DE102007005098A1

DE102007005098A1 - Verfahren zum Betreiben eines Kältekreislaufes

Info

Publication number: DE102007005098A1
Application number: DE102007005098A
Authority: DE
Inventors: Andres Kündig
Original assignee: Linde GmbH
Current assignee: Linde GmbH
Priority date: 2007-02-01
Filing date: 2007-02-01
Publication date: 2008-08-07
Also published as: US20080184722A1; FR2912810A1

Abstract

Es wird ein Verfahren zum Betreiben eines Kältekreislaufes, in dem ein ein- oder mehrkomponentiges Kältemittel, vorzugsweise ein Stickstoff-enthaltendrkuliert, wobei zumindest ein Teilstrom des Kältemittels entspannt wird, beschrieben. Erfindungsgemäß erfolgt die Entspannung des Kältemittels in wenigstens zwei in Reihe angeordneten Entspannungsturbinen (X, X') und die Temperatur des Kältemittels am Austritt der Entspannungsturbinen (X, X') oder zumindest an einem der Austritte der Entspannungsturbinen (X, X') liegt über der Sättigungstemperatur des Kältemittels. Hierbei liegt die Temperatur des Kältemittels am Austritt der Entspannungsturbinen (X, X') oder zumindest an einem der Austritte der Entspannungsturbinen (X, X') weniger als 10°C, vorzugsweise weniger als 5°C, insbesondere weniger als 2°C über der Sättigungstemperatur des Kältemittels.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Kältekreislaufes, in dem ein ein- oder mehrkomponentiges Kältemittel, vorzugsweise ein Stickstoff-enthaltendes Kältemittel, besonders bevorzugt Stickstoff, zirkuliert, wobei zumindest ein Teilstrom des Kältemittels entspannt wird.
Gattungsgemäße Verfahren zum Betreiben von Kältekreisläufen sind aus dem Stand der Technik hinlänglich bekannt. In derartigen Kältekreisläufen wird eine isotherme Kälteleistung mittels Verdampfung des ein- oder mehrkomponentigen Kältemittels erzeugt. Dazu wird das ein- oder mehrkomponentige Kältemittel in einer Entspannungsturbine entspannt. Bisher kommt in derartigen Kältekreisläufen jedoch lediglich eine Entspannungsturbine zur Anwendung. Bei der Verwendung lediglich einer Turbine kann jedoch nicht vermieden werden, dass ein nicht unerheblicher Teil der Kälteleistung dieser Entspannungsturbine über der Kondensationstemperatur des zu entspannenden Kältemittels anfällt und daher nicht genutzt werden kann.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein gattungsgemäßes Verfahren zum Betreiben eines Kältekreislaufes anzugeben, das die vorgenannten Nachteile vermeidet, insbesondere jedoch die Realisierung eines Kältekreislaufes mit einem gegenüber vergleichbaren Kältekreisläufen höheren Wirkungsgrad ermöglicht.
Zur Lösung dieser Aufgabe wird ein gattungsgemäßes Verfahren zum Betreiben eines Kältekreislaufes vorgeschlagen, das dadurch gekennzeichnet, dass die Entspannung des Kältemittels in wenigstens zwei in Reihe angeordneten Entspannungsturbinen erfolgt und die Temperatur des Kältemittels am Austritt der Entspannungsturbinen oder zumindest an einem der Austritte der Entspannungsturbinen über der Sättigungstemperatur des Kältemittels liegt.
Aufgrund der Tatsache, dass im Falle des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Betreiben eines Kältekreislaufes ein – verglichen mit den zum Stand der Technik zählenden Verfahren – erheblich größerer Anteil der Kälteleistung der Entspannungsturbinen unterhalb der Kondensationstemperatur des verwendeten ein- oder mehrkomponentigen Kältemittels anfällt, kann diese Leistung zur Kondensation genutzt werden. Hieraus resultiert eine wesentliche Erhöhung des Wirkungsgrades des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Betreiben eines Kältekreislaufes. Würde die Kälteleistung über der Kondensationstemperatur erzeugt, kann diese Leistung nur ungenutzt an die Umgebung abgegeben werden.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Betreiben eines Kältekreislaufes sind dadurch gekennzeichnet, dass

– die Temperatur des Kältemittels an den Austritten der Entspannungsturbinen oder zumindest an einem der Austritte der Entspannungsturbinen weniger als 10°C, vorzugsweise weniger als 5°C, insbesondere weniger als 2°C über der Sättigungstemperatur des Kältemittels liegt,
– die Temperatur des Kältemittels an den Austritten aller Entspannungsturbinen über der Sättigungstemperatur des Kältemittels liegt und
– die Austrittsseite der ersten Entspannungsturbine mit der Hochdruckseite und/oder der Niederdruckseite des Kältekreislaufes verbindbar ist.

Das erfindungsgemäße Verfahren zum Betreiben eines Kältekreislaufes sowie weitere Ausgestaltungen desselben seien nachfolgend anhand des in der Figur dargestellten Ausführungsbeispieles näher erläutert.
Das in der Figur dargestellte Ausführungsbeispiel weist fünf Wärmetauscher E1 bis E5, einen ein- oder mehrstufige Verdichtereinheit V, einen Abscheider A, zwei Entspannungsventile a und b, zwei Expansionsturbinen X und X' sowie die vorgenannten Bauteile verbindende Leitungen 1 bis 16 auf.
Die nachfolgend beispielhaft angegebenen Temperatur-, Druck- und Durchflussangaben gelten für die Auslegung des beschriebenen Kältekreislaufes als Rein-Stickstoff-Kältekreislauf.
Aus dem Abscheider A, über den ein Wärmeaustausch mit einem beliebigen Medium stattfindet, wird das erwärmte Kältemittel mit einer Temperatur von 80.8 K unter einem Druck von 150 kPa abgezogen. Der Wärmeeintrag in den Abscheider A betrage 32 kW. Über die Leitungsabschnitte 12 bis 16 wird das Kältemittel durch die Wärmetauscher E4 bis E1 geführt und dabei auf eine Temperatur von 300 K angewärmt. In den nacheinander durchströmten Wärmetauschern E4 bis E1 erfolgt die Anwärmung des aus dem Abscheider A abgezogenen Kältemittels im Gegenstrom zu dem in den Leitungsabschnitten 3, 4, 9 und 10 den Wärmetauschern E1 bis E4 zugeführten verdichteten Kältemittel.
Vor der Zuführung in die ein- oder mehrstufige Verdichtereinheit V weist das angewärmte Kältemittel einen Druck von 130 kPa auf. In der Verdichtereinheit V wird das Kältemittel auf den gewünschten Kreislaufenddruck von 1520 kPa verdichtet.
Das verdichtete Kältemittel wird anschließend über Leitung 1 dem Wärmetauscher E5 zugeführt. In diesem erfolgt eine Abführung der Verdichtungswärme gegen ein geeignetes, über Leitung 2 durch den Wärmetauscher E5 geführtes Kühlmedium, wie beispielsweise Wasser. Das aus dem Wärmetauscher E5 austretende Kältemittel weist eine Temperatur von 302 K. Die Durchflussmenge beträgt 828 g Stickstoff/s.
Das verdichtete Kältemittel wird nach dem Abführen der Verdichtungswärme im Wärmetauscher E5 über Leitung 3 dem Wärmetauscher E1 zugeführt und in diesem gegen sich selbst abgekühlt. Nach dem Wärmetauscher E1 erfolgt eine Auftrennung des Kältemittels in zwei Kältemittel-Teilströme, wobei ein Teilstrom über Leitung 4 dem Wärmetauscher E2 zugeführt wird, während der zweite Teilstrom über Leitung 5 der ersten von zwei Entspannungsturbinen X und X' zugeführt wird. Die Durchflussmenge des ersten Kältemittel-Teilstromes betrage 168 g Stickstoff/s und die des zweiten Kältemittel-Teilstromes 660 g Stickstoff/s.
Der vorerwähnte erste Kältemittel-Teilstrom wird im Wärmetauscher E2 gegen sich selbst weiter abgekühlt und anschließend über die Leitungen 9 und 10 den Wärmetauschern E3 bzw. E4 zugeführt und in diesen ebenfalls gegen sich selbst abgekühlt. Zuletzt wird dieser Kältemittelteilstrom über das in der Leitung 11 vorgesehene Entspannungsventil b in den Abscheider A entspannt.
Der zweite Kältemittel-Teilstrom des aus dem Wärmetauscher E1 abgezogenen Kältemittels wird unter einem Druck von 1490 kPa und mit einer Temperatur von 130 K über Leitung 5 der ersten Entspannungsturbine X zugeführt. In dieser erfolgt eine Entspannung auf einen Zwischendruck von 532 kPa. Der entspannte Kältemittel-Teilstrom, der am Ausgang der Entspannungsturbine X eine Temperatur von 99 K auf weist, wird über Leitung 6 dem Wärmetauscher E3 zugeführt und in diesem gegen den ersten, abzukühlenden Kältemittel-Teilstrom, der dem Wärmetauscher E3 über Leitung 4 zugeführt wird, auf eine Temperatur von 111 K angewärmt.
Über Leitung 7 wird der zweite Kältemittel-Teilstrom anschließend der zweiten Entspannungsturbine X' zugeführt – er weist am Eingang der Entspannungsturbine X' einen Druck von 530 kPa auf – und in dieser auf den gewünschten End- bzw. Niederdruck von 150 kPa entspannt.
Erfindungsgemäß sind die beiden Entspannungsturbinen X und X' nunmehr derart angeordnet, dass die Temperatur des Kältemittels am Austritt der beiden Entspannungsturbinen X und X' über der Sättigungstemperatur liegt. Hierbei liegt die Temperatur des Kältemittels weniger als 10°C, vorzugsweise weniger als 5°C, insbesondere weniger als 2°C über der Sättigungstemperatur des Kältemittels.
Über Leitung 8 wird der entspannte Kältemittel-Teilstrom, der eine Temperatur von 82 K aufweist, anschließend dem aus dem Abscheider A abgezogenen Kältemittel-Teilstrom in der Leitung 12 zugemischt.
In der Figur dargestellt sind zwei gestrichelt gezeichnete Leitungen 17 und 18, in denen jeweils ein gestrichelt gezeichnetes Regelventil c bzw. d vorgesehen ist. Diese Leitungen und Regelventile ermöglichen es, die erste Entspannungsturbine X austrittsseitig mit der Hochdruckseite und/oder der Niederdruckseite des Kältekreislaufes zu verbinden.
Mittels dieser Leitungen und Regelventile kann der Druck zwischen den Entspannungsturbinen X und X' auf vergleichsweise einfache Art und Weise so optimiert werden, dass die Temperaturen des Kältemittel(teilstrom)s 6 und 8 an den Austritten beider Entspannungsturbinen X und X' knapp über der Sättigungstemperatur des Kältemittels liegen.
Das in der Leitung 5 dargestellte Regelventil a dient zum Anfahren und Anhalten der Entspannungsturbinen X und X' sowie zum Androsseln des den Entspannungsturbinen X und X' zugeführten Kältemittelstromes im Teillastfall.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Betreiben eines Kältekreislaufes eignet sich insbesondere für Kältekreisläufe, in denen Stickstoff oder ein Stickstoff-enthaltendes Kältemittel zirkuliert.

Claims

Verfahren zum Betreiben eines Kältekreislaufes, in dem ein ein- oder mehrkomponentiges Kältemittel, vorzugsweise ein Stickstoff-enthaltendes Kältemittel, besonders bevorzugt Stickstoff, zirkuliert, wobei zumindest ein Teilstrom des Kältemittels entspannt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Entspannung des Kältemittels in wenigstens zwei in Reihe angeordneten Entspannungsturbinen (X, X') erfolgt und die Temperatur des Kältemittels am Austritt der Entspannungsturbinen (X, X') oder zumindest an einem der Austritte der Entspannungsturbinen (X, X') über der Sättigungstemperatur des Kältemittels liegt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur des Kältemittels an den Austritten der Entspannungsturbinen (X, X') oder zumindest an einem der Austritte der Entspannungsturbinen (X, X') weniger als 10°C, vorzugsweise weniger als 5°C, insbesondere weniger als 2°C über der Sättigungstemperatur des Kältemittels liegt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur des Kältemittels an den Austritten aller Entspannungsturbinen (X, X') über der Sättigungstemperatur des Kältemittels liegt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Austrittsseite der ersten Entspannungsturbine (X) mit der Hochdruckseite und/oder der Niederdruckseite des Kältekreislaufes (1, 3 bis 16) verbindbar ist (17, 18).