-
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Kühlanlage zum Kühlen
einer Kammer, wobei als Arbeitsmedium Luft dient und die Abkühlung durch Entspannung
der Luft in einer Expansionsturbine erreicht wird.
-
Grundsätzlich sind derartige, mit Luft arbeitende Kühlanlagen nur
dann wirtschaftlich einsetzbar, wenn es um die Erzeugung sehr niedriger Temperaturen,
etwa von -70 bis - I60° C, geht.
-
Für die Erzeugung von nur geringeren Minus-Temperaturen (bis etwa
-40° C) sind derartige Anlagen wegen des niedrigen Wirkungsgrades des Kompressions-
und Expansionsvorganges nicht mehr wirtschaftlich; in diesem Bereich finden fast
ausschließlich auf dem Verdampfungsprinzip arbeitende Kühlanlagen Anwendung.
-
Es sind Kühlanlagen für in offenem Kreislauf durchströmende Luft als
Arbeitsmedium bekannt, wobei diese Luft bei Eintritt in den Kreisprozeß in einem
Wärmetauscher zunächst abgekühlt wird, von dort einer Entspannungsturbine zugeführt
wird und unter Abgabe mechanischer Energie und weiterer Abkühlung entspannt wird,
dann weiter einen im zu kühlenden Raum befindlichen Radiator durchströmt, dann nach
Austritt aus dem Kühlraum den anfänglich erwärmten Wärmetauscher durchströmt und
von dort von einem Kompressor und einer besonderen Pumpe wieder auf Atmosphärendruck
verdichtet und ins Freie entlassen wird.
-
Nachteilig ist bei einer solchen Anlage zunächst, daß die Kälte der
Kühlkammer nur indirekt, nämlich über den Radiator, . zugeführt wird. Damit sind
Wärmeübergangsprobleme und eine schlechtere Ausnutzung der Kälteleistung verbunden.
Bei der geschilderten Anlage ließe sich eine Verbesserung auch nicht dadurch erreichen,
daß unter Weglassung des Radiators die in der Expansionsturbine entspannte Luft
der Kühlkammer unmittelbar zugeführt wird, da der Druck hinter der Expansionsturbine
unter dem Atmosphärendruck liegt und somit die gesamte Kühlkammer auf dieses niedrige
Druckniveau gebracht werden müßte. Es würden bei einem solchen Betriebsverfahren
nicht nur besondere Festigkeitsprobleme, insbesondere bei größeren Kühlkammern auftreten;
sondern es wäre auch für die meisten Anwendungsfälle des Kühlverfahrens der Unterdruck
in der Kühlkammer ungünstig.
-
Bei der beschriebenen Anlage kommt hinzu, daß die Verwendung des Wärmetauschers
die Anwendung der Kühlanlage praktisch auf Bereiche oberhalb von 0° C beschränkt.
Würde die Anlage im Bereich unterhalb 0° C gefahren, so würde dies zur Bildung von
Eis und Reif im Wärmetauscher führen, wodurch einmal wiederum der Wärmeübergang
behindert wäre und auch zusätzliche Strömungsverluste aufträten. Schließlich würde
die Eis- und Reifbildung ein kontinuierliches Arbeiten der Anlage verhindern.
-
Diese Anlage ist somit auf einen Bereich beschränkt, in dem mit dem
Arbeitsmedium Luft arbeitende Kühlanlagen nicht konkurrieren können mit auf dem
Verdampfungsprinzip arbeitenden Anlagen.
-
Nachteilig ist bei der beschriebenen Anlage schließlich auch noch,
daß zwei getrennte Aggregate zur Rückkompression der Luft erforderlich sind, nämlich
der von der Expansionsturbine angetriebene Kompressor und eine zusätzliche Vakuumpumpe.
Dies bedeutet einen erhöhten baulichen Aufwand gegenüber einer Anlage, die mit einem
Aggregat zur Rückkompression der Luft auskommt.
-
Es ist gegenüber dem vorstehend diskutierten Stand der Technik auch
bereits eine Anlage vorgeschlagen worden, bei der die der Atmosphäre entnommene
Luft von einem Gebläse durch einen Wärmetauscher getrieben und dort abgekühlt wird
und von hier unmittelbar dem zu kühlenden Raum zugeführt wird. Erst nachdem dieser
Kühlraum frei durchströmt wurde, wird die Luft einer Expansionsturbine zugeführt,
auf ein unter Atmosphärendruck liegendes Druckniveau entspannt, von dort dem Wärmetauscher
zugeführt und schließlich von einem Kompressor wieder auf Atmosphärendruck verdichtet
und ins Freie entlassen.
-
Auch bei dieser Anlage bleibt die mit dem Wärmetauscher verbundene
Problematik, die, wie oben ausgeführt, vor allem verhindert, daß die Anlage in Bereichen
unter 0° C kontinuierlich eingesetzt werden kann. Tatsächlich ist die beschriebene
Anlage auch vorgeschlagen worden zur Verwendung im Bereich positiver Temperaturen,
vornehmlich zur Kühlung von Flugzeugkabinen, wenn die Flugzeuge abgestellt sind
und die bordeigene Klimaanlage nicht arbeitet.
-
Nur für diesen besonderen Anwendungsfall wird auch der schlechte Gesamtwirkungsgrad
in Kauf genommen werden können, mit dem die vorstehend beschriebene Anlage deswegen-
arbeiten muß, weil der Kompressor, der die Arbeitsluft am Ende des offenen Kreislaufes
in die Atmosphäre befördert, einen eigenen Antrieb aufweist oder weil für die Rückverdichtung
eine _lzesondere Stufe. des. Kompressors einer Gasturbine zur Verfügung stehen muß.
Die Expansionsturbine treibt lediglich das Gebläse an, das die der Atmosphäre entnommene
Luft durch den Wärmetauscher und die Kabine treibt. Da dieses Gebläse gegen einen
vergleichsweise sehr geringen Druckunterschied arbeitet, wird die von der Expansionsturbine
abgegebene Leistung nicht einmal voll ausgenutzt, sondern ein Teil der durch das
Gebläse geströmten Luft wird vor dem Wärmetauscher an die Atmosphäre abgegeben.
Das Gebläse wirkt also auch als Luftwirbelbremse für die Expansionsturbine.
-
Die vorliegende Erfindung will nun die vorstehend beschriebenen Nachteile
vermeiden und eine Anlage der gekennzeichneten Art so ausgestalten, daß im kontinuierlichen
Betrieb auch sehr niedrige Temperaturen erreicht werden können und daß ein guter
Wirkungsgrad erhalten bleibt.
-
Zur Vermeidung von Eis- und Reifbildung ist es an sich bekannt, bei
mit Luft arbeitenden Kühlanlagen die Atmosphärenluft zunächst durch einen vorher
abgekühlten Regenerator zu leiten, wo sie auf der Außenfläche des Regeneratoreinsatzes
ihre Feuchtigkeit absetzt; danach wird sie auf eine bestimmte negative Temperatur
(beispielsweise bis -50° C) abgekühlt und gelangt schließlich in eine Expansionsturbine,
in welcher eine Expansion der Luft auf einen niedrigeren Druck und somit eine weitere
Abkühlung stattfindet.
-
Nach der Expansionsturbine wird die Luft zur Kühlkammer geleitet,
wo sie durch die zu kühlenden Objekte wieder Wärme aufnimmt, beispielsweise wieder
die Temperatur von -50° C erreicht.
-
Nach der Kühlkammer durchströmt die Luft dann einen zweiten Regenerator,
in welchem sie den Regeneratoreinsatz abkühlt und die hier früher abgesetzte Feuchtigkeit
aufnimmt. Aus dem Regenerator
kommend strömt die Luft in einen Kompressor,
in dem sie auf Atmosphärendruck zurückverdichtet und ins Freie entlassen wird. Die
Regeneratoren werden von Zeit zu Zeit umgeschaltet, wodurch der regenerative Wärmeaustausch
erzielt wird.
-
Eine derartige Anlage benötigt also keinen Wärmetauscher; es ist aber
ähnlich wie bei der eingangs beschriebenen Anlage, in der Kühlkammer ein Unterdruck
herzustellen, womit die dort beschriebenen Nachteile einhergehen.
-
Falls eine nach dem zuletzt beschriebenen Schema arbeitende Kühlanlage
unter Druck betrieben wird, so kann ein Unterdruck in der Kühlkammer zwar vermieden
werden, jedoch muß dann zur Wärmeabführung nach dem Kompressor ein voluminöser Wärmetauscher,
gewöhnlich des Luft-Wasser-Typs, vorgesehen werden.
-
Die vorliegende Erfindung geht nun aus von einer Kühlanlage zum Kühlen
einer Kammer mit in offenem Kreislauf durchströmender Luft, welche vor dem Eintritt
in die Kühlkammer in einem Wärmeaustauscher abgekühlt und nach Austritt aus der
Kühlkammer in einer Expansionsturbine od. dgl. auf einen unter Atmosphärendruck
liegenden Druck entspannt und dem Wärmeaustauscher wieder zugeführt wird, wobei
die mit der Expansion entstehende Abkühlung zum Kühlen der in die Kammer einströmenden
Luft dient, wonach sie durch einen Kompressor od. dgl. wieder auf Atmosphärendruck
gebracht und ins Freie entlassen wird, wobei erfindungsgemäß der Wärmeaustauscher
aus wenigstens zwei umschaltbaren Regeneratoren besteht, deren einer von der eintretenden
Luft durchströmt wird und diese abkühlt, während der andere von der expandierten
Luft durchströmt wird und von dieser gekühlt wird und wobei durch eine Umschaltung
die Funktion der Regeneratoren in Intervallen getauscht wird.
-
Der Antrieb einer solchen Anlage kann zweckmäßig in der Weise geschehen,
daß die gesamte in der Expansionsturbine gewonnene mechanische Energie dem Kompressor
zugeführt wird und zur Deckung des weitergehenden Leistungsbedarfes des Kompressors
ein zusätzlicher Antrieb, etwa ein mechanischer Antrieb, vorgesehen ist.
-
Zur schnellen Erreichung des Betriebszustandes der Anlage kann es
weiter zweckmäßig sein, zwischen der Luftzuführungsleitung und der Luftabführungsleitung
der Kühlkammer einen die Kühlkammer kurzschließenden Kanal vorzusehen.
-
Mit der vorstehend skizzierten Anlage gelingt es, auch besonders große
Kühlkammern im kontinuierlichen Verfahren auf sehr niedrige Temperaturen zu bringen,
so daß, um zwei vorteilhafte Anwendungsfälle zu nennen, in der Kühlkammer ganze
Maschinen oder andere Gegenstände bei besonders niedrigen Temperaturen getestet
werden können, oder Lebensmittel, z. B. Fische, in großen Mengen rasch eingefroren
werden können.
-
Die beschriebene Anlage kann hierbei mit beliebigen Turbinen- und
Kompressorkonstruktionen arbeiten; es können Axial- und Radialmaschinen, aber auch
Kolben und andere geeignete Maschinen Anwendung finden.
-
Nachstehend soll die Erfindung an Hand eines Ausführungsbeispiels
näher erläutert werden; es zeigt F i g. 1 ein Schema der erfindungsgemäßen Luftkühlanlage
und F i g. 2 den Arbeitsprozeß im T-s-Diagramm. Die dargestellte Anlage besteht
aus einer Entspannungsturbine 1, einem Verdichter 2, zwei Regeneratoren
3 und 4, einer Kühlkammer 5, einem Getriebe 6, zwei Ventilen 7 und 8 und einem überströmkanal
9.
-
Im Betrieb gelangt die Atmosphärenluft durch den Einlaßstutzen und
das Ventil 7 zum bereits durch die Expansionsturbine abgekühlten Regenerator 3;
sie wird beim Durchgang desselben gekühlt und hinterläßt die in ihr enthaltene Feuchtigkeit
auf dem Einsatz des Regenerators, danach gelangt die Luft über das Ventil 8 in die
Kühlkammer 5, wo sie sich durch die abzuführende Wärme bei der Abkühlung der darin
befindlichen Gegenstände erwärmt. Nach der Kühlkammer gelangt die Luft in die Expansionsturbine
1 und wird dem Expansionsvorgang unterzogen, entsprechend sinkt auch ihre Temperatur.
Im Idealfall wird der Anwärmungsgrad der Luft in dei Kühlkammer dem Abkühlungsgrad
in der Turbine gleichkommen. Die Turbine arbeitet mit einer Druckdifferenz vom Druck
in der Kühlkammer zum Druck am Eintritt in den Kompressor 2.
-
Die in der Expansionsturbine 1 abgekühlte Luft gelangt über
das Ventil 8 in den zweiten Regenerator 4, um beim Durchströmen dessen
Einsatz zu kühlen und die früher abgesetzte Feuchtigkeit zu absorbieren.
-
Im Kompressor 2 wird die Luft bis zum Atmosphärendruck verdichtet
und in heißem Zustand über das Rohr 10 ausgestoßen, sofern der Wärmeinhalt
dieser Luft nicht für andere Zwecke ausgenutzt wird.
-
Von Zeit zu Zeit werden die Regeneratoren umgeschaltet, wodurch ein
regenerativer Wärmeaustausch und eine ununterbrochene Zuführung kalter Luft zur
Kühlkammer gewährleistet werden.
-
Die Leistung der Turbine 1 dient zum Antrieb des Kompressors
2; außerdem wird über das Getriebe 6
die für den Kompressorenantrieb
zusätzliche Leistung von einer separaten Leistungsquelle der Turbokühlanlage zugeführt.
-
Bis zur Erreichung des Betriebspunktes, also in der Zeit, in der die
Kühlleistung der Maschine zur Abkühlung der Konstruktionsteile der Maschine selbst
verbraucht wird, bleibt die Kühlkammer 5 abgeschaltet, und die Luft strömt aus dem
Regenerator3 über den Überführungskanal 9 direkt nach der Turbine
1. Der Überführungskanal ermöglicht somit, innerhalb kurzer Zeit die Maschine
auf das notwendige Temperaturniveau am Eintritt zur Kühlkammer zu bringen.
-
Außerdem gewährt der Überführungskanal während des Betriebes die Möglichkeit,
die Arbeit des Turbokompressors in Abhängigkeit von der Wärmebelastung der Kühlkammer
zu regeln.
-
Zur Druckregelung in der Kühlkammer und insbesondere. zum Ausgleich
der pneumatischen Druckverluste auf dem Wege vom Eintritt in die Maschine bis zur
Kühlkammer wird von dem Ventil 7 oder vor der Kühlkammer 5, falls benötigt,
ein zusätzlicher Ventilator eingebaut.
-
F i g. 2 veranschaulicht das T-s-Diagramm des Arbeitsverlaufs der
Anlage nach dem vorgeschlagenen Verfahren.
-
Wie aus F i g. 2 ersichtlich ist, entspricht der Abkühlungsverlauf
der Luft in dem zuerst durchströmten Regenerator dem Abschnitt a-b der schematischen
Darstellung. Der Abschnitt b-c entspricht der Anwärmung der Luft in der Kühlkammer
bei Abkühlung
verschiedener Gegenstände. Der Abschnitt c-d gibt
die Expansion der Luft in der Turbine wieder. Der Abschnitt d-e entspricht der Anwärmung
der Luft im zweiten Regenerator bei Abkühlung des Regeneratoreinsatzes; der Abschnitt
e-g entspricht der Kompression der Luft im Verdichter. In dem Punkt g erfolgt das
Ausstoßen der aufgeheizten Luft aus der Anlage und somit die Ableitung der Wärmeaus
dem Kreislauf.
-
Unter Berücksichtigung der obigen, bevorzugten Ausführungsweise der
Erfindung ergeben sich für eine ausgeführte Anlage als Beispiel folgende Kennwerte:
| Kälteleistung . . . . . . . . . . . . 26 000 kcal/Stunde |
| Eintrittstemperatur |
| vor der Kühlkammer ... von -70 bis -130° C |
| Anwärmung der Luft |
| in der Kühlkammer . . . . A t = 30° C |
| Luftverbrauch der Anlage 1. kg/Sekunde |
| Leistungsaufwand . . . . . . . . 1V = 55 bis 70 kW |
Infolge der hohen Wirkungsgrade des Kompressors und der Turbine .gewährleistet die
Kühlanlage nach der Erfindung einen Kältezustand von -80° jC und darüber hinaus
am Kühlkammereintritt, wobei die Werte des Kühlungsfaktors günstiger liegen als
bei den üblichen zweistufigen Dampfkältemaschinen.