DE1601091C - Einrichtung zum Kühlen eines gasförmigen oder flüssigen Mediums - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zum Kühlen eines gasförmigen oder flüssigen Mediums, bei der ein flüssiges Kältemittel von einem Kältemittelverdichter od. dgl über einen Wärmetauscher zu einem von dem zu kühlenden Medium durchströmten Verdampfer fließt und bei der eine Abzweigleitung für das zu kühlende Medium von dem Verdampfer zu dem Wärmetauscher führt.

Eine bekannte Einrichtung der vorstehend geschilderten Art (deutsche Patentschrift 515 760) wird dazu verwendet, einen z. B. flüssigen Stoff abzukühlen, um eine physikalische oder chemische Veränderung zu bewirken und nach dieser Veränderung Teile des Stoffes abzutrennen. Nach Ausführung der Trennung sollen dann die gewonnenen Erzeugnisse wieder erwärmt werden. Zu diesem Zweck wird über die genannte Abzweigleitung der Stoff bzw. die nach der Trennung erhaltenen Produkte über die Abzweigleitung von dem Verdampfer zu dem Wärmetauscher geführt und dadurch dem Kältemittel die dazu erforderliche Wärmemenge entzogen. Die Wirkungsweise ίο dieser bekannten Einrichtung beruht somit auf einem sehr speziellen Verfahren, bei dem eine Wiedererwärmung des zu kühlenden Mediums angestrebt wird.

Die vorliegende Erfindung befaßt sich demgegenüber mit der Kühlung eines zu kühlenden Mediums, bei der die geforderte Kühlleistung periodischen Schwankungen zwischen einem Spitzenbedarf und einem verhältnismäßig niedrigen Bedarf unterworfen ist. Bei Einrichtungen dieser Art entspricht es der bisherigen Praxis, eine Kühleinrichtung von einer Größe einzusetzen, die dem Spitzenbedarf an Kühlleistung gewachsen ist. Dies ist jedoch unwirtschaftlich, da diese Leistungsfähigkeit nur während der Zeitdauer des Spitzenbedans in Anspruch genommen wird, die Einrichtung während der übrigen Betriebszeit jedoch unterhalb ihrer Leistungsfähigkeit betrieben wird. Ein weiterer daraus resultierender Nachteil besteht darin, daß bei großem Unterschied zwischen dem maximalen und dem minimalen Kältebedarf in Zeiten des geringen Kältebedarfes noch weitere verfahrensmäßig bedingte kurzzeitige Drosselungen kaum durchführbar sind, da dies bei der ohnehin starken Drosselung der Einrichtung infolge der »erinecn Saugdri-icke und dadurch bedingter Vereisungen des Käiiemiuelverclichters zur Blockierung der Einrichtun» führen kann.

Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung zum Kühlen eines gasförmigen oder flüssigen Mediums mit periodisch schwankender Kühlanforderung so auszubilden, daß eine Kältemaschine verwendet werden kann, deren Leistung erheblich unter der zeitweilig erforderlichen maximalen Kühlleistung liegt. Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß der Wärmetauscher als Sammelbehälter zur Speicherung des flüssigen Kältemittels ausgebildet ist, daß an der Abzweigstelle zur Abzweigleitung ein Dreiwegeventil angeordnet ist, das in Abhängigkeit von der Temperatur des aus dem Verdampfer austretenden Mediums durch eine Ventilsteueieinrichtung derart gesteuert wird, daß bei sinkender Temperatur des Mediums der Durchlaß zur Abzweigleitung geöffnet wird, und daß Regelvorrichtungen "vorgesehen sind, welche die Flüssigkeitsfüllung und die Temperatur im Verdampfer konstant halten.

Die Erfindung sieht also in den Perioden geringerer Kühlanforderungen eine Speicherung der verfügbaren Kälteleistung vor, die in den Perioden gesteigerter Kühlanforderungen wieder abgegeben wird. Es erfolet somit eine Pufferung, die dadurch erzielt wird, daß bei Unterschreiten eines vorbestimmten Kälteleislunssbedarfes das zu kühlende Medium nicht unmittelbar dem weiteren Prozeß zugeführt wird, sondern über eine Abzweigleitung zur Kühlung des nunmehr im Überschuß anfallenden Kältemittels herangezogen

wird. In den Perioden gesteigerten Kältebedarfes bleibt daneeen die Abzweigleitung völlig geschlossen, und das zu kühlende Medium wird der weiteren Verarbeitung zugeführt. Das Zeitintervall, in dem ein gc-

ringerer Kältebedarf vorliegt, zeigt sich durch die sinkende Temperatur des zu kühlenden Mediums am Ausgang des Verdampfers an.

Es ist zwar bereits bekannt, von einer Kühleinrichtung erzeugte Kälte zu speichern, um diese bei Bedarf zur Kühlung von Wohnräumen heranzuziehen (japanische Patentschrift 5836/1956. Die hierzu verwendete Kühleinrichtung wird jedoch lediglich nach dem Prinzip betrieben, Kälte in Form von Eis dann zu erzeugen und zu speichern, wenn diese nicht benötigt wird und die gespeicherte Kälte zu der Zeit zur Kühlung heranzuziehen, während der sie gebraucht wird, die Kühleinrichtung jedoch abgeschaltet ist. Das hier behandelte Problem tritt somit nicht auf.

In einer zweckmäßigen Weiterbildung des Erfindungsgedankens ist vorgesehen, daß der weitere Auslaß des Dreiwegeventils für das zu kühlende Medium in bekannter Weise zu einem Vorwärmetauscher führt, der in der Zuführungsleitung für das zu kühlende Medium stromaufwärts des Verdampfers liegt. Dadurch erfolgt bereits eine gewisse Vorkühlung des zu kühlenden Mediums, woraus eine Belastungsverringerung des Verdampfers resultiert, ohne daß dadurch das zur Vorkühlung herangezogene Medium über die zur Weiterverarbeitung nötige Temperatur erwärmt wird.

Zweckmäßigerweise ist zwischen dem Wärmetauscher und dem Verdampfer ein Entspannungsventil für das Kältemittel eingeschaltet, das durch die den Flüssigkeitsstand im Verdampfer überwachende Regelvorrichtung gesteuert ist, und weiterhin enthält die Ansaugleitung des Kältemittelverdichters vom Verdampfer her ein Ventil, das durch ein den Dampfdruck im Verdampfer überwachendes Druckfühlglied gesteuert ist.

Die Erfindung wird nachfolgend an Hand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine graphische Darstellung der periodischen Kühlanforderung eines Systems und

F i g. 2 eine schematische Darstellung einer bevorzugten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Kühleinrichtung.

Ein typisches Beispiel für ein System, in dem ein periodisch schwankender Kühlbedarf vorliegt, ist eine Dreifachanordnung von Trocknungssäulen, in denen Wasser und andere schwere flüssige Bestandteile aus einem Gasstrom abgeschieden werden. Jede der drei Trocknungssäulen wird in einer bestimmten Reihenfolge nacheinander zur Abscheidung herangezogen, während die beiden anderen von den ausgeschiedenen Bestandteilen wieder gereinigt und gekühlt werden. Infolge des Umschaltens des zu reinigenden Gasstromes auf die einzelnen Trocknungssäulen schwankt die Gastemperatur zwischen einem Spitzenwert und einem Minimalwert. Das Gas soll jedoch zur Weiterverarbeitung eine bestimmte gleichbleibende Temperatur aufweisen.

Die graphische Darstellung gemäß F i g. 1 zeigt als Kurve 70 die periodischen Schwankungen des Kühlbedarfes einer derartigen Trocknungseinrichtung. Der Kühlbedarf schwankt dabei zwischen einem Minimalwert von 6 t und einem Maximalwert von 25 t. Erfindungsgemäß kann nun beispielsweise eine 12-t-Kühleinrichtung eingesetzt werden, um dem Kühlbedarf gerecht zu werden. Die Kühlleistung, die von einer derartigen Einrichtung geliefert wird, ist als Linie 72 in dem Diagramm dargestellt.

Fällt der Kühlbedarf unter 12 t, dann ist eine überschüssige Kühlleistung verfügbar. Diese Betriebsperiode wird durch den unter der Linie 72 liegenden Teil der Kurve 70 angegeben. Der über der Linie 72 liegende Teil der Kurve 70 gibt die Kühlperiode an, während der der Kühlbedarf größer als die von der Kühleinrichtung lieferbare Leistung ist.

Die Fig. 2 zeigt ein Blockdiagramm einer erfindungsgemäßen Kühleinrichtung. Das zu kühlende Gas strömt durch eine Leitung 10 in einen Gas/Gas-Wärmetauscher 12 und aus diesem über eine Leitung 14 in einen Verdampfer 16. Es verläßt den Verdampfer 16 durch eine Leitung 18, die zu einem Flüssig-Gas-Abscheider 20 führt. Wasser und Kohlenwasserstoffe, die in dem Abscheider 20 aus dem Gasstrom abgetrennt sind, können durch einen Abfluß 22 abgezogen werden. Das gekühlte Gas strömt dagegen über eine Leitung 24 zu einem Dreiwegeventil 26, das zwei Auslässe 28 und 30 aufweist. Der Auslaß 28 davon steht über eine Leitung 32 mit dem Wärmetauscher 12 in Verbindung, durch den das gekühlte Gas im Wärmeaustausch mit dem die Leitung 10 durchströmenden, zu kühlenden Gas geführt wird. Aus dem Wärmetauscher 12 heraus wird das Gas über die Leitung 34 zu einer nicht dargestellten Trocknungseinrichtung hin abgeführt.

Aus dem anderen Auslaß 30 des Dreiwegeventils 26 führt eine Leitung 36 zu einem Akkumulator-Wärmetauscher 40 und von diesem eine Leitung 38 in die Leitung 34.

Die Kühleinrichtung besitzt einen Kältemittelverdichter 42, der über eine Leitung 44 in einen Kondensator 46 fördert, der wiederum über eine Leitung 48 mit dem Akkumulator-Wärmetauscher 40 verbunden ist. Von dem Wärmetauscher 40 führt eine ein Entspannungsventil 52 enthaltende Leitung 50 zu dem Verdampfer 16. Der Kältemittelkreislauf wird vervollständigt durch eine Rückführleitung 54, die vom Verdampfer 16 zum Kältemittelverdichter 42 führt.

Auf der Oberfläche des im Verdampfer 16 stehenden flüssigen Kältemittels schwimmt ein zu einer Regelvorrichtung 51 gehörender Schwimmer. Die Regelvorrichtung 51 öffnet das Entspannungsventil 52, sobald der Flüssigkeitsspiegel absinkt, so daß mehr Kältemittel in den Verdampfer 16 eintritt. Durch das Verdampfen des Kältemittels steigt der Dampfdruck im Verdampfer 16, so daß ein Saugregler 55 ein Drucksteuerventil 53 öffnet, um das verdampfte Kältemittel wieder zum Kältemittelverdichter 42 rückströmen zu lassen. Der Kältemittelverdichter ist mit einer Saugdrucksteuerung 57 versehen, die dafür· sorgt, daß das Drucksteuerventil 53 schließt und der Kältemittelverdichter abgeschaltet wird, wenn der Unterdruck auf einen bestimmten Wert abfällt.

Das Kältemittel, z. B. Freon, sammelt sich in dem Akkumulator des Wärmetauschers 40, in dem ein Dampfzwischenraum aufrechterhalten wird, um eine mögliche Entspannung des Kältemittels zu berücksichtigen und zu gewährleisten, daß stets ein entsprechendes Volumen an Kältemittel in dem gesamten Kreislauf zur Verfügung steht, um Belastungsschwankungen auszugleichen.

Bei 58 ist eine Steuervorrichtung 60 an ein Temperaturfühlglied 56 angeschlossen, das in der Leitung 18 liegt. Die Steuervorrichtung 60 steuert den Öffnungsquerschnitt der Öffnung 30 entsprechend den vom Temperaturfühlglied 56 angegebenen Temperaturänderun«en.

Im Betrieb strömt das zu kühlende Gas über die Leitung 10 in den Wärmetauscher 12 und über die Leitung 14 in den Verdampfer 16, wo es auf die gewünschte Temperatur abgekühlt wird. Es verläßt den Verdampfer 16 und gelangt zu dem Abscheider 20, in dem die zuvor im dampfförmigen Zustand enthaltenen schweren Bestandteile und das Wasser, die z. B. aus einem Trocknungsturm stammen, abgeschieden und durch den Auslaß 22 abgeführt werden. Das gekühlte trockene Gas verläßt den Abscheider durch die Leitung 24 und gelangt zum Dreiwegeventil 26.

Die Vorkühlung im Wärmetauscher 12 entlastet den Verdampfer 16, ohne aber durch die dem in der Leitung 34 strömenden bereits gekühlten Gas zugeführte Wärme dessen Temperatur über die zur weiteren Verfahrensführung notwendige Temperatur anzuheben.

Sinkt der Kältebedarf auf den minimalen Wert ab, so wird das den Verdampfer 16 durchströmende Gas . auf eine Temperatur abgekühlt, die unter derjenigen liegt, die in dem Zeitintervall größten Kältebedarfes erzielt wird, da die Kältemitteltemperatur im Verdampfer nahezu konstant bleibt, wie nachfolgend noch erläutert wird. Dieser Temperaturabfall wird als Signal durch das Temperaturfühlglied 56 zur Steuervorrichtung 60 geleitet, die daraufhin den Auslaß 30 zu öffnen beginnt. Mit zunehmendem Sinken des Kältebedarfes des Verdampfers 16 wird die Auslaßöffnung 30 weiter geöffnet, so daß eine zunehmend größere Menge des bereits gekühlten Gases zum Wärmetauscher 40 strömt. Der Wärmetauscher 12 wird entsprechend weniger gespeist, so daß das in der Leitung 10 strömende Gas weniger vorgekühlt wird. Da der Kühlbedarf nunmehr minimal ist, reicht die von der Kühleinrichtung aufgebrachte Kälteleistung alleine bei weitem aus. Eine Vorkühlung ist somit nicht erforderlich.

In der Kühleinrichtung strömt das Kältemittel mit einer relativ hohen Temperatur durch den Kältemittelverdichter 42 zum Kondensator 46 und von diesem in den Akkumulator-Wärmetauscher 40. Bei hohem Kältebedarf erfährt das Kältemittel in dem Wärmetauscher 40 keine zusätzliche Kühlung. In Perioden geringen Kältebedarfes hingegen sinkt die Verdampfungsrate des Kältemittels im Verdampfer 16, so daß der Flüssigkeitsspiegel im Verdampfer 16 ansteigt und dadurch über die Schwimmersteuerung 51 das Entspannungsventil 52 abgesteuert wird. Dadurch wird das Einströmen von Kältemittel in den Verdampfer 16 gedrosselt, so daß sich Kältemittel in dem Akkumulator des Wärmetauschers 40 ansammeln kann.

Mit dem Absinken der Verdampfungsrate im Verdampfer 16 spricht der Saugregler 55 auf den Abfall des Dampfdruckes an und betätigt das Drucksteuerventil 53, um den Abzug von verdampftem Kältemittel aus dem Verdampfer 16 zu drosseln. Der Druck im Verdampfer 16 wird dabei konstant gehalten. Somit wird innerhalb des Verdampfers 16 unabhängig von der Belastung eine konstante Temperatur aufrechterhalten.

Das Kältemittel in dem Akkumulator des Wärmer tauscher 40 wird durch das nunmehr hindurchströmende gekühlte Gas auf eine Temperatur unterhalb derjenigen, mit der es den Kondensator 46 verläßt, unterkühlt. Diese Unterkühlung dauert an, solange der Kältebedarf niedrig liegt. Wenn der Kältebedarf wieder zu steigen beginnt, steigt auch die Temperatur des den Verdampfer 16 verlassenden gekühlten Gases, wodurch über die Steuervorrichtung 60 die Menge des aus der Öffnung 30 des Dreiwegeventils 26 ausströmenden Gases abgesenkt wird. Sobald der Kältebedarf den Wert übersteigt, der durch die Linie 72 in F i g. 1 gegeben ist, wird die Auslaßöffnung 30 vollständig geschlossen, und das gesamte gekühlte Gas fließt nun wieder durch den Wärmetauscher 12, um das in der Leitung 10 einströmende zu kühlende Gas weitestmöglich vorzukühlen und den Verdampfer 16 zu entlasten. Das in dem Akkumulator des Wärmetauschers 40 angesammelte Kältemittel ist ausreichend unterkühlt, um nunmehr den Spitzenbedarf zu decken, wenn es über das Entspannungsventil 52 in den Verdampfer 16 einströmt. Beim Verdampfen nimmt das nicht unterkühlte Kältemittel seine latente Verdampfungswärme auf und nicht mehr. Durch die erfolgte Unterkühlung des Kältemittels ist diesem eine merkliche »Wärmeaufnahmefähigkeit« mitgeteilt worden, die einer entsprechenden Differenz der niedrigen Temperatur des Kältemittels und des zu kühlenden Mediums entspricht. Die gesamte Kälteleistung der Kühleinrichtung während der Perioden maximalen Kältebedarfes entspricht somit dem latenten Wärmeinhalt des Kältemittels plus der dem Kältemittel in der vorhergehenden Periode geringen Kältebedarfes entzogenen Wärmemenge.

Bei der Untersuchung des Kühlbedarfes in dem vorstehend geschilderten Verfahren hat sich gezeigt, daß am Bgeinn des Verfahrenszyklus eine minimale Kältemittelmenge von 5,251 erforderlich ist. Der Kältebedarf steigt dann auf ein Maximum von etwa 23,251 über etwa die Hälfte des Verfahrenszykius an. Daraufhin fällt der Bedarf auf einen Wert von angenähert 5.7 t am Ende des Zyklus ab. Es hat sich gezeigt, daß gemäß der Erfindung eine Kühleinrichtung mit einer Leistung von 12 t ausreichend ist, um die Belastungsschwankungen durch die auftretende Unterkühlung aufzunehmen. Trotz der zusätzlichen Kosten, die durch die zur Ausführung der Erfindung erforderlichen Einrichtungen bedingt sind, wurden die Gesamtkosten gegenüber einer größeren Kühleinrichtung, die die Spitzenbelastung in bekannter Weise aufnimmt, um ungefähr 25 % verringert.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Einrichtung zum Kühlen eines gasförmigen oder flüssigen Mediums, bei der ein flüssiges Kälte-. mitte! von einem Kältemittelverdichter od. dgl. über einen Wärmetauscher zu einem von dem zu kühlenden Medium durchströmten Verdampfer fließt und bei der eine Abzweigleitung für das zu kühlende Medium von dem Verdampfer zu dem Wärmetauscher führt, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmetauscher (40) als Sammelbehälter zur Speicherung des flüssigen Kältemittels ausgebildet ist, daß an der Abzweigstelle zur Abzweigleitung (36) ein Dreiwegeventil (26) angeordnet ist, das in Abhängigkeit von der Temperatur des aus dem Verdampfer (16) austretenden Mediums durch eine Ventilstcuereinrichumg (56, 60) derart gesteuert wird, daß bei sinkender Temperatur des Mediums der Durchlaß (30) zur Abzweigleitung (36) geöffnet wird und daß Regelvorrichtungen (51, 52; 53, 55) vorgesehen sind, welche die Flüssigkeitsfüllung und die Temperatur im Verdampfer (16) konstant halten.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der weitere Auslaß (28) des Dreiwcgcventils (26) für das zu kühlende Medium in bekannter Weise zu einem Vorwärmetauscher (!2) führt, der in der Zuführungsleitung (!0) für das zu kühlende Medium stromaufwärts des Verdampfers (16) liegt.

3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der A.uslaß (38) aus dem Wärmetauscher (40) zu der stromabwärts von der Kühleinrichtung liegenden Hauptleitung (34) für das zu kühlende Medium führt.

4. Einrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Wärmetauscher (40) und dem Verdampfer (16) ein Entspannungsventil (52) für das Kältemittel eingeschaltet ist, das durch eine den Flüssigkeitsstand im Verdampfer (16) überwachende Regelvorrichtung (51) gesteuert ist.

5. Einrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß in die Ansaugleitung (54) des Kältemittelverdichters (42) vom Verdampfer (16) her ein Ventil (53) eingeschaltet ist, das durch ein den Dampfdruck im Verdampfer (16) überwachendes Druckfühlglied (55) gesteuert ist.