DE102018110358A1

DE102018110358A1 - Phasenseparatoreinheit für eine Kälteanlage und entsprechende Kälteanlage

Info

Publication number: DE102018110358A1
Application number: DE102018110358.1A
Authority: DE
Inventors: Jürgen Hermeler
Original assignee: Fh Bielefeld
Current assignee: Fh Bielefeld
Priority date: 2018-04-30
Filing date: 2018-04-30
Publication date: 2019-10-31

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Phasenseparatoreinheit (10) für eine Kälteanlage, die insbesondere CO₂ als Kältemittel nutzt, mit
- einem Sammelbehälter (12) zur Aufnahme von Kältemittel in flüssiger wie auch gasförmiger Phase und zur räumlichen Trennung der beiden Phasen, bei der sich im Inneren des Sammelbehälters (12) das flüssige Kältemittel in einem ersten Bereich (24) und das gasförmige Kältemittel in einem zweiten Bereich (26) ansammelt,
- einer Zulauf-Anschlusseinrichtung (32) mit einer Zulaufleitung (34) zum Zuführen eines Flüssigkeits-Gas-Gemisches des Kältemittels zum Sammelbehälter (12),
- einer ersten Ablauf-Anschlusseinrichtung (38) mit einer Ablaufleitung (40) zum Abführen von im Wesentlichen flüssigen Kältemittel aus dem ersten Bereich (24) und
- einer zweiten Ablauf-Anschlusseinrichtung (42) mit einer Ablaufleitung (44) zum Abführen von im wesentlichen gasförmigen Kältemittel aus dem zweiten Bereich (26).
Es ist vorgesehen, dass im Inneren des Sammelbehälters (12) ein der Zulauf-Anschlusseinrichtung (32) nachgeschalteter Zyklon-Abscheider (36) zur Phasenseparation von flüssiger und gasförmiger Phase des Kältemittels in die beiden Bereiche (24, 26) angeordnet ist.
Die Erfindung betrifft weiterhin eine Kälteanlage mit einem Verdampfer (68), einem Verdichter (70), einem Verflüssiger (72) und einer derartigen Phasenseparatoreinheit (10).

Description

Die Erfindung betrifft eine Phasenseparatoreinheit für eine Kälteanlage, die insbesondere CO₂ als Kältemittel nutzt, mit (i) einem Sammelbehälter zur Aufnahme von Kältemittel in flüssiger wie auch gasförmiger Phase und zur räumlichen Trennung der beiden Phasen, bei der sich im Inneren des Sammelbehälters das flüssige Kältemittel in einem ersten Bereich und das gasförmige Kältemittel in einem zweiten Bereich ansammelt, (ii) einer Zulauf-Anschlusseinrichtung zum Zuführen eines Flüssigkeits-Gas-Gemisches des Kältemittels zum Sammelbehälter, (iii) einer ersten Ablauf-Anschlusseinrichtung zum Abführen von im Wesentlichen flüssigen Kältemittel aus dem ersten Bereich und (iv) einer zweiten Ablauf-Anschlusseinrichtung zum Abführen von im wesentlichen gasförmigen Kältemittel aus dem zweiten Bereich.
Die Erfindung betrifft weiterhin eine Kälteanlage mit einem Verdampfer, einem Verdichter, einem Verflüssiger und einer einen Sammelbehälter aufweisenden Phasenseparatoreinheit.
Eine derartige Kälteanlage und eine derartige Phasenseparatoreinheit sind als CO₂-Kälteanlage und deren Phasenseparatoreinheit bekannt. Der wissenschaftliche Artikel »H. Fritschi et al.: „Efficiency increase in carbon dioxide refrigeration technology with parallel compression"; International Journal of Low-Carbon Technologies, Volume 12, Issue 2, 1 June 2017, Pages 171-180 (February 18, 2016)« beschreibt eine CO₂-Kälteanlage mit einem Verdampfer, einen Verdichter, einem Verflüssiger und einer einen Sammelbehälter aufweisenden Phasenseparatoreinheit. Diese Phasenseparatoreinheit umfasst einen Sammelbehälter zur Aufnahme von CO₂-Kältemittel in flüssiger wie auch gasförmiger Phase und zur räumlichen Trennung der beiden Phasen durch Ansammeln von an Behälter-Innenwänden kondensiertem flüssigem CO2-Kältemittel in einem ersten Bereich, sodass sich das gasförmige Kältemittel in einem darüber liegenden zweiten Bereich des Inneren des Sammelbehälters ansammelt. Somit übernimmt der Sammelbehälter selbst die Phasenseparator-Funktion. Weiterhin umfasst die Phasenseparatoreinheit einen Zulauf-Anschluss zum Zuführen eines Flüssigkeits-Gas-Gemisches des Kältemittels zum Sammelbehälter, einen ersten Ablauf-Anschluss zum Abführen von im Wesentlichen flüssigen Kältemittel aus dem ersten (unteren) Bereich und einen zweiten Ablauf-Anschluss zum Abführen von im wesentlichen gasförmigen Kältemittel aus dem zweiten (oberen) Bereich des Sammelbehälters. Der Sammelbehälter bildet einen Pufferspeicher für Kältemittel und ist dabei so ausgelegt, dass er hinreichend viel flüssiges und gasförmiges Kältemittel für den Betrieb der Kälteanlage bereitstellen kann.
Die Druckschrift DE 10 2012 221 864 A1 zeigt die Verwendung einer als Zyklon-Separator ausgestalteten Phasenseparatoreinheit bei einer Kälteanlage.
Es ist Aufgabe der Erfindung eine Phasenseparatoreinheit mit Sammelbehälter sowie eine Kälteanlage mit einer derartigen Phasenseparatoreinheit anzugeben, bei denen die Effizienz der Phasenseparation bei weiterhin kompaktem Aufbau der Phasenseparatoreinheit verbessert ist.
Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Bei der erfindungsgemäßen Phasenseparatoreinheit mit den im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Merkmalen ist vorgesehen, dass im Inneren des Sammelbehälters ein der Zulauf-Anschlusseinrichtung nachgeschalteter Zyklon-Abscheider zur Phasenseparation von flüssiger und dampf- bzw. gasförmiger Phase des Kältemittels in die beiden Bereiche angeordnet ist. Bei der Kombination eines im Inneren des Sammelbehälters angeordneten Zyklon-Abscheiders ist die Effizienz der Phasenseparation gegenüber der eines einfachen Sammelbehälters deutlich verbessert ohne dass die Phasenseparatoreinheit übermäßig vergrößert werden muss. Auch thermisch wie drucktechnisch ergeben sich Vorteile.
Der Sammelbehälter bildet einen Pufferspeicher für Kältemittel und ist dabei so ausgelegt, dass er hinreichend viel flüssiges und gasförmiges Kältemittel für den Betrieb der Kälteanlage bereitstellen kann. Dazu ist der vom Zyklon-Abscheider genutzte Anteil des Inneren des Sammelbehälters kleiner als ein verbleibender restlicher Anteil des Inneren des Sammelbehälters. Mit anderen Worten ist der Behälter nicht nur ein Gehäuse für den Zyklon-Abscheider.
Dabei ist mit Vorteil vorgesehen, dass der Zyklon-Abscheider eine Abflussleitung für flüssiges Kältemittel aufweist, die bis in den ersten Bereich hineinragt. Dies macht die Phasenseparation effektiver.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die erste Ablauf-Anschlusseinrichtung und/oder die zweite Ablauf-Anschlusseinrichtung einen Wärmetauscher, insbesondere Koaxialwärmetauscher, aufweist. Auch diese Maßnahme verbessert die Effizienz der Phasenseparation.
Dabei ist mit Vorteil vorgesehen, dass der Wärmetauscher oder zumindest einer der beiden Wärmetauscher ebenfalls im Inneren des Sammelbehälters angeordnet ist. Dies ist thermisch wie drucktechnisch günstiger und lässt die Phasenseparatoreinheit weiterhin kompakt.
Bevorzugt ist der Wärmetauscher oder zumindest einer der beiden Wärmetauscher nur über seine Anschlüsse mit einer Behälterwand des Sammelbehälters verbunden. Auch diese Maßnahme ist thermisch günstig und verbessert dadurch die Effizienz.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die erste Ablauf-Anschlusseinrichtung einen Filter aufweist, der strömungstechnisch zwischen dem ersten Bereich und dem Wärmetauscher der erste Ablauf-Anschlusseinrichtung zwischengeschaltet ist.
Gemäß noch einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Sammelbehälter von einem im Wesentlichen rohrförmigen Mittelteil und zwei an einander gegenüberliegende Enden des rohrförmigen Mittelteils angeflanschte Endstücke gebildet wird.
Bei der erfindungsgemäßen Kälteanlage mit einem Verdampfer, einem Verdichter, einem Verflüssiger und einer einen Sammelbehälter aufweisenden Phasenseparatoreinheit ist vorgesehen, dass die Phasenseparatoreinheit als vorstehend genannte Phasenseparatoreinheit ausgestaltet ist.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Verdampfer über eine erste Kältemittelleitung an die erste Ablauf-Anschlusseinrichtung angeschlossen ist, der Verdichter über eine zweite Kältemittelleitung an die zweite Ablauf-Anschlusseinrichtung angeschlossen ist, der Verflüssiger über eine dritte Kältemittelleitung an die Zulauf-Anschlusseinrichtung angeschlossen ist, und der Verdampfer über eine vierte Kältemittelleitung an den Verdichter angeschlossen ist.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass in der dritten Kältemittelleitung ein weiterer Wärmetauscher und/oder ein Drosselventil strömungstechnisch verschaltet ist.
Gemäß noch einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die andere Medienleitung des Wärmetauschers der ersten Ablauf-Anschlusseinrichtung in der vierten Kältemittelleitung verschaltet ist und/oder dass die andere Medienleitung des Wärmetauschers der zweiten Ablauf-Anschlusseinrichtung in der zweiten Kältemittelleitung verschaltet ist.
Nachfolgend wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen exemplarisch erläutert, wobei die nachfolgend dargestellten Merkmale sowohl jeweils einzeln als auch in Kombination einen Aspekt der Erfindung darstellen können. Es zeigen:

1 eine Phasenseparatoreinheit gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung,
2 Details der Phasenseparatoreinheit und
3 eine Kälteanlage gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung mit einer Phasenseparatoreinhei t.

Die 1 zeigt eine Phasenseparatoreinheit 10 für eine (in 3 gezeigte) Kälteanlage, die CO₂ als Kältemittel nutzt, also eine R744-Kälteanlage ist. Eine solche Kälteanlage kann insbesondere als mobile Kälteanlage ausgebildet sein. Hauptkomponente der Phasenseparatoreinheit 10 ist ein Sammelbehälter 12 für das Kältemittel, der im Wesentlichen die äußere Form der Phasenseparatoreinheit 10 bestimmt und im gezeigten Beispiel von einem rohrförmigen Mittelteil 14 und an den Enden des Mittelteils 14 angeflanschten Endstücken 16, 18 gebildet wird. Das rohrförmige Mittelteil 14 ist senkrecht ausgerichtet, sodass sich die beiden als Flansche ausgebildeten Endstücke 16, 18 am unteren und oberen Ende 20, 22 des Sammelbehälters 10 befinden. Der Sammelbehälter 12 dient bei der Kälteanlage zur Aufnahme von Kältemittel in flüssiger wie auch gasförmiger Phase und zur räumlichen Trennung dieser beiden Phasen, bei der sich im Inneren des Sammelbehälters 12 das flüssige Kältemittel in einem ersten Bereich 24 und das gasförmige Kältemittel in einem zweiten Bereich 26 ansammelt. Der Sammelbehälter 12 bildet also einen Pufferspeicher für flüssiges und gasförmiges Kältemittel. Der erste Bereich 24 befindet sich im gezeigten Beispiel in einem becherartigen Auffanggefäß 28 beim unteren Ende 20 und der zweite Bereich 26 beim oberen Ende 22 des Sammelbehälters 12. In einem Mittelabschnitt 30 des Sammelbehälters 12 bzw. des rohrförmigen Mittelteils 14 befindet sich eine Zulauf-Anschlusseinrichtung 32 mit einer Zulaufleitung 34 zum Zuführen eines Flüssigkeits-Gas-Gemisches des Kältemittels zum Sammelbehälter 12 sowie ein der Zulauf-Anschlusseinrichtung 32 nachgeschalteter Zyklon-Abscheider (kurz: Zyklon) 36 zur Phasenseparation von flüssiger und gasförmiger Phase des Kältemittels in die beiden Bereiche 24, 26, wobei dieser Zyklon-Abscheider 36 im Inneren des Sammelbehälters 12 angeordnet ist. Weiterhin weist die Phasenseparatoreinheit 10 im Bereich des ersten Endstückes 16, also in der Darstellung der 1 am unteren Ende 20, eine erste Ablauf-Anschlusseinrichtung 38 mit einer Ablaufleitung 40 zum Abführen von im Wesentlichen flüssigen Kältemittel aus dem ersten Bereich 24 sowie im Bereich des zweiten Endstückes 18, also in der Darstellung der 1 am oberen Ende 22, eine zweite Ablauf-Anschlusseinrichtung 42 ebenfalls mit einer Ablaufleitung 44 zum Abführen von im wesentlichen gasförmigen Kältemittel aus dem zweiten Bereich 26 auf. Der Zyklon-Abscheider 36 weist eine erste Abflussleitung 46 für flüssiges Kältemittel auf, die bis in den ersten Bereich 24, also im Beispiel bis in das Auffanggefäß 48 hineinragt. Weiterhin weist der Zyklon-Abscheider 36 eine zweite Abflussleitung 48 für gasförmiges Kältemittel auf, die zum zweiten Bereich 26 führt.
Sowohl die erste Ablauf-Anschlusseinrichtung 38 als auch die zweite Ablauf-Anschlusseinrichtung 42 weisen je einen im Sammelbehälter 12 angeordneten Wärmetauscher 50, 52 auf, wobei jeder dieser Wärmetauscher 50, 52 seinerseits zwei Medienleitungen 54, 56 aufweist. Dabei ist die jeweils eine der Medienleitungen 52 in der Ablaufleitung 40, 44 der entsprechenden Ablauf-Anschlusseinrichtung 38, 42 verschaltet.
Hier im dargestellten Beispiel ist jeder der beiden Wärmetauscher 50, 52 als Koaxialwärmetauscher ausgebildet. Der Wärmetauscher 50 der ersten Ablauf-Anschlusseinrichtung 38 umgibt das Auffanggefäß 28 mit seinen in der Art einer Spulenwicklung geformten Medienleitungen 54, 56 umfänglich. Am oberen Ende des Auffanggefäßes 28 befindet sich eine konusförmige Schirmeinrichtung 58 zum Ableiten von Tröpfchen aus der Gasphase in das Auffanggefäß 28. Die erste Ablauf-Anschlusseinrichtung 38 weist weiterhin einen Filter (Fluidfilter) 60 auf, der strömungstechnisch zwischen dem ersten Bereich 24 und dem Wärmetauscher 50 der erste Ablauf-Anschlusseinrichtung 38 zwischengeschaltet ist.
Weiterhin sind ein Fluid-Eintritt 62 der Ablaufleitung 40 der ersten Ablauf-Anschlusseinrichtung 38 und ein Dampf-Eintritt 64 der Ablaufleitung 44 der zweiten Ablauf-Anschlusseinrichtung 42 eingezeichnet.
Die 2 zeigt die Anordnung von Zyklon-Abscheider 36, Auffanggefäß 28 und Wärmetauscher 50 der ersten Ablauf-Anschlusseinrichtung 38 rund um den ersten Bereich 24 im Detail. Dabei wird erkennbar, dass das Auffanggefäß 28 Platz für eine Steigleitung des Wärmetauschers lässt. Weiterhin ist eine in der konusförmigen Schirmeinrichtung 58 ausgebildete Druckausgleichsbohrung 66 erkennbar, die einen Druckausgleich zwischen den beiden Seiten des Schirms und somit zwischen den beiden Bereichen 24, 26 ermöglicht.
Die 3 zeigt eine mögliche Ausführungsform der Kälteanlage. Diese umfasst einen Verdampfer 68, einen Verdichter 70, einen mit Gas, in der Regel Luft, beaufschlagbaren Verflüssiger (also einem Gaskühler) 72 und die den Sammelbehälter 12 aufweisende Phasenseparatoreinheit 10 und ist als CO₂-Kälteanlage (R744-Kälteanlage) ausgebildet, nutzt also CO₂ als Kältemittel. Bei dieser Ausführungsform der Kälteanlage ist ein Parallelverdichter 74 über einen Bypass mit Bypassventil 76 parallel zu dem Verdichter 70 geschaltet. Die Verschaltung der genannten Komponenten 10, 68, 70, 72, 74 in der Kälteanlage lässt sich wie folgt zusammenfassen:
Der Verdampfer 68 ist über eine erste Kältemittelleitung 78 an die erste Ablauf-Anschlusseinrichtung 38 angeschlossen, der Verdichter 70 über eine zweite Kältemittelleitung 80 an die zweite Ablauf-Anschlusseinrichtung 42, der Verflüssiger 72 über eine dritte Kältemittelleitung 82 an die Zulauf-Anschlusseinrichtung 32 und der Verdampfer 68 über eine vierte Kältemittelleitung 84 an den Verdichter 70. Die andere Medienleitung 54 des Wärmetauschers 50 der ersten Ablauf-Anschlusseinrichtung 38 (auch Sauggasleitung genannt) ist in der vierten Kältemittelleitung 84 verschaltet und die andere Medienleitung 54 des Wärmetauschers 52 der zweiten Ablauf-Anschlusseinrichtung 42 (auch Mitteldruckleitung genannt) ist in der zweiten Kältemittelleitung 80 verschaltet. Zwischen die Zulaufleitung 34 der Phasenseparatoreinheit 10 und dem Wärmetauscher 52 der zweiten Ablauf-Anschlusseinrichtung 42 sind in Serienschaltung ein weiterer Wärmetauscher 86 (z.B. ein Wasser/R477-Wärmetauscher) und ein Drosselventil 88 verschaltet. In der ersten Kältemittelleitung 78 ist zwischen dem Wärmetauscher 50 und dem Verdampfer 68 ein Expansionsventil 90 verschaltet.
Die in den 1 - 3 zusätzlich eingezeichneten (unbeschrifteten) Pfeile geben die diversen Fließrichtungen des Kältemittels (in sowie in 3 auch anderer verwendeter Fluide an.
Die hier schematisch gezeigte Kälteanlage kann insbesondere als mobile R744-Kälteanlage ausgebildet sein.
Bei R744-Kälteanlagen, insbesondere mobilen R744-Kälteanlagen, ergeben sich die folgenden Herausforderungen:

Durch die neue F-Kältemittelverordnung werden zukünftig Verbundanlagen mit Direktverdampfung aufgrund der Vorgaben in der EN378 nur noch unter hohen Auflagen zu betreiben sein. Die Alternative zu diesen Verbundanlagen sind indirekte Kühlsystem bestehend aus einer zentralen Kälteeinheit- Kaltsoleerzeuger- und einem Solekreislauf, der die einzelnen Verbraucher mit der zentralen Einheit verbindet.

Mobile Kaltsolerzeuger sind in der Regel zeitweise von der Stromversorgung getrennt. Bei dem dann auftretenden Stillstand erwärmt sich das Kältemittel bei den aus dem Stand der Technik bekannten Anlagen aufgrund der Umgebungstemperatur auf z.B. 45°C. Hier kommt es dann zum Abblasen des Kältemittels -zum Beispiel in Ausgleichsbehälter. Beim Start der Anlage soll dann aus diesen Behälter erst wieder das Kältemittel abgesaugt werden. Diese Technik ist relativ aufwendig. Alternativ gibt es Hilfskühler, die aber hier nicht angewendet werden können, da eine mobile Kaltwasseranlage zeitweise keine Stromversorgung aufweist.
Bei der hier gezeigten Kälteanlage ergibt sich nun die folgende Lösung:

(i) Es bestehend ein geschlossener Kreislauf mit bekannten Füllmengen für jede der Komponenten Verdichter 70, Verdampfer 68, Sammelbehälter 12 und Verflüssiger 72.
(ii) In dem Kreislauf befindet sich ein Fluidsammler vor und/oder hinter dem Verdampfer 68 - in der Regel vor dem Verdampfer 68 als Sammelbehälter 12 (oft auch als Mitteldruckflasche bezeichnet). Das Volumen des Sammelbehälters 12 ist so ausgelegt, dass der Dampfgehalt im Sammelbehälter 12 mindestens so groß ist, dass bei isochorer Erwärmung auf z.B. 45°C Umgebungstemperatur der Systemdruck unterhalb von z.B. 90 bar bleibt. Das Volumenverhältnis V von Gasphase zu flüssiger Phase (Fluidphase) muss größer oder gleich 5:1 sein (V ≥ 5:1), insbesondere in dem Bereich von 5:1 bis 50:1 (5:1 ≤ V ≤ 50:1) liegen.
(iii) Zur Leitungssteigerung hat die Anlage folgende Ausstattung:
- Parallelverdichter 74 mit Wärmetauscher 86 zwischen Verflüssiger 72 und Drosselventil 88; Unterkühlung über einen Wasser/R744 Wärmetauscher 86 zwischen Verflüssiger (Gaskühler) 72 und Drosselventil 88. Die Unterkühlung wird abhängig von der Umgebungstemperatur zugeschaltet. Auf diese Weise wird der sonst bekannte starke Abfall der Verdampferleistung mit ansteigender Umgebungstemperatur vermieden; Wärmetauscher 50 zur Überhitzung Sauggas zwischen Sammelbehälter (Mitteldruckflasche) 12 und Expansionsventil 90, insbesondere als Koaxialwärmetauscher ausgestaltet; Verdampfer 68 als Plattenwärmetauscher - der Vorteil dabei ist ein geringes Füllvolumen; Verflüssiger/Gaskühler 72 als Lamellenrohrwärmetauscher - der Vorteil dabei ist ein geringes Füllvolumen; optional auch Plattenwärmetauscher im Falle der Energierückgewinnung; Wärmetauscher 52 zwischen Sammelbehälter („Mitteldruckflasche“) 12 und Parallelverdichter 74 zur Überhitzung des Mittedruckdampfes, insbesondere als Koaxialwärmetauscher ausgestaltet; und Zyklon als Abscheider für die Tröpfchen im Sammelbehälter 12, also Zyklon-Abscheider 36 im Sammelbehälter 12.

Problematisch bzw. sehr aufwendig ist die Ausführung der als Koaxialwärmetauscher ausgebildeten Wärmetauscher 50, 52, des Zyklon-Abscheiders 36 und des Filters 60 für die hohen Drücke von 120bar. Dieses Problem ist bei der gezeigten Phasenseparationseinheit 101 wie folgt gelöst:
Die Hülle des Sammelbehälters 12 ist für den hohen Druck von 120 bar auslegt. In den Sammelbehälter 12 werden folgende Komponenten integriert: der Wärmetauscher Sauggas 50, der Wärmetauscher Mitteldruck 52, das (Fluid-)Filter 60 sowie der Zyklon-Abscheider 36 für Kältemitteltröpfchen.
Dadurch dass sich alle diese Komponenten 36, 50, 52, 60 in dem Sammelbehälter 12 befinden, wirkt im Stilltand keine Druckdifferenz auf diese Komponenten. Zur Dimensionierung der Wandungen des Sammelbehälters 12 muss lediglich die maximal auftretende Druckdifferenz im Betrieb beachtet werden: Im Wärmetauscher Mitteldruck 52 ergibt sich ein maximaler Gasdruck Austritt Verflüssiger 72: 90 bar; Minimaler Druck im Sammelbehälter 12: 35 bar, was einer Sättigungstemperatur von 0° C entspricht. Es ergibt sich eine Druckdifferenz von lediglich 65 bar statt 120 bar - maximaler Systemdruck im Stillstand-beim Wärmetauscher Mitteldruck 52.
Im Wärmetauscher Sauggas 50 ergibt sich ein maximaler Druck Mitteldruck von 50 bar; ein minimaler Druck Sauggas von 20bar. Es ergibt sich eine Druckdifferenz von lediglich 30 bar anstelle von 120 bar -maximaler Systemdruck im Stillstand- beim Wärmetauscher Sauggas 50.
Beim Zyklon-Abscheider für Tröpfchen ergibt sich eine Druckdifferenz von 0bar. Beim Filter 60 für das Fluid vom Sammelbehälter 12 zum Verdampfer 68 ergibt sich ebenfalls eine Druckdifferenz von 0bar
Diese Konstruktion vereinfacht also deutlich den Aufbau der gesamten Einheit 10. Auf der anderen Seite bieten dünnere Wandstärken in den Koaxialwärmetauschern eine höhere spezifische Wärmedichte. Die Wärmetauscher 50, 52 müssen nicht mit einer zusätzlichen Isolierung ausgestattet werden, bei der Ausführung als Koaxialwärmetauscher reicht deren einfache Doppelrohrkonstruktion.
Der Zyklon-Abscheider 36 ist so ausgeführt, dass der Austritt der flüssigen Phase über die erste Abflussleitung 46 direkt in das Innere des mit flüssigem Kältemittel gefüllten Auffanggefäßes 28 führt. In dem Auffanggefäß 28 befindet sich die Puffermenge an flüssigem Kältemittel für den Prozess. Je nach Lastpunkt zwischen 2 und 6 Liter. In dem Beispiel hat der Sammelbehälter (die Mitteldruckflasche) einen Innendurchmesser von DN300 (ca. 275mm). Das Auffanggefäß 28 hat einen Innendurchmesser von 150mm. Die erste Abflussleitung 46 des Zyklon-Abscheiders 36 einen Durchmesser von 20mm. Das Abtauchen der Abflussleitung 46 des Zyklonaustritts in das Auffanggefäß 28 hat zwei Vorteile

(a) die Strömung wird beruhigt. Die abgeschiedene flüssige Phase wird nicht wieder mit Gas vermischt und
(b) Der Gegendruck der flüssigen Phase begünstigt, dass die Gasphase komplett oben aus dem Zyklon-Abscheider 36 austritt.

Um Tropfen die aus der Gasphase stammen in das Auffanggefäß 28 umzulenken ist oberhalb des Auffanggefäßes 28 noch der konische Schirm 58 vorgesehen. Schirm 58 und Auffanggefäß 28 können dabei auch verbunden sein.
Um die Erwärmung und Verdampfung von Kältemittel zu vermeiden, hat das Auffanggefäß 28 keinen Kontakt mit der Innenwand des Behälters 12 hat. Das Auffanggefäß 28 ist nun von einer Gasphase gleicher Temperatur (z.B. 3°C) umgeben. Die Gasschicht wirkt als zusätzliche Isolierschicht. Dadurch verhindert, dass aufgrund der Umgebungswärme das flüssige Kältemittel verdampft.
Die Erfindung ermöglicht es, mobile Kaltsoleerzeuger zu bauen, die ohne Hilfskühlung oder aufwendige Ausgleichsbehälter auskommen.
Der Sammelbehälter 12 (die Mitteldruckflasche) ist durch den Einbau des Zyklon-Abscheiders 36 bezüglich Tröpfchenabscheidung optimiert. Dadurch steigt der COP-Wert der Anlage, da mehr Fluid (Flüssigkeit) zum Verdampfer 68 gelangt. Der Sammelbehälter 12 enthält weitere Bauteile wie Wärmetauscher 50, 52 und Filter 60. Durch den Einbau dieser Bauteile 50, 52, 60 in den Sammelbehälter 12 ist es nicht notwendig, diese Bauteile 50, 52, 60 für die sonst notwendigen hohen Stillstandsdrücke von bis zu 120 bar auszulegen.
Bezugszeichenliste

10: Phasenseparatoreinheit
12: Sammelbehälter
14: Mittelteil
16: Endstück
18: Endstück
20: unteres Ende
22: oberes Ende
24: erster Bereich
26: zweiter Bereich
28: Auffanggefäß
30: Mittelabschnitt
32: Zulauf-Anschlusseinrichtung
34: Zulaufleitung
36: Zyklon-Abscheider
38: erste Ablauf-Anschlusseinrichtung
40: Ablaufleitung
42: zweite Ablauf-Anschlusseinrichtung
44: Ablaufleitung
46: erste Abflussleitung (Zyklon-Abscheider)
48: zweite Abflussleitung (Zyklon-Abscheider)
50: Wärmetauscher
52: Wärmetauscher
54: eine Medienleitung
56: andere Medienleitung
58: Schirmelement
60: Filter
62: Fluid-Eintritt
64: Eintritt Dampf
66: Druckausgleichsbohrung
68: Verdampfer
70: Verdichter
72: Verflüssiger (mit Gas beaufschlagbar)
74: Parallel-Verdichter
76: Bypass(ventil)
78: erste Kältemittelleitung
80: zweite Kältemittelleitung
82: dritte Kältemittelleitung
84: vierte Kältemittelleitung
86: weiterer Wärmetauscher
88: Drosselventil (Verflüssigerdruck)
90: Expansionsventil

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102012221864 A1 [0004]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

H. Fritschi et al.: „Efficiency increase in carbon dioxide refrigeration technology with parallel compression“; International Journal of Low-Carbon Technologies, Volume 12, Issue 2, 1 June 2017, Pages 171-180 (February 18, 2016) [0003]

Claims

Phasenseparatoreinheit (10) für eine Kälteanlage, die insbesondere CO₂ als Kältemittel nutzt, mit - einem Sammelbehälter (12) zur Aufnahme von Kältemittel in flüssiger wie auch gasförmiger Phase und zur räumlichen Trennung der beiden Phasen, bei der sich im Inneren des Sammelbehälters (12) das flüssige Kältemittel in einem ersten Bereich (24) und das gasförmige Kältemittel in einem zweiten Bereich (26) ansammelt, - einer Zulauf-Anschlusseinrichtung (32) mit einer Zulaufleitung (34) zum Zuführen eines Flüssigkeits-Gas-Gemisches des Kältemittels zum Sammelbehälter (12), - einer ersten Ablauf-Anschlusseinrichtung (38) mit einer Ablaufleitung (40) zum Abführen von im Wesentlichen flüssigen Kältemittel aus dem ersten Bereich (24) und - einer zweiten Ablauf-Anschlusseinrichtung (42) mit einer Ablaufleitung (44) zum Abführen von im wesentlichen gasförmigen Kältemittel aus dem zweiten Bereich (26), dadurch gekennzeichnet, dass im Inneren des Sammelbehälters (12) ein der Zulauf-Anschlusseinrichtung (32) nachgeschalteter Zyklon-Abscheider (36) zur Phasenseparation von flüssiger und gasförmiger Phase des Kältemittels in die beiden Bereiche (24, 26) angeordnet ist.
Phasenseparatoreinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Zyklon-Abscheider (36) eine Abflussleitung (46) für flüssiges Kältemittel aufweist, die bis in den ersten Bereich (24) hineinragt.
Phasenseparatoreinheit nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Ablauf-Anschlusseinrichtung (38) und/oder die zweite Ablauf-Anschlusseinrichtung (42) einen zwei Medienleitungen (54, 56) aufweisenden Wärmetauscher (50, 52), insbesondere Koaxialwärmetauscher, aufweist, dessen eine Medienleitung (54) in der Ablaufleitung (40, 44) der entsprechenden Ablauf-Anschlusseinrichtung (38, 42) verschaltet ist.
Phasenseparatoreinheit nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher oder zumindest einer der beiden Wärmetauscher (50, 52) ebenfalls im Inneren des Sammelbehälters (12) angeordnet ist.
Phasenseparatoreinheit nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher oder zumindest einer der beiden Wärmetauscher (50, 52) nur über seine Anschlüsse mit einer Behälterwand des Sammelbehälters (12) verbunden ist.
Phasenseparatoreinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Ablauf-Anschlusseinrichtung einen Filter (60) aufweist, der strömungstechnisch zwischen dem ersten Bereich (24) und dem Wärmetauscher (50) der erste Ablauf-Anschlusseinrichtung (38) zwischengeschaltet ist.
Phasenseparatoreinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Sammelbehälter (12) von einem im Wesentlichen rohrförmigen Mittelteil (14) und zwei an einander gegenüberliegende Enden des rohrförmigen Mittelteils angeflanschte Endstücke (16, 18) gebildet wird.
Kälteanlage, insbesondere CO₂-Kälteanlage, mit einem Verdampfer (68), einem Verdichter (70), einem Verflüssiger (72) und einer einen Sammelbehälter (12) aufweisenden Phasenseparatoreinheit (10), dadurch gekennzeichnet, dass die Phasenseparatoreinheit (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 7 ausgestaltet ist.
Kälteanlage nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdampfer (68) über eine erste Kältemittelleitung (78) an die erste Ablauf-Anschlusseinrichtung (38) angeschlossen ist, der Verdichter (70) über eine zweite Kältemittelleitung (80) an die zweite Ablauf-Anschlusseinrichtung (42) angeschlossen ist, der Verflüssiger (72) über eine dritte Kältemittelleitung (82) an die Zulauf-Anschlusseinrichtung (32) angeschlossen ist, und der Verdampfer (68) über eine vierte Kältemittelleitung (84) an den Verdichter (70) angeschlossen ist.
Kälteanlage nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die andere Medienleitung (54) des Wärmetauschers (50) der ersten Ablauf-Anschlusseinrichtung (38) in der vierten Kältemittelleitung (84) verschaltet ist und/oder dass die andere Medienleitung (54) des Wärmetauschers (52) der zweiten Ablauf-Anschlusseinrichtung (42) in der zweiten Kältemittelleitung (80) verschaltet ist.