DE2049181B2 - Verfahren zur Kälteerzeugung durch Kompression eines Gemisches von verschiedenen Kältemitteln mit unterschiedlichen Siedepunkten - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Kälteerzeugung durch Kompression eines Gemisches von verschiedenen Kältemitteln mit unterschiedlichen Siedepunkten, bei dem in einem dem Kompressor '5 nachgeschalteten Kühler ein Teil des Gemisches kondensiert, in einem Abscheider abgeschieden, durch zum Kompressor zurückströmendes, entspanntes Kältemittel gekühlt und nach Drosselung auf einen niedrigeren Druck dem zum Kompressor zurückströmenden entspannten Kältemittelgas zugeführt und zusammen mit diesem im Wärmeaustausch mit dem im Kühler gasförmig verbliebenen Teil des Kälteinittelgemisches dem Kompressor zugeleitet wird.

Eine Kälteerzeugung bei tiefen Temperaturen kann wirtschaftlich bekanntlich nach zwei verschiedenen Methoden erzielt werden. Bei dem einen Verfahren geht man so vor, daß kondensierte Kältemittel oder Kältemittelgemische auf einen niedrigeren Druck gedrosselt werden. Es handelt sich hierbei um die bekannten Kompressionskälteverfahren, die einstufig oder mehrstufig in Form von Kaskaden- oder Gemischkältekreisläufe durchgeführt werden. Bei dem anderen Verfahren werden Gase oder Dämpfe arbeitsleistend entspannt (Turbinenkreisläufe). Ein solcher Turbinenkältekreislauf kann mit oder ohne Vorkühlung durchgeführt werden.

Bei dem ersteren Verfahren wird der thermodynamische Wirkungsgrad der Kälteerzeugung mit sinkendem Temperaturniveau des Kältebedarfs schlechter und zum Teil so schlecht, daß die Anwendung dieses Verfahrens unwirtschaftlich wird. Bei dem anderen Verfahren wird der thermodynamische Wirkungsgrad der Kälteerzeugung mit sinkendem Temperaturniveau zwar besser, wobei die Vorkühlung noch zusätzlich den thermodynamischen Wirkungsgrad erhöhen kann und mit Hilfe eines in sich geschlossenen Kältekreislaufs erreicht wird, jedoch erfordert die Verwendung von einem solchen Kältekreislauf den Einsatz von einem zusätzlichen Vorkühl-Kältemittelverdichter sowie komplizierte und dadurch teure Wärmeübertragungsflächen.

In der DE-AS 12 41 468 ist ein Kompressionsverfahren zur Kälteerzeugung unter Verwendung eines Kältemittelgemisches beschrieben, bei dem das verdichtete Kältemitteldampfgemisch in einer ersten Verflüssigungsstufe durch partielle Kondensation überwiegend der höhersiedenden Kältemittelkomponente verflüssigt, anschließend die flüssige Phase von der dampfförmigen Phase getrennt, hierauf die dampfförmige, tiefersiedende Komponente in eine zweite Verflüssigungsstufe übergeführt und verflüssigt wird, wobei zur Erzeugung der erforderlichen Verflüssigungstemperatur die in der ersten Verflüssigungsstufe verflüssigte höhersiedende Kältemittelkomponente entspannt und verdampft wird, hierauf die verflüssigte tiefersiedende Kältemittelkomponente zur Erzeugung der gewünschten Endtemperatur entspannt und verdampft wird und zur Schließung des Kreislaufs die Kältemittelkomponenten wieder vermischt und dem Kompressor zugeführt werden.

Hierbei wird die Vermischung der höhersiedenden mit dor tiefersiedenden Komponente unmittelbar hinter der Stelle des Kältemittelkreislaufs vorgenommen, wo die Entspannung der höhersiedenden Komponente erfolgt Es wird ein aus Einzelkomponenten bestehendes Kältegemisch verwendet, wobei sich die Siedetemperaturen der beiden Einzelkomponenten um 40° bis 140°C unterscheiden. Mit einem solchen Verfahren wird ein höherer Wirkungsgrad angestrebt, wobei dieselben Temperaturen mit niedrigeren Kompressionsverhältnissen erreicht werden sollen und dem Verdichter eine höhere volumetrische Kälteleistung zugeschrieben wird.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Kälteerzeugung der anfangs genannten Art bei tiefen Temperaturen zu schaffen, bei dem ein guter thermodynamischer Wirkungsgrad der Kälteerzeugung mit sinkendem Temperaturniveau des Kältebedarfs bei geringem Aufwand an maschineller und apparativer Ausrüstung erreicht wird. Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, daß die im Kühler gasförmig verbliebenen Bestandteile des verdichteten Kältemittelgemisches nach ihrem Wärmeaustausch mit dem zum Kompressor zurückströmenden entspannten Kältemittel, bei dem wiederum ein Teil des Gemisches kondensiert, einem weiteren Abscheider zugeführt werden, der gasförmige Bestandteil des Gemisches arbeitsleistend entspannt und nach Wärmeaufnahme von der Kühllast und dem verdichteten Kältemittelgemisch zum Verdichter zurückgeführt wird und der kondensierte Bestandteil des Gemisches nach Drosselung auf einen niedrigeren Druck den arbeitsleistend entspannten Gemischbestandteilen vor deren Wärmeaustausch mit dem verdichteten Kältemittelgemisch zugeleitet wird.

Bei dem Verfahren gemäß der Erfindung wird ein Vorkühlkältemittel zugesetzt das nicht mehr in einem getrennten Kreislauf, sondern innerhalb der für den Turbinenkreislauf erforderlichen Aggregate komprimiert, kondensiert und verdampft wird. Der Vorkühlkreislauf ist in den Turbinenkreislauf integriert Dadurch ergeben sich gegenüber dem Turbinenkreislauf als wesentlicher Vorteil geringere Investitionskosten. Denn bei dem gebräuchlichen Turbinenkreislauf, der lediglich aus tiefsiedenden Kompontenten besteht, ist es zur Erzielung eines guten Wirkungsgrades erforderlich, eine Vor- oder eine Zwischenkühlungsstufe einzuschalten. Für diese Zwischenkühlung, die üblicherweise mit einer Kompressionskälteanlage durchgeführt wird, ist gegenüber dem erfindungsgemäßen Verfahren ein erheblicher Mehraufwand an Installation erforderlich. Gegenüber den Kälteerzeugungsverfahren mit Gemischkreisläufen wird eine wesentliche Verbesserung des Wirkungsgrades erreicht Dies ergibt sich dadurch, daß man im Temperaturbereich, in dem der Gemischkreislauf einen guten Wirkungsgrad hat, die Kälte auf dieselbe Weise erzeugt wie im Gemischkreislauf, und daß in dem Temperaturbereich, in dem die Turbine vorteilhaft ist diese nutzbar gemacht wird. So erzielt man mit einfachen Mitteln einen hohen thermodynamischen Wirkungsgrad bei geringem apparativen Aufwand. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren kommen Gemische aus allen Stoffen in Frage, deren Siedetemperaturen bei 1 at vorteilhaft unter etwa + 20° C liegen.

Die Entspannung des in den Abscheidern anfallenden Kondensats erfolgt vorteilhaft auf den Saugdruck des Kompressors, und die Zuführung zu dem arbeitsleistend entspannten Kältestrom wird zweckmäßig dort vorgenommen, wo dieser annähernd das gleiche Temperaturniveau hat

Das Verfahren gemäß der Erfindung kann auch dadurch erweitert werden, daß der Wärmeaustausch zwischen dem verdichteten Kältemittelgemisch und dem entspannten Kältemittelgemisch in mehreren Austauschzonen erfolgt und das jeweils anfallende Kondensat nach jeder dieser Wärmeaustauschzonen abgeschieden, auf einen niedrigeren Druck gedrosselt und dem zum Kompressor zurückfließenden entspannten Kältemittelstrom zugeführt wird, in dem es durch den Wärmeaustausch mit dem verdichteten Kältemitteistrom verdampft Weiterhin kann man so vorgehen, daß von den der kältesten Wärmeaustauschstufe vorgeschalteten Wärmeaustauschstufen Teilströme aus dem verdichteten Kältemittelgas abgezweigt, arbeitsleistend entspannt und in den zum Kompressor zurückfließenden entspannten Kältemittelstrom, vorzugsweise an den Stellen mit annähernd gleichem Temperaturniveau, eingespeist werden.

Die arbeitsleistend entspannten Kältemittelströme durchlaufen vorteilhaft Wärmetauscher für kälteverbrauchende Ströme. Die Kälteleistung wird bevorzugt auch auf allen Temperaturniveaus oberhalb des kältesten Turbinenaustrittsstroms erbracht wobei sowohl die arbeitsleistend entspannten Gasströme als auch die durch Drosselung entspannten Kondensatströme Wärme vom Kälteverbraucher aufnehmen.

Die Erfindung wird anhand von zwei in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen nachstehend erläutert

F i g. 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Kälteerzeugung bei tiefen Temperaturen im Schema,

Fig.2 stellt eine weitere Ausführungsform der Erfindung schematisch dar.

Bei dem Kältekreislauf der F i g. 1 wird in dem Kompressor 1 das Gasgemisch des Kältekreislaufs zunächst verdichtet im Kühler 3 gekühlt und über Leitung 4 zum Abscheider 5 geleitet Von dort strömt der verflüssigte Anteil über Leitung 7 zu dem Wärmeaustauscher 8, kühlt sich dort ab und wird in dem Ventil 9 entspannt, und zwar vorzugsweise auf den Saugdruck des Verdichters 1. Aus dem Abscheider 5 strömt zugleich der noch gasförmige Anteil des Kältemittels über die Leitung 6 durch den Wärmeaustauscher 8 in den Abscheider 10, aus dem das Kondensat über das Drosselventil 11 in die Niederdruckleitung 17 entspannt wird.

Über die Leitung 12 wird die fast nur noch aus tiefsiedenden Gasen bestehende Gasphase zu der arbeitsleistenden Entspannungsmaschine 13, z. B. einer Turbine geführt und dort arbeitsleistend entspannt, wobei sie sich stark abkühlt, so daß bei einem tiefen Temperaturniveau Kälte erzeugt werden kann. Der kalte Austrittsstrom der Turbine wird über die Leitung 14 zu dem Wärmetauscher 15 geleitet, wo er den kälteverbrauchenden Strom abkühlt, der über die Leitung 19 zuströmt und über die Leitung 20 abgeführt wird. Der Austrittsstrom der Turbine verläßt dann über die Leitung 16 den Wärmeaustauscher 15.

In die Leitung 16 wird das Kondensat aus den Abscheidern 5 und 10 über die Ventile 9 und 11 eingespritzt, das bei den hier vorliegenden Temperaturen bereits zu verdampfen beginnt und durch seine Verdampfungswärme den größten Teil der Kälte aufbringt, die in dem Wärmetauscher 8 für die Abkühlung der für die Leitung 6, 7 und 18 zugeführten Stoff ströme verbraucht wird. Über die Leitung 17 strömt dann dieses verdampfte Kältemittel gemeinsam

mit den tiefsiedenden Gemischbestandteilen, die durch die Entspannungsmaschine 13 strömten, zu dem Verdichter 1, wo es erneut verdichtet wird.

Kälteverbraucher können sowohl über die Leitung 18 wie über die Leitung 19 zugeführt werden, wobei sich die Belastung der Wärmetauscher 8 und 15 und dementsprechend die Zusammensetzung des über die Leitung 17 angesaugten Gemisches etwas ändert.

Bei dem Ausführungsbeispiel der F i g. 2 ist noch ein weiterer Wärmeaustauscher 8a eingeschaltet, der wie der Wärmeaustauscher 8 eine weitere Kühlung und damit verbunden eine teilweise Kondensation kondensierbarer Bestandteile aus dem Hochdruckstrom bewirkt Dies erfolgt in der Weise, daß der gasförmige Anteil des Kältemittels durch den Wärmetauscher 8a geführt wird, und zwar mittels der Leitung 21 zu dem Abscheider 22, von dem die flüssige Phase über das Ventil 23 zu der Leitung 16 führt. Die Gasphase des Abscheiders 22 geht über die Leitung 12 zu der Turbine 3 und von dort durch die Leitung 14 zu der Niederdruckleitung 16. Die Anzahl der weiteren Kühlstufen richtet sich nach dem zu erreichenden Temperaturniveau, wobei die Turbine jeweils mit dem Gas aus dem kältesten Abscheider gespeist wird. Als Ergänzung zu dieser Ausführung kann ein Teil der aus dem Abscheider 10 austretenden Gasphase über die Leitung 23 zu einer weiteren Turbine 24 geleitet werden und kann von dort nach arbeitsleistender Entspannung über die Leitung 25 der Niederdruckleitung 16 zwischen Wärmetauscher 15 und Vorkühler 8a zugeführt werden, und zwar an der Stelle, wo der Niederdruckstrom aus der Turbine 13 etwa die gleiche Temperatur hat wie der

is aus Turbine 24. Dies führt zu dem Vorteil, daß das Kälteangebot oberhalb des kältesten Wärmeaustauschers vergrößert wird.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (7)

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Kälteerzeugung durch Kompression eines Gemisches von verschiedenen Kältemitteln mit unterschiedlichen Siedepunkten, bei dem in einem dem Kompressor nachgeschalteten Kühler ein Teil des Gemisches kondensiert, in einem Abscheider abgeschieden, durch zum Kompressor zurückströmendes, entspanntes Kältemittel gekühlt und nach Drosselung auf einen niedrigeren Druck dem zum Kompressor zurückströmenden entspannten Kältemittelgas zugeführt und zusammen mit diesem im Wärmeaustausch mit dem im Kühler gasförmig verbliebenen Teil des Kältemittelgemisches dem Kompressor zugeleitet wird, dadurch gekennzeichnet, daß die im Kühler gasförmig verbliebenen Bestandteile des verdichteten Kältemittelgemisches nach ihrem Wärmeaustausch mit dem zum Kompressor zurückströmenden entspannten Kältemittel, bei dem wiederum ein Teil des Gemisches kondensiert, einem weiteren Abscheider zugeführt werden, der gasförmige Bestandteil des Gemisches arbeitsleistend entspannt und nach Wärmeaufnahme von der Kühllast und dem verdichteten Kältemittelgemisch zum Verdichter zurückgeführt wird und der kondensierte Bestandteil des Gemisches nach Drosselung auf einen niedrigeren Druck den arbeitsleistend entspannten Gemischbestandteilen vor deren Wärmeaustausch mit dem verdichteten Kältemittelgemisch zugeleitet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Entspannung des in den Abscheidern anfallenden Kondensats auf den Saugdruck des Kompressors erfolgt und daß die Zuführung zu dem arbeitsleistend entspannten Kältemittelstrom dort vorgenommen wird, wo dieser annähernd das gleiche Temperaturniveau hat

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmeaustausch zwischen dem verdichteten Kältemittelgemisch und dem entspannten Kältemittelgemisch in mehreren Wärmeaustauschzonen erfolgt und das jeweils anfallende Kondensat nach jeder dieser Wärmeaustauschzonen abgeschieden, auf einen niedrigeren Druck gedrosselt und dem zum Kompressor zurückfließenden entspannten Kältemittelstrom zugeführt wird, in dem es durch Wärmeaustausch mit dem verdichteten Kältemittelstrom verdampft.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß von den der kältesten Wärmeaustauschstufe vorgeschalteten Wärmeaustauschstufen Teilströme aus dem verdichteten Kältemittelgas abgezweigt, arbeitsleistend entspannt und in den zum Kompressor zurückfließenden entspannten Kältemittelstrom, vorzugsweise an den Stellen mit annähernd gleichem Temperaturniveau, eingespeist werden.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die arbeitsleistend entspannten Kältemittelströme zur Erbringung der Kälteleistung Wärmetauscher für kälteverbrauchende Ströme durchlaufen.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Kälteleistung auf allen Temperaturniveaus oberhalb des kältesten Turbinenaustrittsstromes erbracht wird, wobei sowohl die arbeitsieistend entspannten Gasströme als auch die durch Drosselung entspannten Kondensatströme Wärme vom Kälteverbraucher aufnehmen.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß Kältemittel verwendet werden, deren Siedetemperatur bei 1 at unter etwa +20⁰C liegen.