WO2021058061A1 - Vorrichtung zum übertragen von wärme in einem fluidkreislauf und verfahren zum betreiben der vorrichtung - Google Patents

Vorrichtung zum übertragen von wärme in einem fluidkreislauf und verfahren zum betreiben der vorrichtung Download PDF

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working medium
heat exchanger
heat
solid particles
separator
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Yixia XU
Tobias Göpfert
Thomas Tannert
Ullrich Hesse
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Technische Universität Dresden
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    • F25B41/40—Fluid line arrangements
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    • F25B2400/00—General features or devices for refrigeration machines, plants or systems, combined heating and refrigeration systems or heat-pump systems, i.e. not limited to a particular subgroup of F25B
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    • F25B2400/23—Separators

Definitions

  • the invention relates to a device for transferring heat, in particular for providing cold, by sublimating a working medium circulating in a closed fluid circuit.
  • the device has a heat exchanger for absorbing heat through the subliming working medium and at least one expansion element.
  • the invention also relates to a fluid circuit, in particular a refrigerant circuit, with the device for transferring heat by sublimation of the working medium and a method for operating the device.
  • the challenges in the technical use of sublimation as a phase transition of a working medium from the solid to the gaseous state of aggregation at pressures below the triple pressure, in particular for providing cold by means of a device integrated in a fluid circuit, are essentially aimed at the physical properties of the solid or the solid particles of the working medium circulating in the fluid circuit.
  • the solid particles harbor the risk of blocking within a pipe of a heat exchanger as a device for transferring heat or a connecting line arranged between components of the fluid circuit.
  • the heat transfer coefficient in the process of sublimation of the working medium within the heat exchanger is lower than the heat transfer coefficient of the same working medium in the process of evaporation, so that the heat exchanger for transferring the same amount of heat, for example, with a larger heat transfer surface and so that larger dimensions are to be formed.
  • the sublimator consequently has a larger space requirement than an evaporator through which an evaporating working medium flows.
  • the amount of heat to be transferred also referred to as the cooling capacity of the fluid circuit
  • a sublimator cannot be scaled in a manner comparable to an evaporator, as is the case with the design of a tube bundle heat exchanger.
  • the provision of cold by sublimation of a working medium is known, for example, from the cooling of semiconductor technology or the deep freezing of foodstuffs, which are cooled in open fluid circuits by means of a wear process.
  • the risk of blocking and incomplete sublimation of the working medium can be disregarded.
  • the flow cross-section of lines for the working medium or the length of the lines and thus the residence time of the solid particles within the line can be increased.
  • the sublimation as a process of the phase transition of the working medium can be completely completed.
  • the sprayed area is very limited as a heat transfer area.
  • the flow cross-sections of the nozzles are small in order to be able to adapt the mass flow of the working medium to low heat outputs, which, however, causes high costs and increases the risk of the nozzles becoming blocked.
  • An irregular distribution of the too sublimating working medium leads to uneven cooling over the heat transfer surface. The control effort to maintain a continuous process is also very high.
  • a fluid circuit is known in which carbon dioxide is expanded to a pressure below the triple pressure and injected into a fluid reservoir using the kinetic energy by means of a motive nozzle.
  • the resulting solid carbon dioxide particles sublime as they circulate in the carrier fluid and provide the required cold.
  • the injection of carbon dioxide into the fluid reservoir to provide cold is very slow.
  • the propellant nozzle is difficult to control and is usually set to a specific operating point.
  • the demand-dependent cooling capacity must therefore be regulated using additional instruments.
  • the motive nozzle must always be arranged above the evaporator, which affects the space required.
  • the object of the invention is to provide a device for transferring heat, in particular for providing cooling power, within a fluid circuit.
  • the cold should be used at a temperature level or pressure level below the triple point.
  • the device should be of a simple design and a modular design, compact, easy to design and scalable to different cooling capacities. With the modular design, the device should be able to be combined cost-effectively with available condensing units or standard components of fluid circuits.
  • the device is intended to occupy a minimum of space with a minimum of danger the blocking by solid particles as well as a uniform distribution of the particles and thus a uniform heat transfer over the heat exchanger surface can be operated efficiently.
  • the object is achieved by a device according to the invention for transferring heat by sublimation of a working medium circulating in a closed fluid circuit.
  • the device is designed with a heat exchanger for absorbing heat through the subliming working medium and at least one expansion element for relaxing the working medium.
  • the device has a separator for separating solid particles of the working medium as well as an inlet for flowing in liquid working medium and an outlet for flowing out of gaseous working medium.
  • the inlet and the outlet of the device are each designed as a connection point to the fluid circuit.
  • the outlet is advantageously arranged on the separator.
  • the device represents a combined design of a heat exchanger for providing cooling power using the sublimation enthalpy of the working medium for a closed fluid circuit.
  • the components for the expansion, heat exchanger, in particular sublimation heat exchanger or sublimator, and separator, especially particle separator, are coordinated with one another and are used as viewed as a coherent sublimator unit.
  • Carbon dioxide is preferably provided as the working medium.
  • the heat exchanger for absorbing heat through the subliming working medium is parallel to one another aligned flow channels formed.
  • An expansion element also referred to as the first expansion element, is assigned to each flow channel.
  • the heat exchanger for absorbing heat through the subliming working medium can have a primary sublimator and a secondary sublimator.
  • the primary sublimator is formed from the flow channels aligned parallel to one another, each with an expansion element.
  • the primary sublimator and the secondary sublimator are each to be viewed as partial areas or sections of the heat exchanger.
  • the expansion element is arranged in each case at an inlet in the flow channel or within the flow channel, in particular in the area of the inlet of the flow channel.
  • the flow channels are preferably aligned in the horizontal direction or in the vertical direction. Especially with the horizontal alignment of the flow channels, the flow channels are preferably each designed to open into the separator.
  • a conveying device for conveying solid particles of the working medium separated from a gaseous fluid flow in the separator is provided between an outlet of the separator and the heat exchanger for absorbing heat through the subliming working medium.
  • the delivery device can be designed as an ejector or a gas-operated nozzle or a pump. Especially when the delivery device is designed as an ejector or gas-operated nozzle, the device is advantageously designed with an inlet for the inflow of gaseous working medium. In this case, an additional, second expansion element is arranged within a connecting line extending between the inlet and the conveying device. Depending on the design of the device, a conveying device can be dispensed with using the natural circulation.
  • Another advantage of the invention is that in addition to the heat exchanger for absorbing heat through the subliming working medium as the first heat exchanger within the separator, a second heat exchanger for transferring heat from the liquid working medium flowing into the device through the inlet to the solid separated from the gaseous fluid flow Particles of the working medium is formed.
  • the second heat exchanger is arranged between the inlet for the inflow of liquid working medium and the at least one first expansion element.
  • a refrigerant circuit with at least one compressor and a circuit heat exchanger for removing heat from a working medium circulating in the circuit.
  • the refrigerant circuit is designed with an aforementioned device according to the invention for transferring heat by sublimation of the working medium.
  • the inlet for flowing in the liquid working medium of the device is connected to an outlet of the circuit heat exchanger or a medium-pressure container and the outlet for flowing out of the gaseous working medium of the device is connected to an inlet of the at least one compressor.
  • the inlet for the inflow of gaseous working medium of the device is connected to an outlet of the compressor or an outlet of the medium-pressure container.
  • the expansion element and the heat exchanger operated as an evaporator / sublimator are designed separately from one another.
  • a system-specific adaptation of both components is always required.
  • the system boundary between the sublimator unit and conventional refrigeration technology is changed in such a way that the expansion element and heat exchanger can be adapted to the specific installation is no longer required as both components are part of the
  • Sublimator unit are.
  • the adaptation or scaling of the entire sublimator unit with regard to the heat output to be transmitted, in particular the cooling output, is achieved through the targeted coordination of the components to be used in each case within the sublimator unit.
  • the object is also achieved by a method according to the invention for operating an aforementioned device according to the invention for transferring heat by sublimation of a heat circulating in a fluid circuit Working medium solved.
  • the procedure consists of the following steps:
  • the liquid working medium flowing into the device through the inlet for the inflow of the liquid working medium is subcooled before the expansion inside the separator.
  • the heat is transferred from the liquid working medium to solid particles of the working medium, which sublime while absorbing the heat.
  • An advantageous embodiment of the invention consists in that the solid particles separated from the gaseous fluid flow in the separator are conveyed in a carrier liquid to the heat exchanger for absorbing heat through the subliming working medium.
  • the heat exchanger and the separator are at least partially filled with the carrier liquid.
  • the non-sublimated solid particles and the carrier liquid are separated from the gaseous fluid flow.
  • the carrier liquid and the solid particles of the working medium preferably also serve to subcool the liquid refrigerant flowing into the device through the inlet.
  • the carrier liquid separated in the separator is conveyed into the heat exchanger together with the solid particles of the working medium that have not sublimed even when the liquid refrigerant is undercooled.
  • the liquid working medium is expanded in the carrier liquid when it flows through the at least one expansion element of the heat exchanger to absorb heat through the subliming working medium.
  • the working medium is then sublimed while absorbing heat within the carrier liquid and the carrier liquid is thus cooled.
  • the device according to the invention also has further advantages:
  • Fig. 1 a pressure-temperature diagram showing the individual phases of carbon dioxide
  • a first device for transferring heat as a dry-operated sublimator unit with a first heat exchanger with expansion elements upstream in the flow direction of the working medium, a separator and a second heat exchanger,
  • 3b an arrangement of the sublimator unit from FIG. 2 within a refrigerant circuit with two-stage compression with medium-pressure separation
  • FIG. 4 a second device for transferring heat, similar to the first device from FIG. 2, as a dry-wet operated sublimator unit and FIG
  • FIG. 1 shows a pressure-temperature diagram with the schematic representation of the individual phases of carbon dioxide.
  • the state of aggregation of the working medium depends not only on the temperature T but also on the pressure p prevailing in the system. All three phases solid (f), liquid (fl) and gaseous (g) are in thermodynamic equilibrium at the triple point.
  • Carbon dioxide known for short as C0 2 or with the refrigeration designation R744, is a natural refrigerant and is used in refrigerant circuits at evaporation temperatures, in particular in the range down to about -40 ° C. Carbon dioxide is advantageously non-flammable and nontoxic under normal conditions.
  • the triple pressure as the pressure level at the triple point of carbon dioxide is 5.18 bar and thus far above atmospheric pressure.
  • the associated temperature at the triple point is about -56 ° C. This means that carbon dioxide is in the gaseous or solid state of aggregation at an atmospheric pressure of around 1 bar and by no means in liquid form. Carbon dioxide can only be liquid under increased pressure of at least 5.18 bar.
  • carbon dioxide changes from the solid (f) state, also known as dry ice, to the gaseous (g) state while absorbing heat.
  • the working medium sublimates.
  • the line in the phase diagram that characterizes the transition from the solid (f) to the gaseous (g) state is also known as the sublimation line, while the line that characterizes the transition from the liquid (fl) to the gaseous (g) state is called the evaporation line.
  • the conventional cold vapor process generally runs in the two-phase region of the gaseous and liquid state of the refrigerant.
  • the pressure within the refrigerant circuit must be reduced to values below the triple point.
  • Carbon dioxide is at least partially in the form of a solid or solid particles.
  • the usable temperature level can be reduced to about -78 ° C or even below.
  • the heat exchanger operated as an evaporator above the triple pressure on the evaporation line is operated as a sublimator when operated on the sublimation line and thus below the triple pressure. Since the carbon dioxide sublimes during the transition from the solid phase to the gaseous phase while absorbing heat, useful cooling is provided in this way.
  • the coexistence of the solid phase and the gaseous phase of the refrigerant can lead to the accumulation of solid particles of the refrigerant on the heat transfer surfaces of the sublimator and to the agglomeration of solid particles, which in turn constricts the Flow cross-section or even a blockage of individual areas of the sublimator and thus a considerable pressure loss of the refrigerant can result.
  • Fig. 2 is a first device 1, 1a for transferring heat as a dry-operated sublimator unit with a first heat exchanger 2a with upstream expansion elements 3-1, 3-2 in the flow direction of the working medium, a separator 4a for separating solid particles and a second heat exchanger 10a.
  • liquid refrigerant for example exiting from a condenser or gas cooler or collector and at a floch pressure level, flows in the direction of flow 8 through a first inlet 5 into the device 1a.
  • the refrigerant present in liquid form is expanded to a pressure level below the triple pressure and then introduced into a primary sublimator 2-1a as a section of the first heat exchanger 2a.
  • a first portion of the carbon dioxide is evaporated, which extracts the heat required for evaporation from the second portion.
  • the second part of the refrigerant is converted into the solid state of aggregation.
  • the solid particles of carbon dioxide are generated by the disintegration of the liquid-gas jet by shear forces in connection with the flash evaporation and a subsequent solidification of the liquid droplets.
  • the corresponding heat exchanger is referred to as a condenser. Part of the heat transfer takes place at a constant temperature. With supercritical operation or with supercritical heat dissipation in the heat exchanger, the temperature of the increases Refrigerant, in particular carbon dioxide, steadily from. In this case, the heat exchanger is also referred to as a gas cooler.
  • the refrigerant When flowing through the primary sublimator 2-1a, the refrigerant is sublimated while absorbing heat, while the sublimation enthalpy of the refrigerant is used at a sublimation temperature corresponding to the pressure within the primary sublimator 2-1a.
  • the primary sublimator 2-1a as a first component of the first heat exchanger 2a has at least two flow channels that can be acted upon by refrigerant in parallel to one another.
  • a first expansion element 3-1 is upstream of each flow channel in the flow direction 8 of the refrigerant.
  • the first expansion element 3-1 is advantageously arranged in each case at the inlet of the flow channel.
  • the first expansion element 3-1 can be designed, for example, as a nozzle with a constant or adjustable flow cross-section or as a correspondingly adapted expansion valve. The expansion of the refrigerant and thus the transition to the solid state takes place in the form of an expansion cone within the flow channel.
  • the risk of blocking is minimized on the one hand.
  • the solid particles of the refrigerant already make a contribution to the transfer of heat directly after the expansion into the flow channel and thus at the inlet of the flow channel. Due to an agglomeration of the solid particles of the refrigerant, the heat transfer coefficient can be significantly reduced in the direction of flow.
  • the agglomeration can be prevented or at least minimized by a correspondingly high flow speed of the working medium, since this reduces the dwell time of the solid particles in the flow channel and thus also the possible time for agglomeration.
  • the heat exchanger 2a is scaled in terms of performance, in particular the cooling capacity, not by expanding the ratio of length to diameter of the hollow circular cylindrical flow channels, but by adapting the number of flow channels arranged parallel to one another.
  • a sublimator also referred to as a sublimation heat exchanger
  • the refrigerant is completely sublimated at the outlet of the heat exchanger and is therefore in the gaseous state.
  • the non-sublimated and thus the solid particles that have not changed from the solid to the gaseous state are separated from the gaseous fluid flow within the separator 4a, for example a cyclone separator, also referred to as a particle separator, downstream of the primary sublimator 2-1a in the flow direction 8.
  • the solid particles of the refrigerant accumulate on the bottom or in a lower region of the separator 4a and serve to subcool the liquid refrigerant flowing into the device 1a through the first inlet 5.
  • the second heat exchanger 10a operated as a subcooler for the liquid refrigerant is acted upon on the one hand with the liquid refrigerant and on the other hand with the solid particles of the refrigerant removed from the separator 4a.
  • the second heat exchanger 10a is consequently designed as an internal heat exchanger in the refrigerant circuit within the lower region of the separator 4a.
  • the internal heat exchanger is to be understood as a circuit-internal heat exchanger which serves to transfer heat between the refrigerant at high pressure and the refrigerant at low pressure or at sublimation pressure.
  • the liquid refrigerant is cooled further after the condensation and, on the other hand, solid particles of the refrigerant are sublimed.
  • the second heat exchanger 10a After exiting the second heat exchanger 10a, on the one hand the subcooled, liquid refrigerant is directed to the first expansion elements 3-1, while on the other hand the solid particles of the refrigerant which are not sublimated even when the liquid refrigerant is supercooled are discharged from the separator 4a.
  • the solid particles of the refrigerant diverted from the separator 4a are conveyed by means of a conveying device 9 arranged at an outlet of the separator 4a into a secondary sublimator 2-2a as a second component of the first heat exchanger 2a.
  • a conveying device 9 arranged at an outlet of the separator 4a into a secondary sublimator 2-2a as a second component of the first heat exchanger 2a.
  • the solid particles of the refrigerant are sublimed at a temperature corresponding to the pressure within the primary sublimator 2-1a, taking up heat.
  • the non-sublimated and thus the solid particles that have not changed from the solid to the gaseous state are fed back to the separator 4a connected downstream in the flow direction 8 of the secondary sublimator 2-2a.
  • the conveying device 9 can be designed, for example, as an ejector or a gas-operated nozzle.
  • gaseous refrigerant at a pressure level above the low pressure level i.e. the sublimation pressure
  • gaseous refrigerant at a pressure level above the low pressure level i.e. the sublimation pressure
  • the second expansion element 3-2 When flowing through the second expansion element 3-2, the refrigerant is expanded to a pressure level above the low pressure or sublimation pressure in order to ensure the transport of fluid to the secondary sublimator 2-2a.
  • the gaseous refrigerant flowing out of the separator 4a through an outlet 7 of the device 1a in the flow direction 8 is fed to a compressor of the refrigerant circuit at the low pressure level or suction pressure level.
  • FIGS. 3a and 3b each show an arrangement of the device 1 from FIG. 2 embodied as a sublimator unit within a refrigerant circuit 11a with single-stage compression or within a refrigerant circuit 11b with two-stage compression with medium pressure separation.
  • the gaseous refrigerant at low pressure level is sucked in by the compressor 12 through the outlet 7 of the device 1 from the device 1 and compressed to the high pressure level.
  • the refrigerant is passed through a circuit heat exchanger 13 operated as a condenser or gas cooler and liquefied while giving off heat.
  • the circuit heat exchanger 13 can be designed as a refrigerant-air heat exchanger, so that the heat from the refrigerant is transferred to air.
  • the preferably liquid refrigerant at the high pressure level flows into the device 1 through the first inlet 5 of the device 1 and is expanded in particular when flowing through the first expansion elements 3-1, according to the device 1a from FIG. 2.
  • the refrigerant present in gaseous form when flowing out of the device 1 is sucked in by the compressor 12.
  • the refrigerant circuit 11a is closed.
  • the device 1 is also integrated in the refrigerant circuit 11a via a connection line to the high pressure area of the refrigerant circuit 11a.
  • the connecting line opens into a refrigerant line running between the compressor 12, in particular the outlet of the compressor 12, and the circuit heat exchanger 13 and extends to the second inlet 6 of the device 1 Circulation heat exchanger 13 and a second partial mass flow to the second inlet 6 of the device 1 are divided.
  • the conveying device 9, not shown, of the device 1 is operated, if necessary, with a gaseous refrigerant, also referred to as hot gas, which is compressed to a high pressure level.
  • a gaseous refrigerant also referred to as hot gas
  • the gaseous refrigerant is sucked in at the low pressure level by the compressor 12, in particular a first compressor stage 12-1, through the outlet 7 of the device 1 from the device 1 and compressed to a medium pressure level. Subsequently, the refrigerant compressed to the medium pressure level is mixed with a partial mass flow of gaseous refrigerant flowing out of a medium pressure container 14 and sucked in by a second compressor stage 12-2 and compressed to the high pressure level.
  • the refrigerant After flowing out of the compressor 12, in particular the second compressor stage 12-2, the refrigerant is passed through the circuit heat exchanger 13 operated as a condenser or gas cooler and is liquefied while giving off heat.
  • the refrigerant present at the high pressure level preferably liquid
  • the gaseous phase and the liquid phase of the refrigerant are separated from one another in the medium-pressure tank 14, also referred to as a medium-pressure separator.
  • the refrigerant present in the liquid phase at the medium pressure level flows out of the medium pressure container 14 and into the device 1 through the first inlet 5 of the device 1.
  • the refrigerant present in gaseous form when flowing out of the device 1 is sucked in by the compressor 12.
  • the refrigerant circuit 11b is closed.
  • the refrigerant present in the gaseous phase at the medium pressure level also referred to as flash gas, flows out of the medium pressure tank 14 and is mixed with the partial mass flow of gaseous refrigerant flowing out of the first compressor stage 12-1 and sucked in by the second compressor stage 12-2.
  • the refrigerant can be cooled between the compressor stages 12-1, 12-2.
  • the flash gas can be used in a continuous compression process, for example in screw compressors, are injected between.
  • the device 1 is also integrated in the refrigerant circuit 11b via a connection line to the medium-pressure region of the refrigerant circuit 11b.
  • the connecting line opens into a connection formed between the medium-pressure tank 14 and the compressor 12, in particular between the first compressor stage 12-1 and the second compressor stage 12-2, and extends to the second inlet 6 of the device 1 present gaseous refrigerants are divided into a first partial mass flow to the compressor 12 and a second partial mass flow to the second inlet 6 of the device 1.
  • the conveying device 9, not shown, of the device 1 is operated, if necessary, with a gaseous refrigerant which is present at the medium pressure level.
  • the refrigerant circuit 11b according to FIG. 3b can have a higher energy efficiency than the refrigerant circuit 11a according to FIG. 3a.
  • the first device 1a from FIG. 2, designed as a dry-operated sublimator unit, has a reduced heat transfer coefficient in the first heat exchanger 2a, in particular in the secondary sublimator 2-2a, compared to a heat exchanger with a directly evaporating working medium, especially a heat exchanger operated as an evaporator .
  • the heat exchanger surface and the required installation space or space requirements must be increased.
  • FIG. 4 shows a second device 1, 1b for transferring heat, similar to the first device 1, 1a from FIG. 2, as a dry-wet-operated sublimator unit with a first heat exchanger 2b with the expansion organs 3 upstream in the flow direction 8 of the working medium -1, 3-2, a separator 4b for separating solid particles and carrier liquid and a second heat exchanger 10b are shown.
  • the main difference between the first device 1a according to FIG. 2 and the second device 1b lies in the mode of operation of the second device 1b with a carrier liquid as a dry-wet-operated sublimator unit instead of the operation of the first device 1a as a dry-operated sublimator unit.
  • the secondary sublimator 2-2b and the separator 4b are at least partially filled with the carrier liquid with the liquid level 16.
  • the separator 4b serves not only to separate the non-sublimated and thus the solid particles that have not passed from the solid to the gaseous state, but also to separate the carrier liquid from the gaseous fluid flow.
  • the carrier liquid and the solid particles of the refrigerant are collected on the bottom or in a lower region of the separator 4b and serve to subcool the liquid refrigerant flowing into the device 1b through the first inlet 5.
  • the second heat exchanger 10b operated as a subcooler for the liquid refrigerant, is consequently acted upon on the one hand with the liquid refrigerant and on the other hand with the mixture of carrier liquid and solid particles of the refrigerant removed from the separator 4b.
  • the supercooled, liquid refrigerant is passed to the first expansion elements 3-1.
  • the carrier liquid separated in the separator 4b is returned to the secondary sublimator 2-2b together with the solid particles of the refrigerant, which are not sublimated even when the liquid refrigerant is undercooled, through the conveying device 9, which is designed, for example, as an ejector or gas-operated nozzle.
  • the process of heat transfer in the secondary sublimator 2-2b in particular the heat transfer to the wall of the secondary sublimator 2-2b, is improved, which leads to a reduction in the heat transfer surface and thus the size or space requirement of the secondary sublimator 2 -2b and consequently of the first heat exchanger 2b compared to the first heat exchanger 2a of the first device 1a from FIG. 2.
  • a third device 1, 1c for transferring heat is shown as a wet-operated sublimator unit with a first heat exchanger 2c with associated expansion elements 3-1, the separator 4b for separating solid particles and carrier liquid and the second heat exchanger 10b.
  • liquid refrigerant for example exiting from a condenser or gas cooler or collector and present at a floch pressure level, flows in the flow direction 8 through the first inlet 5 into the device 1c.
  • the refrigerant present in liquid form is expanded to a pressure level below the triple pressure and then introduced into the first heat exchanger 2c designed as a sublimator 2-1c.
  • the sublimator 2-1c or first heat exchanger 2c has at least two flow channels which can be acted upon by refrigerant in parallel to one another.
  • an expansion element 3-1 is provided on the inlet side, which is arranged within the carrier liquid acting on the flow channel.
  • the expansion of the refrigerant and thus the transition of the refrigerant into the solid aggregate state takes place within the flow channels and within the carrier liquid.
  • the liquefied refrigerant is expanded into the carrier liquid.
  • the refrigerant is then in the form of a suspension of solid particles in the carrier liquid.
  • the sublimator 2-1c and the separator 4b are at least partially filled with the carrier liquid with the liquid level 16.
  • the refrigerant When flowing through the sublimator 2-1c, the refrigerant is sublimated while absorbing heat within the carrier liquid, and at a sublimation temperature corresponding to the pressure inside the sublimator 2-1c the sublimation enthalpy of the refrigerant is used.
  • the solid particles of the refrigerant can sublime completely within the carrier liquid.
  • the carrier liquid is cooled down in the process.
  • the resulting cold liquid with subliming solid particles of the refrigerant is passed through the first heat exchanger 2c either by means of a conveying device 17 or using natural circulation.
  • the carrier liquid has a low viscosity and a low freezing point and is advantageously non-toxic and non-flammable.
  • the carrier liquid and possibly non-sublimated and thus not converted from the solid to the gaseous state solid particles of the refrigerant are separated from the gaseous fluid flow within the separator 4b connected downstream of the sublimator 2-1c in the flow direction 8.
  • the carrier liquid and the solid particles of the refrigerant are collected at the bottom or in a lower region of the separator 4b and serve to subcool the liquid refrigerant flowing into the device 1c through the first inlet 5.
  • the second heat exchanger 10b operated as a subcooler for the liquid refrigerant, is consequently acted upon on the one hand with the liquid refrigerant and on the other hand with the mixture of carrier liquid and solid particles of the refrigerant removed from the separator 4b.
  • the supercooled, liquid refrigerant is passed to the expansion elements 3-1.
  • a check valve 18 is provided in a connecting line extending between the second heat exchanger 10b and the expansion elements 3-1.
  • the carrier liquid separated in the separator 4b is returned to the sublimator 2-1c by the conveying device 17 together with the solid particles of the refrigerant which have not sublimed even when the liquid refrigerant is undercooled.
  • the delivery device 17 can be designed, for example, as a pump, in particular a circulating pump.
  • the process of heat transfer during the sublimation of the refrigerant in the first heat exchanger 2c designed as a sublimator 2-1c, in particular the heat transfer to the wall of the first heat exchanger 2c, is improved, which reduces the heat exchanger surface and thus the The structural size or the space requirement of the first heat exchanger 2c compared to the first heat exchanger 2b of the second device 1b from FIG. 4 leads.
  • the main differences between the second device 1b according to FIG. 4 and the third device 1c lie in the design of the first heat exchanger 2c without a secondary sublimator and the conveying devices 9, 17 for circulating the carrier liquid with the solid particles of the refrigerant from the separator 4b into the first Heat exchangers 2b, 2c.
  • the third device 1c has a first heat exchanger 2c combined from a primary and secondary sublimator.
  • the carrier liquid and the non-sublimated solid particles of the refrigerant can be circulated by the kinetic energy of the primary solid-gas mixture after expansion and by the weight of the carrier liquid.
  • the conveying device 17 can be optionally provided as required.
  • the third device 1c designed as a sublimator unit similar to a conventional evaporator unit, is designed with an inlet 5 for liquid refrigerant under high pressure, i.e. for example for refrigerant at high pressure level or medium pressure level, and an outlet 7 for refrigerant at low pressure level or suction pressure level the device 1c can be used for any conventional system circuits.
  • the devices 1, 1a, 1b, 1c designed as sublimator units are very compact. Both the expansion and the sublimation of the refrigerant take place within several flow channels arranged parallel to one another, in particular heat exchanger tubes, which have a very low risk of blocking.
  • the solid particles of the refrigerant are distributed more evenly and the covered heat transfer surface is larger than in the case of a heat exchanger operated on the principle of spraying a surface.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung (1, 1a, 1b, 1c) zum Übertragen von Wärme durch Sublimation eines in einem Fluidkreislauf zirkulierenden Arbeitsmediums. Die Vorrichtung (1, 1a, 1b, 1c) ist mit einem Wärmeübertrager (2a, 2b, 2c) zur Aufnahme von Wärme durch das sublimierende Arbeitsmedium und mindestens einem Expansionsorgan (3-1) ausgebildet. Die Vorrichtung (1, 1a, 1b, 1c) weist zudem einen Abscheider (4a, 4b) zum Abscheiden fester Partikel des Arbeitsmediums sowie einen Einlass (5) zum Einströmen flüssigen Arbeitsmediums und einen Auslass (7) zum Ausströmen gasförmigen Arbeitsmediums auf. Dabei sind der Einlass (5) und der Auslass (7) jeweils als eine Verbindungsstelle zum Fluidkreislauf ausgebildet. Die Erfindung betrifft zudem einen Kältemittelkreislauf (11a, 11b) mit mindestens einem Verdichter (12), einem Kreislaufwärmeübertrager (13) zum Abführen von Wärme des im Kreislauf zirkulierenden Arbeitsmediums sowie der erfindungsgemäßen Vorrichtung (1, 1a, 1b, 1c). Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben der Vorrichtung (1, 1a, 1b, 1c).

Description

Vorrichtung zum Übertragen von Wärme in einem Fluidkreislauf und Verfahren zum Betreiben der Vorrichtung
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Übertragen von Wärme, insbesondere für das Bereitstellen von Kälte, durch Sublimation eines in einem geschlossenen Fluidkreislauf zirkulierenden Arbeitsmediums. Die Vorrichtung weist einen Wärmeübertrager zur Aufnahme von Wärme durch das sublimierende Arbeitsmedium und mindestens ein Expansionsorgan auf. Die Erfindung betrifft zudem einen Fluidkreislauf, insbesondere einen Kältemittelkreislauf, mit der Vorrichtung zum Übertragen von Wärme durch Sublimation des Arbeitsmediums sowie ein Verfahren zum Betreiben der Vorrichtung.
Die Herausforderungen bei der technischen Nutzung der Sublimation als Phasenübergang eines Arbeitsmediums vom festen in den gasförmigen Aggregatzustand bei Drücken unterhalb des Tripeldruckes, insbesondere zum Bereitstellen von Kälte mittels einer in einem Fluidkreislauf integrierten Vorrichtung, zielen im Wesentlichen auf die physikalischen Eigenschaften des Feststoffes beziehungsweise der festen Partikel des im Fluidkreislauf zirkulierenden Arbeitsmediums ab. So bergen die festen Partikel beispielsweise die Gefahr eines Verblockens innerhalb eines Rohres eines Wärmeübertragers als Vorrichtung zum Übertragen von Wärme oder einer zwischen Komponenten des Fluidkreislaufs angeordneten Verbindungsleitung.
Eine unvollständige Sublimation grober, fester Partikel des Arbeitsmediums kann zur Beschädigung des Verdichters des Fluidkreislaufs führen. Zudem ist der Wärmeübergangskoeffizient beim Vorgang der Sublimation des Arbeitsmediums innerhalb des Wärmeübertragers geringer als der Wärmeübergangskoeffizient des gleichen Arbeitsmediums beim Vorgang der Verdampfung, sodass der Wärmeübertrager zum Übertragen einer gleichen Wärmemenge zum Beispiel mit einer größeren Wärmeübertragungsfläche und damit größeren Abmessungen auszubilden ist. Der Sublimator weist als ein mit einem sublimierenden Arbeitsmedium beaufschlagter Wärmeübertrager folglich einen größeren Platzbedarf als ein Verdampfer auf, welcher mit einem verdampfenden Arbeitsmedium durchströmt wird. Des Weiteren ist ein Sublimator hinsichtlich der zu übertragenden Wärmemenge, auch als Kälteleistung des Fluidkreislaufs bezeichnet, nicht in mit einem Verdampfer vergleichbarer Weise, wie bei der Auslegung eines Rohrbündel- Wärmeübertragers, skalierbar.
Das Bereitstellen von Kälte durch Sublimation eines Arbeitsmediums ist beispielsweise aus der Kühlung von Halbleitertechnik oder der Tiefkühlung von Lebensmitteln bekannt, welche in offenen Fluidkreisläufen mittels eines Verschleißprozesses gekühlt werden. Dabei können die Gefahr der Verblockung und unvollständigen Sublimation des Arbeitsmediums unberücksichtigt bleiben. Um beim Bereitstellen von Kälte durch Sublimation eines Arbeitsmediums die Gefahr des Verblockens zu minimieren oder auszuschließen, können neben dem Besprühen einer Oberfläche mit dem Arbeitsmedium, bei welchen keine Gefahr der Verblockung besteht, der Strömungsquerschnitt von Leitungen für das Arbeitsmedium beziehungsweise die Länge der Leitungen und damit die Verweilzeit der festen Partikel innerhalb der Leitung vergrößert werden. Je nach Auslegung der Leitungen und Betriebsweise der Vorrichtung kann die Sublimation als Vorgang des Phasenübergangs des Arbeitsmediums vollständig abgeschlossen sein.
Beim Besprühen der Oberfläche mit dem Arbeitsmedium, bei welchem entweder ein Gemisch aus Flüssigkeit und Feststoff unter einem Phasenübergangsverzug auf der Oberfläche sublimiert oder der Feststoff in Form eines feinverteilten Feststoffnebels auf die zu kühlende Oberfläche gesprüht wird, ist die besprühte Fläche als Wärmeübertragungsfläche sehr begrenzt. Zudem sind die Strömungsquerschnitte der Düsen gering, um den Massenstrom des Arbeitsmediums auch an geringe Wärmeleistungen anpassen zu können, was jedoch hohe Kosten verursacht und die Gefahr des Verblockens der Düsen erhöht. Ein unregelmäßiges Verteilen des zu sublimierenden Arbeitsmediums führt zu einer ungleichmäßigen Kühlung über der Wärmeübertragungsfläche. Auch der Regelungsaufwand zum Aufrechterhalten eines kontinuierlichen Prozesses ist sehr groß.
Das Vergrößern des Strömungsquerschnitts der Leitungen führt zu einer Reduktion der Strömungsgeschwindigkeit des Arbeitsmediums und damit zu einer höheren Gefahr des Verschleppens des Fluids. Die geringeren Wärmeübergangskoeffizienten werden durch ein Vergrößern der Wärmeübertragungsfläche und folglich des gesamten Wärmeübertragers kompensiert, was den Platzbedarf beziehungsweise das Bauvolumen des Wärmeübertragers erhöht.
Mit dem Vergrößern der Länge der Leitungen und damit der Verweilzeit der festen Partikel des Arbeitsmediums innerhalb der Leitung ist auch ein großer Überhitzungsbereich des Arbeitsmediums in Form der Länge der Überhitzungsstrecke innerhalb des Wärmeübertragers zu berücksichtigen. Die notwendige Überhitzung des Arbeitsmediums, das heißt die Temperatur als Regelgröße, insbesondere zum Schutz des Verdichters, ist nur sehr schwer einstellbar. Da das Sublimieren der festen Partikel des Arbeitsmediums einen längeren Zeitraum beansprucht, kann das Arbeitsmedium als Gemisch aus Gas und festen Partikeln vorliegen, während die Gasphase des Arbeitsmediums Temperaturen deutlich oberhalb der Sublimationstemperatur aufweist. Mit der größeren Länge der Leitungen sind aufgrund des thermodynamischen Einflusses die Gesamteffizienz der Kältemaschine verringert und der Platzbedarf beziehungsweise das Bauvolumen des Wärmeübertragers erhöht. Der längere Transportweg der festen Partikel verursacht höhere Druckverluste und wirkt sich zudem erschwerend auf die Regelung der Kältemaschine aus.
Aus dem Stand der Technik ist zudem bekannt, das zu sublimierende Arbeitsmedium mit einem Sekundärfluid zu mischen, um derart den Wärmeübergangskoeffizienten zu erhöhen und den Wärmeübergang zu verbessern sowie die Gefahr des Verblockens zu verringern. Um ein Verschleppen des Trägerfluides im Fluidkreislauf des Arbeitsmediums zu vermeiden, ist ein Flüssigkeitsabscheider vorzusehen. In der DE 30 04 114 A1 wird ein Verfahren zum Bereitstellen von Kälteleistungen bei tiefen Temperaturen mit Kohlendioxid als Kältemittel beschrieben. Um einer Bildung von Agglomerationen von festen Kohlendioxidpartikeln vorzubeugen, werden die festen Kohlendioxidpartikel in einer nicht gefrierenden Flüssigkeit suspendiert und als Suspension durch einen als Sublimator betriebenen Wärmeübertrager gefördert. Für das Verfahren mit der apparativ sehr aufwändigen Vorrichtung sind insbesondere energetische und kostenintensive Aufwendungen erforderlich, um die Trägerflüssigkeit bereitzustellen und die Suspension im Fluidkreislauf zu führen. Die Anlage ist zudem sehr schwer zu dimensionieren.
Aus der NL 9401324 A ist ein Fluidkreislauf bekannt, in welchem Kohlendioxid auf einen Druck unterhalb des Tripeldruckes entspannt und unter Nutzung der kinetischen Energie mittels einer Treibdüse in einen Fluidspeicher eingedüst wird. Die dabei entstehenden festen Kohlendioxidpartikel sublimieren beim Umlauf im Trägerfluid und stellen die benötigte Kälte zur Verfügung. Das Eindüsen von Kohlendioxid in den Fluidspeicher zum Bereitstellen von Kälte ist sehr träge. Die Treibdüse ist schwer zu steuern und meist auf einen bestimmten Betriebspunkt eingestellt. Die bedarfsabhängige Kälteleistung ist folglich über zusätzliche Instrumente zu regeln. Zudem ist die Treibdüse stets oberhalb des Verdampfers anzuordnen, was den Platzbedarf beeinflusst.
Die Aufgabe der Erfindung besteht in der Bereitstellung einer Vorrichtung zum Übertragen von Wärme, insbesondere zum Bereitstellen einer Kälteleistung, innerhalb eines Fluidkreislaufs. Dabei soll die Kälte auf einem Temperaturniveau beziehungsweise Druckniveau unterhalb des Tripelpunktes genutzt werden. Die Vorrichtung soll einfach konstruiert und in modularer Bauweise kompakt aufgebaut sowie einfach auslegbar und an unterschiedliche Kälteleistungen skalierbar sein. Mit der modularen Bauweise soll die Vorrichtung mit verfügbaren Verflüssigungssätzen beziehungsweise Standard- Komponenten von Fluidkreisläufen kostengünstig kombinierbar sein. Die Vorrichtung soll bei einem minimalen Platzbedarf mit einer minimalen Gefahr des Verblockens durch feste Partikel sowie einer gleichmäßigen Verteilung der Partikel und damit einer gleichmäßigen Wärmeübertragung über der Wärmeübertragerfläche effizient betrieben werden können.
Die Aufgabe wird durch die Gegenstände mit den Merkmalen der selbstständigen Patentansprüche gelöst. Weiterbildungen sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.
Die Aufgabe wird durch eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Übertragen von Wärme durch Sublimation eines in einem geschlossenen Fluidkreislauf zirkulierenden Arbeitsmediums gelöst. Die Vorrichtung ist mit einem Wärmeübertrager zur Aufnahme von Wärme durch das sublimierende Arbeitsmedium und mindestens einem Expansionsorgan zum Entspannen des Arbeitsmediums ausgebildet.
Nach der Konzeption der Erfindung weist die Vorrichtung einen Abscheider zum Abscheiden fester Partikel des Arbeitsmediums sowie einen Einlass zum Einströmen flüssigen Arbeitsmediums und einen Auslass zum Ausströmen gasförmigen Arbeitsmediums auf. Dabei sind der Einlass und der Auslass der Vorrichtung jeweils als eine Verbindungsstelle zum Fluidkreislauf ausgebildet. Der Auslass ist vorteilhaft am Abscheider angeordnet.
Die Vorrichtung stellt eine kombinierte Ausbildung eines Wärmeübertragers zum Bereitstellen von Kälteleistung unter Nutzung der Sublimationsenthalpie des Arbeitsmediums für einen geschlossenen Fluidkreislauf dar. Dabei sind die Komponenten für die Expansion, Wärmeübertrager, insbesondere Sublimationswärmeübertrager oder Sublimator, und Abscheider, speziell Partikelabscheider, aufeinander abgestimmt und werden als eine zusammenhängende Sublimatoreinheit angesehen. Als Arbeitsmedium ist vorzugsweise Kohlendioxid vorgesehen.
Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist der Wärmeübertrager zur Aufnahme von Wärme durch das sublimierende Arbeitsmedium mit parallel zueinander ausgerichteten Strömungskanälen ausgebildet. Jedem Strömungskanal ist ein Expansionsorgan, auch als erste Expansionsorgane bezeichnet, zugeordnet.
Der Wärmeübertrager zur Aufnahme von Wärme durch das sublimierende Arbeitsmedium kann einen primären Sublimator und einen sekundären Sublimator aufweisen. Dabei ist insbesondere der primäre Sublimator aus den parallel zueinander ausgerichteten Strömungskanälen mit jeweils einem Expansionsorgan ausgebildet. Der primäre Sublimator und der sekundäre Sublimator sind jeweils als Teilbereiche beziehungsweise Abschnitte des Wärmeübertragers anzusehen.
Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist das Expansionsorgan jeweils an einem Einlass in den Strömungskanal oder innerhalb des Strömungskanals, insbesondere im Bereich des Einlasses des Strömungskanals, angeordnet.
Die Strömungskanäle sind vorzugsweise in horizontaler Richtung oder in vertikaler Richtung ausgerichtet. Speziell bei der horizontalen Ausrichtung der Strömungskanäle sind die Strömungskanäle bevorzugt jeweils in den Abscheider einmündend ausgebildet.
Nach einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist zwischen einem Auslass des Abscheiders und dem Wärmeübertrager zur Aufnahme von Wärme durch das sublimierende Arbeitsmedium eine Fördervorrichtung zum Fördern von im Abscheider aus einer gasförmigen Fluidströmung abgeschiedenen festen Partikeln des Arbeitsmediums vorgesehen.
Die Fördervorrichtung kann als ein Ejektor oder eine gasbetriebene Düse oder eine Pumpe ausgebildet sein. Speziell bei der Ausbildung der Fördervorrichtung als Ejektor oder gasbetriebene Düse ist die Vorrichtung vorteilhaft mit einem Einlass zum Einströmen gasförmigen Arbeitsmediums ausgebildet. Dabei ist innerhalb einer sich zwischen dem Einlass und der Fördervorrichtung erstreckenden Verbindungsleitung ein zusätzliches, zweites Expansionsorgan angeordnet. Je nach Ausbildung der Vorrichtung kann unter Nutzung des Naturumlaufs auf eine Fördervorrichtung verzichtet werden. Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, dass neben dem Wärmeübertrager zur Aufnahme von Wärme durch das sublimierende Arbeitsmedium als erstem Wärmeübertrager innerhalb des Abscheiders ein zweiter Wärmeübertrager zum Übertragen von Wärme von durch den Einlass in die Vorrichtung einströmenden flüssigen Arbeitsmedium an aus der gasförmigen Fluidströmung abgeschiedene feste Partikel des Arbeitsmediums ausgebildet ist. Der zweite Wärmeübertrager ist dabei zwischen dem Einlass zum Einströmen flüssigen Arbeitsmediums und dem mindestens einen ersten Expansionsorgan angeordnet.
Die Aufgabe wird auch durch einen erfindungsgemäßen Kältemittelkreislauf mit mindestens einem Verdichter und einem Kreislaufwärmeübertrager zum Abführen von Wärme eines im Kreislauf zirkulierenden Arbeitsmediums gelöst. Der Kältemittelkreislauf ist konzeptionsgemäß mit einer vorgenannten erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Übertragen von Wärme durch Sublimation des Arbeitsmediums ausgebildet. Dabei sind der Einlass zum Einströmen flüssigen Arbeitsmediums der Vorrichtung mit einem Auslass des Kreislaufwärmeübertragers oder eines Mitteldruckbehälters und der Auslass zum Ausströmen gasförmigen Arbeitsmediums der Vorrichtung mit einem Einlass des mindestens einen Verdichters verbunden.
Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist der Einlass zum Einströmen gasförmigen Arbeitsmediums der Vorrichtung mit einem Auslass des Verdichters oder einem Auslass des Mitteldruckbehälters verbunden.
Herkömmlich werden Expansionsorgan und als Verdampfer/Sublimator betriebener Wärmeübertrager getrennt voneinander ausgelegt. Dabei ist stets eine anlagenspezifische Anpassung beider Komponenten erforderlich. Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird die Systemgrenze zwischen der Sublimatoreinheit und konventioneller Kältetechnik derart verändert, dass ein anlagenspezifisches Anpassen von Expansionsorgan und Wärmeübertrager nicht mehr erforderlich ist, da beide Komponenten Bestandteil der
Sublimatoreinheit sind. Das Anpassen beziehungsweise Skalieren der gesamten Sublimatoreinheit hinsichtlich der zu übertragenden Wärmeleistung, insbesondere Kälteleistung, wird durch das gezielte Abstimmen der jeweils zu verwendenden Komponenten innerhalb der Sublimatoreinheit erreicht. Die in einem Anwendungsfall zu definierenden, äußeren Schnittstellen zum konventionellen Fluidkreislauf betreffen einerseits den Auslass des
Kreislaufwärmeübertragers oder eines Sammlers und andererseits den Saugstutzen des Verdichters. Beide Schnittstellen sind hinsichtlich der
Randbedingungen verhältnismäßig einfach und einheitlich zu definieren, was eine modulare Bauweise zwischen marktverfügbaren Verflüssigungssätzen oder Kälteanlagen aus Standard-Komponenten und der erfindungsgemäßen Sublimatoreinheit ermöglicht - vergleichbar mit der in der Kaltdampfkältetechnik typischen modularen Bauweise aus einem Verflüssigungssatz und einem als Verdampfer betriebenen Wärmeübertrager mit dazugehörigem Expansionsorgan.
Zudem werden erweiterte Temperaturbereiche unterhalb des spezifischen Tripelpunktes, abhängig von der Wahl des Arbeitsmediums, nutzbar. Dabei werden Arbeitsmedien in Betracht gezogen, deren Tripelpunktsdruck vorteilhafterweise oberhalb des Atmosphärendruckes liegt, was zu unterschiedlichen Anwendungstemperaturen führt. Mit der vorteilhaften Verwendung von Kohlendioxid als Arbeitsmedium beziehungsweise Kältemittel können Kälteleistungen bei Temperaturen unterhalb von -50°C bereitgestellt werden. Vor dem Hintergrund umweltpolitisch motivierter Restriktionen von bisher üblicherweise verwendeten Kältemitteln, insbesondere solcher mit hohem Erderwärmungspotential, kurz als GWP für englisch „global warming potential“ bezeichnet, ermöglicht die erfindungsgemäße Vorrichtung die Kälteerzeugung bei Temperaturen unterhalb von -50 °C.
Die Aufgabe wird auch durch ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Betreiben einer vorgenannten erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Übertragen von Wärme durch Sublimation eines in einem Fluidkreislauf zirkulierenden Arbeitsmediums gelöst. Das Verfahren weist folgende Schritte auf:
- Entspannen von durch einen Einlass zum Einströmen flüssigen Arbeitsmediums in die Vorrichtung eingeleiteten flüssigen Arbeitsmediums beim Durchströmen von mindestens einem Expansionsorgan auf ein Druckniveau unterhalb des Tripeldruckes des Arbeitsmediums und Erzeugen fester Partikel während des Einleitens des Arbeitsmediums in einen Wärmeübertrager zur Aufnahme von Wärme durch das sublim ierende Arbeitsmedium,
- Sublimieren fester Partikel des Arbeitsmediums beim Durchströmen des Wärmeübertragers unter Aufnahme von Wärme,
- Einleiten des Arbeitsmediums in einen Abscheider und Separieren nicht sublimierter fester Partikel von einer gasförmigen Fluidströmung innerhalb des Abscheiders,
- Ableiten des gasförmigen Arbeitsmediums durch einen Auslass und der festen Partikel aus dem Abscheider sowie
- Fördern der festen Partikel des Arbeitsmediums, insbesondere mittels einer an einem weiteren Auslass des Abscheiders angeordneten Fördervorrichtung, zurück in den Wärmeübertrager.
Nach einer Weiterbildung der Erfindung wird das durch den Einlass zum Einströmen flüssigen Arbeitsmediums in die Vorrichtung einströmende flüssige Arbeitsmedium vor dem Entspannen innerhalb des Abscheiders unterkühlt. Dabei wird die Wärme vom flüssigen Arbeitsmedium an feste Partikel des Arbeitsmediums übertragen, welche unter Aufnahme der Wärme sublimieren.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, dass die im Abscheider von der gasförmigen Fluidströmung separierten festen Partikel in einer Trägerflüssigkeit zum Wärmeübertrager zur Aufnahme von Wärme durch das sublimierende Arbeitsmedium gefördert werden. Dabei sind der Wärmeübertrager sowie der Abscheider zumindest bereichsweise mit der Trägerflüssigkeit befüllt. Im Abscheider werden die nicht sublimierten festen Partikel und die Trägerflüssigkeit von der gasförmigen Fluidströmung separiert. Die Trägerflüssigkeit und die festen Partikel des Arbeitsmediums dienen vorzugsweise auch zum Unterkühlen des durch den Einlass in die Vorrichtung einströmenden flüssigen Kältemittels. Die im Abscheider abgeschiedene Trägerflüssigkeit wird zusammen mit den auch beim Unterkühlen des flüssigen Kältemittels nicht sublimierten festen Partikeln des Arbeitsmediums in den Wärmeübertrager gefördert.
Nach einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird das flüssige Arbeitsmedium beim Durchströmen des mindestens einen Expansionsorgans des Wärmeübertragers zur Aufnahme von Wärme durch das sublim ierende Arbeitsmedium in der Trägerflüssigkeit entspannt. Dabei werden anschließend das Arbeitsmedium unter Aufnahme von Wärme innerhalb der Trägerflüssigkeit sublimiert und damit die Trägerflüssigkeit abgekühlt.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung weist zudem zusammenfassend weitere Vorteile auf:
- einfache und kompakte Konstruktion aus einem Minimum an Komponenten sowie einfache Montage auch durch einen modularen Aufbau, dadurch zudem
- gute Skalierbarkeit bezüglich der Kälteleistung, auch da die Komponenten als Bausätze verwendet werden können,
- minimaler Platzbedarf mit einer minimalen Gefahr des Verblockens durch feste Partikel sowie
- gleichmäßige Verteilung der festen Partikel und damit gleichmäßige Wärmeübertragung über der Wärmeübertragerfläche und effizienter Betrieb des Wärmeübertragers.
Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile von Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen mit Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen. Es zeigen: Fig. 1: ein Druck-Temperatur-Diagramm mit Darstellung der einzelnen Phasen von Kohlendioxid,
Fig. 2: eine erste Vorrichtung zum Übertragen von Wärme als trocken betriebene Sublimatoreinheit mit einem ersten Wärmeübertrager mit in Strömungsrichtung des Arbeitsmediums vorgelagerten Expansionsorganen, einem Abscheider und einem zweiten Wärmeübertrager,
Fig. 3a: eine Anordnung der Sublimatoreinheit aus Fig. 2 innerhalb eines Kältemittelkreislaufs mit einstufiger Verdichtung,
Fig. 3b: eine Anordnung der Sublimatoreinheit aus Fig. 2 innerhalb eines Kältemittelkreislaufs mit zweistufiger Verdichtung mit Mitteldruckabscheidung,
Fig. 4: eine zweite Vorrichtung zum Übertragen von Wärme, ähnlich der ersten Vorrichtung aus Fig. 2, als trocken-feucht-betriebene Sublimatoreinheit sowie
Fig. 5: eine dritte Vorrichtung zum Übertragen von Wärme als feucht betriebene Sublimatoreinheit mit einem ersten Wärmeübertrager mit zugeordneten Expansionsorganen, einem Abscheider und einem zweiten Wärmeübertrager.
In Fig. 1 ist ein Druck-Temperatur-Diagramm mit der schematischen Darstellung der einzelnen Phasen von Kohlendioxid gezeigt. Der jeweilige Aggregatzustand des Arbeitsmediums ist neben der Temperatur T auch vom im System vorherrschenden Druck p abhängig. Dabei befinden sich am Tripelpunkt alle drei Phasen fest (f), flüssig (fl) und gasförmig (g) im thermodynamischen Gleichgewicht.
Kohlendioxid, kurz als C02 oder mit der kältetechnischen Bezeichnung R744 bekannt, ist ein natürliches Kältemittel und wird in Kältemittelkreisläufen bei Verdampfungstemperaturen insbesondere im Bereich bis etwa -40°C eingesetzt. Kohlendioxid ist vorteilhaft nicht brennbar und unter üblichen Bedingungen nicht toxisch. Der Tripeldruck als Druckniveau am Tripelpunkt von Kohlendioxid liegt bei 5,18 bar und damit weit oberhalb des Atmosphärendruckes. Die dazugehörige Temperatur am Tripelpunkt beträgt etwa -56°C. Damit liegt Kohlendioxid bei Atmosphärendruck von etwa 1 bar im gasförmigen oder festen Aggregatzustand und keinesfalls in flüssiger Form vor. Lediglich unter erhöhtem Druck von minimal 5,18 bar kann Kohlendioxid auch flüssig sein. Bei Atmosphärendruck geht Kohlendioxid vom festen (f) Zustand, auch als Trockeneis bezeichnet, unter Wärmeaufnahme direkt in den gasförmigen (g) Zustand über. Das Arbeitsmedium sublimiert. Die im Phasendiagramm den Übergang vom festen (f) in den gasförmigen (g) Zustand kennzeichnende Linie ist auch als Sublimationslinie bekannt, während die den Übergang vom flüssigen (fl) in den gasförmigen (g) Zustand kennzeichnende Linie als Verdampfungslinie bezeichnet wird.
Der konventionelle Kaltdampfprozess verläuft im Allgemeinen im Zweiphasengebiet des gasförmigen und flüssigen Zustands des Kältemittels. Um den Prozess mit Kohlendioxid als Kältemittel bei Temperaturen unterhalb von -56°C zu betreiben, ist der Druck innerhalb des Kältemittelkreislaufs auf Werte unterhalb des Tripelpunktes abzusenken. Dabei liegt Kohlendioxid zumindest teilweise als Feststoff beziehungsweise als feste Partikel vor. Das nutzbare Temperaturniveau kann bis auf etwa -78°C oder sogar darunter abgesenkt werden.
Im Vergleich zum konventionellen Kaltdampfprozess wird der oberhalb des Tripeldruckes auf der Verdampfungslinie als Verdampfer betriebene Wärmeübertrager beim Betrieb auf der Sublimationslinie und damit unterhalb des Tripeldruckes als Sublimator betrieben. Da das Kohlendioxid beim Übergang von der festen Phase in die gasförmige Phase unter Aufnahme von Wärme sublimiert, wird derart Nutzkälte bereitgestellt.
Die Koexistenz von fester Phase und gasförmiger Phase des Kältemittels kann zum Anlagern von festen Partikeln des Kältemittels an den Wärmeübertragungsflächen des Sublimators sowie zum Agglomerieren von festen Partikeln führen, was wiederum Verengungen des Strömungsquerschnitts oder gar ein Verblocken einzelner Bereiche des Sublimators und damit einen erheblichen Druckverlust des Kältemittels zur Folge haben kann.
Aus Fig. 2 geht eine erste Vorrichtung 1, 1a zum Übertragen von Wärme als trocken-betriebene Sublimatoreinheit mit einem ersten Wärmeübertrager 2a mit in Strömungsrichtung des Arbeitsmediums vorgelagerten Expansionsorganen 3-1, 3-2, einem Abscheider 4a zum Abscheiden von festen Partikeln und einem zweiten Wärmeübertrager 10a hervor.
Beim Betrieb eines Fluidkreislaufs, insbesondere eines Kältemittelkreislaufs, strömt flüssiges, beispielsweise aus einem Kondensator beziehungsweise Gaskühler oder Sammler austretendes, auf einem Flochdruckniveau vorliegendes Kältemittel, in Strömungsrichtung 8 durch einen ersten Einlass 5 in die Vorrichtung 1a ein. Beim Durchströmen der ersten Expansionsorgane 3-1 wird das in flüssiger Form vorliegende Kältemittel auf ein Druckniveau unterhalb des Tripeldruckes entspannt und anschließend in einen primären Sublimator 2-1 a als Abschnitt des ersten Wärmeübertragers 2a eingeleitet. Beim Expandieren wird ein erster Anteil des Kohlendioxids verdampft, welches dem zweiten Anteil die für die Verdampfung erforderliche Wärme entzieht. Der zweite Anteil des Kältemittels wird dabei in den festen Aggregatzustand überführt. Die festen Partikel des Kohlendioxids werden durch den Zerfall des Flüssigkeits- Gas-Strahls durch Scherkräfte in Verbindung mit der Entspannungsverdampfung sowie ein sich daran anschließendes Erstarren der Flüssigkeitstropfen erzeugt.
Wenn das Kältemittel bei unterkritischem Betrieb des Kältemittelkreislaufs, wie bei bestimmten Umgebungsbedingungen mit Kohlendioxid unterhalb des kritischen Punktes, verflüssigt wird, wird der entsprechende Wärmeübertrager 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, insbesondere von Kohlendioxid, stetig ab. In diesem Fall wird der Wärmeübertrager auch als Gaskühler bezeichnet.
Beim Durchströmen des primären Sublimators 2-1 a wird das Kältemittel unter Aufnahme von Wärme sublimiert, dabei wird bei einer dem Druck innerhalb des primären Sublimators 2-1 a entsprechenden Sublimationstemperatur die Sublimationsenthalpie des Kältemittels genutzt.
Der primäre Sublimator 2-1 a als eine erste Komponente des ersten Wärmeübertragers 2a weist mindestens zwei, parallel zueinander mit Kältemittel beaufschlagbare Strömungskanäle auf. Jedem Strömungskanal ist in Strömungsrichtung 8 des Kältemittels ein erstes Expansionsorgan 3-1 vorgelagert. Das erste Expansionsorgan 3-1 ist vorteilhaft jeweils am Einlass des Strömungskanals angeordnet. Das erste Expansionsorgan 3-1 kann beispielsweise als eine Düse mit einem konstanten oder verstellbaren Strömungsquerschnitt oder als ein entsprechend angepasstes Expansionsventil ausgebildet sein. Die Expansion des Kältemittels und damit der Übergang in den festen Aggregatzustand erfolgt in Form eines Expansionskegels innerhalb des Strömungskanals.
Mit dem Anordnen der ersten Expansionsorgane 3-1 jeweils direkt am Einlass eines Strömungskanals und damit dem Verzicht auf zusätzliche Verbindungsleitungen mit zusätzlichen Änderungen des Strömungsquerschnitts zwischen dem ersten Expansionsorgan 3-1 und dem primären Sublimator 2-1 a wird einerseits die Gefahr des Verblockens minimiert. Andererseits leisten die festen Partikel des Kältemittels bereits direkt nach der Expansion in den Strömungskanal und damit am Einlass des Strömungskanals einen Beitrag zur Wärmeübertragung. Aufgrund einer Agglomeration der festen Partikel des Kältemittels kann sich der Wärmeübergangskoeffizient in Strömungsrichtung deutlich verringern. Die Agglomeration kann durch eine entsprechend hohe Strömungsgeschwindigkeit des Arbeitsmediums verhindert oder zumindest minimiert werden, da damit die Verweilzeit der festen Partikel im Strömungskanal und somit auch die mögliche Zeit zum Agglomerieren reduziert wird. Anders als bei der konventionellen Auslegung eines Wärmeübertragers für verdampfende Kältemittel wird der Wärmeübertrager 2a hinsichtlich der Leistung, insbesondere der Kälteleistung, nicht durch ein Erweitern des Verhältnisses von Länge zu Durchmesser der hohlkreiszylinderförmigen Strömungskanäle, sondern durch ein Anpassen der Anzahl der parallel zueinander angeordneten Strömungskanäle skaliert.
Zudem kann bei einem Sublimator, auch als Sublimationswärmeübertrager bezeichnet, nicht sichergestellt werden, dass das Kältemittel am Austritt des Wärmeübertragers vollständig sublimiert ist und damit im gasförmigen Zustand vorliegt. Die nicht sublimierten und damit die nicht vom festen in den gasförmigen Zustand übergegangenen festen Partikel werden innerhalb des in Strömungsrichtung 8 dem primären Sublimator 2-1 a nachgeschalteten Abscheider 4a, beispielsweise einem Zyklon-Abscheider, auch als Partikelabscheider bezeichnet, von der gasförmigen Fluidströmung separiert.
Die festen Partikel des Kältemittels akkumulieren am Boden beziehungsweise in einem unteren Bereich des Abscheiders 4a und dienen zum Unterkühlen des durch den ersten Einlass 5 in die Vorrichtung 1a einströmenden flüssigen Kältemittels. Dabei wird der zweite, als Unterkühler für das flüssige Kältemittel betriebene Wärmeübertrager 10a einerseits mit dem flüssigen Kältemittel und andererseits mit den aus dem Abscheider 4a entnommenen festen Partikeln des Kältemittels beaufschlagt. Der zweite Wärmeübertrager 10a ist folglich als ein innerer Wärmeübertrager im Kältemittelkreislauf innerhalb des unteren Bereichs des Abscheiders 4a ausgebildet.
Unter dem inneren Wärmeübertrager ist ein kreislaufinterner Wärmeübertrager zu verstehen, welcher der Wärmeübertragung zwischen dem Kältemittel bei Hochdruck und dem Kältemittel bei Niederdruck beziehungsweise bei Sublimationsdruck dient. Dabei werden einerseits das flüssige Kältemittel nach der Kondensation weiter abgekühlt und andererseits feste Partikel des Kältemittels sublimiert.
Nach dem Austritt aus dem zweiten Wärmeübertrager 10a wird einerseits das unterkühlte, flüssige Kältemittel zu den ersten Expansionsorganen 3-1 geleitet, während andererseits die auch beim Unterkühlen des flüssigen Kältemittels nicht sublimierten festen Partikel des Kältemittels aus dem Abscheider 4a abgeleitet werden.
Die aus dem Abscheider 4a abgeleiteten festen Partikel des Kältemittels werden mittels einer an einem Auslass des Abscheiders 4a angeordneten Fördervorrichtung 9 in einen sekundären Sublimator 2-2a als eine zweite Komponente des ersten Wärmeübertragers 2a gefördert. Beim Durchströmen des sekundären Sublimators 2-2a werden die festen Partikel des Kältemittels bei einer dem Druck innerhalb des primären Sublimators 2-1 a entsprechenden Temperatur unter Aufnahme von Wärme sublimiert. Die nicht sublimierten und damit die nicht vom festen in den gasförmigen Zustand übergegangenen festen Partikel werden dem in Strömungsrichtung 8 des sekundären Sublimators 2-2a nachgeschalteten Abscheider 4a wieder zugeführt.
Die Fördervorrichtung 9 kann beispielsweise als ein Ejektor oder eine gasbetriebene Düse ausgebildet sein. Als Treibmedium wird jeweils gasförmiges Kältemittel auf einem Druckniveau oberhalb des Niederdruckniveaus, das heißt des Sublimationsdruckes, in Strömungsrichtung 8 durch einen zweiten Einlass 6 und ein zweites Expansionsorgan 3-2 zur Fördervorrichtung 9 geleitet. Beim Durchströmen des zweiten Expansionsorgans 3-2 wird das Kältemittel auf ein Druckniveau oberhalb des Niederdrucks beziehungsweise Sublimationsdrucks entspannt, um den Fluidtransport zum sekundären Sublimator 2-2a sicherzustellen.
Das aus dem Abscheider 4a durch einen Auslass 7 der Vorrichtung 1a in Strömungsrichtung 8 ausströmende gasförmige Kältemittel wird einem Verdichter des Kältemittelkreislaufs auf dem Niederdruckniveau beziehungsweise Saugdruckniveau zugeführt.
Die Fig. 3a und 3b zeigen jeweils eine Anordnung der als Sublimatoreinheit ausgebildeten Vorrichtung 1 aus Fig. 2 innerhalb eines Kältemittelkreislaufs 11a mit einstufiger Verdichtung beziehungsweise innerhalb eines Kältemittelkreislaufs 11b mit zweistufiger Verdichtung mit Mitteldruckabscheidung.
Beim Betrieb des sehr kompakten und kostengünstigen ersten Kältemittelkreislaufs 11a nach Fig. 3a wird das gasförmige Kältemittel auf Niederdruckniveau vom Verdichter 12 durch den Auslass 7 der Vorrichtung 1 aus der Vorrichtung 1 angesaugt und auf das Hochdruckniveau verdichtet. Nach dem Ausströmen aus dem Verdichter 12 wird das Kältemittel durch einen als Kondensator beziehungsweise Gaskühler betriebenen Kreislaufwärmeübertrager 13 geleitet und unter Wärmeabgabe verflüssigt. Der Kreislaufwärmeübertrager 13 kann dabei als Kältemittelluft-Wärmeübertrager ausgebildet sein, sodass die Wärme vom Kältemittel an Luft übertragen wird. Anschließend strömt das auf dem Hochdruckniveau vorliegende, vorzugsweise flüssige Kältemittel durch den ersten Einlass 5 der Vorrichtung 1 in die Vorrichtung 1 ein und wird insbesondere beim Durchströmen der ersten Expansionsorgane 3-1, gemäß der Vorrichtung 1a aus Fig. 2, entspannt. Das beim Ausströmen aus der Vorrichtung 1 gasförmig vorliegende Kältemittel wird vom Verdichter 12 angesaugt. Der Kältemittelkreislauf 11a ist geschlossen.
Die Vorrichtung 1 ist zudem über eine Verbindungsleitung zum Hochdruckbereich des Kältemittelkreislaufs 11a im Kältemittelkreislauf 11a eingebunden. Dabei mündet die Verbindungsleitung in eine zwischen dem Verdichter 12, insbesondere dem Auslass des Verdichters 12, und dem Kreislaufwärmeübertrager 13 verlaufende Kältemittelleitung ein und erstreckt sich bis zum zweiten Einlass 6 der Vorrichtung 1. Damit kann das auf Hochdruckniveau verdichtete gasförmige Kältemittel in einen ersten Teilmassenstrom zum Kreislaufwärmeübertrager 13 und einen zweiten Teilmassenstrom zum zweiten Einlass 6 der Vorrichtung 1 aufgeteilt werden. Die nicht dargestellte Fördervorrichtung 9 der Vorrichtung 1 wird bedarfsweise mit auf Hochdruckniveau verdichtetem gasförmigem Kältemittel, auch als Heißgas bezeichnet, betrieben. Beim Betrieb des zweiten Kältemittelkreislaufs 11b nach Fig. 3b wird das gasförmige Kältemittel auf Niederdruckniveau vom Verdichter 12, insbesondere einer ersten Verdichterstufe 12-1, durch den Auslass 7 der Vorrichtung 1 aus der Vorrichtung 1 angesaugt und auf ein Mitteldruckniveau verdichtet. Anschließend wird das auf das Mitteldruckniveau verdichtete Kältemittel mit einem aus einem Mitteldruckbehälter 14 ausströmenden Teilmassenstrom gasförmigen Kältemittels vermischt und von einer zweiten Verdichterstufe 12-2 angesaugt und auf das Hochdruckniveau verdichtet.
Nach dem Ausströmen aus dem Verdichter 12, insbesondere der zweiten Verdichterstufe 12-2, wird das Kältemittel durch den als Kondensator beziehungsweise Gaskühler betriebenen Kreislaufwärmeübertrager 13 geleitet und unter Wärmeabgabe verflüssigt.
Anschließend wird das auf dem Hochdruckniveau vorliegende, vorzugsweise flüssige Kältemittel beim Durchströmen eines Kreislaufexpansionsorgans 15 auf das Mitteldruckniveau entspannt und strömt als Zwei-Phasen-Gemisch aus Flüssigkeit und Dampf in einen Mitteldruckbehälter 14 ein. Im Mitteldruckbehälter 14, auch als Mitteldruckabscheider bezeichnet, werden die gasförmige Phase und die flüssige Phase des Kältemittels voneinander getrennt.
Das in flüssiger Phase auf dem Mitteldruckniveau vorliegende Kältemittel strömt aus dem Mitteldruckbehälter 14 aus und durch den ersten Einlass 5 der Vorrichtung 1 in die Vorrichtung 1 ein. Das beim Ausströmen aus der Vorrichtung 1 gasförmig vorliegende Kältemittel wird vom Verdichter 12 angesaugt. Der Kältemittelkreislauf 11b ist geschlossen. Das in gasförmiger Phase auf dem Mitteldruckniveau vorliegende Kältemittel, auch als Flashgas bezeichnet, strömt aus dem Mitteldruckbehälter 14 aus und wird mit dem aus der ersten Verdichterstufe 12-1 ausströmenden Teilmassenstrom gasförmigen Kältemittels vermischt und von der zweiten Verdichterstufe 12-2 angesaugt. Dabei kann das Kältemittel zwischen den Verdichterstufen 12-1, 12-2 zwischengekühlt werden. Das Flashgas kann bei einem kontinuierlichen Verdichtungsprozess, beispielsweise bei Schraubenverdichtern, zwischeneingespritzt werden.
Die Vorrichtung 1 ist zudem über eine Verbindungsleitung zum Mitteldruckbereich des Kältemittelkreislaufs 11b im Kältemittelkreislauf 11b eingebunden. Dabei mündet die Verbindungsleitung in eine zwischen dem Mitteldruckbehälter 14 und dem Verdichter 12, insbesondere zwischen der ersten Verdichterstufe 12-1 und der zweiten Verdichterstufe 12-2 ausgebildete Verbindung ein und erstreckt sich bis zum zweiten Einlass 6 der Vorrichtung 1. Damit kann das auf Mitteldruckniveau vorliegende gasförmige Kältemittel in einen ersten Teilmassenstrom zum Verdichter 12 und einen zweiten Teilmassenstrom zum zweiten Einlass 6 der Vorrichtung 1 aufgeteilt werden. Die nicht dargestellte Fördervorrichtung 9 der Vorrichtung 1 wird bedarfsweise mit auf Mitteldruckniveau vorliegendem gasförmigem Kältemittel betrieben. Da das auf Mitteldruckniveau vorliegende gasförmige Kältemittel eine geringere Temperatur als das im Kältemittelkreislauf 11a nach Fig. 3a als Fleißgas in die Vorrichtung 1 einströmende gasförmige Kältemittel aufweist, kann der Kältemittelkreislauf 11b nach Fig. 3b mit einer höheren energetischen Effizienz als der Kältemittelkreislauf 11a nach Fig. 3a betrieben werden.
Die erste, als trocken-betriebene Sublimatoreinheit ausgebildete Vorrichtung 1a aus Fig. 2 weist im ersten Wärmeübertrager 2a, insbesondere im sekundären Sublimator 2-2a, einen reduzierten Wärmeübergangskoeffizienten im Vergleich zu einem Wärmeübertrager mit einem direktverdampfenden Arbeitsmedium, speziell einem als Verdampfer betriebenen Wärmeübertrager, auf. Um die damit verbundene geringere Leistung der Wärmeübertragung zu kompensieren, sind die Wärmeübertragerfläche und der erforderliche Bauraum beziehungsweise Platzbedarf zu vergrößern.
In Fig. 4 ist eine zweite Vorrichtung 1, 1b zum Übertragen von Wärme, ähnlich der ersten Vorrichtung 1, 1a aus Fig. 2, als trocken-feucht-betriebene Sublimatoreinheit mit einem ersten Wärmeübertrager 2b mit den in Strömungsrichtung 8 des Arbeitsmediums vorgelagerten Expansionsorganen 3-1, 3-2, einem Abscheider 4b zum Abscheiden von festen Partikeln und Trägerflüssigkeit sowie einem zweiten Wärmeübertrager 10b dargestellt. Der wesentliche Unterschied zwischen der ersten Vorrichtung 1a gemäß Fig. 2 und der zweiten Vorrichtung 1b liegt in der Betriebsweise der zweiten Vorrichtung 1b mit einer Trägerflüssigkeit als trocken-feucht-betriebene Sublimatoreinheit anstelle der Betriebsweise der ersten Vorrichtung 1a als trocken-betriebene Sublimatoreinheit. Dabei sind insbesondere der sekundäre Sublimator 2-2b sowie der Abscheider 4b zumindest teilweise mit der Trägerflüssigkeit mit dem Flüssigkeitsstand 16 befüllt. Der Abscheider 4b dient neben dem Separieren der nicht sublimierten und damit der nicht vom festen in den gasförmigen Zustand übergegangenen festen Partikel auch dem Abscheiden der Trägerflüssigkeit von der gasförmigen Fluidströmung.
Die Trägerflüssigkeit und die festen Partikel des Kältemittels werden am Boden beziehungsweise in einem unteren Bereich des Abscheiders 4b gesammelt und dienen zum Unterkühlen des durch den ersten Einlass 5 in die Vorrichtung 1b einströmenden flüssigen Kältemittels. Der zweite, als Unterkühler für das flüssige Kältemittel betriebene Wärmeübertrager 10b wird folglich einerseits mit dem flüssigen Kältemittel und andererseits mit der aus dem Abscheider 4b entnommenen Mischung aus Trägerflüssigkeit und fester Partikel des Kältemittels beaufschlagt.
Nach dem Austritt aus dem zweiten Wärmeübertrager 10b wird das unterkühlte, flüssige Kältemittel zu den ersten Expansionsorganen 3-1 geleitet. Die im Abscheider 4b abgeschiedene Trägerflüssigkeit wird zusammen mit den auch beim Unterkühlen des flüssigen Kältemittels nicht sublimierten festen Partikeln des Kältemittels durch die beispielsweise als Ejektor oder gasbetriebene Düse ausgebildete Fördervorrichtung 9 in den sekundären Sublimator 2-2b zurückgeführt.
Mit der Trägerflüssigkeit zur Aufnahme der festen Partikel wird der Vorgang der Wärmeübertragung im sekundären Sublimator 2-2b, insbesondere der Wärmeübergang zur Wandung des sekundären Sublimators 2-2b, verbessert, was zum Verkleinern der Wärmeübertragerfläche und damit der Baugröße beziehungsweise des Platzbedarfs des sekundären Sublimators 2-2b und folglich des ersten Wärmeübertragers 2b im Vergleich zum ersten Wärmeübertrager 2a der ersten Vorrichtung 1a aus Fig. 2 führt.
In Fig. 5 ist eine dritte Vorrichtung 1 , 1c zum Übertragen von Wärme als feucht betriebene Sublimatoreinheit mit einem ersten Wärmeübertrager 2c mit zugeordneten Expansionsorganen 3-1, dem Abscheider 4b zum Abscheiden von festen Partikeln und Trägerflüssigkeit sowie dem zweiten Wärmeübertrager 10b gezeigt.
Beim Betrieb des Fluidkreislaufs, insbesondere des Kältemittelkreislaufs, strömt flüssiges, beispielsweise aus einem Kondensator beziehungsweise Gaskühler oder Sammler austretendes, auf einem Flochdruckniveau vorliegendes Kältemittel, in Strömungsrichtung 8 durch den ersten Einlass 5 in die Vorrichtung 1c ein. Beim Durchströmen der Expansionsorgane 3-1 wird das in flüssiger Form vorliegende Kältemittel auf ein Druckniveau unterhalb des Tripeldruckes entspannt und anschließend in den als Sublimator 2-1 c ausgebildeten ersten Wärmeübertrager 2c eingeleitet.
Der Sublimator 2-1 c beziehungsweise erste Wärmeübertrager 2c weist mindestens zwei, parallel zueinander mit Kältemittel beaufschlagbare Strömungskanäle auf. In jedem Strömungskanal ist eintrittsseitig ein Expansionsorgan 3-1 vorgesehen, welches innerhalb der den Strömungskanal beaufschlagenden Trägerflüssigkeit angeordnet ist. Die Expansion des Kältemittels und damit der Übergang des Kältemittels in den festen Aggregatzustand erfolgt innerhalb der Strömungskanäle sowie innerhalb der Trägerflüssigkeit. Das verflüssigte Kältemittel wird in die Trägerflüssigkeit hinein expandiert. Das Kältemittel liegt anschließend als Suspension fester Partikel in der Trägerflüssigkeit vor. Der Sublimator 2-1 c sowie der Abscheider 4b sind zumindest teilweise mit der Trägerflüssigkeit mit dem Flüssigkeitsstand 16 befüllt.
Beim Durchströmen des Sublimators 2-1c wird das Kältemittel unter Aufnahme von Wärme innerhalb der Trägerflüssigkeit sublimiert, dabei wird bei einer dem Druck innerhalb des Sublimators 2-1 c entsprechenden Sublimationstemperatur die Sublimationsenthalpie des Kältemittels genutzt. Die festen Partikel des Kältemittels können innerhalb der Trägerflüssigkeit vollständig sublimieren. Die Trägerflüssigkeit wird dabei abgekühlt. Die entstehende kalte Flüssigkeit mit sublimierenden festen Partikeln des Kältemittels wird entweder mittels einer Fördervorrichtung 17 oder unter Nutzung des Naturumlaufs durch den ersten Wärmeübertrager 2c geleitet. Die Trägerflüssigkeit weist eine geringe Viskosität sowie einen geringen Gefrierpunkt auf und ist vorteilhafterweise nicht toxisch sowie nicht brennbar.
Die Trägerflüssigkeit sowie möglicherweise nicht sublimierte und damit nicht vom festen in den gasförmigen Zustand übergegangene feste Partikel des Kältemittels werden innerhalb des in Strömungsrichtung 8 dem Sublimator 2-1 c nachgeschalteten Abscheider 4b von der gasförmigen Fluidströmung separiert. Die Trägerflüssigkeit und die festen Partikel des Kältemittels werden am Boden beziehungsweise in einem unteren Bereich des Abscheiders 4b gesammelt und dienen zum Unterkühlen des durch den ersten Einlass 5 in die Vorrichtung 1c einströmenden flüssigen Kältemittels. Der zweite, als Unterkühler für das flüssige Kältemittel betriebene Wärmeübertrager 10b wird folglich einerseits mit dem flüssigen Kältemittel und andererseits mit der aus dem Abscheider 4b entnommenen Mischung aus Trägerflüssigkeit und fester Partikel des Kältemittels beaufschlagt.
Nach dem Austritt aus dem zweiten Wärmeübertrager 10b wird das unterkühlte, flüssige Kältemittel zu den Expansionsorganen 3-1 geleitet. In einer sich zwischen dem zweiten Wärmeübertrager 10b und den Expansionsorganen 3-1 erstreckenden Verbindungsleitung ist ein Rückschlagventil 18 vorgesehen. Die im Abscheider 4b abgeschiedene Trägerflüssigkeit wird zusammen mit den auch beim Unterkühlen des flüssigen Kältemittels nicht sublimierten festen Partikeln des Kältemittels durch die Fördervorrichtung 17 in den Sublimator 2-1 c zurückgeführt. Die Fördervorrichtung 17 kann beispielsweise als eine Pumpe, insbesondere eine Umwälzpumpe, ausgebildet sein.
Das aus dem Abscheider 4b durch den Auslass 7 der Vorrichtung 1c in Strömungsrichtung 8 ausströmende gasförmige Kältemittel wird einem Verdichter des Kältemittelkreislaufs auf dem Niederdruckniveau beziehungsweise mit dem Saugdruck zugeführt
Mit der Trägerflüssigkeit zur Aufnahme der festen Partikel wird der Vorgang der Wärmeübertragung bei der Sublimation des Kältemittels im als Sublimator 2-1 c ausgebildeten ersten Wärmeübertrager 2c, insbesondere der Wärmeübergang zur Wandung des ersten Wärmeübertragers 2c, verbessert, was zum Verkleinern der Wärmeübertragerfläche und damit der Baugröße beziehungsweise des Platzbedarfs des ersten Wärmeübertragers 2c im Vergleich zum ersten Wärmeübertrager 2b der zweiten Vorrichtung 1b aus Fig. 4 führt.
Die wesentlichen Unterschiede zwischen der zweiten Vorrichtung 1b gemäß Fig. 4 und der dritten Vorrichtung 1c liegen in der Ausbildung des ersten Wärmeübertragers 2c ohne sekundären Sublimator sowie der Fördervorrichtungen 9, 17 zum Umwälzen der Trägerflüssigkeit mit den festen Partikeln des Kältemittels vom Abscheider 4b in den ersten Wärmeübertrager 2b, 2c. Die dritte Vorrichtung 1c weist einen aus primärem und sekundärem Sublimator kombinierten ersten Wärmeübertrager 2c auf.
Bei einer vorzugsweise vertikalen Ausrichtung der als Wärmeübertragerrohre ausgebildeten Strömungskanäle des Sublimators 2-1 c können die Trägerflüssigkeit und die nicht sublimierten festen Partikel des Kältemittels durch die kinetische Energie des primären Feststoff-Gas-Gemisches nach der Expansion und durch die Gewichtskraft der Trägerflüssigkeit umgewälzt werden. Die Fördervorrichtung 17 kann je nach Bedarf optional vorgesehen werden.
Mit dem Eindüsen des Kältemittels in die Trägerflüssigkeit während der Expansion werden innerhalb der Strömungskanäle des ersten Wärmeübertragers 2c hochgradig turbulente Strömungszustände erzeugt und damit der Wärmeübergangskoeffizient sowie folglich der Vorgang des Wärmeübergangs zumindest lokal deutlich erhöht. Zudem bewirkt das Eindüsen des Kältemittels in die Trägerflüssigkeit während der Expansion beim Nutzen des Naturumlaufprinzips zumindest anteilig einen Antrieb zum Umwälzen der Trägerflüssigkeit, sodass auf die zusätzliche Fördervorrichtung 17 möglicherweise verzichtet werden kann.
Da die als Sublimatoreinheit ausgebildete dritte Vorrichtung 1c, ähnlich wie eine konventionelle Verdampfereinheit, mit einem Einlass 5 für flüssiges Kältemittel unter hohem Druck, das heißt beispielsweise für Kältemittel auf Hochdruckniveau oder Mitteldruckniveau, und einem Auslass 7 für Kältemittel auf Niederdruckniveau oder Saugdruckniveau ausgebildet ist, ist die Vorrichtung 1c für jegliche, konventionelle Anlagenschaltungen einsetzbar.
Die als Sublimatoreinheiten ausgebildeten Vorrichtungen 1, 1a, 1b, 1c sind sehr kompakt. Sowohl die Expansion als auch die Sublimation des Kältemittels erfolgen innerhalb von mehreren, parallel zueinander angeordneten Strömungskanälen, insbesondere Wärmeübertragerrohren, welche eine sehr geringe Gefahr des Verblockens aufweisen. Die festen Partikel des Kältemittels werden gleichmäßiger verteilt und die abgedeckte Wärmeübertragungsfläche ist größer als bei einem nach dem Prinzip des Besprühens einer Oberfläche betriebenen Wärmeübertragers.
Unter Berücksichtigung der jeweils unterschiedlichen Charakteristiken in der Wärmeübertragung und Strömungsdynamik wird das Auftrennen der Sublimation von einerseits primären, feinen festen Partikeln und andererseits agglomerierten, groben festen Partikeln gewährleistet, was die erforderliche Wärmeübertragungsfläche gegenüber einem konventionellen Durchlauf- Verdampfer/Sublimator erhöht.
Die Akkumulation nicht sublimierter fester Partikel des Kältemittels erfüllt zudem die Funktion eines integrierten, latenten Kältespeichers. Bezugszeichenliste
1, 1a, 1b, 1c Vorrichtung
2a, 2b, 2c erster Wärmeübertrager
2-1 a, 2-1 c (primärer) Sublimator
2-2a, 2-2b sekundärer Sublimator
3-1 (erstes) Expansionsorgan
3-2 zweites Expansionsorgan
4a, 4b Abscheider
5 (erster) Einlass
6 zweiter Einlass
7 Auslass
8 Strömungsrichtung
9 Fördervorrichtung
10a, 10b zweiter Wärmeübertrager
11a, 11b Kältemittelkreislauf
12 Verdichter
12-1 erste Verdichterstufe
12-2 zweite Verdichterstufe
13 Kreislaufwärmeübertrager
14 Mitteldruckbehälter
15 Kreislaufexpansionsorgan
16 Flüssigkeitsstand
17 Fördervorrichtung
18 Rückschlagventil f fest fl flüssig g gasförmig

Claims

Patentansprüche
1. Vorrichtung (1, 1a, 1b, 1c) zum Übertragen von Wärme durch Sublimation eines in einem Fluidkreislauf zirkulierenden Arbeitsmediums mit einem Wärmeübertrager (2a, 2b, 2c) zur Aufnahme von Wärme durch das sublimierende Arbeitsmedium und mindestens einem Expansionsorgan (3-1), dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (1, 1a, 1b, 1c) einen Abscheider (4a, 4b) zum Abscheiden fester Partikel des Arbeitsmediums sowie einen Einlass (5) zum Einströmen flüssigen Arbeitsmediums und einen Auslass (7) zum Ausströmen gasförmigen Arbeitsmediums aufweist, wobei der Einlass (5) und der Auslass (7) jeweils als eine Verbindungsstelle zum Fluidkreislauf ausgebildet sind.
2. Vorrichtung (1, 1a, 1b, 1c) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeübertrager (2a, 2b, 2c) mit parallel zueinander ausgerichteten Strömungskanälen ausgebildet ist und jedem
Strömungskanal ein Expansionsorgan (3-1) zugeordnet ist.
3. Vorrichtung (1, 1a, 1b) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeübertrager (2a, 2b) einen primären
Sublimator (2-1 a) und einen sekundären Sublimator (2-2a, 2-2b) aufweist, wobei der primäre Sublimator (2-1 a) aus parallel zueinander ausgerichteten Strömungskanälen mit jeweils einem Expansionsorgan (3-1) ausgebildet.
4. Vorrichtung (1, 1a, 1b, 1c) nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Expansionsorgan (3-1) jeweils an einem Einlass in den Strömungskanal oder innerhalb des Strömungskanals angeordnet ist.
5. Vorrichtung (1, 1a, 1b, 1c) nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungskanäle in horizontaler Richtung oder in vertikaler Richtung ausgerichtet angeordnet sind.
6. Vorrichtung (1, 1a, 1b) nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungskanäle jeweils in den Abscheider (4a, 4b) einmündend ausgebildet sind.
7. Vorrichtung (1, 1a, 1b, 1c) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen einem Auslass des Abscheiders (4a, 4b) und dem Wärmeübertrager (2a, 2b, 2c) eine Fördervorrichtung (9, 17) zum Fördern von im Abscheider (4a, 4b) aus einer gasförmigen Fluidströmung abgeschiedenen festen Partikeln des Arbeitsmediums angeordnet ist.
8. Vorrichtung (1, 1a, 1b, 1c) nach einem Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Fördervorrichtung (9, 17) als ein Ejektor oder eine gasbetriebene Düse oder eine Pumpe ausgebildet ist.
9. Vorrichtung (1, 1a, 1b) nach einem Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein Einlass (6) zum Einströmen gasförmigen Arbeitsmediums ausgebildet ist und das in einer sich zwischen dem Einlass (6) und der Fördervorrichtung (9) erstreckenden Verbindungsleitung ein Expansionsorgan (3-2) angeordnet ist.
10. Vorrichtung (1, 1a, 1b) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb des Abscheiders (4a, 4b) ein Wärmeübertrager (10a, 10b) zum Übertragen von Wärme von durch den Einlass (5) in die Vorrichtung (1, 1a, 1b, 1c) einströmenden flüssigen Arbeitsmedium an aus einer gasförmigen Fluidströmung abgeschiedene feste Partikel des Arbeitsmediums ausgebildet ist, wobei der Wärmeübertrager (10a, 10b) zwischen dem Einlass (5) und dem mindestens einen Expansionsorgan (3-1) angeordnet ist.
11. Vorrichtung (1, 1a, 1b, 1c) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Arbeitsmedium Kohlendioxid ist.
12. Kältemittelkreislauf (11a, 11b) mit mindestens einem Verdichter (12) und einem Kreislaufwärmeübertrager (13) zum Abführen von Wärme eines im Kreislauf zirkulierenden Arbeitsmediums, dadurch gekennzeichnet, dass eine Vorrichtung (1, 1a, 1b, 1c) zum Übertragen von Wärme durch Sublimation des Arbeitsmediums nach einem der Ansprüche 1 bis 10 ausgebildet ist, wobei ein Einlass (5) zum Einströmen flüssigen Arbeitsmediums der Vorrichtung (1, 1a, 1b, 1c) mit einem Auslass des Kreislaufwärmeübertragers (13) oder eines Mitteldruckbehälters (14) und ein Auslass (7) zum Ausströmen gasförmigen Arbeitsmediums der Vorrichtung (1, 1a, 1b, 1c) mit einem Einlass des mindestens einen Verdichters (12) verbunden sind.
13. Kältemittelkreislauf (11a, 11b) nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass ein Einlass (6) zum Einströmen gasförmigen Arbeitsmediums der Vorrichtung (1, 1a, 1b) mit einem Auslass des Verdichters (12) oder einem Auslass des Mitteldruckbehälters (14) verbunden ausgebildet ist.
14. Verfahren zum Betreiben einer Vorrichtung (1, 1a, 1b, 1c) zum Übertragen von Wärme durch Sublimation eines in einem Fluidkreislauf zirkulierenden Arbeitsmediums nach einem der Ansprüche 1 bis 10, aufweisend folgende Schritte:
- Entspannen von durch einen Einlass (5) in die (Vorrichtung 1, 1a, 1b, 1c) eingeleiteten flüssigen Arbeitsmediums beim Durchströmen von mindestens einem Expansionsorgan (3-1) auf ein Druckniveau unterhalb des Tripeldruckes und Erzeugen fester Partikel während des Einleitens des Arbeitsmediums in einen Wärmeübertrager (2a, 2b, 2c) zur Aufnahme von Wärme durch das sublim ierende Arbeitsmedium,
- Sublimieren fester Partikel des Arbeitsmediums beim Durchströmen des Wärmeübertragers (2a, 2b, 2c) unter Aufnahme von Wärme,
- Einleiten des Arbeitsmediums in einen Abscheider (4a, 4b) und Separieren nicht sublimierter fester Partikel von einer gasförmigen Fluidströmung,
- Ableiten des gasförmigen Arbeitsmediums durch einen Auslass (7) und der festen Partikel aus dem Abscheider (4a, 4b) sowie
- Fördern der festen Partikel des Arbeitsmediums in den Wärmeübertrager (2a, 2b, 2c).
15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass das durch den Einlass (5) in die Vorrichtung (1, 1a, 1b, 1c) einströmende flüssige Arbeitsmedium vor dem Entspannen innerhalb des Abscheiders (4a, 4b) unterkühlt wird, wobei die Wärme vom flüssigen Arbeitsmedium an feste Partikel des Arbeitsmediums übertragen wird, welche sublimieren.
16. Verfahren nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass die im Abscheider (4b) von der gasförmigen Fluidströmung separierten festen Partikel in einer Trägerflüssigkeit zum Wärmeübertrager (2b, 2c) gefördert werden, wobei der Wärmeübertrager (2b, 2c) sowie der Abscheider (4b) zumindest bereichsweise mit der Trägerflüssigkeit befüllt sind und im Abscheider (4b) die nicht sublimierten festen Partikel und die Trägerflüssigkeit von der gasförmigen Fluidströmung separiert werden.
17. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass das flüssige Arbeitsmedium beim Durchströmen des mindestens einen Expansionsorgans (3-1) in einer Trägerflüssigkeit entspannt wird, wobei das Arbeitsmedium anschließend unter Aufnahme von Wärme innerhalb der Trägerflüssigkeit sublimiert und die Trägerflüssigkeit abgekühlt wird.
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