an inlet channel (11) tangentially to the circular cross section of the vortex tube and is formed into a warm flow (12), state (H) and a cold flow (13), state (C), forming a swirl flow. , separated. The hot current (12) is cooled in the hot-current cooler (WK) and gives off the heat output Q to a cooling medium or to the environment. Thereafter, the cooled hot flow is recombined with the cold flow 13 via a warm flow return WR and a regulating valve RV2 and emerges from the cooling vortex tube as cooled steam or wet steam.
Fig. 8 zeigt das Flußdiagramm einer am Institut für Fluid- und Thermodynamik der Universität Siegen ge- planten, ausgelegten und gebauten Thermodrosselanlage. Sie ist als Experimentieranlage mit zahlreichen Meßge¬ räten versehen und kann beispielsweise an einer Kälte¬ anlage mit dem Kältemittel R22 betrieben werden. In Fig. 8 ist die gesamte Anlage mit den rechts in Bild¬ mitte befindlichen Zu- und Ableitungen des Arbeits- fluids dargestellt. Dabei werden die üblichen Symbole für die einzelnen Bauelemente verwendet, so daß auf eine vollständige Beschreibung verzichtet wird und statt dessen auf die Darstellung in Fig. 8 verwiesen wird.8 shows the flowchart of a process performed at the Institute for Fluid and Thermodynamics at the University of Siegen. planned, designed and built thermal throttle system. As an experimental system, it is provided with numerous measuring devices and can be operated with the refrigerant R22, for example, in a refrigeration system. 8 shows the entire system with the feed and discharge lines of the working fluid located in the center on the right in the figure. The usual symbols for the individual components are used so that a complete description is dispensed with and reference is instead made to the illustration in FIG. 8.
Fig. 9 zeigt einen Ausschnitt der in Fig. 8 dargestell¬ ten Anlage und zwar die Verschaltung des Kühlwirbel¬ rohrs KWR, des Warmstromkühlers WK und des Regulier¬ ventils RV2.FIG. 9 shows a section of the system shown in FIG. 8, namely the connection of the cooling vortex tube KWR, the warm current cooler WK and the regulating valve RV2.
Vorstehend ist die Erfindung anhand von Ausführungs¬ beispielen ohne Beschränkung des allgemeinen Erfin¬ dungsgedankens beschrieben worden. Innerhalb dieses allgemeinen Erfindungsgedankens können aufgrund der vorstehenden Beschreibung von einem Fachmann Thermo- Drosseln, d.h. Kühlanlagen ohne bewegte Teile zur exo¬ thermen, d.h. wärmeabgebenden Entspannung komprimierter fluider Arbeitsstoffe der Energie- und Verfahrenstech¬ nik realisiert werden.The invention has been described above with reference to exemplary embodiments without restricting the general concept of the invention. Within this general concept of the invention, based on the above description, thermal chokes, i.e. Cooling systems without moving parts for exothermic, i.e. heat-releasing relaxation of compressed fluid working materials in energy and process engineering can be realized.
Die Anlage bestehen im allgemeinen aus einem Wärmetau¬ scher, einem Entspannungsventil, einem Separator und einem Kühlwirbelrohr, d.h. einem durch einen gesonder¬ ten Warmstromkühler und eine Warmstromrückführung mit Regulierventil ergänzten Wirbelrohr insbesondere nach Ranque und Hilsch. Diese Elemente sind so miteinander verschaltet, daß ein insbesondere mit Umgebungstempe- ratur ankommender Strom eines komprimierten fluiden, d.h. flüssigen, flüssig-dampfförmig gemischten oder dampfförmigen Arbeitsmediums exotherm, d.h. unter Wär¬ meabgabe an seine Umgebung, unter Bildung eines Flüs¬ sigkeit-Dampf-Gemisches oder eines Dampfes entspannt wird. Das Arbeitsmedium kann ein reiner Stoff oder ein Stoffgemisch sein.The system generally consists of a heat exchanger, an expansion valve, a separator and a cooling vortex tube, ie a vortex tube supplemented by a separate hot-flow cooler and a hot-current return with regulating valve, in particular according to Ranque and Hilsch. These elements are interconnected so that a Incoming stream of a compressed fluid, ie liquid, liquid-vapor mixed or vaporous working medium exothermic, ie with heat released to its environment, with the formation of a liquid-vapor mixture or a vapor is expanded. The working medium can be a pure substance or a mixture of substances.
Die Ther o-Drossel kann grundsätzlich in allen Pro¬ zessen der Energie- und Verfahrenstechnik anstelle gewöhnlicher, adiabat arbeitender Drossel- oder Ent¬ spannungsventile eingesetzt werden. Bei Wärmepumpen- und Kältekreisprozessen führt sie zu Energieeinsparun¬ gen, d.h. zu nicht unerheblichen Erhöhungen der Lei¬ stungszahlen. The Ther o-throttle can basically be used in all processes of energy and process engineering instead of conventional, adiabatically operating throttle or relief valves. In heat pump and refrigeration cycle processes, it leads to energy savings, i.e. to not inconsiderable increases in performance figures.

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e Patent claims
1. Kühlanlage, in der ein Arbeitsmittelstrom (m) einem exothermen Entspannungsprozeß unterzogen wird, d.h. unter Abgabe einer Wärmeleistung (Q) in einen Naßdampf- ström (m(L,V)) überführt wird, mit einem Wärmetauscher (WT), in den ein in der Regel flüssiger, einen oder mehrere Stoffe enthaltender Arbeitsmittelstrom (m) eintritt, einer Drossel (D), in die der aus dem Wärmetauscher austretende Arbeitsmittelstrom eintritt, einem der Drossel nachgeschaltetem Separator (S), der den Arbeitsmittelstrom in einen Dampfström (ΠID ) und einen Strom (IΓIL ) siedender Flüssigkeit separiert, einem Wirbelrohr (KWR) insbesondere nach Ranque und Hilsch, in das der Dampfström nach Passieren des Wärme¬ tauschers (WT) eintritt, und das den Dampfström in einen Warmstrom (12) und einen Kaltstrom (13) teilt, einem Warmstromkühler (WK) , und einer Warmstromrückführung (WR) mit Regulierventil (RV2), die den abgekühlten Warmstrom mit dem Kaltstrom vereinigt, so daß im entstehenden Naßdampf der Flüssig¬ keitsanteil größer ist als beim direkten Entspannen in einer adiabaten Drossel.1. Cooling system in which a flow of working fluid (m) is subjected to an exothermic relaxation process, that is to say, with a heat output (Q) being transferred into a wet steam stream (m (L, V)), with a heat exchanger (WT) into which a working fluid flow (m), usually containing liquid, containing one or more substances, a throttle (D) into which the working fluid flow exiting the heat exchanger enters, a separator (S) connected downstream of the throttle, which separates the working fluid flow into a steam flow (ΠI D ) and a stream (IΓIL) of boiling liquid separated, a vortex tube (KWR) in particular according to Ranque and Hilsch, into which the steam flow enters after passing through the heat exchanger (WT), and which the steam flow into a warm flow (12) and one Cold flow (13) divides, a hot flow cooler (WK), and a hot flow return (WR) with regulating valve (RV2), which combines the cooled warm flow with the cold flow, so that in the resulting wet steam f the liquid fraction is greater than when relaxing directly in an adiabatic throttle.
2. Kühlanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der einströmende fluide, einen oder mehrere Stoffe enthaltender Arbeitsmittel¬ strom (Arbeitsfluidstrom ) sich in einem komprimierten Flüssigkeitszustand oder einem Siedezustand, einem Naßdampfzustand, einem Sattdampfzustand oder einem überhitzten Dampfzustand befindet. 2. Cooling system according to claim 1, characterized in that the inflowing fluid, one or more substances containing Arbeitsmittel¬ stream (working fluid stream) is in a compressed liquid state or a boiling state, a wet steam state, a saturated steam state or a superheated steam state.
3. Kühlanlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Arbeitsfluidstrom zu¬ nächst in dem Wärmetauscher (WT) isobar gekühlt und in der Drossel D teilweise entspannt wird, so daß er in ein Flüssigkeit-Dampf-Gemisch überführt wird.3. Cooling system according to claim 1 or 2, characterized in that the working fluid stream is first cooled isobarically in the heat exchanger (WT) and is partially relaxed in the throttle D, so that it is converted into a liquid-steam mixture.
4. Kühlanlage nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Flüssigkeit-Dampf- Gemisch unter dem Einfluß der Schwerkraft in dem Sepa¬ rator S in den Dampfström mo und den Strom siedender Flüssigkeit AL getrennt wird.4. Cooling system according to claim 3, characterized in that the liquid-steam mixture is separated under the influence of gravity in the Sepa¬ rator S in the steam flow mo and the flow of boiling liquid AL.
5. Kühlanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der zunächst kalte Dampf- ström (mo ) nach dem Passieren des Wärmetauschers (WT) und der hierdurch erfolgten Erwärmung durch ein Re¬ gulierventil RVl in das Kühlwirbelrohr (KWR) eintritt, in dem er unter Bildung einer Drallströmung weiter entspannt und durch Wärmeabgabe des im Wirbelrohr ge¬ bildeten WarmgasStromes im Warmstromkühler WK abgekühlt wird, und5. Cooling system according to one of claims 1 to 4, characterized in that the initially cold steam flow (mo) after passing through the heat exchanger (WT) and the resulting heating occurs through a regulating valve RVl in the cooling vortex tube (KWR) , in which it is further expanded to form a swirl flow and cooled in the hot-flow cooler WK by the heat given off by the hot gas stream formed in the vortex tube, and
« daß der Strom siedender Flüssigkeit Π.L über ein Re¬ gulierventil RV3 entspannt wird und nach Vereinigung mit dem gekühlten Dampfstrom mo die Anlage als Na߬ dampfstrom m(L,V) verläßt.«That the flow of boiling liquid Π.L is expanded via a regulating valve RV3 and, after combining with the cooled steam flow mo, leaves the system as a wet steam flow m (L, V).
6. Kühlanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis des in der Drossel D auftretenden Druckabfalls po zu dem im Kühl¬ wirbelrohr bzw. im Regulierventil (RV3) auftretenden Druckabfall p zwischen 1 und 30 liegt. 6. Cooling system according to one of claims 1 to 5, characterized in that the ratio of the pressure drop occurring in the throttle D po to the pressure drop p occurring in the cooling vortex tube or in the regulating valve (RV3) is between 1 and 30.
7. Kühlanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Massenverhältnis des Dampfstromes mo zum Flüssigkeitsstrom ΠIL zwischen 5 % und 50 % liegt.7. Cooling system according to one of claims 1 to 6, characterized in that the mass ratio of the steam flow mo to the liquid flow ΠIL is between 5% and 50%.
8. Kühlanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Eintrittsgeschwindig¬ keit des DampfStromes in das Kühlwirbelrohr (KWR) min¬ destens 50 % und höchstens 100 % der Schallgeschwindig¬ keit im Eintrittszustand beträgt.8. Cooling system according to one of claims 1 to 7, characterized in that the entry speed of the steam flow into the cooling vortex tube (KWR) is at least 50% and at most 100% of the speed of sound in the entry state.
9. Kühlanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Geschwindigkeit der Drallströmung des an den Wänden des Kühlwirbelrohrs (KWR) expandierenden DampfStroms in Richtung der lot¬ rechten Rohrachse nach oben mindestens 10 % und höch¬ stens 60 % der Schallgeschwindigkeit des Dampfes im Eintrittszustand beträgt.9. Cooling system according to one of claims 1 to 8, characterized in that the speed of the swirl flow of the steam stream expanding on the walls of the cooling vortex tube (KWR) in the direction of the vertical tube axis at least 10% and at most 60% of the speed of sound of the steam in the entry state.
10. Kühlanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der aus dem Warmstromkühler (WK) gekühlt austretende Warmgasstrom mH noch zusätz¬ lich durch einen in den Separator (S) eingebauten Wär¬ metauscher geleitet und erst danach mit dem aus dem Kühlwirbelrohr austretenden Kaltstrom mc über das Re¬ gulierventil (RV2) vereinigt und danach dem durch das Ventil (RV3) entspannten Flüssigstrom ΠIL zugeführt wird (Figur 7) .10. Cooling system according to one of claims 1 to 9, characterized in that the hot gas stream m H emerging from the hot-flow cooler (WK) is additionally passed through a heat exchanger built into the separator (S) and only then with the out the cold flow m c emerging from the cooling vortex tube is combined via the regulating valve (RV2) and is then fed to the liquid flow ΠIL which is relaxed by the valve (RV3) (FIG. 7).
11. Verwendung einer Kühlanlage oder einer Kaskadenschal¬ tung solcher Anlagen in paralleler oder serieller Wei¬ se nach einem der Ansprüche 1 bis 10 in Wärmepumpen und Kältemaschinen mit Kompressionstechnik, Absorptions¬ technik, Adsorptionstechnik oder einer Kombination dieser Techniken in einstufiger oder mehrstufiger Bau¬ weise zum mono- oder multivalenten Betrieb durch Ersatz des adiabaten Expansionsventils oder der adiabaten Entspannungsdüse durch die Kühlanlage (1).11. Use of a cooling system or a cascade circuit of such systems in parallel or serial manner according to one of claims 1 to 10 in heat pumps and refrigeration machines with compression technology, absorption technology, adsorption technology or a combination of these techniques in one-stage or multi-stage construction for mono- or multivalent operation by replacing the adiabatic expansion valve or the adiabatic expansion nozzle by the cooling system (1).
12. Verwendung einer Kühlanlage oder einer Kaskaden¬ schaltung solcher Anlagen in paralleler oder serieller Weise nach einem der Ansprüche 1 bis 10 in Anlagen der Energie- und Verfahrenstechnik zur exothermen Ent¬ spannung oder Kühlung von Industriesolen und ähnlichen Arbeitsfluiden als Ersatz für ein oder mehrere adiabate Entspannungsventile. 12. Use of a cooling system or a Kaskaden¬ circuit of such systems in a parallel or serial manner according to one of claims 1 to 10 in systems of energy and process engineering for exothermic Ent¬ relaxation or cooling of industrial brines and similar working fluids as a replacement for one or more adiabatic Relief valves.
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