WO2019080967A1 - Kälteanlage und verfahren zum betreiben der kälteanlage - Google Patents

Kälteanlage und verfahren zum betreiben der kälteanlage

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heat exchanger
heat
refrigeration system
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Robin Langebach
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Technische Universitaet Dresden
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    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B2700/00—Sensing or detecting of parameters; Sensors therefor
    • F25B2700/19—Pressures

Definitions

  • the invention relates to a refrigeration system having a primary circuit for circulating a first working fluid with a first heat exchanger and a secondary circuit for circulating a second working fluid and for dissipating heat of a heat source.
  • the secondary circuit is formed with a delivery device for delivering the second working fluid, the first heat exchanger for transferring heat from the second working fluid to the first working fluid, and a second heat exchanger for transferring heat from the heat source to the second working fluid.
  • the invention relates to a method for operating a refrigeration system with a primary circuit and a secondary circuit.
  • trifluoromethane As a working fluid for removing heat from a heat source by means of circulating fluid, also referred to as providing or generating refrigeration, at temperatures below -50 ° C, trifluoromethane, also known as fluoroform, is conventionally used. Trifluoromethane is abbreviated to the refrigeration name R23. R23 is next to the rather insignificant tetrafluoromethane, also abbreviated to the refrigeration technical name R14, currently the only available refrigerant for applications with heat transfer in the temperature range less than -50 ° C, which is neither flammable nor toxic. However, R23 exhibits a dramatically high global warming potential, also known as global warming potential (GWP), of about 14,800.
  • GWP global warming potential
  • the prior art discloses various combustible refrigerants for use in a temperature range lower than -50 ° C.
  • natural substances such as ethane or ethene
  • secondary fluids liquid refrigerants are mostly used, which merely transport the refrigerating capacity from a place of production to a place of use.
  • the secondary fluids are also typically flammable, toxic and / or have an unacceptably high viscosity at low temperatures.
  • non-flammable and non-toxic working fluids are very costly, so that their attractiveness for use in refrigeration systems is very low.
  • liquid - gaseous and gaseous - liquid circulating refrigerant are in the temperature range lower than -50 ° C in addition to the R23 as a safety refrigerant largely only flammable refrigerant or presently insufficiently researched mixtures available.
  • the device has a main engine-driven compressor for compression the refrigerant from an evaporator pressure level to a high pressure level, a high-pressure heat exchanger for condensing / gas cooling the refrigerant, an expander for work-performing expansion of the refrigerant, and an evaporator for transferring heat to the refrigerant. Between the high-pressure heat exchanger and the expander, a heat exchanger for subcooling the emerging from the high-pressure heat exchanger refrigerant is arranged.
  • a branch point for branching a partial mass flow of the refrigerant is formed, wherein the branched partial mass flow is relaxed by means of a high pressure control valve to a medium pressure level, then passed countercurrently through the subcooler and thereby absorbs heat, so that the refrigerant is supercooled to high pressure level ,
  • the partial mass flow is compressed in a high-pressure compressor, which is mechanically connected to the expander to the high pressure level and mixed in the flow direction of the refrigerant upstream of the high pressure heat exchanger with effluent from the main compressor mass flow.
  • DE 20 2006 014 246 U1 also describes a cold-vapor refrigerating machine with an evaporator for evaporating the refrigerant, a compressor for compressing the refrigerant, a condenser or gas cooler for condensing / gas cooling the refrigerant, and a decompression device for decompressing the refrigerant.
  • the refrigerant is liquefied with subcritical operation of the refrigerant circuit, such as with the refrigerant R134a or under certain environmental conditions with carbon dioxide
  • the heat exchanger for heat transfer from the refrigerant is referred to as a capacitor. Part of the heat transfer takes place at a constant temperature.
  • the heat exchanger In supercritical operation or supercritical heat in the heat exchanger, the temperature of the refrigerant steadily decreases.
  • the heat exchanger is also used as a gas cooler designated.
  • Supercritical operation may occur under certain environmental conditions or operations of the refrigerant cycle with, for example, the refrigerant carbon dioxide.
  • the following conventionally known methods are:
  • the object of the invention is now to provide a refrigeration system with a circulating in the refrigerant circuit refrigerant, in particular a combustible refrigerant, so with a mandatory non-combustible working fluid to connect to a refrigeration consumer as a heat source.
  • the cooling power generated by the refrigerant circuit is to be transmitted via the non-combustible working fluid to the heat source.
  • the cooling power required at the heat source should be provided in a temperature range up to a maximum of -50 ° C, in particular to -100 ° C and less. It is to dispense with the use of environmentally harmful, especially flammable and / or toxic working fluids and cost-intensive working fluids and working fluids with unacceptably high viscosity.
  • the efficiency of the operation of the refrigeration system should be maximum. The costs of the refrigeration system during operation, production, maintenance and installation must be minimized.
  • the object is achieved by a refrigeration system according to the invention, in particular for transferring heat in the temperature range to a maximum of -50 ° C.
  • the refrigeration system has a primary circuit for circulating a first working fluid with a first heat exchanger and a secondary circuit for circulating a second working fluid and for removing heat from a heat source.
  • the secondary circuit is formed with a conveying device for conveying the second working fluid, the first heat exchanger for transmitting heat from the second working fluid circulating in the secondary circuit to the first working fluid circulating in the primary circuit and a second heat exchanger for transmitting heat from the heat source to the second working fluid.
  • the secondary circuit is a cold gas cycle and the second working fluid is a gas having a positive Joule-Thomson coefficient, in particular in the temperature range of -100 ° C to -50 ° C or in a pressure range of about 50 bar to 200 bar , educated.
  • the second heat exchanger has an expansion device.
  • the expansion device is configured such that, at least in one design case, an amount of the positive temperature change caused by the absorption of heat by the second working fluid corresponds to the amount of a negative temperature change caused by the pressure change of the second working fluid having a positive Joule-Thomson coefficient.
  • the secondary circuit is formed as a high pressure cold gas cycle with a purely thermodynamic pressure equalization and an expansion heat transfer device.
  • the secondary circuit is advantageously formed with a non-combustible inert gas as the second working fluid, in particular xenon or argon or nitrogen or a mixture with xenon and / or argon and / or nitrogen, filled.
  • the primary circuit is preferably designed to be filled with a natural, combustible refrigerant, such as ethene or ethane, as the first working medium.
  • the expansion device of the second heat exchanger from a flow path of the second working fluid through the second heat exchanger forming Strömungsleit Nuren, in particular from tubes or channels or disposed therein, a pressure loss generating means, such as a pressure control device is formed.
  • the expansion device can also be formed exclusively from channels provided in the second heat exchanger with a correspondingly high pressure loss generating flow cross sections for the gaseous working fluid.
  • the primary circuit as a refrigerant circuit at least one compressor, a heat exchanger operable as a condenser / gas cooler, an expansion element and the first heat exchanger operable as an evaporator.
  • the first heat exchanger is called a thermal connection between the Primary circuit and the secondary circuit advantageously operated as a refrigerant cold gas heat exchanger.
  • the secondary circuit has a surge tank for storing second working fluid and keeping constant the pressure of the second working fluid within the secondary circuit.
  • the pressure equalization tank is integrated via a line at a branch point in the secondary circuit.
  • the pressure equalization tank advantageously has a volume which, based on an operating temperature of the second working fluid within the secondary circuit, is between 5 and 10 times greater than the volume of the secondary circuit.
  • the pressure equalization tank is preferably also arranged such that the stored within the surge tank second Häfiuid ambient temperature, which has a predominantly constant value during operation of the refrigeration system, in particular via the operating process.
  • an internal heater can be provided to achieve an increase in the pressure of the second working fluid within the secondary circuit, for example, to compensate for smaller pressure drops due to temperature changes at the cold end of the secondary circuit.
  • the branch point of the line of the surge tank is advantageously arranged between the conveying device and the first heat exchanger of the secondary circuit.
  • the line for incorporating the surge tank in the secondary circuit is also preferably formed with a pressure control device, in particular with at least one pressure control valve.
  • the secondary circuit has a Ablassström ungspfad with a discharge device for discharging second Anlagenfiuid from the secondary circuit, for example, in the environment on.
  • the Ablassström is ungspfad at a branch point involved in the secondary circuit.
  • the branch point of the Ablassström ungs path is preferably disposed between the second heat exchanger and the conveying device of the secondary circuit.
  • the conveying device of the secondary circuit is designed as a pump or as a compressor, which has a compression ratio smaller than 1.3.
  • the advantageous embodiment of the invention in particular with regard to the circulating within the secondary circuit gaseous second working fluid with a positive Joule-Thomson coefficient, especially as a non-combustible gas, and the possible use of combustible refrigerant within the primary circuit, allows the use of the refrigeration system according to the invention for transmitting of heat in the temperature range up to -50 ° C with the operated at a high pressure second working fluid for heat absorption from a heat source, in particular a cold consumer.
  • the high pressure of the circulating within the secondary circuit second working fluid has values in the range of about 50 bar to 200 bar, in particular in the range of about 50 bar to 120 bar, on.
  • the refrigeration consumer is consequently a device or system which dissipates refrigerating capacity or effects the removal of the refrigerating capacity and has a specific cooling capacity requirement.
  • the cold consumer represents the heat source.
  • the object of the invention is also achieved by an inventive method for operating a refrigeration system, in particular for transferring heat in the temperature range to a maximum of -50 ° C, with a primary circuit and a secondary circuit.
  • the method for operating the refrigeration system comprises the following steps: - Passing a flowing out of a conveying device of the secondary circuit second working fluid at a high pressure level by a first heat exchanger, wherein heat is circulated by circulating in the secondary circuit second working fluid to a circulating in the primary circuit first working fluid, and
  • a non-combustible inert gas used as a second working fluid having a positive Joule-Thomson coefficient flowing through the second heat exchanger is heated and relaxed such that an amount of positive temperature change by absorbing heat is changed by an amount of negative temperature change Pressure change corresponds, so that a "quasilatenter” heat transfer occurs.
  • circulating first working fluid is advantageously a combustible, natural refrigerant, in particular ethane or ethene used.
  • the primary circuit is consequently operated as a refrigerant circuit and as a cold vapor process, in particular as a cold vapor compression refrigeration process.
  • the pressure of the second working fluid is kept constant within the secondary circuit with temperature changes outside the secondary circuit.
  • a pressure control device second working fluid from a pressure equalization tank supplied to the secondary circuit or discharged from the secondary circuit into the pressure equalization tank.
  • the second working fluid depending on Need released as a quenching gas from the secondary circuit.
  • the second working fluid can be discharged, for example, either into a machine room of the refrigerant circuit, in particular a refrigerant circuit filled with a combustible refrigerant, and / or for quenching gas purposes for cooling application.
  • Refrigeration consumer as a heat source, thus coupling of one or more refrigerant circuits with a combustible refrigerant and a non-combustible working fluid at the heat source,
  • FIG. 1 shows a refrigeration system 1 with a refrigerant circuit 2 as a primary circuit for generating a cooling capacity at a low temperature level, in particular in the temperature range below -50 ° C, and a secondary circuit 3 with a refrigeration consumer 4.
  • primary circuit 2 is by a single-stage or multi-stage trained cold steam process, in particular a cold vapor compression refrigeration process, which generates necessary for the refrigeration consumer 4 cooling capacity.
  • the primary circuit 2 is preferably designed as a two-stage cascade system of two mutually coupled refrigerant circuits, in each of which a working fluid circulates with thermodynamically favorable properties.
  • working fluids available and inexpensive, preferably natural refrigerants or refrigerant mixtures are used.
  • the refrigerant circuit 2 has at least one compressor, not shown, for increasing the pressure level of the refrigerant from a suction pressure or an evaporation pressure to a high pressure level.
  • the compressor also not shown as a condenser / gas cooler operated heat exchanger, the heat at the high pressure level from the refrigerant, for example, to exhaust air discharged.
  • the refrigerant is at a low pressure level, which essentially corresponds to the evaporation pressure, relaxed and introduced into a heat exchanger 6 operated as an evaporator of the refrigerant.
  • a heat exchanger 6 operated as an evaporator of the refrigerant.
  • the heat is transferred to the refrigerant at the low pressure level from the coolant to be cooled of the secondary circuit 3.
  • Refrigerant sucked from the compressor.
  • the components of the refrigerant circuit 2 are connected to one another via refrigerant lines, so that the refrigerant circulates in the refrigerant circuit 2 in the operating state of the refrigeration system 1.
  • the refrigeration system 1 In addition to the refrigerant circuit 2, the refrigeration system 1 to the hermetically formed secondary circuit 3.
  • at least one conveying device 5 is provided for circulating the refrigerant or working fluid within the secondary circuit 3, a first heat exchanger 6 for heat dissipation and a second heat exchanger 7 for heat absorption.
  • an inert gas which is preferably under high pressure is used, which has a positive Joule-Thomson coefficient in the desired temperature range and pressure range for the transport of the cooling capacity.
  • xenon or argon or nitrogen or mixtures with xenon and / or argon and / or nitrogen could be used become.
  • krypton can also be used.
  • the Joule-Thomson effect is to be understood as meaning the change in temperature of a gas during isenthalpic pressure reduction or relaxation.
  • the direction and effect of the Joule-Thomson effect is determined by the strength of the attractive and repulsive forces between the gas molecules.
  • the temperature decreases as well as the pressure during the process of relaxation.
  • the preferably designed as a pump or as a compressor of the secondary circuit 3 conveying device 5 is due to the high pressure acting within the secondary circuit 3 also referred to as high-pressure pump or high-pressure compressor, which / r a compression ratio smaller than 1, 3 has.
  • the conveying device 5 conveys the pressurized cold gas through the first heat exchanger 6, which is designed as a thermal connection between the primary circuit 2 and the secondary circuit 3 as a refrigerant-cold gas heat exchanger 6.
  • the cold gas absorbs the refrigeration capacity of the cold steam compression refrigeration process provided in the first heat exchanger 6, which is operated as a refrigerant evaporator.
  • the high pressure refrigerant gas of the cold gas circuit 3 is cooled.
  • the first heat exchanger 6 is designed to cause only a slight flow pressure loss of the cold gas.
  • the cooled cold gas After flowing out of the first heat exchanger 6, the cooled cold gas is passed to the formed as a cold gas heat exchanger second heat exchanger 7 of the cold gas circuit 3. As it flows through the second heat exchanger 7, the transported cooling capacity is transmitted to the cold consumer 4. Heat is transferred from the designed as a heat source 4 for the cold gas refrigerant 4 to the cold gas. The cold gas absorbs heat from the cold consumer 4.
  • the cold gas heat exchanger 7 is formed with an expansion device 7a, which generates over the length of a flow path of the cold gas through the cold gas heat exchanger 7 tuned pressure loss.
  • the predetermined pressure loss causes thereby over the occurring during the pressure loss relaxation of the cold gas as working fluid with a positive Joule-Thomson coefficient, a temperature drop.
  • the heat is transferred from the cold consumer 4 to the cold gas as latent heat and not as sensitive heat when flowing through the cold gas heat exchanger 7.
  • the amount of positive temperature change caused by the absorption of heat by the cold gas thus corresponds to the amount of the negative temperature change caused by the pressure change of the cold gas, so that the temperature of the cold gas remains almost constant.
  • the temperature of the working fluid in particular of the cold gas, remains at least approximately constant.
  • the latent heat is therefore not felt.
  • sensible or sensible heat heat is to be understood, which causes immediate changes in the temperature of the working fluid during supply or removal.
  • a pressure control device such as a pressure control valve may be provided, which are arranged within the tubes or channels.
  • the cold gas After flowing through the second heat exchanger 7, the cold gas is sucked as a high pressure fluid with adapted to the absorption of heat, in particular lowered pressure from the conveyor 5. As it flows through the conveying device 5, the pressure of the cold gas is raised again to the required pressure level, in particular the high pressure level. Due to the hermetically sealed inner volume of the secondary circuit 3 thermodynamically changes the pressure of the cold gas within the secondary circuit 3 by a varying external temperature, so that in the secondary circuit 3, a significantly higher pressure prevails when the cold gas ambient temperature and not the required temperature for the Refrigeration consumer 4 has.
  • the cold gas must be operated at a high pressure level even at very low temperatures in order to have a high volumetric heat transport capability.
  • the secondary circuit 3 is formed with a pressure equalization tank 8, which holds an additional pressure equalization volume, for example, changes in the temperatures of the cold gas.
  • the surge tank 8 is disposed at the level of the ambient temperature or temperatures slightly above the level of the ambient temperature.
  • the pressure equalization tank 8 is preferably placed in a warm exhaust air flow of the operated as a condenser / gas cooler heat exchanger of the primary circuit 2.
  • the surge tank 8 is connected via a line which opens at a first end at a branch point 10 in the secondary circuit 3, integrated. At a first end distal to the second end, the line opens into the surge tank 8 a.
  • the branching point 10 is formed between the outlet of the conveying device 5 and the first heat exchanger 6.
  • the line has a pressure control device 9.
  • the pressure of the cold gas in the cold gas circuit 3 drops, warm high-pressure gas can be added to the cold gas circuit 3 via the pressure regulating device 9 designed as a pressure control valve, so that a favorable pressure level is maintained at low temperatures of the cold gas.
  • the temperature rises in the cold gas circuit 3 for example, after switching off the refrigeration system 1, is formed over the as a pressure control valve Pressure control device 9 or another valve, the excess cold gas returned to the surge tank 8.
  • the volume of the surge tank 8 and the secondary circuit 3 are designed coordinated with each other so that at low temperatures the desired pressure level of the cold gas is maintained and at the same time a technically permissible maximum pressure in the secondary circuit 3 is not exceeded.
  • the value of the volume of the surge tank 8 is between 5 to 10 times greater than the value of the volume of the secondary circuit 3 without the surge tank 8 based on a working temperature of the second working fluid within the secondary circuit 3 to lower the pressure in a certain range.
  • the secondary circuit 3 is formed in the region of the second heat exchanger 7 and thus in the region of the cold consumer 4 with a discharge flow path 11.
  • the discharge flow path 11 is integrated at a first end at a branch point 12 in the secondary circuit 3.
  • a second end distal to the first end may be oriented pointing in the direction of the cold consumer 4.
  • the branch point 12 is formed in the flow direction after the exit of the second heat exchanger 7.
  • the discharge flow path 11 has a discharge device 13.
  • the cold gas or high-pressure gas can be released as inert gas from the secondary circuit 3 at the same time as an inert gas in order, for example, to minimize the risk of fire or oxidation.
  • the use of the inert high-pressure gas as quenching gas is particularly advantageous when the refrigeration consumer 4, for example, inflammatory samples or objects concerns, which may be prone to malfunction. refrigeration plant

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Kälteanlage (1), welche mit einem Primärkreislauf (2) zum Zirkulieren eines ersten Arbeitsfluids mit einem ersten Wärmeübertrager (6) und einem Sekundärkreislauf (3) zum Zirkulieren eines zweiten Arbeitsfluids und zum Abführen von Wärme einer Wärmequelle (4) ausgebildet ist. Der Sekundärkreislauf (3) weist eine Fördervorrichtung (5) zum Fördern des zweiten Arbeitsfluids, den ersten Wärmeübertrager (6) zum Übertragen von Wärme vom zweiten Arbeitsfluid an das erste Arbeitsfluid sowie einen zweiten Wärmeübertrager (7) zum Übertragen von Wärme von der Wärmequelle (4) an das zweite Arbeitsfluid auf. Dabei sind der Sekundärkreislauf (3) als ein Kaltgaskreislauf und das zweite Arbeitsfluid als ein Gas mit positivem Joule-Thomson-Koeffizient ausgebildet. Der zweite Wärmeübertrager (7) weist eine Expansionsvorrichtung (7a) auf, welche derart ausgebildet ist, dass ein Betrag der durch die Aufnahme von Wärme durch das zweite Arbeitsfluid verursachten positiven Temperaturänderung dem Betrag einer durch die Druckänderung des zweiten Arbeitsfluids mit positivem Joule-Thomson-Koeffizient verursachten negativen Temperaturänderung entspricht. Die Erfindung betrifft zudem ein Verfahren zum Betreiben einer erfindungsgemäßen Kälteanlage (1) mit einem Primärkreislauf (2) und einem Sekundärkreislauf (3).

Description

Kälteanlage und Verfahren zum Betreiben der Kälteanlage
Die Erfindung betrifft eine Kälteanlage, welche einen Primärkreislauf zum Zirkulieren eines ersten Arbeitsfluids mit einem ersten Wärmeübertrager und einen Sekundärkreislauf zum Zirkulieren eines zweiten Arbeitsfluids und zum Abführen von Wärme einer Wärmequelle aufweist. Der Sekundärkreislauf ist mit einer Fördervorrichtung zum Fördern des zweiten Arbeitsfluids, dem ersten Wärmeübertrager zum Übertragen von Wärme vom zweiten Arbeitsfluid an das erste Arbeitsfluid sowie einem zweiten Wärmeübertrager zum Übertragen von Wärme von der Wärmequelle an das zweite Arbeitsfluid ausgebildet.
Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben einer Kälteanlage mit einem Primärkreislauf und einem Sekundärkreislauf.
Als Arbeitsfluid zum Abführen von Wärme einer Wärmequelle mittels eines in einem Kreislauf zirkulierenden Fluids, auch als Bereitstellen oder Erzeugen von Kälte beziehungsweise Kälteleistung bezeichnet, bei Temperaturen unterhalb von -50°C wird herkömmlich Trifluormethan, auch als Fluoroform bekannt, verwendet. Trifluormethan wird mit der kältetechnischen Bezeichnung R23 abgekürzt. R23 ist neben dem recht unbedeutenden Tetrafluormethan, auch mit der kältetechnischen Bezeichnung R14 abgekürzt, aktuell das einzige verfügbare Kältemittel für Anwendungen mit Wärmeübertragungen im Temperaturbereich geringer als -50°C, welches weder brennbar noch toxisch ist. Allerdings weist R23 ein dramatisch hohes Treibhauspotential, auch als global warming potential (GWP) bezeichnet, von etwa 14.800 auf. Nach der im Jahr 2015 in Kraft getretenen EU-F-Gase-Verordnung sollen fluorierte Kältemittel, insbesondere Kältemittel mit einem hohen Treibhauspotential, ersetzt werden. Dabei ist zukünftig durchaus mit einem Verbot von Arbeitsfluiden mit hohen Treibhauspotentialen zu rechnen. Zum Einsatz der nicht brennbaren fluorierten Arbeitsfluide als Kältemittel im Temperaturbereich geringer als -50°C gibt es herkömmlich keine Alternativen. Zudem lassen chemische Analysen den Schluss zu, dass in naher Zukunft keinerlei neue nicht brennbare Kältemittel entdeckt werden. Lediglich Arbeitsfluidgemische könnten eine Alternative bieten, wobei sich auch auf dem Gebiet keine Durchbrüche andeuten.
Aus dem Stand der Technik sind verschiedene brennbare Kältemittel zum Anwenden in einem Temperaturbereich geringer als -50°C bekannt. Allerdings sind vorzugsweise natürliche Stoffe, wie Ethan oder Ethen, brennbar und hoch entzündlich. Um auf die brennbaren und hoch entzündlichen Arbeitsfluide zugreifen zu können, ist der Einsatz von Sekundärfluiden möglich. Als Sekundärfluide werden zumeist flüssige Kälteträger verwendet, welche lediglich die Kälteleistung von einem Ort der Erzeugung zu einem Ort der Verwendung transportieren. Im Temperaturbereich geringer als -50°C sind jedoch auch die Sekundärfluide typischerweise brennbar, toxisch und/oder weisen bei tiefen Temperaturen eine inakzeptabel hohe Viskosität auf. Ebenso verfügbare nicht brennbare und nicht toxische Arbeitsfluide sind sehr kostenintensiv, sodass deren Attraktivität für den Einsatz in Kälteanlagen sehr gering ist.
Als aus dem Stand der Technik bekannte für den klassischen Kaltdampfprozess zum Bereitstellen von Kälte mit einem in einem Kältemittelkreislauf unter Phasenwechseln flüssig - gasförmig und gasförmig - flüssig zirkulierende Kältemittel stehen im Temperaturbereich geringer als -50°C neben dem R23 als ein Sicherheitskältemittel weitestgehend lediglich brennbare Kältemittel oder gegenwertig noch nicht weitreichend genug erforschte Gemische zur Verfügung. Aus der DE 10 2015 214 705 A1 geht eine Vorrichtung zum Durchführen eines Kaltdampfprozesses, insbesondere mit Kohlendioxid als Kältemittel, hervor. Die Vorrichtung weist einen motorbetriebenen Hauptkompressor zum Verdichten des Kältemittels von einem Verdampferdruckniveau auf ein Hochdruckniveau, einen Hochdruckwärmeübertrager zum Kondensieren/Gaskühlen des Kältemittels, einen Expander zum arbeitsleistenden Entspannen des Kältemittels sowie einen Verdampfer zum Übertragen von Wärme an das Kältemittel auf. Zwischen dem Hochdruckwärmeübertrager und dem Expander ist ein Wärmeübertrager zum Unterkühlen des aus dem Hochdruckwärmeübertrager austretenden Kältemittels angeordnet. Zwischen dem Unterkühler und dem Expander ist eine Abzweigstelle zum Abzweigen eines Teilmassenstroms des Kältemittels ausgebildet, wobei der abgezweigte Teilmassenstrom mittels eines Hochdruckregelventils auf ein Mitteldruckniveau entspannt wird, anschließend im Gegenstromprinzip durch den Unterkühler geleitet wird und dabei Wärme aufnimmt, sodass das Kältemittel auf Hochdruckniveau unterkühlt wird. Der Teilmassenstrom wird in einem Hochdruckkompressor, welcher mit dem Expander mechanisch verbunden ist, auf das Hochdruckniveau verdichtet und in Strömungsrichtung des Kältemittels vor dem Hochdruckwärmeübertrager mit aus dem Hauptkompressor ausströmenden Massenstrom vermischt.
Auch in der DE 20 2006 014 246 U1 wird eine Kaltdampf-Kältemaschine mit einem Verdampfer zum Verdampfen des Kältemittels, einem Verdichter zum Verdichten des Kältemittels, einem Verflüssiger oder Gaskühler zum Kondensieren/Gaskühlen des Kältemittels sowie einer Entspannungseinrichtung zum Entspannen des Kältemittels beschrieben. Wenn das Kältemittel bei unterkritischem Betrieb des Kältemittelkreislaufs, wie zum Beispiel mit dem Kältemittel R134a oder bei bestimmten Umgebungsbedingungen mit Kohlendioxid verflüssigt wird, wird der Wärmeübertrager zur Wärmeabgabe vom Kältemittel als Kondensator bezeichnet. Ein Teil der Wärmeübertragung findet bei konstanter Temperatur statt. Bei überkritischem Betrieb beziehungsweise bei überkritischer Wärmeabgabe im Wärmeübertrager nimmt die Temperatur des Kältemittels stetig ab. In diesem Fall wird der Wärmeübertrager auch als Gaskühler bezeichnet. Überkritischer Betrieb kann unter bestimmten Umgebungsbedingungen oder Betriebsweisen des Kältemittelkreislaufs zum Beispiel mit dem Kältemittel Kohlendioxid auftreten. Für das Bereitstellen von Kälte mit nicht brennbaren Arbeitsfluiden sind herkömmlich folgende Verfahren bekannt:
- ein Kaltdampf prozess mit einem Kältemittelkreislauf mit einem nicht brennbaren und nicht toxischen Sicherheitskältemittel, wie R23, welches in einem als Verdampfer ausgebildeten Wärmeübertrager direkt verdampft, jedoch ein sehr hohes Treibhauspotential aufweist und gegebenenfalls durch eine Verschärfung der F-Gase-Verordnung in der Zukunft verboten ist sowie sehr kostenintensiv ist, wobei zudem mit weiter stark ansteigenden Kosten zu rechnen ist,
- ein Kaltdampfprozess mit einem Kältemittelkreislauf mit einem brennbaren und/oder toxischen Kältemittelgemisch, welches bisher nicht grundlegend erforscht und auf mittelfristige Sicht nicht marktreif ist,
- ein Kaltdampfprozess mit einem brennbaren Kältemittel in Kombination mit einem Sekundärkreislauf, in welchem ein zumindest teilweise toxisches, brennbares und sehr kostenintensives Sekundärfluid für die Anwendung bei tiefen Temperaturen zirkuliert, wobei zudem die Verfügbarkeit geeigneter Fluide sehr eingeschränkt ist, und
- ein vom Kaltdampfprozess abweichendes alternatives Kälteerzeugungsverfahren, wie
ein Kaltgasprozess mit einer Kompression und einer arbeitsleistenden Expansion von Gasen, welcher bei einem hohen apparativen Aufwand eine sehr geringe Effizienz aufweist und am Markt nicht weit verbreitet ist, oder ein Stirling-Prozess, welcher bei einem hohen apparativen Aufwand nur sehr aufwendig herzustellen ist und nur wenig etabliert ist. Die Aufgabe der Erfindung besteht nunmehr darin, eine Kälteanlage mit einem im Kältemittelkreislauf zirkulierenden Kältemittel, insbesondere einem brennbaren Kältemittel, derart mit einem zwingend nicht brennbaren Arbeitsfluid an einem Kälteverbraucher als eine Wärmequelle zu verbinden. Die von dem Kältemittelkreislauf erzeugte Kälteleistung ist über das nicht brennbare Arbeitsfluid zur Wärmequelle zu übertragen. Die an der Wärmequelle benötigte Kälteleistung soll in einem Temperaturbereich bis maximal -50°C, insbesondere bis -100°C und weniger, bereitgestellt werden. Dabei ist auf den Einsatz umweltschädlicher, speziell brennbarer und/oder toxischer Arbeitsfluide sowie kostenintensiver Arbeitsfluide und Arbeitsfluide mit inakzeptabel hoher Viskosität zu verzichten. Die Effizienz des Betriebs der Kälteanlage soll maximal sein. Die Kosten der Kälteanlage beim Betrieb, der Herstellung, der Wartung und der Montage sind zu minimieren.
Die Aufgabe wird durch den Gegenstand und das Verfahren mit den Merkmalen der selbstständigen Patentansprüche gelöst. Weiterbildungen sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.
Die Aufgabe wird durch eine erfindungsgemäße Kälteanlage, insbesondere zum Übertragen von Wärme im Temperaturbereich bis maximal -50°C, gelöst. Die Kälteanlage weist einen Primärkreislauf zum Zirkulieren eines ersten Arbeitsfluids mit einem ersten Wärmeübertrager und einen Sekundärkreislauf zum Zirkulieren eines zweiten Arbeitsfluids und zum Abführen von Wärme einer Wärmequelle auf. Der Sekundärkreislauf ist mit einer Fördervorrichtung zum Fördern des zweiten Arbeitsfluids, dem ersten Wärmeübertrager zum Übertragen von Wärme vom im Sekundärkreislauf zirkulierenden zweiten Arbeitsfluid an das im Primärkreislauf zirkulierende erste Arbeitsfluid sowie einem zweiten Wärmeübertrager zum Übertragen von Wärme von der Wärmequelle an das zweite Arbeitsfluid ausgebildet.
Nach der Konzeption der Erfindung sind der Sekundärkreislauf als ein Kaltgaskreislauf und das zweite Arbeitsfluid als ein Gas mit positivem Joule- Thomson-Koeffizient, insbesondere im Temperaturbereich von -100°C bis -50°C beziehungsweise in einem Druckbereich von etwa 50 bar bis 200 bar, ausgebildet. Zudem weist der zweite Wärmeübertrager erfindungsgemäß eine Expansionsvorrichtung auf. Die Expansionsvorrichtung ist derart ausgebildet, dass zumindest in einem Auslegungsfall ein Betrag der durch die Aufnahme von Wärme durch das zweite Arbeitsfluid verursachten positiven Temperaturänderung dem Betrag einer durch die Druckänderung des zweiten Arbeitsfluids mit positivem Joule-Thomson-Koeffizient verursachten negativen Temperaturänderung entspricht.
Damit ist der Sekundärkreislauf als ein Hochdruck-Kaltgaskreislauf mit einem rein thermodynamischen Druckausgleich und einer Expansions- Wärmeübertragungsvorrichtung ausgebildet.
Der Sekundärkreislauf ist vorteilhaft mit einem nicht brennbaren Inertgas als zweites Arbeitsfluid, insbesondere Xenon oder Argon oder Stickstoff oder einem Gemisch mit Xenon und/oder Argon und/oder Stickstoff, befüllt ausgebildet. Der Primärkreislauf ist dagegen bevorzugt mit einem natürlichen, brennbaren Kältemittel, wie Ethen oder Ethan, als erstes Arbeitsmittel befüllt ausgebildet.
Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist die Expansionsvorrichtung des zweiten Wärmeübertragers aus einen Strömungspfad des zweiten Arbeitsfluids durch den zweiten Wärmeübertrager bildenden Strömungsleiteinrichtungen, insbesondere aus Rohren oder Kanälen beziehungsweise darin angeordneten, einen Druckverlust erzeugenden Mitteln, wie eine Druckregelvorrichtung, ausgebildet. Die Expansionsvorrichtung kann dabei auch ausschließlich aus im zweiten Wärmeübertrager vorgesehenen Kanälen mit einen entsprechend hohen Druckverlust erzeugenden Strömungsquerschnitten für das gasförmige Arbeitsfluid ausgebildet sein.
Nach einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung weist der Primärkreislauf als ein Kältemittelkreislauf mindestens einen Verdichter, einen als Kondensator/Gaskühler betreibbaren Wärmeübertrager, ein Expansionsorgan sowie den als Verdampfer betreibbaren ersten Wärmeübertrager auf. Der erste Wärmeübertrager wird als eine thermische Verbindung zwischen dem Primärkreislauf und dem Sekundärkreislauf vorteilhaft als ein Kältemittel- Kaltgas-Wärmeübertrager betrieben.
Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, dass der Sekundärkreislauf einen Druckausgleichsbehälter zum Speichern von zweitem Arbeitsfiuid und zum Konstanthalten des Drucks des zweiten Arbeitsfluids innerhalb des Sekundärkreislaufs aufweist. Dabei ist der Druckausgleichsbehälter über eine Leitung an einer Abzweigstelle in den Sekundärkreislauf eingebunden.
Der Druckausgleichsbehälter weist vorteilhaft ein Volumen auf, welches bezogen auf eine Arbeitstemperatur des zweiten Arbeitsfluids innerhalb des Sekundärkreislaufs, zwischen 5 bis 10mal größer ist als das Volumen des Sekundärkreislaufs.
Der Druckausgleichsbehälter ist bevorzugt zudem derart angeordnet, dass das innerhalb des Druckausgleichsbehälters gespeicherte zweite Arbeitsfiuid Umgebungstemperatur aufweist, welche beim Betrieb der Kälteanlage, insbesondere über den Betriebsprozess, einen überwiegend konstanten Wert aufweist. Um eine Erhöhung des Drucks des zweiten Arbeitsfluids innerhalb des Sekundärkreislaufs, beispielsweise zum Ausgleichen kleinerer Druckabsenkungen durch Temperaturänderungen am kalten Ende des Sekundärkreislaufs, zu erzielen, kann zudem eine interne Heizung vorgesehen sein.
Die Abzweigstelle der Leitung des Druckausgleichsbehälters ist vorteilhaft zwischen der Fördervorrichtung und dem ersten Wärmeübertrager des Sekundärkreislaufs angeordnet.
Die Leitung zum Einbinden des Druckausgleichsbehälters in den Sekundärkreislauf ist zudem bevorzugt mit einer Druckregelvorrichtung, insbesondere mit mindestens einem Druckregelventil, ausgebildet.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist der Sekundärkreislauf einen Ablassström ungspfad mit einer Ablassvorrichtung zum Ableiten von zweitem Arbeitsfiuid aus dem Sekundärkreislauf, beispielsweise in die Umgebung, auf. Dabei ist der Ablassström ungspfad an einer Abzweigstelle in den Sekundärkreislauf eingebunden.
Die Abzweigstelle des Ablassström ungspfades ist bevorzugt zwischen dem zweiten Wärmeübertrager und der Fördervorrichtung des Sekundärkreislaufs angeordnet.
Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist die Fördervorrichtung des Sekundärkreislaufs als eine Pumpe oder als ein Verdichter ausgebildet, welche/r ein Verdichtungsverhältnis kleiner als 1 ,3 aufweist. Die vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung, insbesondere im Hinblick auf das innerhalb des Sekundärkreislaufs zirkulierende gasförmige zweite Arbeitsfluid mit positivem Joule-Thomson-Koeffizient, speziell als ein nichtbrennbares Gas, und den möglichen Einsatz brennbarer Kältemittel innerhalb des Primärkreislaufs, ermöglicht die Verwendung der erfindungsgemäßen Kälteanlage zum Übertragen von Wärme im Temperaturbereich bis maximal -50°C mit dem auf einem Hochdruck betriebenem zweiten Arbeitsfluid zur Wärmeaufnahme aus einer Wärmequelle, insbesondere einem Kälteverbraucher. Der Hochdruck des innerhalb des Sekundärkreislaufs zirkulierenden zweiten Arbeitsfluids weist Werte im Bereich von etwa 50 bar bis 200 bar, insbesondere im Bereich von etwa 50 bar bis 120 bar, auf.
Unter Verbrauchen ist dabei eine regelmäßige Entnahme einer gewissen Leistung für einen bestimmten Verwendungszweck zu verstehen. Der Kälteverbraucher ist folglich eine Vorrichtung oder ein System, welche/s Kälteleistung abführt beziehungsweise die Entnahme der Kälteleistung bewirkt und einen bestimmten Bedarf an Kälteleistung aufweist. Für die Kälteanlage stellt der Kälteverbraucher die Wärmequelle dar.
Die Aufgabe der Erfindung wird auch durch ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Betreiben einer Kälteanlage, insbesondere zum Übertragen von Wärme im Temperaturbereich bis maximal -50°C, mit einem Primärkreislauf und einem Sekundärkreislauf gelöst. Das Verfahren zum Betreiben der Kälteanlage weist folgende Schritte auf: - Leiten eines aus einer Fördervorrichtung des Sekundärkreislaufs ausströmenden zweiten Arbeitsfluids auf einem Hochdruckniveau durch einen ersten Wärmeübertrager, wobei Wärme vom im Sekundärkreislauf zirkulierenden zweiten Arbeitsfluid an ein im Primärkreislauf zirkulierendes erstes Arbeitsfluid übertragen wird, sowie
- Leiten des aus dem ersten Wärmeübertrager ausströmenden zweiten Arbeitsfluids durch einen zweiten Wärmeübertrager, wobei Wärme an das zweite Arbeitsfluid übertragen wird.
Nach der Konzeption der Erfindung wird ein als zweites Arbeitsfluid verwendetes nicht brennbares Inertgas mit einem positiven Joule-Thomson- Koeffizienten beim Durchströmen des zweiten Wärmeübertragers derart erwärmt und entspannt, dass ein Betrag einer positiven Temperaturänderung durch das Aufnehmen von Wärme einem Betrag einer negativen Temperaturänderung durch die Druckänderung entspricht, sodass ein "quasilatenter" Wärmeübergang erfolgt. Als im Primärkreislauf zirkulierendes erstes Arbeitsfluid wird vorteilhaft ein brennbares, natürliches Kältemittel, insbesondere Ethan oder Ethen, verwendet. Der Primärkreislauf wird folglich als ein Kältemittelkreislauf und als Kaltdampfprozess, insbesondere als Kaltdampfkompressionskälteprozess, betrieben.
Nach einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird der Druck des zweiten Arbeitsfluids innerhalb des Sekundärkreislaufs bei Temperaturänderungen außerhalb des Sekundärkreislaufs konstant gehalten. Dabei wird je nach Temperaturänderung über eine Druckregelvorrichtung zweites Arbeitsfluid aus einem Druckausgleichsbehälter dem Sekundärkreislauf zugeführt oder aus dem Sekundärkreislauf in den Druckausgleichsbehälter abgeführt.
Nach einer Weiterbildung der Erfindung wird das zweite Arbeitsfluid je nach Bedarf als ein Löschgas aus dem Sekundärkreislauf freigegeben. Das zweite Arbeitsfluid kann dabei beispielsweise entweder in einen Maschinenraum des Kältemittelkreislaufs, insbesondere eines mit einem brennbaren Kältemittel befüllten Kältemittelkreislaufs, und/oder für Löschgaszwecke zur Kühlanwendung abgelassen werden.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung und das erfindungsgemäße Verfahren weisen zusammenfassend weitere diverse Vorteile auf:
- Einsatz eines nicht brennbaren Arbeitsfluids als Kälteträger zum Transport von Kälteleistung im Temperaturbereich unter -50°C zu einem
Kälteverbraucher als Wärmequelle, damit Kopplung eines oder mehrerer Kältemittelkreisläufe mit einem brennbaren Kältemittel und einem zwingend nicht brennbaren Arbeitsfluid an der Wärmequelle,
- Einsatz brennbarer Kältemittel zum Erzeugen einer Kälteleistung bei tiefen Temperaturen, insbesondere im Bereich zwischen -100°C bis -50°C, auch wenn die Kälteanwendung ein nicht brennbares Arbeitsmedium erfordert,
- Hochdruck-Inertgas als Kälteträger kann gleichzeitig als Löschgas bei kritischen Kälteanwendungen benutzt werden,
- Bereitstellen eines Hochdruck-Kaltgas-Sekundärkreislaufs mit rein thermodynamischem Druckausgleich, wobei mit einem definierten
Druckverlust des Kälteträgers beim Durchströmen des Kaltgas- Wärmeübertragers dem Temperaturanstieg durch die Aufnahme von Wärme entgegengewirkt wird, damit Ausnutzen des positiven Joule-Thomson- Koeffizienten des Kälteträgers,
- maximale Effizienz beim Betrieb der Kälteanlage - kontinuierlich ablaufender Prozess zum Bereitstellen von Kälteleistung mit preisgünstigen natürlichen Kältemitteln sowie einem nicht brennbaren und nicht toxischen, ebenfalls preisgünstigen Kälteträger,
- dadurch geringere Umweltbelastung und Einhalten sicherheitstechnischer Anforderungen sowie
- minimale Kosten für den Betrieb, die Herstellung, Montage und die Wartung. Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile von Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels mit Bezugnahme auf die zugehörige Zeichnung. Die Figur zeigt eine Kälteanlage 1 mit einem Kältemittelkreislauf 2 als Primärkreislauf zum Erzeugen einer Kälteleistung auf einem geringen Temperaturniveau, insbesondere im Temperaturbereich unterhalb -50°C, sowie einen Sekundärkreislauf 3 mit einem Kälteverbraucher 4. Im lediglich angedeuteten Primärkreislauf 2 wird durch einen einstufig oder mehrstufig ausgebildeten Kaltdampfprozess, insbesondere einen Kaltdampfkompressionskälteprozess, die für den Kälteverbraucher 4 notwendige Kälteleistung erzeugt. Der Primärkreislauf 2 ist dabei vorzugsweise als eine zweistufige Kaskadenanlage aus zwei miteinander gekoppelten Kältemittelkreisläufen ausgebildet, in welchen jeweils ein Arbeitsfluid mit thermodynamisch günstigen Eigenschaften zirkuliert. Als Arbeitsfluide werden verfügbare und preisgünstige, bevorzugt natürliche Kältemittel oder Kältemittelgemische, eingesetzt. Der Kältemittelkreislauf 2 weist mindestens einen nicht dargestellten Verdichter zum Erhöhen des Druckniveaus des Kältemittels von einem Saugdruck beziehungsweise einem Verdampfungsdruck auf ein Hochdruckniveau auf. Beim Durchströmen eines in Strömungsrichtung dem Verdichter nachfolgend angeordneten, ebenfalls nicht dargestellten als Kondensator/Gaskühler betriebenen Wärmeübertragers wird die Wärme auf dem Hochdruckniveau vom Kältemittel, beispielsweise an Abluft, abgeführt. In mindestens einem nicht dargestellten Expansionsorgan wird das Kältemittel auf ein Niederdruckniveau, welches im Wesentlichen dem Verdampfungsdruck entspricht, entspannt und in einen als Verdampfer des Kältemittels betriebenen Wärmeübertrager 6 eingeleitet. Beim Durchströmen des Kältemittelverdampfers 6 wird die Wärme auf dem Niederdruckniveau vom zu kühlenden Kälteträger des Sekundärkreislaufs 3 an das Kältemittel übertragen. Anschließend wir das Kältemittel vom Verdichter angesaugt. Die Komponenten des Kältemittelkreislaufs 2 sind über Kältemittelleitungen miteinander verbunden, sodass das Kältemittel im Betriebszustand der Kälteanlage 1 im Kältemittelkreislauf 2 zirkuliert.
Neben dem Kältemittelkreislauf 2 weist die Kälteanlage 1 den hermetisch ausgebildeten Sekundärkreislauf 3 auf. Im Sekundärkreislauf 3 ist mindestens eine Fördervorrichtung 5 zum Umwälzen des Kälteträgers beziehungsweise Arbeitsfluides innerhalb des Sekundärkreislaufs 3, ein erster Wärmeübertrager 6 zur Wärmeabgabe sowie ein zweiter Wärmeübertrager 7 zur Wärmeaufnahme vorgesehen.
Als im Sekundärkreislauf 3 zirkulierendes Arbeitsfluid wird ein unter vorzugsweise hohem Druck stehendes Inertgas verwendet, welches im angestrebten Temperaturbereich und Druckbereich für den Transport der Kälteleistung einen positiven Joule-Thomson-Koeffizient aufweist. Für den Temperaturbereich zwischen etwa -100°C bis -50°C sowie im technisch interessanten Druckbereich zwischen 50 bar bis 150 bar, beziehungsweise bis 200 bar, könnten Xenon oder Argon oder Stickstoff beziehungsweise Gemische mit Xenon und/oder Argon und/oder Stickstoff verwendet werden. Für den Einsatz bei Werten im oberen Temperaturbereich kann auch Krypton eingesetzt werden.
Unter dem Joule-Thomson-Effekt ist dabei die Temperaturänderung eines Gases bei einer isenthalpen Druckminderung oder Entspannung zu verstehen. Die Richtung und die Wirkung des Joule-Thomson-Effekts wird durch die Stärke der anziehenden und abstoßenden Kräfte zwischen den Gasmolekülen bestimmt. Bei einem Gas mit einem positiven Joule-Thomson-Koeffizienten verringert sich beim Vorgang der Entspannung neben dem Druck auch die Temperatur.
Die bevorzugt als Pumpe beziehungsweise als Verdichter des Sekundärkreislaufs 3 ausgebildete Fördervorrichtung 5 wird aufgrund des innerhalb des Sekundärkreislaufs 3 wirkenden hohen Drucks auch als Hochdruckpumpe beziehungsweise Hochdruckverdichter bezeichnet, welche/r ein Verdichtungsverhältnis kleiner als 1 ,3 aufweist.
Die Fördervorrichtung 5 fördert das unter Druck stehende Kaltgas durch den ersten Wärmeübertrager 6, welcher als thermische Verbindung zwischen dem Primärkreislauf 2 und dem Sekundärkreislauf 3 als ein Kältemittel-Kaltgas- Wärmeübertrager 6 ausgebildet ist. Beim Durchströmen des Kältemittel- Kaltgas-Wärmeübertragers 6 wird Wärme vom im Kaltgaskreislauf 3 zirkulierenden Kaltgas an das im Kältemittelkreislauf 2 zirkulierende Kältemittel übertragen. Das Kaltgas nimmt die im als Kältemittelverdampfer betriebenen ersten Wärmeübertrager 6 bereitgestellte Kälteleistung des Kaltdampfkompressionskälteprozesses auf. Das unter Hochdruck stehende Kältegas des Kaltgaskreislaufs 3 wird abgekühlt. Der erste Wärmeübertrager 6 ist derart ausgebildet, einen lediglich geringen Strömungsdruckverlust des Kaltgases zu bewirken.
Nach dem Ausströmen aus dem ersten Wärmeübertrager 6 wird das abgekühlte Kaltgas zum als Kaltgas-Wärmeübertrager ausgebildeten zweiten Wärmeübertrager 7 des Kaltgaskreislaufs 3 geleitet. Beim Durchströmen des zweiten Wärmeübertragers 7 wird die transportierte Kälteleistung an den Kälteverbraucher 4 übertragen. Dabei wird Wärme von dem als Wärmequelle 4 für das Kaltgas ausgebildeten Kälteverbraucher 4 an das Kaltgas übertragen. Das Kaltgas nimmt Wärme vom Kälteverbraucher 4 auf.
Der Kaltgas-Wärmeübertrager 7 ist mit einer Expansionsvorrichtung 7a ausgebildet, welche einen über die Länge eines Strömungspfades des Kaltgases durch den Kaltgas-Wärmeübertrager 7 abgestimmten Druckverlust erzeugt. Der vorbestimmte Druckverlust bewirkt dabei über die beim Druckverlust auftretende Entspannung des Kaltgases als Arbeitsfluid mit positivem Joule-Thomson-Koeffizient eine Temperaturabsenkung. Infolge des neben dem Druckverlust beziehungsweise der Entspannung des Kaltgases gleichzeitig ablaufenden Vorgangs der Abgabe der Kälteleistung vom Kaltgas an den Kälteverbraucher 4 beziehungsweise des Übertragens von Wärme von der Wärmequelle 4 an das Kaltgas und damit der Aufnahme von Wärme durch das Kaltgas wird durch den bei der Entspannung auftretenden Joule-Thomson- Effekt dem Ansteigen der Temperatur des Kaltgases entgegengewirkt. Im Auslegungsfall des Kaltgas-Wärmeübertragers 7 mit der Expansionsvorrichtung 7a, das heißt bei einer auf den Druckverlust des Kaltgases abgestimmten Wärmeübertragung, wird beim Durchströmen des Kaltgas-Wärmeübertragers 7 die Wärme vom Kälteverbraucher 4 an das Kaltgas als latente Wärme und nicht als sensible Wärme übertragen. Der Betrag der durch die Aufnahme von Wärme durch das Kaltgas verursachten positiven Temperaturänderung entspricht somit dem Betrag der durch die Druckänderung des Kaltgases verursachten negativen Temperaturänderung, sodass die Temperatur des Kaltgases nahezu konstant bleibt.
Beim Vorgang der Übertragung latenter Wärme bleibt die Temperatur des Arbeitsfluids, insbesondere des Kaltgases, zumindest annähernd konstant. Die latente Wärme ist folglich nicht fühlbar. Unter fühlbarer oder sensibler Wärme ist dagegen Wärme zu verstehen, welche bei Zufuhr oder Abfuhr unmittelbar Änderungen der Temperatur des Arbeitsfluids bewirkt.
Als Expansionsvorrichtung 7a dienen die den Strömungspfad des Kaltgases durch den Kaltgas-Wärmeübertrager 7 ausbildende Strömungsleiteinrichtungen, wie Rohre oder Kanäle mit entsprechenden, einen hohen Druckverlust bewirkenden Strömungsquerschnitten für das gasförmige Arbeitsfluid. Zudem können zusätzliche Druckverlust erzeugende Mittel, beispielsweise auch eine Druckregelvorrichtung, wie ein Druckregelventil, vorgesehen sein, welche innerhalb der Rohre oder Kanäle angeordnet sind.
Nach dem Durchströmen des zweiten Wärmeübertragers 7 wird das Kaltgas als Hochdruckfluid mit an die Aufnahme der Wärme angepasstem, insbesondere abgesenktem Druck von der Fördervorrichtung 5 angesaugt. Beim Durchströmen der Fördervorrichtung 5 wird der Druck des Kaltgases wieder auf das erforderliche Druckniveau, insbesondere das Hochdruckniveau, angehoben. Infolge des hermetisch abgeschlossenen inneren Volumens des Sekundärkreislaufs 3 ändert sich durch eine variierende äußere Temperatur thermodynamisch bedingt auch der Druck des Kaltgases innerhalb des Sekundärkreislaufs 3, sodass im Sekundärkreislauf 3 ein deutlich höherer Druck herrscht, wenn das Kaltgas die Umgebungstemperatur und nicht die erforderliche Temperatur für den Kälteverbraucher 4 aufweist.
Das Kaltgas muss auch bei sehr tiefen Temperaturen mit einem hohen Druckniveau betrieben werden, um eine hohe volumetrische Wärmetransportfähigkeit aufzuweisen.
Um dem starken Ansteigen des Drucks durch Erwärmen des Kaltgases, insbesondere auf Umgebungstemperatur des Sekundärkreislaufs 3, entgegenzuwirken, ist der Sekundärkreislauf 3 mit einem Druckausgleichsbehälter 8 ausgebildet, welcher ein zusätzliches Druckausgleichsvolumen, beispielsweise bei Änderungen der Temperaturen des Kaltgases, vorhält. Der Druckausgleichsbehälter 8 ist auf dem Niveau der Umgebungstemperatur oder Temperaturen etwas oberhalb des Niveaus der Umgebungstemperatur angeordnet. Der Druckausgleichsbehälter 8 ist dabei vorzugsweise in einem warmen Abluftstrom des als Kondensator/Gaskühler betriebenen Wärmeübertragers des Primärkreislaufs 2 platziert.
Der Druckausgleichsbehälter 8 ist über eine Leitung, welche an einem ersten Ende an einer Abzweigstelle 10 in den Sekundärkreislauf 3 einmündet, eingebunden. An einem zum ersten Ende distalen zweiten Ende mündet die Leitung in den Druckausgleichsbehälter 8 ein. Die Abzweigstelle 10 ist zwischen dem Austritt der Fördervorrichtung 5 und dem ersten Wärmeübertrager 6 ausgebildet.
Die Leitung weist eine Druckregelvorrichtung 9 auf. Beim Absinken des Drucks des Kaltgases im Kaltgaskreislauf 3 kann über die als Druckregelventil ausgebildete Druckregelvorrichtung 9 warmes Hochdruckgas in den Kaltgaskreislauf 3 nachgefüllt werden, sodass bei tiefen Temperaturen des Kaltgases ein günstiges Druckniveau gehalten wird. Beim Ansteigen der Temperatur im Kaltgaskreislauf 3, beispielsweise nach dem Abschalten der Kälteanlage 1 , wird über die als Druckregelventil ausgebildete Druckregelvorrichtung 9 oder ein weiteres Ventil das überschüssige Kaltgas in den Druckausgleichsbehälter 8 zurückgeleitet.
Das Volumen des Druckausgleichsbehälters 8 und des Sekundärkreislaufs 3 sind derart zueinander abgestimmt ausgelegt, dass bei tiefen Temperaturen das gewünschte Druckniveau des Kaltgases gehalten wird und gleichzeitig ein technisch zulässiger Maximaldruck im Sekundärkreislauf 3 nicht überschritten wird. Der Wert des Volumens des Druckausgleichsbehälters 8 ist dabei zwischen 5 bis 10mal größer als der Wert des Volumens des Sekundärkreislaufs 3 ohne den Druckausgleichsbehälter 8 bezogen auf eine Arbeitstemperatur des zweiten Arbeitsfluids innerhalb des Sekundärkreislaufs 3, um den Druck in einem bestimmten Bereich abzusenken.
Der Sekundärkreislauf 3 ist im Bereich des zweiten Wärmeübertragers 7 und damit im Bereich des Kälteverbrauchers 4 mit einem Ablassströmungspfad 11 ausgebildet. Der Ablassströmungspfad 11 ist an einem ersten Ende an einer Abzweigstelle 12 in den Sekundärkreislauf 3 eingebunden. Ein zum ersten Ende distales zweites Ende kann in Richtung des Kälteverbrauchers 4 weisend ausgerichtet sein. Die Abzweigstelle 12 ist in Strömungsrichtung nach dem Austritt des zweiten Wärmeübertragers 7 ausgebildet. Der Ablassströmungspfad 11 weist eine Ablassvorrichtung 13 auf.
So kann insbesondere im Bereich des Kälteverbrauchers 4 über die als Ablassventil ausgebildete Ablassvorrichtung 13, auch als Notfallventil bezeichnet, das Kaltgas beziehungsweise Hochdruckgas als Inertgas gleichzeitig als Löschgas aus dem Sekundärkreislauf 3 freigegeben werden, um beispielsweise eine Brandgefahr oder eine Oxidation zu minimieren. Das Verwenden des inerten Hochdruckgases als Löschgas ist insbesondere dann von Vorteil, wenn der Kälteverbraucher 4 beispielsweise entzündliche Proben oder Gegenstände betrifft, welche zu Fehlfunktionen neigen können. Kälteanlage
Kältemittelkreislauf, Primärkreislauf
Kaltgaskreislauf, Sekundärkreislauf
Kälteverbraucher, Wärmequelle
Fördervorrichtung Kaltgaskreislauf 3
erster Wärmeübertrager, Kältemittel-Kaltgas-Wärmeübertrager, Kältem ittel verdam pfer
zweiter Wärmeübertrager, Kaltgas-Wärmeübertrager
Expansionsvorrichtung Kaltgas-Wärmeübertrager 7
Druckausgleichsbehälter
Druckregelvorrichtung Druckausgleichsbehälter 8
Abzweigstelle
Ablassström ungspfad Kaltgaskreislauf 3
Abzweigstelle
Ablassvorrichtung

Claims

Patentansprüche
1 . Kälteanlage (1 ), aufweisend:
- einen Primärkreislauf (2) zum Zirkulieren eines ersten Arbeitsfluids mit einem ersten Wärmeübertrager (6) und
- einen Sekundärkreislauf (3) zum Zirkulieren eines zweiten Arbeitsfluids und zum Abführen von Wärme einer Wärmequelle (4), wobei der Sekundärkreislauf (3) eine Fördervorrichtung (5) zum Fördern des zweiten Arbeitsfluids, den ersten Wärmeübertrager (6) zum Übertragen von Wärme vom zweiten Arbeitsfluid an das erste Arbeitsfluid sowie einen zweiten Wärmeübertrager (7) zum Übertragen von Wärme von der Wärmequelle (4) an das zweite Arbeitsfluid aufweist, dadurch gekennzeichnet dass
- der Sekundärkreislauf (3) als ein Kaltgaskreislauf und das zweite Arbeitsfluid als ein Gas mit positivem Joule-Thomson-Koeffizient ausgebildet sind sowie
- der zweite Wärmeübertrager (7) mit einer Expansionsvorrichtung (7a) derart ausgebildet ist, dass ein Betrag der durch die Aufnahme von Wärme durch das zweite Arbeitsfluid verursachten positiven Temperaturänderung dem Betrag einer durch die Druckänderung des zweiten Arbeitsfluids mit positivem Joule-Thomson-Koeffizient verursachten negativen Temperaturänderung entspricht.
2. Kälteanlage (1 ) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der
Sekundärkreislauf (3) mit einem nicht brennbaren Inertgas als zweites Arbeitsfluid befüllt ausgebildet ist.
3. Kälteanlage (1 ) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Expansionsvorrichtung (7a) des zweiten Wärmeübertragers (7) aus einen Strömungspfad des zweiten Arbeitsfluids durch den zweiten Wärmeübertrager (7) bildenden Strömungsleiteinrichtungen ausgebildet ist.
4. Kälteanlage (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Primärkreislauf (2) als ein Kältemittelkreislauf mit mindestens einem Verdichter, einem als Kondensator/Gaskühler betreibbaren Wärmeübertrager, einem Expansionsorgan sowie dem als Verdampfer betreibbaren ersten Wärmeübertrager (6) ausgebildet ist.
5. Kälteanlage (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Sekundärkreislauf (3) einen Druckausgleichsbehälter (8) zum Speichern von zweitem Arbeitsfluid und Konstanthalten des Drucks des zweiten Arbeitsfluids im Sekundärkreislauf (3) aufweist, wobei der Druckausgleichsbehälter (8) über eine Leitung an einer Abzweigstelle (10) in den Sekundärkreislauf (3) eingebunden angeordnet ist.
6. Kälteanlage (1 ) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der
Druckausgleichsbehälter (8) ein Volumen aufweist, welches zwischen 5 bis 10mal größer ist als das Volumens des Sekundärkreislaufs (3).
7. Kälteanlage (1 ) nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Druckausgleichsbehälter (8) derart angeordnet ist, dass das innerhalb des Druckausgleichsbehälters (8) gespeicherte zweite Arbeitsfluid Umgebungstemperatur aufweist.
8. Kälteanlage (1 ) nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Abzweigstelle (10) zwischen der Fördervorrichtung (5) und dem ersten Wärmeübertrager (6) ausgebildet ist.
9. Kälteanlage (1 ) nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitung zum Einbinden des Druckausgleichsbehälters (8) in den Sekundärkreislauf (3) mit einer Druckregelvorrichtung (9) ausgebildet ist.
10. Kälteanlage (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Sekundärkreislauf (3) einen Ablassströmungspfad (11 ) mit einer Ablassvorrichtung (13) zum Ableiten von zweitem Arbeitsfluid aus dem Sekundärkreislauf (3) aufweist, wobei der Ablassströmungspfad (11 ) an einer Abzweigstelle (12) in den Sekundärkreislauf (3) eingebunden angeordnet ist.
11 . Kälteanlage (1 ) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die
Abzweigstelle (12) zwischen dem zweiten Wärmeübertrager (7) und der Fördervorrichtung (5) ausgebildet ist.
12. Kälteanlage (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 1 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Fördervorrichtung (5) des Sekundärkreislaufs (3) als eine Pumpe oder ein Verdichter ausgebildet ist, welche/r ein Verdichtungsverhältnis kleiner als 1 ,3 aufweist.
13. Verwendung einer Kälteanlage (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 1 2 zum Übertragen von Wärme im Temperaturbereich bis maximal -50°C mit einem auf einem Hochdruck betriebenem, nicht brennbarem Inertgas als Arbeitsfluid zur Wärmeaufnahme aus einer Wärmequelle (4).
14. Verfahren zum Betreiben einer Kälteanlage (1 ) mit einem Primärkreislauf (2) und einem Sekundärkreislauf (3) nach einem der Ansprüche 1 bis 12, aufweisend folgende Schritte:
- Leiten eines aus einer Fördervorrichtung (5) des Sekundärkreislaufs (3) ausströmenden zweiten Arbeitsfluids auf einem
Hochdruckniveau durch einen ersten Wärmeübertrager (6), wobei
Wärme vom im Sekundärkreislauf (3) zirkulierenden zweiten
Arbeitsfluid an ein im Primärkreislauf (2) zirkulierendes erstes
Arbeitsfluid übertragen wird, sowie
- Leiten des aus dem ersten Wärmeübertrager (6) ausströmenden zweiten Arbeitsfluids durch einen zweiten Wärmeübertrager (7), wobei Wärme an das zweite Arbeitsfluid übertragen wird,
dadurch gekennzeichnet, dass ein als zweites Arbeitsfluid verwendetes nicht brennbares Inertgas mit einem positiven Joule- Thomson-Koeffizienten beim Durchströmen des zweiten Wärmeübertragers (7) derart erwärmt und entspannt wird, dass ein Betrag einer positiven Temperaturänderung durch das Aufnehmen von Wärme einem Betrag einer negativen Temperaturänderung durch die Druckänderung entspricht.
15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass der
Druck des zweiten Arbeitsfluids innerhalb des Sekundärkreislaufs (3) bei Temperaturänderungen außerhalb des Sekundärkreislaufs (3) konstant gehalten wird, wobei je nach Temperaturänderung über eine Druckregelvorrichtung (9) zweites Arbeitsfluid aus einem Druckausgleichsbehälter (8) dem Sekundärkreislauf (3) zugeführt oder aus dem Sekundärkreislauf (3) in den Druckausgleichsbehälter (8) abgeführt wird.
16. Verfahren nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Arbeitsfluid je nach Bedarf als Löschgas aus dem Sekundärkreislauf (3) freigegeben wird.
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