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Verfahren und Vorrichtung zur Kühlung einer Kammer Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Kühlen einer Kammer mit durchströmender Luft als Kühlmittel unter Verwendung wechselweise einsetzbarer Regeneratoren zur Erzeugung niedriger Temperaturen von -70 C bis -l60 C.
Es ist bekannt, dass Luftkühlanlagen eine ebenso lange Lebensdauer haben wie Kohlensäure- und Ammoniakkühlanlagen.
Sie wurden jedoch infolge ihrer geringen Wirtschaftlichkeit bei Erzielung unbedeutender Minus- Temperaturen (bis -40 C), hervorgerufen durch den niedrigen Wirkungsgrad des Kompressions- und Expansionsvorganges, fast gänzlich durch Dampfkühlanlagen verdrängt.
Durch Einschluss eines Regenerationsvorgangs in den Luftzyklus wurden die thermodynamischen Eigenschaften der Luftkühlanlagen wesentlich verbessert, insbesondere in Fällen, bei denen die Kühlanlage in einem weiten Bereich der Grenztemperatu- ren betrieben werden soll.
Es sind unter anderem Luftturbokompressor- Kühlanlagen bekannt, in welchen die Abkühlung durch eine Expansion der Atmosphärenluft in einer (Expansions)-turbine von Atmosphärendruck auf einen niedrigeren Druck erzeugt wird. In solchen Anlagen wird die Atmosphärenluft durch einen vorher abgekühlten Regenerator geleitet, wo sie auf der Aussenfläche des Regeneratoreinsatzes ihre Feuchtigkeit absetzt; danach wird sie auf eine gewisse negative Temperatur (beispielsweise bis zur Temperatur -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 eine Temperatur von -50 C erreicht.
Nach der Kühlkammer gelangt die Luft in einen zweiten Regenerator, in welchem sie den Regenera- toreinsatz abkühlt und die hier früher abgesetzte Feuchtigkeit absorbiert. Aus dem Regenerator strömt die Luft in einen Kompressor, in dem sie auf Atmosphärendruck verdichtet und erwärmt wird, um in die Atmosphäre auszuströmen. Die Regeneratoren werden von Zeit zu Zeit umgeschaltet, wodurch der rege- nerative Wärmeaustausch erzielt wird.
In einer Kühlanlage, nach obigem Schema betrieben, ist kein Lufttrockner und kein Wärmeaustau- scher zur Wärmeabführung vorhanden., welche üblicherweise in Kältemaschinen verwendet werden, da die durch den Kompressor angewärmte Luft in die Umgebung ausgestossen wird, sollte sie nicht für irgendwelche andere Zwecke nutzbar gemacht werden.
Der Nachteil eines solchen Betriebsverfahrens der Luftkühlanlagen besteht darin, dass in der Kühlkammer ein Unterdruck herzustellen ist, was die Herstellung von Kühlkammern grösseren Umfangs erschwert.
Falls eine nach dem oben beschriebenen Schema arbeitende Kühlanlage unter Druck betrieben wird, so kann ein Unterdruck in der Kühlkammer vermieden werden, jedoch muss dann zur Wärmeabführung nach dem Kompressor ein voluminöser Wärmeaus- tauscher, gewöhnlich des Luft-Wassertyps, eingebaut werden.
Die vorliegende Erfindung bezweckt die obengenannten Schwierigkeiten beim Betrieb von Luftkühl- anlagen mit Regeneratoren auf die Weise zu beseitigen, dass die Luft aus der Atmosphäre über einen
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vorgekühlten Regenerator durch eine Kühlkammer geleitet und danach in einer arbeitsleistenden Maschine zur Expansion gebracht wird, worauf sie durch einen zweiten zu kühlenden Regenerator von einem Kompressor angesaugt, auf Atmosphärendruck verdichtet und ausgestossen wird.
Ein solches Verfahren ermöglicht es, die Kühlanlage ohne Unterdruck in der Kühlkammer zu betreiben, und es erübrigen sich der Lufttrockner für Atmosphärenluft und der Wärmeaustauscher zur Ableitung der Wärme aus dem Kreislauf.
Die Erfindung ist vorwiegend, jedoch nicht aus- schliesslich, für die Kälteerzeugung bei verschiedenen technologischen Vorgängen z. B. für das Einfrieren von Lebensmitteln, insbesondere von Fischen, bestimmt.
Das -Verfahren kann sowohl für Anlagen mit Axial- bzw. Zentrifugalturbinen und Kompressoren als auch für Anlagen, welche zur Kompression und Expansion der Luft Kolben- oder Schraubenmaschinen nutzen, verwendet werden.
Als Regenerator kann ein beliebiger Wärmeaus- tauscher genutzt werden, in welchem ein regenerati- ver Wärmeaustausch erfolgen kann.
Abb. 1 zeigt ein schematisches Beispiel einer Luftkühlanlage, in welcher das Verfahren ausgeführt wirrt.
Abb. 2 stellt das T-S-Diagramm für das vorgeschlagene Verfahren dar.
Die Kühlanlage enthält: eine Entspannungsturbine 1, einen Kompressor 2, zwei Regeneratoren 3 und 4, eine Kühlkammer 5, ein Getriebe 6, zwei Ventile 7 und 8 und einen Umführungskanal 9.
Atmosphärenluft .gelangt durch den Einlassstut- zen und durch das Ventil 7 zum bereits durch die Ex- pansionsturbine abgekühlten Regenerator 3; sie wird beim Durchgang desselben gekühlt und scheidet die in ihr enthaltene Feuchtigkeit auf dem Einsatz des Regenerators ab; 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 Kühl- kammer gelangt die Luft in die Expansionsturbine 1 und wird dem Expansionsvorgang unterzogen, entsprechend sinkt auch ihre Temperatur. Im Idealfalle wird der Anwärmungsgrad der Luft in der 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.
In Kompressor 2 wird die Luft bis zum Atmo- sphärendruck verdichtet und in heissem Zustand über das Rohr 10 ausgestossen, sofern der Wärmeeinhalt 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 wird.
Die Leistung der Turbine 1 dient zum Antrieb des Kompressors 2; ausserdem wird über das Getriebe 6 die für den Kompressorantrieb 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 Regenerator 3 über den Umfühningskanal 9 direkt zu der Turbine 1. Der Umführungskanal ermöglicht somit, innerhalb kurzer Zeit die Maschine auf das notwendige Temperaturniveau am Eintritt der Kühlkammer zu bringen.
Ausserdem gewährt der Umführungskanal während des Betriebes die Möglichkeit, die Arbeit des Turbokompressors in Abhängigkeit von der Wärme- belastung der Kühlkammer zu regeln.
Zur Druckregelung in der Kühlkammer und ins- besondere zum Ausgleich der pneumatischen Druckverluste auf dem Wege vom Eintritt in die Maschine bis zur Kühlkammer wird vor dem Ventil 7 oder vor der Kühlkammer 5, falls benötigt, ein zusätzlicher Ventilator eingebaut.
Abb. 2 veranschaulicht im T-S-Diagramm den Arbeitsverlauf der Anlage nach dem vorgeschlagenen Verfahren.
Wie aus Abb. 2 ersichtlich ist, entspricht der Ab- kühlungsverlauf der Luft in dem zuerst zu durchströmenden 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 Wärme aus dem Kreislauf.
Unter Berücksichtigung der obigen, bevorzugten Ausführungsweise der Erfindung ergeben sich für eine ausgeführte Anlage als Beispiel folgende Kennwerte:
EMI2.134
<tb> Kälteleistung <SEP> I <SEP> 26 <SEP> 000 <SEP> kGal/Stunde
<tb> Eintrittstempenatur <SEP> bei <SEP> der <SEP> von.
<SEP> -70 <SEP> C
<tb> Kühlkammer <SEP> bis <SEP> --130 <SEP> C
<tb> Anwärmung <SEP> der <SEP> Luft <SEP> A <SEP> .t <SEP> = <SEP> 30
<tb> in <SEP> der <SEP> Kühlkammer
<tb> Luftverbnauch <SEP> ,der <SEP> Anlage <SEP> 1 <SEP> kg/sec
<tb> Leistungsaufwand <SEP> N <SEP> = <SEP> 55 <SEP> bis, <SEP> 70 <SEP> kw
Es soll darauf hingewiesen werden, dass infolge der hohen Wirkungsgrade des Kompressors und der Turbine ein Kältezustand von -80 C und tiefer am
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Kühlkammereintritt gewährleistet wird, wobei die Werte der Leistungsziffer günstiger liegen als bei den üblichen zweistufigen Dampfkältemaschinen.