DE102019113327A1

DE102019113327A1 - Wärmeübertrager und Kühlungsverfahren

Info

Publication number: DE102019113327A1
Application number: DE102019113327.0A
Authority: DE
Inventors: Andreas Wagner; Yixia Xu; Ullrich Hesse
Original assignee: Technische Universitaet Dresden
Current assignee: Technische Universitaet Dresden
Priority date: 2019-05-20
Filing date: 2019-05-20
Publication date: 2020-11-26
Also published as: EP3973242A1; US20220221227A1; CN114144628A; US11994346B2; JP2022533701A; WO2020234358A1

Abstract

Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann ein Wärmeübertrager (100) mindestens einen Kanal (102) zum Führen von Kältemittel aufweisen, wobei der mindestens eine Kanal (102) einen ersten Abschnitt (102-1) und einen zweiten Abschnitt (102-2) aufweist; wobei der erste Abschnitt (102-1) in Bezug auf eine Strömungsrichtung des Kältemittels in dem mindestens einen Kanal (102) stromaufwärts relativ zu dem zweiten Abschnitt (102-2) angeordnet ist; wobei der zweite Abschnitt (102-2) eine Querschnittsfläche aufweist, welche größer ist als eine Querschnittsfläche des ersten Abschnitts (102-1), so dass eine Sublimation des Kältemittels in dem zweiten Abschnitt (102-2) ermöglicht wird.

Description

Verschiedene Ausführungsbeispiele betreffen einen Wärmeübertrager und ein Kühlungsverfahren.
Zum Erreichen von einer Kühlungstemperatur unterhalb von -50°C wird beispielsweise ein fluoriertes Kältemittel (z.B. R14, R23, etc.) bei einer Kälteanlage verwendet, um einen solchen Kühlungseffekt mittels Verdampfung des Kältemittels zu erzeugen. Solche fluorierten Kältemittel stellen ein Problem für den Umweltschutz dar, beispielsweise aufgrund ihres erhöhten Treibhauspotentials (auf Englisch „Global Warming Potential“, GWP). Sublimation von Kohlenstoffdioxid (CO₂) ist eine umweltfreundliche Alternative für das Kühlen bei niedrigen Temperaturen (z.B. bei Temperaturen von unter -20°C, von unter -35°C, von unter -50°C, etc.), weil CO₂ ein natürliches Kältemittel ist, mit geringem GWP (z.B. das GWP von CO₂ ist vernachlässigbar im Vergleich zu fluorierten Kältemitteln bei Anwendungen in einem niedrigen Temperaturbereich), nicht brennbar und nicht giftig. Es ist jedoch herausfordernd, geeignete Betriebsbedingungen (z.B. Druck, Temperatur, etc.) innerhalb einer Kälteanlage aufrecht zu erhalten, um ein ähnliches Temperaturniveau mittels Sublimation von CO₂ zu erreichen wie mittels Verdampfung eines fluorierten Kältemittels, da der Wärmeübergang bei Sublimation geringer als bei Verdampfung ist. Ferner kann das feste zu sublimierende Kältemittel (z.B. feste Partikel von Kältemittel) zu einer Verblockung der Kälteanlage führen.
Verschiedene Ausführungsformen betreffen einen Wärmeübertrager. Die Anwendung des hierin beschriebenen Wärmeübertragers in einer Kälteanlage (z.B. in einem Kühlungssystem) ermöglicht, dass die Kälteanlage auch für ein Sublimation-basiertes Kühlungsverfahren, und somit zur Kühlung auf einem Temperaturniveau von unter -50°C, verwendet werden kann.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann ein Wärmeübertrager aufweisen mindestens einen Kanal zum Führen von Kältemittel, wobei der mindestens eine Kanal einen ersten Abschnitt und einen zweiten Abschnitt aufweist, wobei der erste Abschnitt in Bezug auf eine Strömungsrichtung des Kältemittels in dem mindestens einen Kanal stromaufwärts relativ zu dem zweiten Abschnitt angeordnet ist, wobei der zweite Abschnitt eine Querschnittsfläche aufweist, welche größer ist als eine Querschnittsfläche des ersten Abschnitts, so dass eine Sublimation des Kältemittels in dem zweiten Abschnitt ermöglicht wird.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann ein Kühlungsverfahren zum Kühlen eines Fluids mittels Sublimation eines Kältemittels das Folgende aufweisen: Bereitstellen eines Kältemittels zu einem Wärmeübertrager, wobei der Wärmeübertrager mindestens einen Kanal zum Führen von Kältemittel aufweist; Führen des Kältemittels in den mindestens einen Kanal, wobei der mindestens eine Kanal einen ersten Abschnitt und einen zweiten Abschnitt aufweist, wobei der erste Abschnitt in Bezug auf eine Strömungsrichtung des Kältemittels in dem mindestens einen Kanal stromaufwärts relativ zu dem zweiten Abschnitt angeordnet ist, wobei der zweite Abschnitt eine Querschnittsfläche aufweist, welche größer ist als eine Querschnittsfläche des ersten Abschnitts, so dass eine Sublimation des Kältemittels in dem zweiten Abschnitt ermöglicht wird; Bereitstellen einer Wärmeübertragung zwischen dem in den zweiten Abschnitt fließenden Kältemittel und dem zu kühlenden Fluid, so dass das in den zweiten Abschnitt fließende Kältemittel sublimieren und das zu kühlende Fluid gekühlt werden kann.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Figuren dargestellt und werden im Folgenden näher erläutert.
Es zeigen

1 einen Wärmeübertrager in einer schematischen Darstellung gemäß verschiedenen Ausführungsformen;
2A, 2B, 2C, 2D, 2E und 2F jeweils einen Teil eines Kanals eines Wärmeübertragers in einer schematischen Darstellung gemäß verschiedenen Ausführungsformen;
2G einen Behälter und einen Kanal eines Wärmeübertragers in einer schematischen Darstellung gemäß verschiedenen Ausführungsformen;
3 eine Kälteanlage aufweisend einen Wärmeübertrager in einer schematischen Darstellung gemäß verschiedenen Ausführungsformen;
4 eine Kälteanlage aufweisend einen Wärmeübertrager in einer schematischen Darstellung gemäß verschiedenen Ausführungsformen;
5 eine Kälteanlage aufweisend einen Wärmeübertrager in einer schematischen Darstellung gemäß verschiedenen Ausführungsformen;
6 eine Kälteanlage aufweisend einen Wärmeübertrager in einer schematischen Darstellung gemäß verschiedenen Ausführungsformen; und
7 eine Kälteanlage aufweisend einen Wärmeübertrager in einer schematischen Darstellung gemäß verschiedenen Ausführungsformen.

In der folgenden ausführlichen Beschreibung wird auf die beigefügten Zeichnungen Bezug genommen, die Teil dieser bilden und in denen zur Veranschaulichung spezifische Ausführungsformen gezeigt sind, in denen die Erfindung ausgeübt werden kann. In dieser Hinsicht wird Richtungsterminologie wie etwa „oben“, „unten“, „vorne“, „hinten“, „vorderes“, „hinteres“, usw. mit Bezug auf die Orientierung der beschriebenen Figur(en) verwendet. Da Komponenten von Ausführungsformen in einer Anzahl verschiedener Orientierungen positioniert werden können, dient die Richtungsterminologie zur Veranschaulichung und ist auf keinerlei Weise einschränkend. Es versteht sich, dass andere Ausführungsformen benutzt und strukturelle oder logische Änderungen vorgenommen werden können, ohne von dem Schutzumfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Es versteht sich, dass die Merkmale der hierin beschriebenen verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen miteinander kombiniert werden können, sofern nicht spezifisch anders angegeben. Die folgende ausführliche Beschreibung ist deshalb nicht in einschränkendem Sinne aufzufassen, und der Schutzumfang der vorliegenden Erfindung wird durch die angefügten Ansprüche definiert.
Im Rahmen dieser Beschreibung werden die Begriffe „verbunden“, „angeschlossen“ sowie „gekoppelt“ verwendet zum Beschreiben sowohl einer direkten als auch einer indirekten Verbindung, eines direkten oder indirekten Anschlusses sowie einer direkten oder indirekten Kopplung. In den Figuren werden identische oder ähnliche Elemente mit identischen Bezugszeichen versehen, soweit dies zweckmäßig ist.
Im Rahmen dieser Beschreibung wird im Sinne der Kürze der Begriff „mindestens ein(e)“ verwendet, welcher bedeuten kann: eins, genau eins, mehrere (z.B. genau zwei, oder mehr als zwei), viele (z.B. genau drei oder mehr als drei), etc. Dabei muss in der Bedeutung „mehrere“ nicht unbedingt bedeuten, dass es mehrere identische Elemente gibt, sondern im Wesentlichen funktional gleiche Elemente.
Im Rahmen dieser Beschreibung wird der Begriff „Kanal“ verwendet zum Beschreiben sowohl eines Kanals, welcher von einem einzelnen Rohr (z.B. von einem einzelnen Minikanal) gebildet ist, als auch eines Kanals, welcher von einer Mehrzahl von Rohren (z.B. von einer Mehrzahl von Minikanälen) gebildet ist. Beispielsweise kann ein Kanal von einem einzelnen Rohr gebildet sein, und eine Mehrzahl von Kanälen kann von einer Mehrzahl von einzelnen Rohren gebildet sein, welche beispielsweise parallel zueinander angeordnet sind. Beispielsweise kann ein Kanal durch eine Platte gebildet werden, wie beispielsweise eine flache Metallplatte (z.B. aus Aluminium), in welcher eine Mehrzahl von Rohren (z.B. eine Mehrzahl von Minikanälen) ausgebildet wird, beispielsweise durch Einbringen einer Vielzahl von Öffnungen entlang einer Länge der Platte. Beispielsweise kann eine Mehrzahl von Kanälen eine Mehrzahl von Platten aufweisen, welche parallel zueinander angeordnet sein können, und in welcher jeweils eine Mehrzahl von Rohren (z.B. eine Mehrzahl von Minikanälen) ausgebildet ist.
Im Rahmen dieser Beschreibung wird der Begriff „Minikanal“ verwendet zum Beschreiben eines Kanals, welcher einen Querschnitt aufweist, welcher von Hunderten von Mikrometern bis zu einigen Millimetern reicht. Beispielsweise kann der Querschnitt eines Minikanals eine Größe entlang einer Richtung senkrecht zu einer Strömungsrichtung eines Fluids in dem Kanal (z.B. eine Höhe, eine Breite, einen Durchmesser, eine Kantenlänge, etc.) aufweisen, welche in einem Bereich von ungefähr 100 µm bis ungefähr 20 mm ist, beispielsweise in einem Bereich von ungefähr 200 µm bis ungefähr 15 mm, beispielsweise in einem Bereich von ungefähr 500 µm bis ungefähr 10 mm, beispielsweise in einem Bereich von ungefähr 1 mm bis ungefähr 5 mm, beispielsweise in einem Bereich von ungefähr 100 µm bis ungefähr 1,5 mm. Diese Bereiche können sich beispielsweise auf einen Abschnitt des Kanals beziehen, in dem eine Wärmeübertragung zwischen einem in dem Kanal strömenden Fluid (z.B. einem in dem Kanal strömenden Kältemittel) und einem anderen (z.B. zu kühlenden) Fluid geschieht. Beispielsweise kann ein Minikanal von einer Mehrzahl von Rohren gebildet sein, welche jeweils einen Querschnitt in einem der oben dargestellten Bereiche aufweisen.
In dieser Beschreibung wird der Begriff „stromaufwärts“ verwendet zum Beschreiben der relativen Anordnung eines oder mehrerer Elemente in Bezug auf eine Strömungsrichtung eines Fluids (z.B. eines Kältemittels). Beispielsweise kann der Begriff „stromaufwärts relativ zu einem Element“ eine Stelle beschreiben, welche vor dem Element (z.B. vor einem Eintritt des Elements) angeordnet ist, so dass das Fluid zunächst durch diese Stelle und danach in das Element strömt. Beispielsweise kann ein erstes Element stromaufwärts relativ zu einem zweiten Element angeordnet sein, so dass das Fluid zunächst in das erste Element und danach in das zweite Element strömt. Es versteht sich, dass der Begriff „stromaufwärts“ nicht notwendigerweise bedeutet, dass das erste Element und das zweite Element direkt nebeneinander angeordnet sind, sondern es können auch andere Elemente zwischen dem ersten Element und dem zweiten Element entlang der Strömungsrichtung angeordnet sein.
In dieser Beschreibung wird der Begriff „stromabwärts“ verwendet zum Beschreiben der relativen Anordnung eines oder mehrerer Elemente in Bezug auf eine Strömungsrichtung eines Fluids (z.B. eines Kältemittels). Beispielsweise kann der Begriff „stromabwärts relativ zu einem Element“ eine Stelle beschreiben, welche nach dem Element (z.B. nach einem Austritt des Elements) angeordnet ist, so dass das Fluid zunächst in das Element und danach durch diese Stelle strömt. Beispielsweise kann ein erstes Element stromabwärts relativ zu einem zweiten Element angeordnet sein, so dass das Fluid zunächst in das zweite Element und danach in das erste Element strömt. Es versteht sich, dass der Begriff „stromabwärts“ nicht notwendigerweise bedeutet, dass das erste Element und das zweite Element direkt nebeneinander angeordnet sind, sondern es können auch andere Elemente zwischen dem ersten Element und dem zweiten Element entlang der Strömungsrichtung angeordnet sein.
Ein herkömmlicher Wärmeübertrager (z.B. ein herkömmlicher Verdampfer) kann eine Mehrzahl von parallel laufenden Kanälen (z.B. von parallel laufenden Minikanälen) zum Führen und Verdampfen von Kältemittel aufweisen. Ein herkömmlicher Wärmeübertrager kann auch mehrere Rippen aufweisen, welche zwischen den Kanälen angeordnet sind, und die für die Wärmeübertragung zur Verfügung stehende Fläche vergrößern. Eine solche Wärmeübertragungsbauart (z.B. mit Rippen) ermöglicht, einen kompakten Wärmeübertrager bereitzustellen, bei dem eine effiziente Wärmeübertragung zwischen einem zu kühlenden Fluid und dem in die Kanäle fließenden (z.B. zu verdampfenden) Kältemittel gewährleistet ist, aufgrund der vergrößerten Wärmeübertragungsfläche, welche durch die Mehrzahl von Kanälen bereitgestellt wird.
Die Wärmeaufnahme in einem Wärmeübertrager durch Sublimation bringt im Vergleich zu verdampfendem Kältemittel verschiedene Herausforderungen mit sich. Der Wärmeübergang ist verringert und die Ansammlung von festen Partikeln von Kältemittel kann zu Verstopfungen und Blockierungen des Wärmeübertragers führen.
Ein Kühlsystem (z.B. eine Kälteanlage) kann allgemein als offener Kreislauf oder als geschlossener Kreislauf bezeichnet werden. In einem offenen Kreislauf zirkuliert ein Kältemittel nach einer Wärmeübertragung mit einem zu kühlenden Fluid nicht im System zurück, sondern geht das Kältemittel in die Umgebung verloren. Mit anderen Worten, nach Verdampfung bzw. nach Sublimation steht das Kältemittel nicht mehr zur Verfügung. Demgegenüber verbleibt in einem geschlossenen Kreislauf das Kältemittel nach der Wärmeübertragung mit dem zu kühlenden Fluid in dem System, so dass das Kältemittel erneut verdichtet und zu dem Wärmeübertrager zur Wiederholung des Prozesses bereitgestellt werden kann. Die Kühlung mittels Sublimation eines Kältemittels (z.B. CO₂) wird üblicherweise in einem offenen Kreislauf durchgeführt, beispielsweise mittels Besprühung des zu sublimierenden Kältemittels auf eine zu kühlende Oberfläche, so dass große Menge an Kältemittel verwendet werden sollten. Die Sublimation in einem geschlossenen Kreislauf wird behindert, aufgrund der Verblockung (z.B. der Beschädigung) der Komponenten der Kälteanlage (z.B. des Verdichters), welche durch das feste zu sublimierende Kältemittel (z.B. durch feste Partikel von Kältemittel) verursacht wird. Eine Möglichkeit könnte der Transport der festen Kältemittelpartikel mittels eines Trägerfluids sein. In einer solchen Ausgestaltung wäre jedoch zusätzlicher Energieaufwand zum Umwälzen des Trägerfluids benötigt. Ferner sollte das Kältemittel nach der Sublimation von dem Trägerfluid getrennt werden, um im Rahmen des Kältekreislaufes erneut verdichtet werden zu können. Eine solche Trennung würde einen hohen anlagentechnischen Aufwand benötigen und Druckverluste verursachen, die sich negativ auf die Kälteleistung und die Effizienz des Prozesses auswirken können.
Ein Wärmeübertrager aufweisend mehrere Kanäle (z.B. mehrere Minikanäle) könnte für die Sublimation eine geeignete Wärmeübertragungsart darstellen. Beispielsweise kann die vergrößerte Wärmeübertragungsfläche durch die hohe Kanalanzahl den verminderten Wärmeübergang kompensieren. Bei Verblockung einzelner Kanäle würden weitere Kanäle für die Wärmeübertragung verbleiben, so dass eine Kälteanlage, in welcher der Wärmeübertrager eingesetzt ist, weiterarbeiten kann.
Bei der technischen Umsetzung ergibt sich allerdings ein Problem bei der Verteilung des Kältemittels auf die verschiedenen Kanäle. In einer herkömmlichen Kälteanlage, welche auf der Verdampfung eines Kältemittels basiert, besteht ein Verteiler an einem Verdampfer aus einer Art Behälter, in den die Kanäle (z.B. die Minikanäle) hineinragen. Das zu verdampfende Kältemittel im flüssigen und/oder gasförmigen Aggregatzustand verteilt sich auf die verschiedenen Kanäle. Ein zu sublimierendes Kältemittel (z.B. CO₂), welches fest und gasförmig in den Behälter gelangen würde, würde durch seine festen Partikel die Kanaleingänge verstopfen.
Es besteht daher ein Bedarf an einer Lösung, welche eine effiziente und kostengünstige Implementierung einer Sublimation-basierten Kühlung in einem geschlossenen Kreislauf ermöglicht.
1 veranschaulicht einen Wärmeübertrager 100 in einer schematischen Darstellung gemäß verschiedenen Ausführungsformen.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann der Wärmeübertrager 100 mindestens einen Kanal 102 (z.B. mindestens einen Minikanal) zum Führen von Kältemittel aufweisen. Der Wärmeübertrager 100 kann derart eingerichtet sein, dass das Kältemittel in den mindestens einen Kanal 102 fließt und sich in einer Wärmeübertragungsbeziehung mit einem zu kühlenden Fluid (z.B. Luft, Wasser, Salzwasser, etc.) befinden kann, so dass Wärme aus dem zu kühlenden Fluid in das in den mindestens einen Kanal 102 fließende Kältemittel aufgenommen werden kann. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann der mindestens eine Kanal 102 auch mehrere Rohre (z.B. mehrere Minikanäle, mehrere Minikanal-Rohre, etc.) zum Führen von Kältemittel aufweisen, welche beispielsweise parallel zueinander angeordnet sein können.
Es versteht sich, dass der Wärmeübertrager 100 auch eine Mehrzahl von Kanälen 102 zum Führen von Kältemittel aufweisen kann, welche beispielsweise parallel zueinander angeordnet sein können.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann der mindestens eine Kanal 102 einen ersten Abschnitt 102-1 und einen zweiten Abschnitt 102-2 aufweisen. Der erste Abschnitt 102-1 kann in Bezug auf eine Strömungsrichtung des Kältemittels in dem mindestens einen Kanal 102 stromaufwärts relativ zu dem zweiten Abschnitt 102-2 angeordnet sein. Mit anderen Worten kann der mindestens eine Kanal 102 derart eingerichtet sein, dass das Kältemittel anfangs in den ersten Abschnitt 102-1 und danach in den zweiten Abschnitt 102-2 fließt. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann der zweite Abschnitt 102-2 direkt neben dem ersten Abschnitt 102-1 angeordnet sein.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann der zweite Abschnitt 102-2 eine Querschnittsfläche aufweisen, welche größer ist als eine Querschnittsfläche des ersten Abschnitts 102-1, so dass eine Sublimation des Kältemittels in dem zweiten Abschnitt 102-2 ermöglicht wird. Beispielsweise kann der Wärmeübertrager 100 derart eingerichtet sein, dass das Kältemittel in einer Wärmeübertragungsbeziehung mit einem zu kühlenden Fluid ist, wenn das Kältemittel in den zweiten Abschnitt 102-2 fließt, so dass Wärme aus dem zu kühlenden Fluid in das in den zweiten Abschnitt 102-2 fließende Kältemittel aufgenommen werden kann. Anschaulich kann der Wärmeübertrager 100 derart eingerichtet sein, dass das Kältemittel in dem zweiten Abschnitt 102-2 sublimieren kann, aufgrund der Wärmeübertragung mit dem zu kühlenden Fluid.
Damit eine Sublimation stattfinden kann, sollte sich das Kältemittel in einem zumindest teilweise festen Aggregatzustand befinden (z.B. in einem festen/gasförmigen Aggregatzustand). Ferner sollte sich das Kältemittel auf einem derartigen Temperaturniveau und/oder Druckniveau befinden, dass ein direkter Phasenwechsel von einem festen Aggregatzustand nach einem gasförmigen Aggregatzustand ermöglicht wird. Mit anderen Worten, das Kältemittel sollte sich auf einem solchen Temperaturniveau und/oder Druckniveau befinden, welche einen Ort in dem Phasendiagramm des Kältemittels definieren, in dem die Sublimation des Kältemittels möglich ist.
Wenn ein Fluid (z.B. ein Kältemittel) in eine Verengung bzw. eine Drossel fließt (z.B. in eine Drosselöffnung, wie beispielsweise in einen Abschnitt eines Rohrs mit verringerter Querschnittsfläche), steigt die Geschwindigkeit des Fluids und als Folge davon wird der Druck des Fluids reduziert. Vor der Drossel kann sich das Fluid auf einem Hochdruckniveau (z.B. auf einem Druckniveau in einem Bereich von ungefähr 10 bar bis ungefähr 160 bar, beispielsweise von ungefähr 70 bar bis ungefähr 140 bar, beispielsweise von ungefähr 40 bar bis ungefähr 70 bar) befinden. In der Drossel erreicht das Fluid eine kritische (Schall-)Geschwindigkeit (eine so genannte Stopfgrenze, auf Englisch „choked flow“), so dass der Druck in der Drossel auf einem niedrigeren Druckniveau (z.B. auf einem Druckniveau in einem Bereich von ungefähr 10 bar bis ungefähr 70 bar, beispielsweise von ungefähr 10 bar bis ungefähr 40 bar, beispielsweise von ungefähr 40 bar bis ungefähr 70 bar) fällt. Stromabwärts relativ zu der Drossel folgt eine weitere Expansion des Fluids und der Druck des Fluids fällt weiter ab (z.B. auf einem Druckniveau in einem Bereich von ungefähr 0 bar bis ungefähr 5 bar).
Es versteht sich, dass die hierin beschriebenen Druckbereiche beispielhaft gewählt sind, und sie können beispielsweise für CO₂ als zu sublimierendes Kältemittel gelten. Es versteht sich, dass die Druckbereiche abhängig von dem verwendeten zu sublimierenden Kältemittel sein können, und können basierend auf dem verwendeten Kältemittel entsprechend angepasst werden.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die Querschnittfläche des ersten Abschnitts 102-1 kleiner als die Querschnittsfläche des zweiten Abschnitts 102-2 sein, so dass der erste Abschnitt 102-1 eine Drosselstelle am Eintritt des mindestens einen Kanals 102 bereitstellt. Anders ausgedrückt, der erste Abschnitt 102-1 ist eine Drosselstelle am Eintritt des mindestens einen Kanals 102.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die Querschnittsfläche des ersten Abschnitts 102-1 derart dimensioniert sein, dass ein Kältemittel sich vor dem ersten Abschnitt 102-1 auf einem Hochdruckniveau (z.B. auf einem Druckniveau in einem Bereich von ungefähr 10 bar bis ungefähr 160 bar, beispielsweise von ungefähr 70 bar bis ungefähr 140 bar, beispielsweise von ungefähr 40 bar bis ungefähr 70 bar) befindet; in dem ersten Abschnitt 102-1 erreicht das Kältemittel eine kritische (Schall-)Geschwindigkeit, so dass der Druck des Kältemittels in dem ersten Abschnitt 102-1 auf einem niedrigeren Druckniveau (z.B. auf einem Druckniveau in einem Bereich von ungefähr 10 bar bis ungefähr 70 bar, beispielsweise von ungefähr 10 bar bis ungefähr 40 bar, beispielsweise von ungefähr 40 bar bis ungefähr 70 bar) fällt; und nach dem ersten Abschnitt 102-1 (anders ausgedrückt stromabwärts relativ zu dem ersten Abschnitt 102-1, beim Eintritt in dem zweiten Abschnitt 102-2) folgt eine weitere Expansion des Kältemittels und der Druck des Kältemittels fällt weiter ab, beispielsweise auf einem Sublimationsdruckniveau (z.B. auf einem Druckniveau in einem Bereich von ungefähr 0 bar bis ungefähr 5 bar). Mit anderen Worten, die Querschnittfläche des ersten Abschnitts 102-1 kann derart dimensioniert sein, dass ein Abfall des Drucks eines in den ersten Abschnitt 102-1 fließenden Kältemittels erfolgt.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die Querschnittsfläche des ersten Abschnitts 102-1 derart dimensioniert sein, dass der Druck des Kältemittels in dem ersten Abschnitt 102-1, anschaulich bis zum Austritt des ersten Abschnitts 102-1, oberhalb des Sublimationsdrucks des Kältemittels steht, so dass das Kältemittel in dem ersten Abschnitt 102-1 nicht sublimieren kann. Mit anderen Worten, die Querschnittfläche des ersten Abschnitts 102-1 kann derart dimensioniert sein, dass der Abfall des Drucks des in den ersten Abschnitt 102-1 fließenden Kältemittels nicht ausreicht, um eine Sublimation des Kältemittels in dem ersten Abschnitt 102-1 zu ermöglichen. Die Querschnittsfläche des ersten Abschnitts 102-1 kann somit derart dimensioniert sein, dass eine Sublimation des Kältemittels in dem ersten Abschnitt 102-1 verhindert wird.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die Querschnittsfläche des ersten Abschnitts 102-1 derart dimensioniert sein, dass sich das Kältemittel in dem ersten Abschnitt 102-1 auf einem Druckniveau befindet, welches größer ist als das Druckniveau des Tripelpunktes des Kältemittels.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die Querschnittsfläche des ersten Abschnitts 102-1 derart dimensioniert sein, dass sich das Kältemittel in dem ersten Abschnitt 102-1 in einem nicht-festen (z.B. flüssigen, gasförmigen, flüssig/gasförmigen, überkritischen, etc.) Aggregatzustand befindet bzw. befinden kann. Mit anderen Worten, die Querschnittsfläche des ersten Abschnitts 102-1 kann derart dimensioniert sein, dass sich das Kältemittel auf einem derartigen Druckniveau befindet, dass sich das Kältemittel in dem ersten Abschnitt 102-1 in einem nicht-festen (z.B. flüssigen, gasförmigen, flüssig/gasförmigen, überkritischen, etc.) Aggregatzustand befindet.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die Querschnittsfläche des ersten Abschnitts 102-1 derart dimensioniert sein, dass der vom Eintrittsdruck und/oder von der Eintrittstemperatur (z.B. der Druck und/oder die Temperatur beim Eintritt des ersten Abschnitts 102-1) abhängige kritische Massestrom durch die Drosselstelle (anders ausgedrückt durch den ersten Abschnitt 102-1) erreicht wird und der kritische Austrittsdruck (z.B. der Druck beim Austritt des ersten Abschnitts 102-1) oberhalb des Tripelpunktes des Kältemittels liegt. Somit kann eine Verstopfung der Drosselstelle (z.B. eine Verstopfung des ersten Abschnitts 102-1, und somit des mindestens einen Kanals 102) verhindert werden, weil sich das Kältemittels in der Drosselstelle (anders ausgedrückt in dem ersten Abschnitt 102-1) in einem nicht-festen Aggregatzustand befindet. Erst nach dem Austritt aus der Drosselstelle (anders ausgedrückt beim Eintritt in dem zweiten Abschnitt 102-2) expandiert das Kältemittel auf Sublimationsdruckniveau.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen können die Querschnittfläche des ersten Abschnitts 102-1 und die Querschnittfläche des zweiten Abschnitts 102-2 derart dimensioniert sein, dass der Druck eines in den mindestens einen Kanal 102 fließenden Kältemittels stromabwärts relativ zu dem ersten Abschnitt 102-1 (anders ausgedrückt beim Eintritt in dem zweiten Abschnitt 102-2) niedriger (z.B. 5 bar niedriger, 10 bar niedriger, 20 bar niedriger, 30 bar niedriger, 50 bar niedriger, etc.) als der Druck in dem ersten Abschnitt 102-1 ist. Beispielsweise kann die Querschnittsfläche des ersten Abschnitts 102-1 derart dimensioniert sein, dass sich das Kältemittel auf einem Druckniveau in einem Bereich von ungefähr 10 bar bis ungefähr 70 bar (z.B. von ungefähr 10 bar bis ungefähr 40 bar, von ungefähr 40 bar bis ungefähr 70 bar, etc.) in dem ersten Abschnitt 102-1 befindet. Beispielsweise kann die Querschnittsfläche des zweiten Abschnitts 102-2 derart dimensioniert sein, dass sich das Kältemittel auf einem Druckniveau in einem Bereich von ungefähr 0 bar bis ungefähr 5 bar (z.B. auf einem Atmosphärendruckniveau) in dem zweiten Abschnitt 102-2 befindet.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen können die Querschnittfläche des ersten Abschnitts 102-1 und die Querschnittfläche des zweiten Abschnitts 102-2 derart dimensioniert sein, dass sich ein in den mindestens einen Kanal 102 fließendes Kältemittel auf einem derartigen Druckniveau stromabwärts relativ zu dem ersten Abschnitt 102-1 (z.B. in dem zweiten Abschnitt 102-2) befindet, dass die Sublimation des Kältemittels ermöglicht wird. Beispielsweise können die Querschnittsfläche des ersten Abschnitts 102-1 und die Querschnittfläche des zweiten Abschnitts 102-2 derart dimensioniert sein, dass sich das Kältemittel auf einem zur Sublimation geeigneten Druckniveau (z.B. auf einem Sublimationsdruckniveau, wie beispielsweise Atmosphärendruck, wenn das Kältemittel CO₂ aufweist) befindet, wenn dieses in den zweiten Abschnitt 102-2 fließt.
Die Drosselung des Kältemittels beim Eintritt in dem mindestens einen Kanal 102 gewährleistet, dass erst in dem mindestens einen Kanal 102 (z.B. in dem zweiten Abschnitt 102-2) das Sublimationsgebiet des Kältemittels erreicht werden kann. Anders ausgedrückt, die Drosselung des Kältemittels beim Eintritt in dem mindestens einen Kanal 102 ermöglicht, dass Kältemittel in einem nicht-sublimierbaren (z.B. nicht-festen) Aggregatzustand dem mindestens einen Kanal 102 bereitgestellt werden kann, und dass das Kältemittel erst in dem mindestens einen Kanal 102 in einen sublimierbaren (z.B. zumindest teilweise festen) Aggregatzustand übergeht.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die Drosselstelle derart dimensioniert sein, dass das Kältemittel vom flüssigen oder flüssigen/gasförmigen Aggregatzustand stromaufwärts relativ zu dem ersten Abschnitt 102-1 in einen zumindest teilweise festen (z.B. festen/gasförmigen) Aggregatzustand stromabwärts relativ zu dem ersten Abschnitt 102-1 (anders ausgedrückt in dem zweiten Abschnitt 102-2) expandiert wird. Beispielsweise können die Querschnittsfläche des ersten Abschnitts 102-1 und die Querschnittsfläche des zweiten Abschnitts 102-2 derart dimensioniert sein, dass ein Abfall des Drucks erfolgt, wenn das Kältemittel von dem ersten Abschnitt 102-1 in den zweiten Abschnitt 102-2 fließt, so dass das Kältemittel von einem nicht-festen (z.B. flüssigen, gasförmigen, flüssigen/gasförmigen, überkritischen, etc.) Aggregatzustand in einen zumindest teilweise festen (z.B. festen/gasförmigen) Aggregatzustand übergeht. Mit anderen Worten, die Querschnittsfläche des ersten Abschnitts 102-1 und die Querschnittsfläche des zweiten Abschnitts 102-2 können derart dimensioniert sein, dass ein derartiger Abfall des Drucks erfolgt, dass das Kältemittel ein Sublimationsgebiet des Phasendiagramms des Kältemittels in dem zweiten Abschnitt 102-2 erreicht.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann der erste Abschnitt 102-1 eine Querschnittfläche in einem Bereich von ungefähr 0.0001 mm² bis ungefähr 0.8 mm² aufweisen, beispielsweise in einem Bereich von ungefähr 0.001 mm² bis ungefähr 0.5 mm², beispielsweise in einem Bereich von ungefähr 0.005 mm² bis ungefähr 0.25 mm². Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann der zweite Abschnitt 102-2 eine Querschnittfläche in einem Bereich von ungefähr 0.01 mm² bis ungefähr 400 mm² aufweisen, beispielsweise in einem Bereich von ungefähr 0.1 mm² bis ungefähr 100 mm², beispielsweise in einem Bereich von ungefähr 0.5 mm² bis ungefähr 50 mm², beispielsweise in einem Bereich von ungefähr 1 mm² bis ungefähr 20 mm².
Der Wärmeübertrager 100 kann somit als Sublimator dienen, auch wenn diesem ein nicht-festes (z.B. flüssiges, gasförmiges, flüssiges/gasförmiges, überkritisches, etc.) Kältemittel bereitgestellt wird. Beispielsweise könnte ein herkömmlicher Wärmeübertrager mittels der hierein beschriebenen Ausgestaltung des Kanals bzw. der Kanäle derart angepasst werden, dass dieser auch für die Sublimation von Kältemittel (z.B. CO₂) verwendet werden könnte. Die hierin beschriebene Anordnung stellt somit eine vergleichsweise kostengünstige Option für einen Sublimator dar, welcher in einem geschlossenen Kühlkreislauf verwendet werden könnte.
Der Wärmeübertrager 100 kann somit derart eingerichtet sein, dass dieser ein Kältemittel in einem nicht-festen Aggregatzustand empfangen kann, und das Kältemittel innerhalb des Wärmeübertragers 100 in einen zumindest teilweise festen Aggregatzustand übergeht, so dass Sublimation des Kältemittels ermöglicht wird.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann das Kältemittel ein natürliches Kältemittel aufweisen, wie beispielsweise Kohlenstoffdioxid (CO₂). Das Kältemittel kann aber auch ein kohlenwasserstoffbasierendes Kältemittel aufweisen, wie z.B. HFKW, HFCKW, HFO, R170, R290, R600, etc. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann das Kältemittel eine Mischung aus einer Mehrzahl von voneinander unterschiedlichen Kältemitteln aufweisen. Es versteht sich, dass das Kältemittel ausgewählt werden kann, basierend auf dem gewünschten Betrieb des Wärmeübertragers 100 (z.B. auf dem zu erreichenden Temperaturbereich).
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann der Wärmeübertrager 100 mindestens ein Wärmeübertragungselement 104 aufweisen, welches in Kontakt (z.B. in direkt körperlichem Kontakt) mit dem mindestens einen Kanal 102 angeordnet ist. Das mindestens eine Wärmeübertragungselement 104 kann beispielsweise als äußerer Vorsprung bzw. mehrere äußere Vorsprüngen von den Oberflächen des mindestens einen Kanals 102 ausgestaltet sein (wie beispielsweise eine Rippe, eine Mehrzahl von Rippen, eine Lamelle, eine Mehrzahl von Lamellen, etc.). Es versteht sich, dass der Wärmeübertrager 100 auch eine Mehrzahl von Wärmeübertragungselementen 104 aufweisen kann, welche in Kontakt mit dem mindestens einen Kanal 102 bzw. zwischen zwei benachbarten Kanäle 102 angeordnet sein können.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann das mindestens eine Wärmeübertragungselement 104 eingerichtet sein, die für die Wärmeübertragung zwischen dem zu kühlenden Fluid und dem in den mindestens einen Kanal 102 (z.B. in den zweiten Abschnitt 102-2 des mindestens einen Kanals 102) fließenden Kältemittel zur Verfügung stehende Fläche zu vergrößern, so dass die Wärmeübertragungsrate und die Gesamteffizienz des Wärmeübertragers 100 verbessert werden können. Beispielsweise kann der Wärmeübertrager 100 derart eingerichtet sein, dass das zu kühlende Fluid durch das mindestens eine Wärmeübertragungselement 104 fließen kann (z.B. in einer Richtung in einem Winkel zu oder senkrecht zu der Strömungsrichtung des Kältemittels in dem mindestens einen Kanal 102) und Wärme in effizienterer Weise dem Kältemittel ausgeben kann.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann der Wärmeübertrager 100 einen ersten Behälter 106 (z.B. einen Verteilerbehälter) aufweisen. Der erste Behälter 106 kann eingerichtet sein, das Kältemittel dem mindestens einen Kanal 102 zuzuführen. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann der erste Behälter 106 eingerichtet sein, das Kältemittel auf die mehreren Rohre (z.B. auf die mehreren Minikanäle) des mindestens einen Kanals 102 bzw. auf die Kanäle 102 der Mehrzahl von Kanälen 102 (z.B. gleichmäßig) zu verteilen.
Die hierin beschriebene Anordnung ermöglicht eine einfache Zuführung bzw. Verteilung des (z.B. zu sublimierenden) Kältemittels mittels des ersten Behälters 106, weil sich das Kältemittel in einem nicht-festen (z.B. flüssigen, gasförmigen, flüssig/gasförmigen, überkritischen, etc.) Aggregatzustand befindet bzw. befinden kann, wenn dieses in den ersten Behälter 106 fließt. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann der erste Behälter 106 derart eingerichtet sein, dass sich ein in den ersten Behälter 106 fließendes Kältemittel in einem nicht-festen (z.B. flüssigen, gasförmigen, flüssig/gasförmigen, überkritischen, etc.) Aggregatzustand befindet. Somit kann auch ein zu sublimierendes Kältemittel in einfacher Weise zugeführt bzw. verteilt werden, und nur beim Eintritt in dem mindestens einen Kanal 102 (z.B. beim Eintritt in dem zweiten Abschnitt 102-2) in einen zumindest teilweise festen Aggregatzustand übergehen.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann der erste Behälter 106 derart eingerichtet sein, dass sich das Kältemittel auf einem Mitteldruckniveau oder Hochdruckniveau (z.B. auf einem Druckniveau in einem Bereich von ungefähr 10 bar bis ungefähr 160 bar, beispielsweise von ungefähr 70 bar bis ungefähr 140 bar, beispielsweise von ungefähr 40 bar bis ungefähr 70 bar, beispielsweise von ungefähr 10 bar bis ungefähr 40 bar, etc.) in dem ersten Behälter 106 befindet. Der erste Behälter 106 kann somit derart eingerichtet sein, dass das Kältemittel vollständig flüssig oder flüssig/gasförmig oder überkritisch in dem ersten Behälter 106 vorliegt. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann der erste Behälter 106 derart eingerichtet sein, dass sich das Kältemittel auf einem Druckniveau in dem ersten Behälter 106 befindet, welches (z.B. stets) oberhalb des Druckniveaus des Triplepunkts des Kältemittels ist. Die Drosselung auf einem Niederdruckniveau (z.B. auf einem Druckniveau in einem Bereich von ungefähr 0 bar bis ungefähr 5 bar) geschieht in dem zweiten Abschnitt 102-2 des mindestens einen Kanals 102.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann der erste Behälter 106 als Abscheider (z.B. als Mitteldruckabscheider) eingerichtet sein, zum Abscheiden einer Flüssigphase des Kältemittels von einer Gasphase des Kältemittels. In dieser Ausgestaltung kann der erste Behälter 106 eingerichtet sein, das flüssige Kältemittel dem mindestens einen Kanal 102 zuführen bzw. das flüssige Kältemittel auf die Kanäle der Mehrzahl von Kanälen 102 zu verteilen, und das gasförmige Kältemittel durch einen zusätzlichen Ausgang (z.B. einen Gasausgang) auszugeben. Dies hat zur Folge, dass die Bedingungen (z.B. den Druck) des Kältemittels in dem mindestens einen Kanal 102 genauer festgelegt werden können. Ferner kann ein flüssiges Kältemittel in einfacherer Weise zugeführt bzw. verteilt werden.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann der erste Behälter 106 derart eingerichtet sein, dass dieser gegenüber einem zu kühlenden Fluid thermisch isoliert ist. Beispielsweise kann der erste Behälter 106 eine (z.B. thermische) Beschichtung aufweisen bzw. mittels einer Beschichtung beschichtet sein oder werden, welche eingerichtet ist, den ersten Behälter 106 thermisch von einem zu kühlenden Fluid zu isolieren, welches über bzw. durch den Wärmeübertrager 100 fließt. Dies hat zur Folge, dass eine Unterkühlung des Kältemittels in dem ersten Behälter 106 verhindert werden kann, so dass das Kältemittel in dem ersten Behälter 106 nicht in einen sublimierbaren (z.B. in einen zumindest teilweise festen) Aggregatzustand übergeht.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann der Wärmeübertrager 100 einen zweiten Behälter 108 (z.B. einen Sammelbehälter) aufweisen. Der zweite Behälter 108 kann eingerichtet sein, das von dem mindestens einen Kanal 102 ausgegebene Kältemittel zu empfangen. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann der zweite Behälter 108 eingerichtet sein, feste Kältemittelbestandteile (z.B. feste Partikel von Kältemittel) anzusammeln. Wenn das Kältemittel in den zumindest teilweise festen Aggregatzustand übergeht, es kann zur Bildung fester Kältemittelbestandteilen von Kältemittel kommen. Diese festen Kältemittelbestandteile können in dem zweiten Abschnitt 102-2 durch die Wärmeübertragung mit dem zu kühlenden Fluid sublimieren. In dem Fall, dass einige dieser festen Kältemittelbestandteile nicht sublimieren, können diese einigen Kältemittelbestandteile problematisch für eine Kälteanlage sein. Beispielsweise können diese festen Kältemittelbestandteile zur Schädigung eines Verdichters führen. Der zweite Behälter 108 kann somit derart eingerichtet sein, dass sich von dem mindestens einen Kanal 102 ausgegebene feste Kältemittelbestandteile in dem zweiten Behälter 108 ansammeln. Eine unerwünschte Zirkulation dieser Kältemittelbestandteile in einer Kälteanlage kann somit verhindert werden.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann der zweite Behälter 108 als Feststoffabscheider (z.B. als Zyklonabscheider) eingerichtet sein. Beispielsweise kann der zweite Behälter 108 derart eingerichtet sein, dass dieser gasförmiges Kältemittel aus einem ersten Ausgang ausgibt und festes Kältemittel (z.B. feste Kältemittelbestandteile, wie beispielsweise feste Partikel von Kältemittel) ansammelt. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann der zweite Behälter 108 einen zweiten Ausgang aufweisen zum Ausgeben des angesammelten festen Kältemittels. Wenn der Wärmeübertrager 100 in eine Kälteanlage eingesetzt wird, kann der zweite Behälter 108 auf diese Weise ermöglichen, dass nur gasförmiges Kältemittel zur Zirkulation in die Kälteanlage bereitgestellt wird.
2A, 2B, 2C, 2D, 2E und 2F veranschaulichen jeweils einen Teil eines Kanals 102 eines Wärmeübertragers 100 in einer schematischen Darstellung gemäß verschiedenen Ausführungsformen.
Der erste Abschnitt 102-1 und der zweite Abschnitt 102-2 des mindestens einen Kanals 102 können beliebig derart dimensioniert und/oder geformt sein oder werden, dass der Effekt erreicht werden kann, dass die Sublimation des Kältemittels nur in dem zweiten Abschnitt 102-2 ermöglicht wird. Beispielsweise können der erste Abschnitt 102-1 und/oder der zweite Abschnitt 102-2 einen beliebig geformten Querschnitt aufweisen, wie beispielsweise einen kreisförmigen Querschnitt, einen elliptischen Querschnitt, einen quadratischen Querschnitt, einen rechteckigen Querschnitt, einen mehreckigen Querschnitt etc.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann der Querschnitt des ersten Abschnitts 102-1 dieselbe Form wie der Querschnitt des zweiten Abschnitts 102-2 aufweisen. Der Querschnitt des ersten Abschnitts 102-1 und der Querschnitt des zweiten Abschnitts 102-2 können aber auch eine voneinander unterschiedliche Form aufweisen.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann der erste Abschnitt 102-1 einen Querschnitt aufweisen, welcher sich entlang eine Strömungsrichtung des Kältemittels in dem ersten Abschnitt 102-1 (z.B. entlang einer Richtung 101, beispielsweise eine Länge des ersten Abschnitts 102-1) nicht verändert. Der erste Abschnitt 102-1 kann aber auch einen Querschnitt aufweisen, welcher sich entlang eine Strömungsrichtung des Kältemittels in dem ersten Abschnitt 102-1 (z.B. entlang einer Richtung 101, wie beispielsweise eine Länge des ersten Abschnitts 102-1) verändert. Beispielsweise können sich eine Form und/oder eine Größe des Querschnitts des ersten Abschnitts 102-1 verändern.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann der zweite Abschnitt 102-2 einen Querschnitt aufweisen, welcher sich entlang eine Strömungsrichtung des Kältemittels in dem zweiten Abschnitt 102-2 (z.B. entlang einer Richtung 101, beispielsweise eine Länge des zweiten Abschnitts 102-2) nicht verändert. Der zweite Abschnitt 102-2 kann aber auch einen Querschnitt aufweisen, welcher sich entlang einer Strömungsrichtung des Kältemittels in dem zweiten Abschnitt 102-2 (z.B. entlang einer Richtung 101, beispielsweise eine Länge des zweiten Abschnitts 102-2) verändert. Beispielsweise können sich eine Form und/oder eine Größe des Querschnitts des zweiten Abschnitts 102-2 verändern.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen können der erste Abschnitt 102-1 und der zweite Abschnitt 102-2 derart eingerichtet sein, dass eine plötzliche (anders ausgedrückt sprungartige) Änderung der Querschnittsfläche an der Grenzfläche zwischen dem ersten Abschnitt 102-1 und dem zweiten Abschnitt 102-2 bereitgestellt wird, wie beispielsweise in 2A dargestellt ist.
Der zweite Abschnitt 102-2 kann aber auch eine Querschnittfläche aufweisen, welche ausgehend von der Grenzfläche mit dem ersten Abschnitt 102-1 allmählich zunimmt, bis einer gewünschten Querschnittsfläche erreicht wird, wie beispielsweise in 2B dargestellt ist. Beispielsweise kann der zweite Abschnitt 102-2 eine sich verjüngende Form aufweisen. In dieser Ausgestaltung gibt es somit eine allmähliche Änderung der Querschnittsfläche.
Die Form und die Querschnittfläche des ersten Abschnitts 102-1 und des zweiten Abschnitts 102-2 können somit beliebig ausgewählt werden, beispielsweise in Abhängigkeit von dem Kältemittel und/oder von anderen Betriebsparametern einer Kälteanlage, in welche der Wärmeübertrager 100 eingesetzt werden sollte.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann der Querschnitt des ersten Abschnitts 102-1 eine Größe entlang einer Richtung senkrecht zu der Strömungsrichtung des Kältemittels in dem mindestens einen Kanal 102 (z.B. senkrecht zu einer Richtung 101, wie beispielsweise eine Höhe, eine Breite, einen Durchmesser, eine Kantenlänge, etc.) aufweisen, welche in einem Bereich von ungefähr 0.01 mm bis ungefähr 0.5 mm ist, beispielsweise in einem Bereich von ungefähr 0.01 mm bis ungefähr 0.2 mm, beispielsweise in einem Bereich von ungefähr 0.02 mm bis ungefähr 0.1 mm, beispielsweise in einem Bereich von ungefähr 0.02 mm bis ungefähr 0.05 mm. Beispielsweise kann der Querschnitt des ersten Abschnitts 102-1 eine Größe entlang einer Richtung senkrecht zu der Strömungsrichtung des Kältemittels in dem mindestens einen Kanal 102 aufweisen, welche kleiner als 0.1 mm ist. Der Querschnitt des ersten Abschnitts 102-1 kann beispielsweise derart dimensioniert sein, dass sich ein in den ersten Abschnitt 102-1 fließendes Kältemittel eine kritische Geschwindigkeit (z.B. eine Schall-Geschwindigkeit) erreicht.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann der erste Abschnitt 102-1 eine Größe entlang einer Richtung parallel zu der Strömungsrichtung des Kältemittels in dem mindestens einen Kanal 102 (z.B. entlang einer Richtung 101, beispielsweise eine Länge des ersten Abschnitts 102-1) aufweisen, welche derart dimensioniert ist, dass das Kältemittel in dem ersten Abschnitt 102-1 in einem nicht-festen Aggregatzustand verbleibt. Mit anderen Worten, die Länge des ersten Abschnitts 102-1 kann derart dimensioniert sein, dass der Abfall des Drucks des in den ersten Abschnitt 102-1 fließenden Kältemittels nicht ausreicht, um eine Sublimation des Kältemittels in dem ersten Abschnitt 102-1 zu ermöglichen (z.B. um ein Druckniveau unterhalb des Tripelpunktes des Kältemittels zu erreichen).
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann der Querschnitt des zweiten Abschnitts 102-2 eine Größe entlang einer Richtung senkrecht zu der Strömungsrichtung des Kältemittels in dem mindestens einen Kanal 102 (z.B. senkrecht zu einer Richtung 101, wie beispielsweise eine Höhe, eine Breite, einen Durchmesser, eine Kantenlänge, etc.) aufweisen, welche in einem Bereich von ungefähr 0.1 mm bis ungefähr 20 mm ist, beispielsweise von ungefähr 0.5 mm bis ungefähr 10 mm, beispielsweise von ungefähr 1 mm bis ungefähr 5 mm.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann der zweite Abschnitt 102-2 eine Größe entlang einer Richtung parallel zu der Strömungsrichtung des Kältemittels in dem mindestens einen Kanal 102 (z.B. entlang einer Richtung 101, beispielsweise eine Länge des zweiten Abschnitts 102-2) aufweisen, welche derart dimensioniert ist, dass eine vollständige Sublimation des Kältemittels in dem zweiten Abschnitt 102-2 ermöglicht werden kann..
Um die gewünschten Abmessungen der Querschnittsfläche und des Querschnitts des ersten Abschnitts 102-1 zu erhalten, kann ein Draht mit der gewünschten Größe (z.B. mit dem gewünschten Durchmesser) in einen herkömmlichen Kanal (z.B. in einen herkömmlichen Minikanal) eingeführt werden; der anfängliche Abschnitt des Kanals kann dann gestaucht werden; und der Draht kann endlich entfernt werden, so dass als Ergebnis ein Kanal 102 aufweisend einen ersten Abschnitt 102-1 mit einer reduzierten Querschnittsfläche bereitgestellt wird. Der eingeführte Draht kann beschichtet sein, so dass nach dem Stauchen die Beschichtung mittels Erwärmens ausgebrannt werden kann. Dies hat zur Folge, dass ein Freiraum zwischen dem Kanal 102 (z.B. zwischen einer inneren Oberfläche des Kanals 102) und dem Draht entsteht, so dass der Draht in einfacherer Weise entfernt werden kann. Es versteht sich, dass mehrere Drähte (z.B. gleichzeitig) verwendet werden können, um mehrere Kanäle (z.B. mehrere Minikanäle) bzw. mehrere Rohre eines Kanals zu modifizieren.
Alternativ kann ein Kanal bis zum Verschluss des Eintritts des Kanals gestaucht werden, und dann kann ein Loch (z.B. mittels Bohrens, mittels Laserns, etc.) in dem Kanal eingebracht werden, so dass als Ergebnis ein Kanal 102 aufweisend einen ersten Abschnitt 102-1 mit einer reduzierten Querschnittsfläche bereitgestellt werden kann. Es versteht sich, dass mehrere Kanäle (z.B. mehrere Minikanäle) bzw. mehrere Rohre eines Kanals gleichzeitig modifiziert werden können, so dass ein Loch in dem jeweiligen Kanal bzw. in dem jeweiligen Rohr eingebracht werden kann.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann ein verengendes Element 210 (z.B. eine Hülse, eine Lochscheibe, ein Lochblech, eine Kappe etc.) verwendet werden, um die Querschnittsfläche des ersten Abschnitts 102-1 zu reduzieren bzw. eine Drosselstelle beim Eintritt des mindestens einen Kanals 102 bereitzustellen, wie beispielsweise in 2C bis 2F dargestellt ist. Das verengende Element 210 kann ein beliebig geeignetes Element sein, so dass eine Drosselstelle beim Eintritt des mindestens einen Kanals 102 bereitgestellt wird.
Das verengende Element 210 kann einen beliebig geeigneten Querschnitt (z.B. einen Innenquerschnitt) aufweisen, wie beispielsweise einen kreisförmigen Querschnitt, einen elliptischen Querschnitt, einen quadratischen Querschnitt, einen rechteckigen Querschnitt, einen mehreckigen Querschnitt etc.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann der Querschnitt (z.B. der Innenquerschnitt) des verengenden Elements 210 eine Größe (z.B. eine Innengröße) entlang einer Richtung senkrecht zu der Strömungsrichtung des Kältemittels in dem verengenden Element 210 (z.B. senkrecht zu einer Richtung 101, beispielsweise eine Höhe, eine Breite, einen Durchmesser, eine Kantenlänge, etc.) aufweisen, welche in einem Bereich von ungefähr 0.01 mm bis ungefähr 0.5 mm ist, beispielsweise in einem Bereich von ungefähr 0.01 mm bis ungefähr 0.2 mm, beispielsweise in einem Bereich von ungefähr 0.02 mm bis ungefähr 0.1 mm, beispielsweise in einem Bereich von ungefähr 0.02 mm bis ungefähr 0.05 mm. Beispielsweise kann der Querschnitt des verengenden Elements 210 eine Größe entlang einer Richtung senkrecht zu der Strömungsrichtung des Kältemittels in dem verengenden Element 210 aufweisen, welche kleiner als 0.1 mm ist. Der Querschnitt des verengenden Elements 210 kann beispielsweise derart dimensioniert sein, dass sich ein in das verengende Element 210 fließendes Kältemittel eine kritische Geschwindigkeit (z.B. eine Schall-Geschwindigkeit) in dem verengenden Element 210 (und anschaulich in dem ersten Abschnitt 102-1) erreicht.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann der Querschnitt (z.B. der Innenquerschnitt) des verengenden Elements 210 derart dimensioniert sein, dass eine Sublimation des Kältemittels in dem verengenden Element 210 (und anschaulich in dem ersten Abschnitt 102-1) verhindert wird. Beispielsweise kann der Querschnitt des verengenden Elements 210 derart dimensioniert sein, dass sich das Kältemittel auf einem Druckniveau in dem verengenden Element 210 befindet, bei dem eine Sublimation des Kältemittels unmöglich ist. Beispielsweise kann der Querschnitt des verengenden Elements 210 derart dimensioniert sein, dass sich das Kältemittel in dem verengenden Element 210 in einem nicht-festen (z.B. flüssigen, gasförmigen, flüssig/gasförmigen, überkritischen) Aggregatzustand befindet. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann der Querschnitt des verengenden Elements 210 derart dimensioniert sein, dass sich das Kältemittel auf einem Druckniveau in dem verengenden Element 210 befindet, welches größer ist als das Druckniveau des Tripelpunktes des Kältemittels.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann das verengende Element 210 eine Größe entlang einer Richtung parallel zu der Strömungsrichtung des Kältemittels in dem verengenden Element 210 (z.B. entlang einer Richtung 101, beispielsweise eine Länge des verengenden Elements 210) aufweisen, welche derart dimensioniert ist, dass das Kältemittel in dem verengenden Element 210 in einem nicht-festen Aggregatzustand verbleibt. Mit anderen Worten, die Länge des verengenden Elements 210 kann derart dimensioniert sein, dass der Abfall des Drucks des in das verengende Element 210 fließenden Kältemittels nicht ausreicht, um eine Sublimation des Kältemittels in dem verengenden Element 210 zu ermöglichen bzw. um ein Druckniveau unter dem Tripeldruck des Kältemittels zu erreichen.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann der mindestens eine Kanal 102 ein verengendes Element 210 aufweisen, welches in dem ersten Abschnitt 102-1 angeordnet ist, so dass die Querschnittsfläche des ersten Abschnitts 102-1 reduziert werden kann, wie in 2C und 2D dargestellt ist. Beispielsweise kann das verengende Element 210 in einen Kanal eingelegt werden, und der Kanal (z.B. der Eintritt des Kanals) kann gestaucht werden, so dass das verengende Element 210 fixiert wird, und als Ergebnis ein Kanal 102 aufweisend einen ersten Abschnitt 102-1 mit einer reduzierten Querschnittsfläche bereitgestellt werden kann. Es versteht sich, dass ein verengendes Element kann in jedem Kanal einer Mehrzahl von Kanälen bzw. in jedem Rohr (z.B. in jedem Minikanal) eines Kanals angeordnet sein.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann das verengende Element 210 vollständig innerhalb des mindestens einen Kanals 102 (z.B. innerhalb des ersten Abschnitts 102-1) angeordnet sein, wie beispielsweise in 2C dargestellt ist. Das verengende Element 210 kann aber auch einen Teil aufweisen, welcher außerhalb des mindestens einen Kanals 102 (z.B. außerhalb des ersten Abschnitts 102-1) angeordnet ist, wie beispielsweise in 2D dargestellt ist.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann das verengende Element 210 am Eintritt des mindestens einen Kanals 102 angeordnet (z.B. befestigt, wie beispielsweise gelötet, etc.) sein, wie beispielsweise in 2E und 2F dargestellt ist. In dieser Ausgestaltung kann das verengende Element 210 eine Länge bzw. eine Dicke in einem Bereich von ungefähr 1 µm bis ungefähr 500 µm aufweisen, beispielsweise in einem Bereich von ungefähr 50 µm bis ungefähr 200 µm.
Beispielsweise kann das verengende Element 210 eine dünne Platte (z.B. ein Blech, eine Scheibe) sein, in welcher ein Loch oder mehrere Löcher eingebracht werden, wie beispielsweise in 2E dargestellt ist. Alternativ kann das verengende Element 210 eine Kappe sein, welche am Eintritt des mindestens einen Kanals 102 angeordnet ist, und in welcher ein Loch oder mehrere Löcher eingebracht werden, wie beispielsweise in 2F dargestellt ist.
In dieser Ausgestaltung kann das verengende Element 210 einen zusätzlichen Teil des mindestens einen Kanals 102 bilden. Das verengende Element 210 kann somit als erster Abschnitt 102-1 des mindestens einen Kanals 102 dienen, und der mindestens eine Kanal 102 kann als zweiter Abschnitt 102-2 des mindestens einen Kanals 102 dienen. Mit anderen Worten, das verengende Element 210 und der mindestens eine Kanal 102 können derart eingerichtet bzw. dimensioniert sein, dass ein Kältemittel sich vor dem verengenden Element 210 auf einem Hochdruckniveau (z.B. auf einem Druckniveau in einem Bereich von ungefähr 10 bar bis ungefähr 160 bar, beispielsweise in einem Bereich von ungefähr 70 bar bis ungefähr 140 bar, beispielsweise in einem Bereich von ungefähr 40 bar bis ungefähr 70 bar) befindet; in dem verengenden Element 210 das Kältemittel eine kritische (Schall-)Geschwindigkeit erreicht, so dass der Druck des Kältemittels in dem verengenden Element 210 auf einem niedrigeren Druckniveau (z.B. auf einem Druckniveau in einem Bereich von ungefähr 10 bar bis ungefähr 70 bar, beispielsweise von ungefähr 10 bar bis ungefähr 40 bar, beispielsweise von ungefähr 40 bar bis ungefähr 70 bar) fällt; und nach dem verengenden Element 210 (z.B. beim Eintritt in dem mindestens einen Kanal 102) folgt eine weitere Expansion des Kältemittels und der Druck des Kältemittels fällt weiter ab, beispielsweise auf einem Sublimationsdruckniveau (z.B. auf einem Druckniveau in einem Bereich von ungefähr 0 bar bis ungefähr 5 bar).
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann ein Wärmeübertrager 100 aufweisen mindestens einen Kanal 102 zum Führen von Kältemittel, und mindestens ein verengendes Element 210, welches stromaufwärts relativ zu dem mindestens einen Kanal 102 angeordnet ist, wobei der mindestens eine Kanal 102 eine Querschnittsfläche aufweist, welche größer ist als eine Querschnittsfläche (z.B. eine Innenquerschnittsfläche) des mindestens einen verengenden Elements 210, so dass eine Sublimation des Kältemittels in dem mindestens einen Kanal 102 ermöglicht wird.
2G veranschaulicht einen Behälter 106 und einen Kanal 102 eines Wärmeübertragers 100 in einer schematischen Darstellung gemäß verschiedenen Ausführungsformen.
Die Übersichtigkeit halber sind nur den ersten Behälter 106 und den mindestens einen Kanal 102 in 2G gezeigt. Es verstehet sich, dass auch die anderem Elemente des Wärmeübertragers 100 (z.B. der zweite Behälter 106, das mindestens eine Wärmeübertragungselement 104, etc.) vorhanden sind.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann der mindestens eine Kanal 102 (z.B. mittels Löten) in den ersten Behälter 106 eingebracht werden. Beim Verbinden des mindestens einen Kanals 102 mit dem ersten Behälter 106 sollte darauf geachtet werden, dass sich der erste Abschnitt 102-1 dabei nicht verformt (z.B. wegen thermischer Dehnung) bzw. verschlossen (z.B. wegen des Lotmittels) wird.
Beispielsweise kann der mindestens eine Kanal 102 in den ersten Behälter 106 derart hereinragen, dass der erste Abschnitt 102-1 ausreichend von der Verbindungsstelle (z.B. von der Lötstelle) zwischen dem mindestens einen Kanal 102 und dem ersten Behälter 106 entfernt ist, so dass unerwünschte Modifikationen des ersten Abschnitts 102-1 (anders ausgedrückt der Drosselstelle) vermieden werden können. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann der mindestens eine Kanal 102 auf einer derartigen Tiefe t_E in den ersten Behälter 106 eingeführt werden, dass unerwünschte Modifikationen des ersten Abschnitts 102-1 vermieden werden können.
In dem Fall, dass ein verengendes Element 210 verwendet wird, um die Querschnittfläche des ersten Abschnitts 102-1 zu reduzieren bzw. einen zusätzlichen Teil des mindestens einen Kanals 102 zu bilden, kann das verengende Element 210 ein Material aufweisen, welches von dem verwendeten Lotmittel nicht benetzt wird.
Im Folgenden werden mögliche Anordnungen für eine Kälteanlage beschrieben, welche den hierin beschriebenen Wärmeübertrager 100 aufweist. Es versteht sich, dass die Anordnungen beispielhaft gewählt sind, und auch andere beliebig geeignete Anordnungen und Komponenten möglich sind.
3 veranschaulicht eine Kälteanlage 300 aufweisend einen Wärmeübertrager 100 in einer schematischen Darstellung gemäß verschiedenen Ausführungsformen.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann der Wärmeübertrager 100 in eine Kälteanlage 300 (z.B. in ein Kühlungssystem) eingesetzt sein oder werden, so dass die Kälteanlage 300 auch für ein Sublimation-basiertes Kühlungsverfahren, und somit zur Kühlung auf einem Temperaturniveau von unter -50°C, verwendet werden kann. Die Kälteanlage 300 kann eine herkömmliche (z.B. Kaltdampf-basierte) Kälteanlage sein, in der ein Verdampfer durch den hierin beschriebenen Wärmeübertrager 100 ersetzt wurde.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die Kälteanlage 300 einen Verdichter 312 (z.B. einen Hubkolbenverdichter, einen Schraubenverdichter, einen Rotationskompressor, einen Zentrifugalkompressor, einen Scroll-Kompressor, etc.) aufweisen, welcher stromabwärts relativ zu dem Wärmeübertrager 100 angeordnet ist. Die Kälteanlage 300 kann derart eingerichtet sein, dass das von dem Wärmeübertrager 100 ausgegebene Kältemittel, welches sich nach der Sublimation in einem gasförmigen Aggregatzustand befindet, dem Verdichter 312 zugeführt wird. Beispielsweise kann der Verdichter 312 in (z.B. fluidischer) Verbindung mit dem Wärmeübertrager 100 stehen, z.B. können der Verdichter 312 und der Wärmeübertrager 100 miteinander (z.B. mittels einer Leitung, wie einer Saugleitung) verbunden sein oder werden. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann der Verdichter 312 eingerichtet sein, das Kältemittel aus dem Austritt des Wärmeübertragers 100 (z.B. aus dem zweiten Behälter 108, wie beispielsweise aus einem Gasausgang des zweiten Behälters 108) anzusaugen.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann der Verdichter 312 eingerichtet sein, das Kältemittel zu verdichten. Der Verdichter 312 kann somit beispielsweise eingerichtet sein, dass dieser das Kältemittel auf einem Niederdruck (z.B. auf einem Druckniveau in einem Bereich von ungefähr 0 bar bis ungefähr 5 bar) empfängt, und das Kältemittel auf einem Hochdruck (z.B. auf einem Druckniveau in einem Bereich von ungefähr 10 bar bis ungefähr 160 bar, beispielsweise von ungefähr 70 bar bis ungefähr 140 bar, beispielsweise von ungefähr 40 bar bis ungefähr 70 bar) ausgibt.
Der Verdichter 312 kann ferner eingerichtet sein, das Kältemittel in die Kälteanlage 300 umzuwälzen, so dass das Kältemittel in die Kälteanlage 300 umlaufen kann.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die Kälteanlage 300 einen wärmeabgebenden Wärmeübertrager 314 (z.B. einen Verflüssiger, einen Gaskühler, etc.) aufweisen, welcher stromabwärts relativ zu dem Verdichter 312 angeordnet ist. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die Kälteanlage 300 derart eingerichtet sein, dass das von dem Verdichter 312 verdichtete Kältemittel dem wärmeabgebenden Wärmeübertrager 314 zugeführt wird. Beispielsweise kann der wärmeabgebende Wärmeübertrager 314 in (z.B. fluidischer) Verbindung mit dem Verdichter 312 stehen, z.B. können der wärmeabgebende Wärmeübertrager 314 und der Verdichter 312 miteinander (z.B. mittels einer Leitung, wie einer Gasleitung) verbunden sein oder werden.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann der wärmeabgebende Wärmeübertrager 314 stromaufwärts relativ zu dem Wärmeübertrager 100 angeordnet sein. Somit kann die Kälteanlage 300 derart eingerichtet sein, dass das von dem wärmeabgebenden Wärmeübertrager 314 ausgegebenen Kältemittel dem Wärmeübertrager 100 (z.B. dem ersten Behälter 106) zugeführt wird. Beispielsweise kann der wärmeabgebende Wärmeübertrager 314 in (z.B. fluidischer) Verbindung mit dem Wärmeübertrager 100 (z.B. mit dem ersten Behälter 106) stehen, z.B. können der wärmeabgebende Wärmeübertrager 314 und der Wärmeübertrager 100 miteinander (z.B. mittels einer Leitung, wie einer Flüssigkeitsleitung) verbunden sein oder werden.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann der wärmeabgebende Wärmeübertrager 314 derart eingerichtet sein, dass das Kältemittel in den wärmeabgebenden Wärmeübertrager 314 fließt und dieses in einer Wärmeübertragungsbeziehung mit einem sekundären Fluid (z.B. Luft, Wasser, Salzwasser, etc.) ist, so dass Wärme von dem Kältemittel entzogen und in dem sekundären Fluid aufgenommen wird, wenn das Kältemittel in den wärmeabgebenden Wärmeübertrager 314 fließt. Somit kann das Kältemittel gekühlt werden. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann das von dem wärmeabgebenden Wärmeübertrager 314 ausgegebene Kältemittel sich in einem Hochdruckzustand befinden (z.B. der Druck des Kältemittels kann in einem Bereich von ungefähr 10 bar bis ungefähr 160 bar sein, beispielsweise von ungefähr 70 bar bis ungefähr 140 bar, beispielsweise von ungefähr 40 bar bis ungefähr 70 bar).
Alternativ oder zusätzlich kann der wärmeabgebende Wärmeübertrager 314 derart eingerichtet sein, dass das Kältemittel in den wärmeabgebenden Wärmeübertrager 314 fließt und dieses in einer Wärmeübertragungsbeziehung mit einem zweiten Kältemittel ist. Beispielsweise kann der wärmeabgebende Wärmeübertrager 314 in einer Wärmeübertragungsbeziehung mit einem anderen Wärmeübertrager (z.B. mit einem anderen Kühlkreislauf) sein, so dass Wärme von dem in den wärmeabgebenden Wärmeübertrager 314 fließenden Kältemittel entzogen und in das in den anderen Wärmeübertrager (z.B. in den anderen Kühlkreislauf) fließende zweite Kältemittel aufgenommen werden kann.
Der Druck des Kältemittels in dem ersten Behälter 106 des Wärmeübertragers 100, sowie der Druck des Kältemittels beim Eintritt des ersten Abschnitts 102-1 des mindestens einen Kanals 102, beeinflusst den kritischen Massestrom, welcher der maximale Massestrom repräsentiert, welcher in die Drosselstelle (z.B. in den ersten Abschnitt 102-1) fließen kann. Der kritische Massestrom beispielsweise steigt mit steigendem Eintrittsdruck (z.B. mit steigendem Druck des Kältemittels beim Eintritt des ersten Abschnitts 102-1). Mittels eines erhöhten Massestroms kann eine erhöhte Kälteleistung erreicht werden.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die Kälteanlage 300 ferner ein Steuersystem bzw. ein Regelsystem mit einer Regelschleife aufweisen. Das Steuersystem bzw. das Regelsystem kann eingerichtet sein, die Komponente der Kälteanlage 300 zu steuern bzw. die Betriebsbedingungen der Komponente der Kälteanlage 300 zu regeln.
Eine Regelung des Drucks (z.B. des Hochdrucks) des von dem wärmeabgebenden Wärmeübertrager 314 ausgegebenen Kältemittels, und somit eine Regelung des Drucks dem Wärmeübertrager 100 zugeführten Kältemittels, kann zur Folge haben, dass der Massestrom in dem ersten Behälter 106 und/oder in dem ersten Abschnitt 102-1 geregelt werden kann. Eine Erhöhung des Hochdrucks kann den kritischen Massestrom erhöhen, wodurch die Überhitzung des Kältemittels gesenkt bzw. die Kälteleistung erhöht wird. Die Regelung des Hochdrucks kann beispielsweise mittels einer Regelung des Temperaturniveaus des wärmeabgebenden Wärmeübertragers 314 erfolgen.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann das Steuersystem bzw. das Regelsystem eingerichtet sein, den wärmeabgebenden Wärmeübertrager 314 derart zu steuern bzw. zu regeln, dass der Druck des von dem wärmeabgebenden Wärmeübertrager 314 ausgegebenen Kältemittels erhöht (bzw. verringert) wird, so dass der Massestrom des Kältemittels in dem ersten Behälter 106 erhöht (bzw. verringert) wird. Beispielsweise können das Steuersystem bzw. das Regelsystem eingerichtet sein, den wärmeabgebenden Wärmeübertrager 314 derart zu steuern bzw. zu regeln, dass der Druck des von dem wärmeabgebenden Wärmeübertrager 314 ausgegebenen Kältemittels erhöht (bzw. verringert) wird, so dass der Massestrom erhöht (bzw. verringert) wird und/oder die Überhitzung des Kältemittels verringert (bzw. erhöht) wird.
Die Kälteanlage 300 kann optional ein Ventil 316 (z.B. ein Drosselventil, ein Kapillarrohr, ein Expansionsventil, wie beispielsweise ein thermostatisches Expansionsventil, ein elektronisches Expansionsventil, ein Handexpansionsventil, etc.) aufweisen, welches stromabwärts relativ zu dem wärmeabgebenden Wärmeübertrager 314 und stromaufwärts relativ zu dem Wärmeübertrager 100 (z.B. zwischen dem wärmeabgebenden Wärmeübertrager 314 und dem Wärmeübertrager 100) angeordnet sein kann.
Mittels des Ventils 316 kann die Überhitzung und/oder die Kälteleistung gesteuert bzw. geregelt werden. Allerdings strömt zweiphasiges (z.B. flüssig/gasförmig) Kältemittel oder überkritisches Kältemittel in den ersten Behälter 106. Ein flüssiger/gasförmiger Eintrittszustand in den ersten Behälter 106 hat eine schlechtere Verteilung als ein rein flüssiger oder überkritischer Eintrittszustand zur Folge.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die Kälteanlage 300 derart eingerichtet sein, dass das von dem wärmeabgebenden Wärmeübertrager 314 ausgegebenen Kältemittel dem Ventil 316 zugeführt wird. Beispielsweise kann das Ventil 316 in (z.B. fluidischer) Verbindung mit dem wärmeabgebenden Wärmeübertrager 314 stehen, z.B. können das Ventil 316 und der wärmeabgebende Wärmeübertrager 314 miteinander (z.B. mittels einer Leitung, wie einer Gasleitung, einer Flüssigkeitsleitung, etc.) verbunden sein oder werden.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die Kälteanlage 300 derart eingerichtet sein, dass das von dem Ventil 316 ausgegebene Kältemittel dem Wärmeübertrager 100 zugeführt wird. Beispielsweise kann das Ventil 316 in (z.B. fluidischer) Verbindung mit dem Wärmeübertrager 100 stehen, z.B. können das Ventil 316 und der Wärmeübertrager 100 miteinander (z.B. mittels einer Leitung, wie einer Gasleitung, einer Flüssigkeitsleitung, etc.) verbunden sein oder werden.
Das Ventil 316 kann derart eingerichtet sein, dass der Druck des Kältemittels reduziert wird, wenn dieses in das Ventil 316 fließt, so dass das Ventil 316 verwendet werden kann, um den Druck des dem Wärmeübertrager 100 zugeführten Kältemittels zu regulieren. Anschaulich kann das Ventil 316 somit verwendet werden, um den Druck des Kältemittels in dem ersten Behälter 106 sowie in dem ersten Abschnitt 102-1 zu regulieren. Dies hat zur Folge, dass der Massestrom bzw. die Kälteleistung in dem Wärmeübertrager 100 mittels des Ventils 316 angepasst werden können.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann das Steuersystem bzw. das Regelsystem eingerichtet sein, das Ventil 316 derart zu steuern bzw. zu regeln, dass der Druck des von dem Ventil 316 ausgegebenen Kältemittels erhöht (bzw. verringert) wird, so dass der Massestrom des Kältemittels in dem Wärmeübertrager 100 (z.B. in dem ersten Behälter 106) erhöht (bzw. verringert) wird. In dieser Ausgestaltung können zwei Expansionsstufen realisiert werden. Die erste Expansionsstufe wird mittels des Ventils 316 realisiert und die zweite Expansionsstufe befindet sich in dem mindestens einen Kanal 102 (z.B. nach der von dem ersten Abschnitt 102-1 bereitgestellten Drosselung).
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die Kälteanlage 300 ferner ein Absperrventil (nicht gezeigt) aufweisen, welches (z.B. direkt) stromaufwärts relativ zu dem Wärmeübertrager 100 angeordnet sein kann. Das Absperrventil kann derart eingerichtet sein, dass, wenn dieses geschlossen ist, kein Kältemittel in das Absperrventil fließen kann, und dass, wenn dieses geöffnet ist, das Kältemittel in das Absperrventil fließen kann.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann das Absperrventil derart eingerichtet sein, dass dieses geschlossen bleibt, wenn ein Kühlungsprozess gestartet wird, bis ein minimaler Saugdruck mittels des Verdichters 312 (z.B. durch eine Kältemittelabsaugung des Verdichters 312) erreicht wird. Das Absperrventil kann somit derart eingerichtet sein, dass dieses erst nach Erreichen des minimal zulässigen Saugdrucks öffnet bzw. geöffnet wird.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann das Absperrventil eingerichtet sein, dass dieses im Betrieb bei Überschreitung eines maximal zulässigen Saugdrucks geschlossen wird. Mittels des Absperrventils kann daher die Strömung des Kältemittels in den Wärmeübertrager 100 in geeigneter Weise ermöglicht (bzw. verhindert) werden, wenn das Druckniveau in der Kälteanlage 300 für den gewünschten Betrieb des Wärmeübertragers 100 geeignet ist (z.B. zum Erzielen einer Sublimation des Kältemittels in dem zweiten Abschnitt 102-2 des mindestens einen Kanal 102 des Wärmeübertragers 100). Ferner kann das Absperrventil eingerichtet sein, während eines Anlagestillstands geschlossen zu bleiben, um die Betriebsdruckniveaus aufrecht zu erhalten.
Wie oben dargestellt wurde, kann der zweite Behälter 108 des Wärmeübertragers 100 als Feststoffabscheider eingerichtet sein oder werden. Alternativ oder zusätzlich kann die Kälteanlage 300 einen Feststoffabscheider (nicht gezeigt) aufweisen, welcher stromabwärts relativ zu dem Wärmeübertrager 100 angeordnet sein kann. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann der Feststoffabscheider eingerichtet sein, das von dem Wärmeübertrager 100 ausgegebene Kältemittel zu empfangen; das gasförmige Kältemittel dem Verdichter 312 bereitzustellen; und das feste Kältemittel (z.B. feste Kältemittelbestandteile, wie beispielsweise feste Partikel von Kältemittel) anzusammeln. Auf diese Weise kann der Verdichter 312 vor Schäden durch festes Kältemittel geschützt werden.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die Kälteanlage 300 ferner einen Partikelfilter (nicht gezeigt) aufweisen, welcher eingerichtet ist, kältemittelfremde Partikel zu binden. Der Partikelfilter kann in jeder geeigneten Stelle in der Kälteanlage 300 angeordnet sein, so dass die in die Kälteanlage 300 zirkulierenden kältemittelfremden Partikel blockiert werden können. Damit kann eine Verstopfung der Drosselstelle (z.B. des mindestens einen Kanals 102 und/oderdes ersten Abschnitts 102-1 des mindestens einen Kanals 102) wegen der kältemittelfremden Partikel vermieden werden.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die Kälteanlage 300 einen inneren Wärmeübertrager (nicht gezeigt) aufweisen, zum Übertragen von Wärme an das Sauggas am Austritt des Wärmeübertragers 100. Die Wärme kann dem Kühlungsprozess beispielsweise nach dem wärmeabgebenden Wärmeübertrager 314 entzogen werden. In dieser Ausgestaltung können die Effizienz des Prozesses und die Kälteleistung erhöht werden.
4 veranschaulicht eine Kälteanlage 300 aufweisend einen Wärmeübertrager 100 in einer schematischen Darstellung gemäß verschiedenen Ausführungsformen.
Wie oben dargestellt wurde kann der erste Behälter 106 als Abscheider (z.B. als Mitteldruckabscheider) eingerichtet sein oder werden. In einer solchen Ausgestaltung kann der erste Behälter 106 eine Erhöhung oberhalb des obersten Kanals 102 (z.B. oberhalb des mindesten einen Kanals 102 bzw. oberhalb des obersten Kanals 102 der Mehrzahl von Kanälen 102) aufweisen. Beispielsweise kann sich der erste Behälter 106 oberhalb des obersten Kanals 102 erstrecken.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann der erste Behälter 106 einen Gasausgang aufweisen, welcher beispielsweise in der Erhöhung angeordnet sein kann, und die Kälteanlage 300 kann derart eingerichtet sein, dass das von dem Gasausgang des ersten Behälters 106 ausgegebene gasförmige Kältemittel dem Verdichter 312 zugeführt wird. Beispielsweise kann die Kälteanlage 300 derart eingerichtet sein, dass das von dem Gasausgang des ersten Behälters 106 ausgegebene gasförmige Kältemittel zusammen mit dem von dem Wärmeübertrager 100 (z.B. von dem zweiten Behälter 108) ausgegebenen gasförmigen Kältemittel dem Verdichter 312 zugeführt wird.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die Kälteanlage 300 optional ein zusätzliches Ventil 418 (z.B. ein Drosselventil, ein Kapillarrohr, ein Expansionsventil, wie beispielsweise ein thermostatisches Expansionsventil, ein elektronisches Expansionsventil, ein Handexpansionsventil, etc.) aufweisen, welches derart eingerichtet sein kann, dass der Druck des Kältemittels reduziert wird, wenn dieses in das zusätzliche Ventil 418 fließt, und welches stromabwärts relativ zu dem Gasausgang des ersten Behälters 106 (z.B. zwischen dem Gasausgang des ersten Behälters 106 und dem Verdichter 312) angeordnet sein kann. Das zusätzliche Ventil 418 kann in (z.B. fluidischer) Verbindung mit dem Gasausgang des ersten Behälters 106 stehen, beispielsweise können das zusätzliche Ventil 418 und der Gasausgang des ersten Behälters 106 miteinander (z.B. mittels einer Leitung, wie einer Gasleitung) verbunden sein oder werden.
Das zusätzliche Ventil 418 kann somit verwendet werden, um den Druck des von dem Gasausgang des ersten Behälters 106 empfangenen Kältemittels zu reduzieren, so dass sich dieses auf einem gleichen oder ähnlichen Druckniveau befindet wie das von dem Wärmeübertrager 100 (z.B. von dem zweiten Behälter 108) ausgegebene gasförmige Kältemittel. Beispielsweise kann das zusätzliche Ventil 418 derart eingerichtet sein, dass dieses das Kältemittel von dem Gasausgang des ersten Behälters 106 auf einem Mitteldruckniveau (z.B. auf einem Druckniveau in einem Bereich von ungefähr 10 bar bis ungefähr 70 bar, beispielsweise in einem Bereich von ungefähr 10 bar bis ungefähr 40 bar, beispielsweise in einem Bereich von ungefähr 40 bar bis ungefähr 70 bar) empfängt, und der Druck des Kältemittels auf einem Niederdruckniveau (z.B. auf einem Druckniveau in einem Bereich von ungefähr 0 bar bis ungefähr 5 bar) reduziert. Somit kann das anfallende Mitteldruckgas über das zusätzliche Ventil 418 dem Sauggas des Verdichters 312 zugeführt werden.
Alternativ oder zusätzlich kann der Verdichter 312 derart eingerichtet sein, dass gasförmiges Kältemittel auf Mitteldruckniveau (z.B. auf einem Druckniveau in einem Bereich von ungefähr 10 bar bis ungefähr 70 bar, beispielsweise in einem Bereich von ungefähr 10 bar bis ungefähr 40 bar, beispielsweise in einem Bereich von ungefähr 40 bar bis ungefähr 70 bar) innerhalb des Verdichtungsprozesses zugeführt werden kann (eine so genannte Zwischeneinspritzung). In dieser Ausgestaltung kann der Verdichter 312 derart eingerichtet sein, dass dieser Kältemittel von dem Gasausgang des ersten Behälters 106 (z.B. direkt) empfängt, ohne dass der Druck des Kältemittels reduziert wird. Beispielsweise kann der Verdichter 312 einen ersten Eingang und einen zweiten Eingang aufweisen, wobei der Verdichter 312 eingerichtet ist, Kältemittel von dem zweiten Behälter 108 durch den ersten Eingang zu empfangen (anders ausgedrückt anzusaugen), und Kältemittel von dem Gasausgang des ersten Behälters 106 durch den zweiten Eingang zu empfangen. Das von dem Gasausgang des ersten Behälters 106 empfangene Kältemittel kann somit innerhalb des Verdichtungsprozesses zugeführt werden, z.B. nachdem das von dem zweiten Behälter 108 empfangene Kältemittel verdichtet wird.
Wie oben dargestellt wurde, kann der zweite Behälter 108 als Feststoffabscheider (z.B. als Zyklonabscheider) eingerichtet sein. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann der zweite Behälter 108 des Wärmeübertragers 100 eine Erweiterung unterhalb des untersten Kanals 102 (z.B. unterhalb des mindesten einen Kanals 102 bzw. unterhalb des untersten Kanals 102 der Mehrzahl von Kanälen 102) aufweisen. Beispielsweise kann sich der zweite Behälter 108 unterhalb des untersten Kanals 102 erstrecken. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann der zweite Behälter 108 derart eingerichtet sein, dass dieses gasförmiges Kältemittel aus einem Gasausgang ausgibt, und dass festes Kältemittel (z.B. feste Kältemittelbestandteile, wie beispielsweise feste Partikel von Kältemittel) ansammelt. Beispielsweise kann der zweite Behälter 108 eingerichtet sein, das feste Kältemittel in der Erweiterung anzusammeln.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die Kälteanlage 300 derart eingerichtet sein, dass das von dem zweiten Behälter 108 ausgegebene gasförmige Kältemittel dem Verdichter 312 zugeführt wird. Somit kann das Ansaugen von festem Kältemittel durch den Verdichter 312 vermieden werden.
Alternativ oder zusätzlich kann der zweite Behälter 108 einen zweiten Ausgang aufweisen, durch welchen auch feste Kältemittelbestandteile (z.B. feste Partikel von Kältemittel) ausgegeben und dem Verdichter 312 bereitgestellt werden können. Beispielsweise können die Erweiterung des zweiten Behälters 108 und der Verdichter 312 miteinander in (z.B. fluidischer) Verbindung sein. In dieser Ausgestaltung kann der zweite Behälter 108 derart eingerichtet sein, dass die dem Verdichter 312 bereitgestellten festen Kältemittelbestandteile derart dimensioniert sind, dass diese auf dem Weg zum Verdichter 312 sublimieren können und somit keine Schäden im Verdichter 312 anrichten. Somit kann ermöglicht werden, dass Kältemaschinenöl, welches von dem Verdichter 312 ausgegeben wird und sich nach Zirkulation in dem Kreislauf in dem zweiten Behälter 108 (z.B. in der Erweiterung des zweiten Behälters 108) ansammelt, wieder dem Verdichter 312 zugeführt werden kann.
Um eine Überhitzung des Kältemittels zu regeln, kann die Überhitzung am Boden des zweiten Behälters 108 (z.B. am Boden des Feststoffabscheiders) erfasst werden. Dort stellt sich eine Überhitzung nur ein, wenn keine festen Kältemittelbestandteile den mindestens einen Kanal 102 (bzw. die Kanäle 102 der Mehrzahl von Kanälen 102) verlassen. Bei der Messung der Überhitzung an einer anderen Stelle im oder nach dem zweiten Behälters 108 (z.B. im oder nach dem Feststoffabscheider) kann eine Überhitzung festgestellt werden, obwohl festes Kältemittel den mindestens einen Kanal 102 verlässt, da das Kältemittel nicht im thermischen Gleichgewicht vorliegt.
5 veranschaulicht eine Kälteanlage 300 aufweisend einen Wärmeübertrager 100 in einer schematischen Darstellung gemäß verschiedenen Ausführungsformen.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die Kälteanlage 300 einen zweiten Verdichter 520 (z.B. einen Hubkolbenverdichter, einen Schraubenverdichter, einen Rotationskompressor, einen Zentrifugalkompressor, einen Scroll-Kompressor, etc.) aufweisen, so dass eine zweistufige Verdichtung des Kältemittels implementiert werden kann. Der zweite Verdichter 520 kann beispielsweise stromabwärts relativ zu dem ersten Verdichter 312 angeordnet sein.
In einer solchen Ausgestaltung kann der wärmeabgebende Wärmeübertrager 314 auf Umgebungstemperatur-Niveau vorliegen, was zu hohen Druckverhältnisse und Verdichtungsendtemperaturen führt. Der zweite Verdichter 520 kann somit verwendet werden, um solche hohe Druckverhältnisse zu erreichen.
In dieser Ausgestaltung kann auf das zusätzliche Ventil 418 verzichtet werden, und das von dem ersten Behälter 106 (z.B. von dem Gasausgang des ersten Behälters 106) ausgegebene gasförmige Kältemittel kann dem zweiten Verdichter 520 (z.B. direkt) zugeführt werden. Die zweistufige Verdichtung ermöglicht, dass der Druck des von dem ersten Behälter 106 (z.B. von dem Gasausgang des ersten Behälters 106) ausgegebenen gasförmigen Kältemittels nicht auf einem Niederdruckniveau reduziert werden sollte. Dies hat zur Folge, dass eine höhere Effizienz des Prozesses (z.B. des Verdichtungsprozesses) erreicht werden kann.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die Kälteanlage 300 derart eingerichtet sein, dass das von dem ersten Behälter 106 (z.B. von dem Gasausgang des ersten Behälters 106) ausgegebene gasförmige Kältemittel zusammen mit dem von dem Verdichter 312 ausgegebene verdichtete Kältemittel dem zweiten Verdichter 520 zugeführt wird. Beispielsweise können der Gasausgang des ersten Behälters 106 und dem zweiten Verdichter 520 miteinander in Verbindung stehen, z.B. können der Gasausgang des ersten Behälters 106 und der zweite Verdichter 520 miteinander (z.B. mittels einer Leitung, wie einer Gasleitung) verbunden sein oder werden. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann der zweite Verdichter 520 eingerichtet sein, das Kältemittel von dem ersten Behälter 106 (z.B. von dem Gasausgang des ersten Behälters 106) anzusaugen.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann das Steuersystem bzw. das Regelsystem eingerichtet sein, den zweiten Verdichter 520 (z.B. eine Drehzahl des zweiten Verdichters 520) zu steuern bzw. zu regeln. Beispielsweise kann eine Erhöhung der Drehzahl des zweiten Verdichters 520 zu einer Reduzierung des Drucks (z.B. des Mitteldrucks) im ersten Behälter 106 führen. Mit anderen Worten, kann das Steuersystem bzw. das Regelsystem eingerichtet sein, den zweiten Verdichter 520 (z.B. die Drehzahl des zweiten Verdichters 520) derart zu steuern bzw. zu regeln, dass der Druck des Kältemittels im ersten Behälter 106 erhöht (bzw. verringert) werden kann. Somit kann mittels der Steuerung bzw. Regelung des zweiten Verdichters 520 auch die Überhitzung des Kältemittels geregelt werden.
6 veranschaulicht eine Kälteanlage 300 aufweisend einen Wärmeübertrager 100 in einer schematischen Darstellung gemäß verschiedenen Ausführungsformen.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die Kälteanlage 300 einen Abscheider 622 (z.B. einen Mitteldruckabscheider) aufweisen, welcher stromaufwärts relativ zu dem Wärmeübertrager 100 angeordnet sein kann. Der Abscheider 622 kann eingerichtet sein, gasförmiges Kältemittel vom flüssigen Kältemittel abzuscheiden.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die Kälteanlage 300 derart eingerichtet sein, dass das von dem Abscheider 622 ausgegebene flüssige Kältemittel dem Wärmeübertrager 100 zugeführt wird. Beispielsweise kann der Abscheider 622 einen Gasausgang und einen Flüssigkeitsausgang aufweisen, und der Flüssigkeitsausgang kann mit dem Wärmeübertrager 100 (z.B. mit dem ersten Behälter 106) verbunden sein oder werden. Somit kann nur flüssiges oder überkritisches Kältemittel dem ersten Behälter 106 zugeführt werden. Mittels des Abscheiders 622 und des damit verbunden flüssigen oder überkritischen Eintritts in dem ersten Behälter 106, kann das Kältemittel in effizienterer Weise zugeführt bzw. verteilt werden.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die Kälteanlage 300 derart eingerichtet sein, dass das von dem Abscheider 622 ausgegebene gasförmige Kältemittel dem Verdichter 312 zugeführt wird.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die Kälteanlage 300 ein anderes Ventil 624 (z.B. ein Drosselventil, ein Kapillarrohr, ein Expansionsventil, wie beispielsweise ein thermostatisches Expansionsventil, ein elektronisches Expansionsventil, ein Handexpansionsventil, etc.) aufweisen, welches derart eingerichtet sein kann, dass der Druck des Kältemittels reduziert wird, wenn dieses in das andere Ventil 624 fließt, und welches stromabwärts relativ zu dem Gasausgang des Abscheiders 622 und stromaufwärts relativ zu dem Verdichter 312 angeordnet sein kann. Das andere Ventil 624 kann in (z.B. fluidischer) Verbindung mit dem Gasausgang des Abscheiders 622 stehen, z.B. können das andere Ventil 624 und der Gasausgang des Abscheiders 622 miteinander (z.B. mittels einer Leitung, wie einer Gasleitung) verbunden sein oder werden.
Das andere Ventil 624 kann somit verwendet werden, um den Druck des von dem Gasausgang des Abscheiders 622 ausgegebenen Kältemittels zu reduzieren, so dass sich dieses auf einem gleichen oder ähnlichen Druckniveau befindet wie das von dem Wärmeübertrager 100 (z.B. von dem zweiten Behälter 108) ausgegebene gasförmige Kältemittel. Beispielsweise kann das andere Ventil 624 derart eingerichtet sein, dass dieses das Kältemittel von dem Gasausgang des Abscheiders 622 auf einem Mitteldruckniveau (z.B. auf einem Druckniveau in einem Bereich von ungefähr 10 bar bis ungefähr 70 bar, beispielsweise in einem Bereich von ungefähr 10 bar bis ungefähr 40 bar, beispielsweise in einem Bereich von ungefähr 40 bar bis ungefähr 70 bar) empfängt, und der Druck des Kältemittels auf einem Niederdruckniveau (z.B. auf einem Druckniveau in einem Bereich von ungefähr 0 bar bis ungefähr 5 bar) reduziert. Somit kann das anfallende Mitteldruckgas über das andere Ventil 624 dem Sauggas des Verdichters 312 zugeführt werden.
Es versteht sich, dass auch weitere Elemente in der Kälteanlage 300 vorhanden sein können. Beispielsweise können Temperatursensoren und/oder Drucksensoren vorgesehen sein, um die Temperatur und/oder den Druck des Kältemittels in verschiedenen Bereichen des Kühlkreislaufs zu erfassen. Die erfasste Temperatur und/oder der erfasste Druck können als Feedbackparameter verwendet werden, um die Betriebsparameter der Elemente der Kälteanlage 300 (z.B. die Betriebsparameter des Ventils 316, des anderen Ventils 624, des Verdichters 312, etc.) zu steuern bzw. zu regeln.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann das Steuersystem bzw. das Regelsystem eingerichtet sein, das Ventil 316 und/oder das andere Ventil 624 basierend auf der erfassten Temperatur und oder auf dem erfassten Druck zu steuern bzw. zu regeln. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann das Steuersystem bzw. das Regelsystem eingerichtet sein, den Verdichter 312 (z.B. eine Drehzahl des Verdichters 312) oder den zweiten Verdichter 520 (z.B. eine Drehzahl des zweiten Verdichters 520) basierend auf der erfassten Temperatur und oder auf dem erfassten Druck zu steuern bzw. zu regeln.
Beispielsweise kann das Ventil 316 für den subkritischen Betrieb nach einer vorgegeben Unterkühlung gesteuert bzw. geregelt werden. Wenn der daraus resultierende Eingangsdruck einen maximalen vorgegeben subkritischen Hochdruck erreicht, sollte das Ventil 316 nach dem vorgegeben maximalen vorgegeben subkritischen Hochdruck gesteuert bzw. geregelt werden.
Das andere Ventil 624 kann den Druck (z.B. den Mitteldruck) im Abscheider 622 regeln. Aus einer Erhöhung des Drucks (z.B. des Mitteldrucks) ergeben sich ein erhöhter kritischer Massestrom und damit eine höhere Kälteleistung und eine geringere Überhitzung. Beispielsweise kann das Steuersystem bzw. das Regelsystem eingerichtet sein, das andere Ventil 624 derart zu steuern bzw. zu regeln, dass der Druck des von dem anderen Ventil 624 ausgegebenen Kältemittels erhöht (bzw. verringert) wird, so dass der Druck des Kältemittels in dem Abscheider 622 erhöht (bzw. verringert) wird. Beispielsweise kann das Steuersystem bzw. das Regelsystem eingerichtet sein, das andere Ventil 624 derart zu steuern bzw. zu regeln, dass der Druck des von dem anderen Ventil 624 ausgegebenen Kältemittels erhöht (bzw. verringert) wird, so dass der Massestrom des Kältemittels in dem Abscheider 622 erhöht (bzw. verringert) wird.
Der maximale Druck (z.B. der maximale Mitteldruck) ist durch einen Sollhochdruck vor dem Ventil 316 begrenzt. Der minimale Druck (z.B. der minimale Mitteldruck) ist durch den davon abhängigen minimalen kritischen Druck begrenzt, der oberhalb des Tripeldrucks des Kältemittels liegen sollte. Innerhalb dieses Druckbereiches kann das andere Ventil 624 auch nach der Kälteleistung oder nach der Überhitzung gesteuert bzw. geregelt werden. Bei transkritischem Betrieb kann beispielsweise der Druck (z.B. der Mitteldruck) auf unterkritischem Druckniveau mittels des anderen Ventils 624 gehalten werden.
Die Regelung der Überhitzung kann mittels der Veränderung des Volumenstroms des Verdichters 312 erfolgen. Beispielsweise erniedrigt eine Erhöhung des Volumenstroms des Verdichters 312 den Sublimationsdruck und erhöht die Überhitzung. Die Kälteleistung wird nur leicht um den Anteil der zusätzlichen Überhitzung erhöht. Begrenzungen ergeben sich über den maximalen Sublimationsdruck und den minimal zulässigen Saugdruck. Mit anderen Worten, kann das Steuersystem bzw. das Regelsystem eingerichtet sein, den Verdichter 312 (z.B. die Drehzahl des Verdichters 312) derart zu steuern bzw. zu regeln, dass der Druck des Kältemittels (z.B. in dem Wärmeübertrager 100) erhöht (bzw. verringert) werden kann. Somit kann mittels der Steuerung bzw. Regelung des Verdichters 312 (z.B. der Drehzahl des Verdichters 312) auch die Überhitzung des Kältemittels geregelt werden.
In einer Ausgestaltung kann das Steuersystem bzw. das Regelsystem eingerichtet sein, das andere Ventil 624 derart zu steuern bzw. zu regeln, dass der Druck (z.B. der Mitteldruck) im Abscheider 622 auf überkritischen Druck unterhalb oder gleich dem Hochdruck (z.B. auf einem Druckniveau in einem Bereich von ungefähr 10 bar bis ungefähr 160 bar, beispielsweise in einem Bereich von ungefähr 70 bar bis ungefähr 140 bar, beispielsweise in einem Bereich von ungefähr 40 bar bis ungefähr 70 bar) erhöht wird, so dass überkritisches Kältemittel dem Wärmeübertrager 100 (z.B. der von dem ersten Abschnitt 102-1 bereitgestellte Drosselstelle) bereitgestellt wird und in dem zweiten Abschnitt 102-2 des mindestens einen Kanals 102 des Wärmeübertragers 100 expandiert. Eine solche Erweiterung des Mitteldruckbereiches um den überkritischen Druckbereich kann den Bereich der Leistungsregelung durch die Erhöhung des kritischen Massestroms in der Drosselstelle (z.B. in dem ersten Abschnitt 102-1) vergrößern.
Wie oben dargestellt wurde, kann die Kälteanlage 300 einen inneren Wärmeübertrager aufweisen. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann der innere Wärmeübertrager stromabwärts relativ zu dem Flüssigkeitsausgang des Abscheiders 622 angeordnet sein, so dass eine Unterkühlung des flüssigen Kältemittels ermöglicht wird. Dies hat zur Folge, dass weniger oder keiner Blasenbildung wegen äußeren Wärmeeintrags im ersten Behälter 106 geschieht, und damit zu einer stabileren Zuführung bzw. zu einer stabileren Verteilung des Kältemittels führt.
7 veranschaulicht eine Kälteanlage 300 aufweisend einen Wärmeübertrager 100 in einer schematischen Darstellung, gemäß verschiedenen Ausführungsformen.
In dieser Ausgestaltung kann die Kälteanlage 300 den zweiten Verdichter 520 und den Abscheider 622 aufweisen, welchen eingerichtet wie oben dargestellt sein können.
In dieser Ausgestaltung kann auf das andere Ventil 624 verzichtet werden, und das von dem Abscheider 622 (z.B. von dem Gasausgang des Abscheiders 622) ausgegebene gasförmige Kältemittel kann dem zweiten Verdichter 520 zugeführt werden. Die zweistufige Verdichtung ermöglicht, dass der Druck des von dem Abscheider 622 (z.B. von dem Gasausgang des Abscheiders 622) ausgegebenen gasförmigen Kältemittels nicht auf einem Niederdruckniveau reduziert werden sollte.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die Kälteanlage 300 derart eingerichtet sein, dass das von dem Abscheider 622 (z.B. von dem Gasausgang des Abscheiders 622) ausgegebene gasförmige Kältemittel dem zweiten Verdichter 520 zugeführt wird, beispielsweise zusammen mit dem von dem Verdichter 312 ausgegebenen verdichteten Kältemittel.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann das Steuersystem bzw. das Regelsystem eingerichtet sein, den zweiten Verdichter 520 (z.B. eine Drehzahl des zweiten Verdichters 520) zu steuern bzw. zu regeln. Beispielsweise kann eine Erhöhung der Drehzahl des zweiten Verdichters 520 zu einer Reduzierung des Drucks (z.B. des Mitteldrucks) im Abscheider 622 führen. Mit anderen Worten, kann das Steuersystem bzw. das Regelsystem eingerichtet sein, den zweiten Verdichter 520 (z.B. die Drehzahl des zweiten Verdichters 520) derart zu steuern bzw. zu regeln, dass der Druck des Kältemittels im Abscheider 622 erhöht (bzw. verringert) werden kann. Somit kann mittels der Steuerung bzw. Regelung des zweiten Verdichters 520 auch die Überhitzung des Kältemittels geregelt werden.
Die Kälteanlage 300 kann aber auch zusätzlich das andere Ventil 624 aufweisen, um eine weitere Möglichkeit zur Regelung des Drucks im Abscheider 622 bereitzustellen.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die Kälteanlage 300 einen anderen Wärmeübertrager (nicht gezeigt) aufweisen, welcher stromabwärts relativ zu dem Verdichter 312 angeordnet sein kann, z.B. zwischen dem Gasausgang des Abscheiders 622 und dem Austritt des Verdichters 312. Beispielsweise kann der andere Wärmeübertrager stromaufwärts relativ zu dem zweiten Verdichter 520 angeordnet sein. In dieser Ausgestaltung kann die Kälteanlage 300 derart eingerichtet sein, dass das von dem Verdichter 312 ausgegebene verdichtete Kältemittel mittels des anderen Wärmeübertragers gekühlt werden kann. Eine solche Kühlung ermöglicht, dass ein größerer Massestrom von Kältemittel in den zweiten Verdichter 520 strömen kann, und dass die Effizienz des Verdichtungsprozesses erhöht werden kann.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann ein Kühlungsverfahren zum Kühlen eines Fluids mittels Sublimation eines Kältemittels das Bereitstellen eines Kältemittels zu einem Wärmeübertrager 100 aufweisen. Der Wärmeübertrager 100 kann wie oben dargestellt eingerichtet sein und kann mindestens einen Kanal 102 zum Führen von Kältemittel aufweisen. Das dem Wärmeübertrager 100 bereitgestellte Kältemittel kann sich in einem nicht-festen (z.B. in einem flüssigen, gasförmigen, flüssig/gasförmigen, überkritischen) Aggregatzustand befinden.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann das Kühlungsverfahren das Führen des Kältemittels in den mindestens einen Kanal 102 des Wärmeübertragers 100 aufweisen. Der mindestens eine Kanal 102 kann einen ersten Abschnitt 102-1 und einen zweiten Abschnitt 102-2 aufweisen, wobei der erste Abschnitt 102-1 in Bezug auf eine Strömungsrichtung des Kältemittels in dem mindestens einen Kanal 102 stromaufwärts relativ zu dem zweiten Abschnitt 102-2 angeordnet ist, wobei der zweite Abschnitt 102-2 eine Querschnittsfläche aufweist, welche größer ist als eine Querschnittsfläche des ersten Abschnitts 102-1 so dass eine Sublimation des Kältemittels in dem zweiten Abschnitt 102-2 ermöglicht wird.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann das Kühlungsverfahren das Führen des Kältemittels in den ersten Abschnitt 102-1 des mindestens einen Kanals 102 des Wärmeübertragers 100 aufweisen, wobei die Querschnittsfläche des ersten Abschnitts 102-1 derart dimensioniert sein kann, dass eine Sublimation des Kältemittels in dem ersten Abschnitt 102-1 verhindert wird.
Beispielsweise kann die Querschnittsfläche des ersten Abschnitts 102-1 derart dimensioniert sein, dass sich das Kältemittel in dem ersten Abschnitt 102-1 in einem nicht-festen (z.B. flüssigen, gasförmigen, flüssig/gasförmigen, überkritischen, etc.) Aggregatzustand befindet.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann das Kühlungsverfahren das Führen des Kältemittels in den zweiten Abschnitt 102-2 des mindestens einen Kanals 102 des Wärmeübertragers 100 aufweisen.
Beispielsweise kann die Querschnittsfläche des zweiten Abschnitts 102-2 derart dimensioniert sein, dass das Kältemittel in einem zumindest teilweise festen (z.B. festen/gasförmigen) Aggregatzustand in dem zweiten Abschnitt 102-2 expandiert wird.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann das Kühlungsverfahren das Bereitstellen einer Wärmeübertragung zwischen dem in den zweiten Abschnitt 102-2 fließenden Kältemittel und dem zu kühlenden Fluid, so dass das in den zweiten Abschnitt 102-2 fließende Kältemittel sublimieren und das zu kühlende Fluid gekühlt werden kann.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des Kühlungsverfahrens ergeben sich aus der Beschreibung des Wärmeübertragers 100 und der Kälteanlage 300 und umgekehrt.
Der hierin beschriebene Wärmeübertrager 100, die hierin beschriebene Kälteanlage 300 und das hierin beschriebene Kühlungsverfahren können in Anwendungen eingesetzt werden, welche eine tiefe Kühlung (z.B. auf einem Temperaturniveau unterhalb von -50°C) erfordern.
Eine mögliche Anwendung liegt in der Simulation klimatischer Bedingungen, beispielsweise zum Testen von Einrichtungen und/oder Komponenten bei extrem niedrigen Temperaturen. Eine weitere mögliche Anwendung liegt in Medizinmethode, welche eine solche niedrige Temperatur benötigen.
Im Folgenden werden verschiedene Beispiele beschrieben, die sich auf das vorangehend Beschriebene und Dargestellte beziehen.
Beispiel 1 ist ein Wärmeübertrager, welcher mindestens einen Kanal zum Führen von Kältemittel aufweisen kann, wobei der mindestens eine Kanal einen ersten Abschnitt und einen zweiten Abschnitt aufweist; wobei der erste Abschnitt in Bezug auf eine Strömungsrichtung des Kältemittels in dem mindestens einen Kanal stromaufwärts relativ zu dem zweiten Abschnitt angeordnet ist; wobei der zweite Abschnitt eine Querschnittsfläche aufweist, welche größer ist als eine Querschnittsfläche des ersten Abschnitts, so dass eine Sublimation des Kältemittels in dem zweiten Abschnitt ermöglicht wird.
In Beispiel 2 kann der Wärmeübertrager gemäß Beispiel 1 optional ferner aufweisen, dass der mindestens eine Kanal mehrere Rohre (z.B. mehrere Minikanäle, mehrere Minikanal-Rohre, etc.) aufweist.
In Beispiel 3 kann der Wärmeübertrager gemäß Beispiel 1 oder 2 optional ferner aufweisen, dass der Wärmeübertrager derart eingerichtet ist, dass sich ein in den mindestens einen Kanal fließendes Kältemittel in einer Wärmeübertragungsbeziehung mit einem zu kühlenden Fluid befinden kann.
In Beispiel 4 kann der Wärmeübertrager gemäß einem der Beispiele 1 bis 3 optional ferner aufweisen, dass der Wärmeübertrager derart eingerichtet ist, dass sich ein in den zweiten Abschnitt fließendes Kältemittel in einer Wärmeübertragungsbeziehung mit einem zu kühlenden Fluid befinden kann.
In Beispiel 5 kann der Wärmeübertrager gemäß einem der Beispiele 1 bis 4 optional ferner aufweisen, dass der zweite Abschnitt direkt neben dem ersten Abschnitt angeordnet ist.
In Beispiel 6 kann der Wärmeübertrager gemäß einem der Beispiele 1 bis 5 optional ferner aufweisen, dass der erste Abschnitt derart eingerichtet ist, dass dieser eine Drosselstelle am Eintritt des mindestens einen Kanals bereitstellt.
In Beispiel 7 kann der Wärmeübertrager gemäß einem der Beispiele 1 bis 6 optional ferner aufweisen, dass die Querschnittfläche des ersten Abschnitts derart dimensioniert ist, dass einen Abfall des Drucks eines in den ersten Abschnitt fließenden Kältemittels geschieht.
Beispielsweise kann die Querschnittsfläche des ersten Abschnitts derart dimensioniert sein, dass ein Kältemittel sich vor dem ersten Abschnitt auf einem Hochdruckniveau (z.B. auf einem Druckniveau in einem Bereich von ungefähr 10 bar bis ungefähr 160 bar, beispielsweise in einem Bereich von ungefähr 70 bar bis ungefähr 140 bar, beispielsweise in einem Bereich von ungefähr 40 bar bis ungefähr 70 bar) befindet; in dem ersten Abschnitt erreicht das Kältemittel eine kritische (Schall-)Geschwindigkeit, so dass der Druck des Kältemittels in dem ersten Abschnitt auf einem niedrigeren Druckniveau (z.B. auf einem Druckniveau in einem Bereich von ungefähr 10 bar bis ungefähr 70 bar, beispielsweise in einem Bereich von ungefähr 10 bar bis ungefähr 40 bar, beispielsweise in einem Bereich von ungefähr 40 bar bis ungefähr 70 bar) fällt; und nach dem ersten Abschnitt (z.B. beim Eintritt in dem zweiten Abschnitt) folgt eine weitere Expansion des Kältemittels und der Druck des Kältemittels fällt weiter ab (z.B. auf einem Druckniveau in einem Bereich von ungefähr 0 bar bis ungefähr 5 bar, z.B. auf einem Sublimationsdruckniveau).
In Beispiel 8 kann der Wärmeübertrager gemäß einem der Beispiele 1 bis 7 optional ferner aufweisen, dass die Querschnittfläche des ersten Abschnitts derart dimensioniert ist, dass eine Sublimation des Kältemittels in dem ersten Abschnitt verhindert wird.
In Beispiel 9 kann der Wärmeübertrager gemäß einem der Beispiele 1 bis 8 optional ferner aufweisen, dass die Querschnittfläche des ersten Abschnitts derart dimensioniert ist, dass sich das Kältemittel in dem ersten Abschnitt in einem nicht festen (z.B. flüssigen, gasförmigen, flüssig/gasförmigen, überkritischen, etc.) Aggregatzustand befindet bzw. befinden kann.
In Beispiel 10 kann der Wärmeübertrager gemäß einem der Beispiele 1 bis 9 optional ferner aufweisen, dass die Querschnittfläche des ersten Abschnitts derart dimensioniert ist, dass sich das Kältemittel auf einem Druckniveau in dem ersten Abschnitt (z.B. bis zum Austritt des ersten Abschnitts) befindet, welches größer ist als das Druckniveau des Tripelpunktes des Kältemittels.
In Beispiel 11 kann der Wärmeübertrager gemäß einem der Beispiele 1 bis 10 optional ferner aufweisen, dass die Querschnittsfläche des ersten Abschnitts derart dimensioniert ist, dass der vom Druck beim Eintritt des ersten Abschnitts abhängige kritische Massestrom durch den ersten Abschnitt erreicht wird.
In Beispiel 12 kann der Wärmeübertrager gemäß einem der Beispiele 1 bis 11 optional ferner aufweisen, dass die Querschnittfläche des ersten Abschnitts und die Querschnittfläche des zweiten Abschnitts derart dimensioniert sind, dass sich ein in den mindestens einen Kanal fließendes Kältemittel auf einem derartigen Druckniveau (z.B. auf Atmosphärendruckniveau) stromabwärts relativ zu dem ersten Abschnitt (z.B. in dem zweiten Abschnitt) befindet, dass die Sublimation des Kältemittels ermöglicht wird.
In Beispiel 13 kann der Wärmeübertrager gemäß einem der Beispiele 1 bis 12 optional ferner aufweisen, dass die Querschnittsfläche des ersten Abschnitts und die Querschnittsfläche des zweiten Abschnitts derart dimensioniert sind, dass das Kältemittel in einen zumindest teilweise festen (z.B. festen/gasförmigen) Aggregatzustand in dem zweiten Abschnitt expandiert wird.
In Beispiel 14 kann der Wärmeübertrager gemäß einem der Beispiele 1 bis 13 optional ferner aufweisen, dass der erste Abschnitt eine Querschnittfläche in einem Bereich von ungefähr 0.0001 mm² bis ungefähr 0.8 mm² aufweist, beispielsweise in einem Bereich von ungefähr 0.001 mm² bis ungefähr 0.5 mm², beispielsweise in einem Bereich von ungefähr 0.005 mm² bis ungefähr 0.25 mm².
In Beispiel 15 kann der Wärmeübertrager gemäß einem der Beispiele 1 bis 14 optional ferner aufweisen, dass der zweite Abschnitt eine Querschnittfläche in einem Bereich von ungefähr 0.01 mm² bis ungefähr 400 mm² aufweist, beispielsweise in einem Bereich von ungefähr 0.1 mm² bis ungefähr 100 mm², beispielsweise in einem Bereich von ungefähr 0.5 mm² bis ungefähr 50 mm², beispielsweise in einem Bereich von ungefähr 1 mm² bis ungefähr 20 mm².
In Beispiel 16 kann der Wärmeübertrager gemäß einem der Beispiele 1 bis 15 optional ferner aufweisen, dass die Querschnittsfläche des ersten Abschnitts und die Querschnittsfläche des zweiten Abschnitts derart dimensioniert sind, dass sich das Kältemittel auf einem Druckniveau in einem Bereich von ungefähr 0 bar bis ungefähr 5 bar in dem zweiten Abschnitt befindet.
In Beispiel 17 kann der Wärmeübertrager gemäß einem der Beispiele 1 bis 16 optional ferner aufweisen, dass das Kältemittel Kohlenstoffdioxid aufweist.
In Beispiel 18 kann der Wärmeübertrager gemäß einem der Beispiele 1 bis 17 optional ferner aufweisen, dass das Kältemittel ein kohlenwasserstoffbasierendes Kältemittel aufweist.
Beispielsweise kann das Kältemittel HFKW und/oder HFCKW und/oder HFO und/oder R170 und/oder R290 und/oder R600 etc. aufweisen.
In Beispiel 19 kann der Wärmeübertrager gemäß einem der Beispiele 1 bis 18 optional ferner aufweisen, dass das Kältemittel eine Mischung aus einer Mehrzahl von voneinander unterschiedlichen Kältemitteln aufweist.
In Beispiel 20 kann der Wärmeübertrager gemäß einem der Beispiele 1 bis 19 optional ferner einen ersten Behälter (z.B. einen Verteilerbehälter) aufweisen, welcher eingerichtet ist, das Kältemittel dem mindestens einen Kanal zuzuführen.
Beispielsweise kann der erste Behälter eingerichtet sein, das Kältemittel auf die mehreren Rohre (z.B. auf die mehreren Minikanäle) des mindestens einen Kanals (z.B. gleichmäßig) zu verteilen.
In Beispiel 21 kann der Wärmeübertrager gemäß Beispiel 20 optional ferner aufweisen, dass der erste Behälter derart eingerichtet ist, dass sich ein in den ersten Behälter fließendes Kältemittel auf einem Druckniveau befindet, welches oberhalb des Druckniveaus des Triplepunkts des Kältemittels ist.
In Beispiel 22 kann der Wärmeübertrager gemäß Beispiel 20 oder 21 optional ferner aufweisen, dass der erste Behälter derart eingerichtet ist, dass sich das Kältemittel auf einem Mitteldruckniveau oder Hochdruckniveau (z.B. auf einem Druckniveau in einem Bereich von ungefähr 10 bar bis ungefähr 160 bar, beispielsweise in einem Bereich von ungefähr 70 bar bis ungefähr 140 bar, beispielsweise in einem Bereich von ungefähr 40 bar bis ungefähr 70 bar, beispielsweise in einem Bereich von ungefähr 10 bar bis ungefähr 40 bar, etc.) in dem ersten Behälter befindet.
In Beispiel 23 kann der Wärmeübertrager gemäß einem der Beispiele 20 bis 22 optional ferner aufweisen, dass der erste Behälter derart eingerichtet ist, dass sich ein in den ersten Behälter fließendes Kältemittel in einem nicht festen (z.B. flüssigen, gasförmigen, flüssig/gasförmigen, überkritischen, etc.) Aggregatzustand befindet.
In Beispiel 24 kann der Wärmeübertrager gemäß einem der Beispiele 20 bis 23 optional ferner aufweisen, dass der erste Behälter als Abscheider (z.B. als Mitteldruckabscheider) eingerichtet ist.
Beispielsweise kann der erste Behälter eingerichtet sein, das flüssige Kältemittel dem mindestens einen Kanal zuzuführen und das gasförmige Kältemittel aus einem Gasausgang auszugeben.
In Beispiel 25 kann der Wärmeübertrager gemäß einem der Beispiele 1 bis 24 optional ferner einen zweiten Behälter (z.B. einen Sammelbehälter) aufweisen, welcher eingerichtet ist, das von dem mindestens einen Kanal ausgegebene Kältemittel zu empfangen.
In Beispiel 26 kann der Wärmeübertrager gemäß Beispiel 25 optional ferner aufweisen, dass der zweite Behälter als Feststoffabscheider (z.B. als Zyklonabscheider) eingerichtet ist.
Beispielsweise kann der zweite Behälter derart eingerichtet sein, dass dieser gasförmiges Kältemittel aus einem ersten Ausgang ausgibt und festes Kältemittel (z.B. feste Kältemittelbestandteile, wie beispielsweise feste Partikel von Kältemittel) ansammelt.
In Beispiel 27 kann der Wärmeübertrager gemäß einem der Beispiele 1 bis 26 optional ferner aufweisen, dass der erste Abschnitt einen kreisförmigen oder einen elliptischen Querschnitt aufweist.
In Beispiel 28 kann der Wärmeübertrager gemäß einem der Beispiele 1 bis 26 optional ferner aufweisen, dass der erste Abschnitt einen quadratischen oder einen rechteckigen oder einen mehreckigen Querschnitt aufweist.
In Beispiel 29 kann der Wärmeübertrager gemäß einem der Beispiele 1 bis 28 optional ferner aufweisen, dass der Querschnitt des ersten Abschnitts eine Größe entlang einer Richtung senkrecht zu der Strömungsrichtung des Kältemittels in dem mindestens einen Kanal (z.B. eine Höhe, eine Breite, einen Durchmesser, eine Kantenlänge, etc.) in einem Bereich von ungefähr 0.01 mm bis ungefähr 0.5 mm aufweist, beispielsweise in einem Bereich von ungefähr 0.01 mm bis ungefähr 0.2 mm, beispielsweise in einem Bereich von ungefähr 0.02 mm bis ungefähr 0.1 mm, beispielsweise in einem Bereich von ungefähr 0.02 mm bis ungefähr 0.05 mm.
Beispielsweise kann die Größe des Querschnitts des ersten Abschnitts kleiner als 0.1 mm sein.
In Beispiel 30 kann der Wärmeübertrager gemäß einem der Beispiele 1 bis 29 optional ferner aufweisen, dass der zweite Abschnitt einen kreisförmigen oder elliptischen Querschnitt aufweist.
In Beispiel 31 kann der Wärmeübertrager gemäß einem der Beispiele 1 bis 29 optional ferner aufweisen, dass der zweite Abschnitt einen quadratischen oder einen rechteckigen oder einen mehreckigen Querschnitt aufweist.
In Beispiel 32 kann der Wärmeübertrager gemäß einem der Beispiele 1 bis 31 optional ferner aufweisen, dass der Querschnitt des zweiten Abschnitts eine Größe entlang einer Richtung senkrecht zu der Strömungsrichtung des Kältemittels in dem mindestens einen Kanal (z.B. eine Höhe, eine Breite, einen Durchmesser, eine Kantenlänge, etc.) in einem Bereich von ungefähr 0.1 mm bis ungefähr 20 mm aufweist, beispielsweise von ungefähr 0.5 mm bis ungefähr 10 mm, von ungefähr 1 mm bis ungefähr 5 mm.
In Beispiel 33 kann der Wärmeübertrager gemäß einem der Beispiele 1 bis 32 optional ferner aufweisen, dass die Querschnittsfläche des ersten Abschnitts mittels Stauchens des mindestens einen Kanals bereitgestellt (anders ausgedrückt reduziert) wird.
In Beispiel 34 kann der Wärmeübertrager gemäß einem der Beispiele 1 bis 33 optional ferner aufweisen, dass der mindestens eine Kanal ein verengendes Element (z.B. eine Hülse, eine Lochscheibe, ein Lochblech, eine Kappe, etc.) aufweist, welches in dem ersten Abschnitt angeordnet ist, so dass die Querschnittsfläche des ersten Abschnitts reduziert ist.
In Beispiel 35 kann der Wärmeübertrager gemäß einem der Beispiele 1 bis 33 optional ferner aufweisen, dass ein verengendes Element am Eintritt des mindestens einen Kanals angeordnet (z.B. befestigt, wie beispielsweise gelötet, etc.) ist.
Beispielsweise kann das verengende Element als erster Abschnitt des mindestens einen Kanals dienen, und der mindestens eine Kanal kann als zweiter Abschnitt des mindestens einen Kanals dienen.
Beispiel 36 ist ein Wärmeübertrager aufweisend mindestens einen Kanal zum Führen von Kältemittel, und mindestens ein verengendes Element, welches stromaufwärts relativ zu dem mindestens einen Kanal angeordnet ist, wobei der mindestens eine Kanal eine Querschnittsfläche aufweist, welche größer ist als eine Querschnittsfläche (z.B. eine Innenquerschnittsfläche) des mindestens einen verengenden Elements, so dass eine Sublimation des Kältemittels in dem mindestens einen Kanal ermöglicht wird.
In Beispiel 37 kann der Wärmeübertrager gemäß Beispiel 36 optional ferner aufweisen, dass das mindestens eine verengende Element am Eintritt des mindestens einen Kanals angeordnet (z.B. befestigt, wie beispielsweise gelötet, etc.) angeordnet ist.
Beispiel 38 ist eine Kälteanlage aufweisend einen Wärmeübertrager gemäß einem der Beispiele 1 bis 37.
Die Kälteanlage kann optional ein Steuersystem bzw. ein Regelsystem mit einer Regeschleife aufweisen. Das Steuersystem bzw. das Regelsystem kann eingerichtet sein, die Komponente der Kälteanlage zu steuern bzw. die Betriebsbedingungen der Komponente der Kälteanlage zu regeln.
Die Kälteanlage kann optional einen Verdichter aufweisen, welcher stromabwärts relativ zu dem Wärmeübertrager angeordnet ist.
Die Kälteanlage kann optional einen wärmeabgebenden Wärmeübertrager aufweisen. Beispielsweise kann der wärmeabgebende Wärmeübertrager stromabwärts relativ zu dem Verdichter angeordnet sein. Beispielsweise kann der wärmeabgebende Wärmeübertrager stromaufwärts relativ zu dem Wärmeübertrager (z.B. relativ zu dem ersten Behälter des Wärmeübertragers) angeordnet sein.
In Beispiel 39 kann die Kälteanlage gemäß Beispiel 38 optional ferner aufweisen, dass das Steuersystem bzw. das Regelsystem eingerichtet ist, den Verdichter (z.B. die Drehzahl des Verdichters) derart zu steuern bzw. zu regeln, dass der Druck des Kältemittels (z.B. in dem Wärmeübertrager) erhöht (bzw. verringert) werden kann.
In Beispiel 40 kann die Kälteanlage gemäß Beispiel 38 oder 39 optional ferner aufweisen, dass das Steuersystem bzw. das Regelsystem eingerichtet ist, den wärmeabgebenden Wärmeübertrager derart zu steuern bzw. zu regeln, dass der Druck des von dem wärmeabgebenden Wärmeübertrager ausgegebenen Kältemittels erhöht (bzw. verringert) wird, so dass der Massestrom des Kältemittels in dem ersten Behälter erhöht (bzw. verringert) wird.
In Beispiel 41 kann die Kälteanlage gemäß einem der Beispiele 38 bis 40 optional ferner aufweisen, dass das Steuersystem bzw. das Regelsystem eingerichtet ist, den wärmeabgebenden Wärmeübertrager derart zu steuern bzw. zu regeln, dass der Druck des von dem wärmeabgebenden Wärmeübertrager ausgegebenen Kältemittels erhöht (bzw. verringert) wird, so dass die Überhitzung des Kältemittels verringert (bzw. erhöht) wird.
In Beispiel 42 kann die Kälteanlage gemäß einem der Beispiele 38 bis 41 optional ein Ventil (z.B. ein Drosselventil, ein Kapillarrohr, ein Expansionsventil, wie beispielsweise ein thermostatisches Expansionsventil, ein elektronisches Expansionsventil, ein Handexpansionsventil, etc.) aufweisen. Das Ventil kann derart eingerichtet sein, dass der Druck des Kältemittels reduziert wird, wenn dieses in das Ventil fließt.
Beispielsweise kann das Ventil stromabwärts relativ zu dem wärmeabgebenden Wärmeübertrager und stromaufwärts relativ zu dem Wärmeübertrager (z.B. zwischen dem wärmeabgebenden Wärmeübertrager und dem Wärmeübertrager) angeordnet sein.
In Beispiel 43 kann die Kälteanlage gemäß Beispiel 42 optional ferner aufweisen, dass das Steuersystem bzw. das Regelsystem eingerichtet ist, das Ventil derart zu steuern bzw. zu regeln, dass der Druck des von dem Ventil ausgegebenen Kältemittels erhöht (bzw. verringert) wird, dass der Massestrom des Kältemittels in dem Wärmeübertrager (z.B. in dem ersten Behälter) erhöht (bzw. verringert) wird.
In Beispiel 44 kann die Kälteanlage gemäß einem der Beispiele 38 bis 43 optional ferner aufweisen, dass der erste Behälter des Wärmeübertragers als Abscheider (z.B. als Mitteldruckabscheider) eingerichtet ist, und dass die Kälteanlage eingerichtet ist, dass das von dem ersten Behälter ausgegebene gasförmige Kältemittel dem Verdichter zugeführt wird.
In Beispiel 45 kann die Kälteanlage gemäß Beispiel 44 optional ferner ein zusätzliches Ventil (z.B. ein Drosselventil, ein Kapillarrohr, ein Expansionsventil, wie beispielsweise ein thermostatisches Expansionsventil, ein elektronisches Expansionsventil, ein Handexpansionsventil, etc.) aufweisen. Das zusätzliche Ventil kann derart eingerichtet sein, dass der Druck des Kältemittels reduziert wird, wenn dieses in das zusätzliche Ventil fließt.
Beispielsweise kann das zusätzliche Ventil stromabwärts relativ zu einem Gasausgang des ersten Behälters (z.B. zwischen dem Gasausgang des ersten Behälters und dem Verdichter) angeordnet sein.
In Beispiel 46 kann die Kälteanlage gemäß einem der Beispiele 38 bis 45 optional ferner aufweisen, dass der zweite Behälter des Wärmeübertragers als Feststoffabscheider eingerichtet ist. Beispielsweise kann eine Überhitzung des Kältemittels am Boden des zweiten Behälters erfasst werden.
In Beispiel 47 kann die Kälteanlage gemäß einem der Beispiele 38 bis 46 optional ferner einen zweiten Verdichter (z.B. einen Hubkolbenverdichter, einen Schraubenverdichter, einen Rotationskompressor, einen Zentrifugalkompressor, einen Scroll-Kompressor, etc.) aufweisen. Der zweite Verdichter kann beispielsweise stromabwärts relativ zu dem Verdichter angeordnet sein.
Beispielsweise kann die Kälteanlage derart eingerichtet sein, dass das von dem ersten Behälter (z.B. von dem Gasausgang des ersten Behälters) ausgegebene gasförmige Kältemittel zusammen mit dem von dem Verdichter ausgegebene verdichtete Kältemittel dem zweiten Verdichter zugeführt wird.
In Beispiel 48 kann die Kälteanlage gemäß Beispiel 47 optional ferner aufweisen, dass das Steuersystem bzw. das Regelsystem eingerichtet ist, den zweiten Verdichter (z.B. eine Drehzahl des zusätzlichen Verdichters) derart zu steuern bzw. zu regeln, dass der Druck des Kältemittels im ersten Behälter erhöht (bzw. verringert) wird.
In Beispiel 49 kann die Kälteanlage gemäß einem der Beispiele 38 bis 48 optional ferner einen Abscheider (z.B. einen Mitteldruckabscheider) aufweisen. Der Abscheider kann eingerichtet sein, gasförmiges Kältemittel vom flüssigen Kältemittel abzuscheiden. Der Abscheider kann stromaufwärts relativ zu dem Wärmeübertrager angeordnet sein. Beispielsweise kann die Kälteanlage derart eingerichtet sein, dass das von dem Abscheider ausgegebene gasförmige Kältemittel dem Verdichter und/oder dem zweiten Verdichter zugeführt wird.
In Beispiel 50 kann die Kälteanlage gemäß Beispiel 49 optional ferner ein anderes Ventil (z.B. ein Drosselventil, ein Kapillarrohr, ein Expansionsventil, wie beispielsweise ein thermostatisches Expansionsventil, ein elektronisches Expansionsventil, ein Handexpansionsventil, etc.) aufweisen. Das andere Ventil kann derart eingerichtet sein, dass der Druck des Kältemittels reduziert wird, wenn dieses in das andere Ventil fließt. Das andere Ventil kann stromabwärts relativ zu einem Gasausgang des Abscheiders angeordnet sein.
In Beispiel 51 kann die Kälteanlage gemäß Beispiel 50 optional ferner aufweisen, dass das Steuersystem bzw. das Regelsystem eingerichtet ist, das andere Ventil derart zu steuern bzw. zu regeln, dass der Druck des von dem anderen Ventil ausgegebenen Kältemittels erhöht (bzw. verringert) wird, so dass der Druck des Kältemittels in dem Abscheider erhöht (bzw. verringert) wird.
In Beispiel 52 kann die Kälteanlage gemäß Beispiel 50 oder 51 optional ferner aufweisen, dass das Steuersystem bzw. das Regelsystem eingerichtet ist, das andere Ventil derart zu steuern bzw. zu regeln, dass der Druck des von dem anderen Ventil ausgegebenen Kältemittels erhöht (bzw. verringert) wird, so dass der Massestrom des Kältemittels in dem Abscheider erhöht (bzw. verringert) wird.
In Beispiel 53 kann die Kälteanlage gemäß einem der Beispiele 50 bis 52 optional ferner aufweisen, dass das Steuersystem bzw. das Regelsystem eingerichtet ist, das andere Ventil derart zu steuern bzw. zu regeln, dass der Druck (z.B. der Mitteldruck) im Abscheider auf überkritischen Druck unterhalb oder gleich dem Hochdruck (z.B. auf einem Druckniveau in einem Bereich von ungefähr 10 bar bis ungefähr 160 bar, beispielsweise von ungefähr 70 bar bis ungefähr 140 bar, beispielsweise von ungefähr 40 bar bis ungefähr 70 bar) erhöht wird.
In Beispiel 54 kann die Kälteanlage gemäß Beispiel 47 oder 48 und gemäß einem der Beispiele 49 bis 53 optional ferner aufweisen, dass das Steuersystem bzw. das Regelsystem eingerichtet ist, den zweiten Verdichter (z.B. die Drehzahl des zweiten Verdichters) derart zu steuern bzw. zu regeln, dass der Druck des Kältemittels im Abscheider erhöht (bzw. verringert) wird.
Beispiel 55 ist ein Kühlungsverfahren zum Kühlen eines Fluids mittels Sublimation eines Kältemittels, welches das Folgende aufweist: Bereitstellen eines Kältemittels einem Wärmeübertrager, wobei der Wärmeübertrager mindestens einen Kanal zum Führen von Kältemittel aufweist; Führen des Kältemittels in den mindestens einen Kanal, wobei der mindestens eine Kanal einen ersten Abschnitt und einen zweiten Abschnitt aufweist, wobei der erste Abschnitt in Bezug auf eine Strömungsrichtung des Kältemittels in dem mindestens einen Kanal stromaufwärts relativ zu dem zweiten Abschnitt angeordnet ist, wobei der zweite Abschnitt eine Querschnittsfläche aufweist, welche größer ist als eine Querschnittsfläche des ersten Abschnitts so dass eine Sublimation des Kältemittels in dem zweiten Abschnitt ermöglicht wird; Bereitstellen einer Wärmeübertragung zwischen dem in den zweiten Abschnitt fließenden Kältemittel und dem zu kühlenden Fluid, so dass das in den zweiten Abschnitt fließende Kältemittel sublimieren und das zu kühlende Fluid gekühlt werden kann.
In Beispiel 56 kann das Kühlungsverfahren gemäß Beispiel 55 optional ferner aufweisen, dass das dem Wärmeübertrager bereitgestellte Kältemittel sich in einem nicht festen (z.B. flüssigen, gasförmigen, flüssig/gasförmigen, überkritischen, etc.) Aggregatzustand befindet.
In Beispiel 57 kann das Kühlungsverfahren gemäß Beispiel 55 oder 56 optional ferner aufweisen, das Führen des Kältemittels in einen ersten Abschnitt des mindestens einen Kanals des Wärmeübertragers aufweisen, wobei die Querschnittsfläche des ersten Abschnitts derart dimensioniert ist, dass eine Sublimation des Kältemittels in dem ersten Abschnitt verhindert wird.
In Beispiel 58 kann das Kühlungsverfahren gemäß einem der Beispiele 55 bis 57 optional ferner aufweisen, das Führen des Kältemittels in einen zweiten Abschnitt des mindestens einen Kanals des Wärmeübertragers aufweisen.
In Beispiel 59 kann das Kühlungsverfahren gemäß einem der Beispiele 55 bis 58 optional ferner aufweisen, dass der mindestens eine Kanal mehrere Rohre (z.B. mehrere Minikanäle, mehrere Minikanal Rohre) aufweist.
In Beispiel 60 kann das Kühlungsverfahren gemäß einem der Beispiele 55 bis 59 optional ferner aufweisen, dass der Wärmeübertrager derart eingerichtet ist, dass sich ein in den mindestens einen Kanal fließendes Kältemittel in einer Wärmeübertragungsbeziehung mit einem zu kühlenden Fluid befinden kann.
In Beispiel 61 kann das Kühlungsverfahren gemäß einem der Beispiele 55 bis 60 optional ferner aufweisen, dass der Wärmeübertrager derart eingerichtet ist, dass sich ein in den zweiten Abschnitt fließendes Kältemittel in einer Wärmeübertragungsbeziehung mit einem zu kühlenden Fluid befinden kann.
In Beispiel 62 kann das Kühlungsverfahren gemäß einem der Beispiele 55 bis 61 optional ferner aufweisen, dass der zweite Abschnitt direkt neben dem ersten Abschnitt angeordnet ist.
In Beispiel 63 kann das Kühlungsverfahren gemäß einem der Beispiele 55 bis 62 optional ferner aufweisen, dass der erste Abschnitt derart eingerichtet ist, dass dieser eine Drosselstelle am Eintritt des mindestens einen Kanals bereitstellt.
In Beispiel 64 kann das Kühlungsverfahren gemäß einem der Beispiele 55 bis 63 optional ferner aufweisen, dass die Querschnittfläche des ersten Abschnitts derart dimensioniert ist, dass einen Abfall des Drucks eines in den ersten Abschnitt fließenden Kältemittels geschieht.
Beispielsweise kann die Querschnittsfläche des ersten Abschnitts derart dimensioniert sein, dass ein Kältemittel sich vor dem ersten Abschnitt auf einem Hochdruckniveau (z.B. auf einem Druckniveau in einem Bereich von ungefähr 10 bar bis ungefähr 160 bar, beispielsweise in einem Bereich von ungefähr 70 bar bis ungefähr 140 bar, beispielsweise in einem Bereich von ungefähr 40 bar bis ungefähr 70 bar) befindet; in dem ersten Abschnitt erreicht das Kältemittel eine kritische (Schall-)Geschwindigkeit, so dass der Druck des Kältemittels in dem ersten Abschnitt auf einem niedrigeren Druckniveau (z.B. auf einem Druckniveau in einem Bereich von ungefähr 10 bar bis ungefähr 70 bar, beispielsweise in einem Bereich von ungefähr 10 bar bis ungefähr 40 bar, beispielsweise in einem Bereich von ungefähr 40 bar bis ungefähr 70 bar) fällt; und nach dem ersten Abschnitt (z.B. beim Eintritt in dem zweiten Abschnitt) folgt eine weitere Expansion des Kältemittels und der Druck des Kältemittels fällt weiter ab (z.B. auf einem Druckniveau in einem Bereich von ungefähr 0 bar bis ungefähr 5 bar, z.B. auf einem Sublimationsdruckniveau).
In Beispiel 65 kann das Kühlungsverfahren gemäß einem der Beispiele 55 bis 64 optional ferner aufweisen, dass die Querschnittfläche des ersten Abschnitts derart dimensioniert ist, dass eine Sublimation des Kältemittels in dem ersten Abschnitt verhindert wird.
In Beispiel 66 kann das Kühlungsverfahren gemäß einem der Beispiele 55 bis 65 optional ferner aufweisen, dass die Querschnittfläche des ersten Abschnitts derart dimensioniert ist, dass sich das Kältemittel in dem ersten Abschnitt in einem nicht festen (z.B. flüssigen, gasförmigen, flüssig/gasförmigen, überkritischen, etc.) Aggregatzustand befindet bzw. befinden kann.
In Beispiel 67 kann das Kühlungsverfahren gemäß einem der Beispiele 55 bis 66 optional ferner aufweisen, dass die Querschnittfläche des ersten Abschnitts derart dimensioniert ist, dass sich das Kältemittel auf einem Druckniveau in dem ersten Abschnitt (z.B. bis zum Austritt des ersten Abschnitts) befindet, welches größer ist als das Druckniveau des Tripelpunktes des Kältemittels.
In Beispiel 68 kann das Kühlungsverfahren gemäß einem der Beispiele 55 bis 67 optional ferner aufweisen, dass die Querschnittsfläche des ersten Abschnitts derart dimensioniert ist, dass der vom Druck beim Eintritt des ersten Abschnitts abhängige kritische Massestrom durch den ersten Abschnitt erreicht wird.
In Beispiel 69 kann das Kühlungsverfahren gemäß einem der Beispiele 55 bis 68 optional ferner aufweisen, dass die Querschnittfläche des ersten Abschnitts und die Querschnittfläche des zweiten Abschnitts derart dimensioniert sind, dass sich ein in den mindestens einen Kanal fließendes Kältemittel auf einem derartigen Druckniveau (z.B. auf Atmosphärendruckniveau) stromabwärts relativ zu dem ersten Abschnitt (z.B. in dem zweiten Abschnitt) befindet, dass die Sublimation des Kältemittels ermöglicht wird.
In Beispiel 70 kann das Kühlungsverfahren gemäß einem der Beispiele 55 bis 69 optional ferner aufweisen, dass die Querschnittsfläche des ersten Abschnitts und die Querschnittsfläche des zweiten Abschnitts derart dimensioniert sind, dass das Kältemittel in einen zumindest teilweise festen (z.B. festen/gasförmigen) Aggregatzustand in dem zweiten Abschnitt expandiert wird.
In Beispiel 71 kann das Kühlungsverfahren gemäß einem der Beispiele 55 bis 70 optional ferner aufweisen, dass der erste Abschnitt eine Querschnittfläche in einem Bereich von ungefähr 0.0001 mm² bis ungefähr 0.8 mm² aufweist, beispielsweise in einem Bereich von ungefähr 0.001 mm² bis ungefähr 0.5 mm², beispielsweise in einem Bereich von ungefähr 0.005 mm² bis ungefähr 0.25 mm².
In Beispiel 72 kann das Kühlungsverfahren gemäß einem der Beispiele 55 bis 71 optional ferner aufweisen, dass der zweite Abschnitt eine Querschnittfläche in einem Bereich von ungefähr 0.01 mm² bis ungefähr 400 mm² aufweist, beispielsweise in einem Bereich von ungefähr 0.1 mm² bis ungefähr 100 mm², beispielsweise in einem Bereich von ungefähr 0.5 mm² bis ungefähr 50 mm², beispielsweise in einem Bereich von ungefähr 1 mm² bis ungefähr 20 mm².
In Beispiel 73 kann das Kühlungsverfahren gemäß einem der Beispiele 55 bis 72 optional ferner aufweisen, dass die Querschnittsfläche des ersten Abschnitts und die Querschnittsfläche des zweiten Abschnitts derart dimensioniert sind, dass sich das Kältemittel auf einem Druckniveau in einem Bereich von ungefähr 0 bar bis ungefähr 5 bar in dem zweiten Abschnitt befindet.
In Beispiel 74 kann das Kühlungsverfahren gemäß einem der Beispiele 55 bis 73 optional ferner aufweisen, dass das Kältemittel Kohlenstoffdioxid aufweist.
In Beispiel 75 kann das Kühlungsverfahren gemäß einem der Beispiele 55 bis 74 optional ferner aufweisen, dass das Kältemittel ein kohlenwasserstoffbasierendes Kältemittel aufweist.
Beispielsweise kann das Kältemittel HFKW und/oder HFCKW und/oder HFO und/oder R170 und/oder R290 und/oder R600 etc. aufweisen.
In Beispiel 76 kann das Kühlungsverfahren gemäß einem der Beispiele 55 bis 75 optional ferner aufweisen, dass das Kältemittel eine Mischung aus einer Mehrzahl von voneinander unterschiedlichen Kältemitteln aufweist.
In Beispiel 77 kann das Kühlungsverfahren gemäß einem der Beispiele 55 bis 76 optional ferner einen ersten Behälter (z.B. einen Verteilerbehälter) aufweisen, welcher eingerichtet ist, das Kältemittel dem mindestens einen Kanal zuzuführen.
Beispielsweise kann der erste Behälter eingerichtet sein, das Kältemittel auf die mehreren Rohre (z.B. auf die mehreren Minikanäle) des mindestens einen Kanals (z.B. gleichmäßig) zu verteilen, wenn der mindestens eine Kanal mehrere Rohre aufweist.
In Beispiel 78 kann das Kühlungsverfahren gemäß Beispiel 77 optional ferner aufweisen, dass der erste Behälter derart eingerichtet ist, dass sich ein in den ersten Behälter fließendes Kältemittel auf einem Druckniveau befindet, welches oberhalb des Druckniveaus des Triplepunkts des Kältemittels ist.
In Beispiel 79 kann das Kühlungsverfahren gemäß Beispiel 77 oder 78 optional ferner aufweisen, dass der erste Behälter derart eingerichtet ist, dass sich das Kältemittel auf einem Mitteldruckniveau oder Hochdruckniveau (z.B. auf einem Druckniveau in einem Bereich von ungefähr 10 bar bis ungefähr 160 bar, beispielsweise in einem Bereich von ungefähr 70 bar bis ungefähr 140 bar, beispielsweise in einem Bereich von ungefähr 40 bar bis ungefähr 70 bar, beispielsweise in einem Bereich von ungefähr 10 bar bis ungefähr 40 bar, etc.) in dem ersten Behälter befindet.
In Beispiel 80 kann das Kühlungsverfahren gemäß einem der Beispiele 77 bis 79 optional ferner aufweisen, dass der erste Behälter derart eingerichtet ist, dass sich ein in den ersten Behälter fließendes Kältemittel in einem nicht festen (z.B. flüssigen, gasförmigen, flüssig/gasförmigen, überkritischen, etc.) Aggregatzustand befindet.
In Beispiel 81 kann das Kühlungsverfahren gemäß einem der Beispiele 77 bis 80 optional ferner aufweisen, dass der erste Behälter als Abscheider (z.B. als Mitteldruckabscheider) eingerichtet ist.
Beispielsweise kann der erste Behälter eingerichtet sein, das flüssige Kältemittel dem mindestens einen Kanal zuzuführen und das gasförmige Kältemittel aus einem Gasausgang auszugeben.
In Beispiel 82 kann das Kühlungsverfahren gemäß einem der Beispiele 55 bis 81 optional ferner einen zweiten Behälter (z.B. einen Sammelbehälter) aufweisen, welcher eingerichtet ist, das von dem mindestens einen Kanal ausgegebene Kältemittel zu empfangen.
In Beispiel 83 kann das Kühlungsverfahren gemäß Beispiel 82 optional ferner aufweisen, dass der zweite Behälter als Feststoffabscheider (z.B. als Zyklonabscheider) eingerichtet ist.
Beispielsweise kann der zweite Behälter derart eingerichtet sein, dass dieser gasförmiges Kältemittel aus einem ersten Ausgang ausgibt und festes Kältemittel (z.B. feste Kältemittelbestandteile, wie beispielsweise feste Partikel von Kältemittel) ansammelt.
In Beispiel 84 kann das Kühlungsverfahren gemäß einem der Beispiele 55 bis 83 optional ferner aufweisen, dass der erste Abschnitt einen kreisförmigen oder einen elliptischen Querschnitt aufweist.
In Beispiel 85 kann das Kühlungsverfahren gemäß einem der Beispiele 55 bis 83 optional ferner aufweisen, dass der erste Abschnitt einen quadratischen oder einen rechteckigen oder einen mehreckigen Querschnitt aufweist.
In Beispiel 86 kann das Kühlungsverfahren gemäß einem der Beispiele 55 bis 85 optional ferner aufweisen, dass der Querschnitt des ersten Abschnitts eine Größe entlang einer Richtung senkrecht zu der Strömungsrichtung des Kältemittels in dem mindestens einen Kanal (z.B. eine Höhe, eine Breite, einen Durchmesser, eine Kantenlänge, etc.) in einem Bereich von ungefähr 0.01 mm bis ungefähr 0.5 mm aufweist, beispielsweise in einem Bereich von ungefähr 0.01 mm bis ungefähr 0.2 mm, beispielsweise in einem Bereich von ungefähr 0.02 mm bis ungefähr 0.1 mm, beispielsweise in einem Bereich von ungefähr 0.02 mm bis ungefähr 0.05 mm.
Beispielsweise kann die Größe des Querschnitts des ersten Abschnitts kleiner als 0.1 mm sein.
In Beispiel 87 kann das Kühlungsverfahren gemäß einem der Beispiele 55 bis 86 optional ferner aufweisen, dass der zweite Abschnitt einen kreisförmigen oder elliptischen Querschnitt aufweist.
In Beispiel 88 kann das Kühlungsverfahren gemäß einem der Beispiele 55 bis 86 optional ferner aufweisen, dass der zweite Abschnitt einen quadratischen oder einen rechteckigen oder einen mehreckigen Querschnitt aufweist.
In Beispiel 89 kann das Kühlungsverfahren gemäß einem der Beispiele 55 bis 88 optional ferner aufweisen, dass der Querschnitt des zweiten Abschnitts eine Größe entlang einer Richtung senkrecht zu der Strömungsrichtung des Kältemittels in dem mindestens einen Kanal (z.B. eine Höhe, eine Breite, einen Durchmesser, eine Kantenlänge, etc.) in einem Bereich von ungefähr 0.1 mm bis ungefähr 20 mm aufweist, beispielsweise von ungefähr 0.5 mm bis ungefähr 10 mm, von ungefähr 1 mm bis ungefähr 5 mm.
In Beispiel 90 kann das Kühlungsverfahren gemäß einem der Beispiele 55 bis 89 optional ferner aufweisen, dass die Querschnittsfläche des ersten Abschnitts mittels Stauchens des mindestens einen Kanals bereitgestellt (anders ausgedrückt reduziert) wird.
In Beispiel 91 kann das Kühlungsverfahren gemäß einem der Beispiele 55 bis 90 optional ferner aufweisen, dass der mindestens eine Kanal ein verengendes Element (z.B. eine Hülse, eine Lochscheibe, ein Lochblech, eine Kappe, etc.) aufweist, welches in dem ersten Abschnitt angeordnet ist, so dass die Querschnittsfläche des ersten Abschnitts reduziert ist.
In Beispiel 92 kann das Kühlungsverfahren gemäß einem der Beispiele 55 bis 90 optional ferner aufweisen, dass ein verengendes Element am Eintritt des mindestens einen Kanals angeordnet (z.B. befestigt, wie beispielsweise gelötet, etc.) ist.
Beispielsweise kann das verengende Element als erster Abschnitt des mindestens einen Kanals dienen, und der mindestens eine Kanal kann als zweiter Abschnitt des mindestens einen Kanals dienen.

Claims

Wärmeübertrager (100) aufweisend mindestens einen Kanal (102) zum Führen von Kältemittel, wobei der mindestens eine Kanal (102) einen ersten Abschnitt (102-1) und einen zweiten Abschnitt (102-2) aufweist; wobei der erste Abschnitt (102-1) in Bezug auf eine Strömungsrichtung des Kältemittels in dem mindestens einen Kanal (102) stromaufwärts relativ zu dem zweiten Abschnitt (102-2) angeordnet ist; wobei der zweite Abschnitt (102-2) eine Querschnittsfläche aufweist, welche größer ist als eine Querschnittsfläche des ersten Abschnitts (102-1), so dass eine Sublimation des Kältemittels in dem zweiten Abschnitt (102-2) ermöglicht wird.
Wärmeübertrager (100) gemäß Anspruch 1, wobei die Querschnittfläche des ersten Abschnitts (102-1) derart dimensioniert ist, dass eine Sublimation des Kältemittels in dem ersten Abschnitt (102-1) verhindert wird.
Wärmeübertrager (100) gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei die Querschnittfläche des ersten Abschnitts (102-1) derart dimensioniert ist, dass sich das Kältemittel auf einem Druckniveau in dem ersten Abschnitt (102-1) befindet, welches größer ist als das Druckniveau des Tripelpunktes des Kältemittels.
Wärmeübertrager (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Querschnittsfläche des ersten Abschnitts (102-1) und die Querschnittsfläche des zweiten Abschnitts (102-2) derart dimensioniert sind, dass das Kältemittel in einen zumindest teilweise festen Aggregatzustand in dem zweiten Abschnitt (102-2) expandiert wird.
Wärmeübertrager (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das Kältemittel Kohlenstoffdioxid aufweist.
Wärmeübertrager (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der erste Abschnitt (102-1) eine Querschnittsfläche in einem Bereich von ungefähr 0.0001 mm² bis ungefähr 0.8 mm² aufweist.
Wärmeübertrager (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei der zweite Abschnitt (102-2) eine Querschnittsfläche in einem Bereich von ungefähr 0.01 mm² bis ungefähr 400 mm² aufweist.
Wärmeübertrager (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei der mindestens eine Kanal (102) ein verengendes Element (210) aufweist, welche in dem ersten Abschnitt (102-1) angeordnet ist, so dass die Querschnittsfläche des ersten Abschnitts (102-1) reduziert ist.
Kälteanlage (300) aufweisend einen Wärmeübertrager (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8.
Kühlungsverfahren zum Kühlen eines Fluids mittels Sublimation eines Kältemittels, welches das Folgende aufweist: Bereitstellen eines Kältemittels einem Wärmeübertrager (100), wobei der Wärmeübertrager (100) mindestens einen Kanal (102) zum Führen von Kältemittel aufweist; Führen des Kältemittels in den mindestens einen Kanal (102), wobei der mindestens eine Kanal (102) einen ersten Abschnitt (102-1) und einen zweiten Abschnitt (102-2) aufweist; wobei der erste Abschnitt (102-1) in Bezug auf eine Strömungsrichtung des Kältemittels in dem mindestens einen Kanal (102) stromaufwärts relativ zu dem zweiten Abschnitt (102-2) angeordnet ist; wobei der zweite Abschnitt (102-2) eine Querschnittsfläche aufweist, welche größer ist als eine Querschnittsfläche des ersten Abschnitts (102-1) so dass eine Sublimation des Kältemittels in dem zweiten Abschnitt (102-2) ermöglicht wird; und Bereitstellen einer Wärmeübertragung zwischen dem in den zweiten Abschnitt (102-2) fließenden Kältemittel und dem zu kühlenden Fluid, so dass das in dem zweiten Abschnitt (102-2) fließende Kältemittel sublimiert und das zu kühlende Fluid gekühlt wird.