DE102022134153A1 - Process and plant for producing ice, ice slurry/ice particles, snow, hydrates, cold water or their combinations or mixtures/suspensions in a closed process - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anlage zur Erzeugung von Eis, Eisbrei/Eispartikeln, Schnee, Hydraten, Kaltwasser oder deren Kombinationen bzw. Mischung/Suspension, wobei mindestens ein Stoffstrom (2) in Form von Eis, Eisbrei/Eispartikeln, Schnee, Hydrat, Kaltwasser oder deren Kombinationen bzw. Mischung/Suspension mit einem Kältemittel eines Stoffstroms (1) in einem Apparat (3) zusammengeführt und in und/oder beim Austreten aus dem Apparat (3) entspannen und abkühlen, der aus dem Apparat (3) austretende Strom (1/2) aus den Stoffströmen (1) und (2) einem Behälter (4) mit Speicherfunktion zugeführt wird, in dem Behälter (4) eine Phasentrennung der Stoffströme (1) und (2) erfolgt und aus dem Behälter (4) der erste Stoffstrom (1) mit dem Kältemittel entnommen wird und der in seiner Temperatur reduzierte zweite Stoffstrom (2) Form von Eis, Eisbrei/Eispartikeln, Schnee, Hydrat, Kaltwasser oder deren Kombinationen bzw. Mischung/Suspension eine Kühlfunktion (K) realisiert.The invention relates to a method and a plant for producing ice, ice slurry/ice particles, snow, hydrates, cold water or combinations or mixtures/suspensions thereof, wherein at least one material flow (2) in the form of ice, ice slurry/ice particles, snow, hydrate, cold water or combinations or mixtures/suspensions thereof is brought together with a coolant of a material flow (1) in an apparatus (3) and is expanded and cooled in and/or when leaving the apparatus (3), the flow (1/2) emerging from the apparatus (3) from the material flows (1) and (2) is fed to a container (4) with a storage function, a phase separation of the material flows (1) and (2) takes place in the container (4) and the first material flow (1) with the coolant is taken from the container (4) and the second material flow (2) reduced in temperature in the form of ice, ice slurry/ice particles, snow, hydrate, cold water or combinations or mixtures/suspensions thereof Cooling function (K) realized.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anlage zur Erzeugung von Eis, Eisbrei/Eispartikeln, Schnee, Hydraten, Kaltwasser oder deren Kombinationen bzw. Mischung/Suspension in einem geschlossenen Prozess nach dem Oberbegriff des 1. und 15. Patentanspruchs.The invention relates to a method and a plant for producing ice, ice slurry/ice particles, snow, hydrates, cold water or their combinations or mixtures/suspensions in a closed process according to the preamble of the 1st and 15th patent claims.
Die Speicherung von Kaltwasser und Wassereis besitzt viele (theoretische) Vorteile (z. B. ökologischer Speicherstoff, Pumpfähigkeit von Eisbrei). Jedoch konnten sich Eisbreisysteme aus verschiedenen Gründen nicht durchsetzen (z. B. zu teure Anlagentechnik, zu niedrige Arbeitszahlen). Verschiedene Techniken lassen sich auch nicht auf große Leistungen skalieren bzw. bei der Übertragung auf große Leistungen konnten keine Kostenreduktionen bzw. keine Effizienzsteigerungen erreicht werden.The storage of cold water and water ice has many (theoretical) advantages (e.g. ecological storage material, pumpability of ice slurry). However, ice slurry systems have not been able to establish themselves for various reasons (e.g. system technology is too expensive, performance factors are too low). Various technologies cannot be scaled up to large outputs, or when transferred to large outputs, no cost reductions or efficiency increases could be achieved.
Deswegen ist eine verfahrenstechnische Herstellung von Eisbrei erforderlich (z. B. Injektortechnik). Weiterhin werden zur Kälteerzeugung oft klassische Kältemaschinen mit (noch) zugelassenen Kältemitteln (Schädigung des Klimas und der Umwelt, Brennbarkeit, Explosionsgefahr, Giftigkeit usw.) verwendet.Therefore, a process-based production of ice slurry is required (e.g. injector technology). Furthermore, classic refrigeration machines with (still) approved refrigerants (damage to the climate and the environment, flammability, risk of explosion, toxicity, etc.) are often used to generate cold.
Aus der Druckschrift
Die Druckschrift
Die Injektion von Kohlendioxid kann dabei flüssig und/oder gasförmig erfolgen in eine wässrige Lösung mittels Injektordüsen oder - als Alternative - durch vorherige Vermischung in einer Düse.
Das Kältemittel steht zudem unter Druck und liegt in einem Temperaturbereich um oder unter 0 Grad Celsius vor. Der Kältemittelkreislauf und der Verwertungskreislauf (mit einem Kälteverbraucher) sind in zwei Stoffströme getrennt
Der Hydratbrei (ggf. mit Eispartikeln) entsteht im Behälter entweder durch Kühlspiralen oder durch Entspannung. Die Spirale kann innen oder außen angeordnet sein und dient auch der Temperaturkontrolle im Behälter.The publication
The injection of carbon dioxide can be carried out in liquid and/or gaseous form into an aqueous solution using injector nozzles or - alternatively - by prior mixing in a nozzle.
The refrigerant is also under pressure and has a temperature range of around or below 0 degrees Celsius. The refrigerant circuit and the recycling circuit (with a cooling consumer) are separated into two material flows
The hydrate slurry (possibly with ice particles) is created in the container either by cooling spirals or by relaxation. The spiral can be arranged inside or outside and also serves to control the temperature in the container.
Eine Rückkühlung des Kältemittels in Form des Kohlendioxids ist nicht vorgesehen und für die Erzeugung von Hydraten unter Umständen auch nicht zwingend erforderlich, jedoch wird eine bessere Prozessführung dadurch eingeschränkt.Recooling of the refrigerant in the form of carbon dioxide is not planned and may not be absolutely necessary for the production of hydrates, but this limits better process control.
Weiterhin wird die Hydrationswärme aus dem Speicherbehälter abgeführt, was sich negativ auf die Temperaturen auswirken kann. Der am Behälter angeordnete Wärmeübertrager lässt keine großen Leistungen zu. Letztendlich erfolgt die Eiserzeugung in einem zweistufigen Prozess über das Auflösen der Hydrate. Insgesamt arbeitet die beschriebene Anlage nicht energieeffizient und ist nicht in der Lage große Kälteleistungen bereitzustellen.Furthermore, the hydration heat is removed from the storage tank, which can have a negative effect on the temperatures. The heat exchanger arranged on the tank does not allow for high performance. Ultimately, ice is produced in a two-stage process by dissolving the hydrates. Overall, the system described is not energy efficient and is not able to provide high cooling performance.
Im Allgemeinen sind keine Kälte- oder Eiserzeugungsanlagen bzw. Speichersysteme bekannt, die für eine großtechnische Verwertung des überschüssigen Stroms, insbesondere aus erneuerbaren Energiequellen, geeignet sind. Außerdem liegen keine Lösungen für die industrielle Bereitstellung von Prozesskälte und Prozesswärme vor. Die Flexibilisierung der Energieversorgungssysteme sowie eine konsequente ökologische Gestaltung von Verfahren und Anlagen sind in diesem Zusammenhang neu.In general, there are no known refrigeration or ice production plants or storage systems that are suitable for the large-scale use of excess electricity, especially from renewable energy sources. In addition, there are no solutions for the industrial provision of process cooling and process heat. The flexibilization of energy supply systems and the consistent ecological design of processes and plants are new in this context.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Anlage und ein Verfahren zur Erzeugung von Eis, Eisbrei/Eispartikeln, Schnee, Hydraten, Kaltwasser oder deren Kombinationen bzw. Mischung/Suspension für industrielle bzw. technische Anwendungen zu entwickeln, mit dem unter Verwendung eines ökologischen Kältemittels und Kälteträgers hohe Kälteleistungen und hohe Eisproduktionen realisierbar sind, wobei sehr hohe Speicherbeladeleistungen, sehr hohe Speicherentladeleistungen bzw. Systemintegration, ggf. direkte Anwendung auf z. B. Lebensmitteln oder Zuführung in Rohrleitungen (z. B. Fernkälte) realisierbar ist und nur ein geringer Betriebs- und Wartungsaufwand erforderlich ist. Es soll möglich sein, Eis, Eisbrei/Eispartikeln, Schnee, Hydrate, Kaltwasser oder deren Kombinationen bzw. Mischungen/ Suspensionen von 20 °C bis -100 °C bereitzustellen.The object of the invention is to develop a system and a method for producing ice, ice slurry/ice particles, snow, hydrates, cold water or combinations thereof or mixtures/suspensions for industrial or technical applications, with which high cooling capacities and high ice production can be achieved using an ecological coolant and coolant, whereby very high storage loading capacities, very high storage discharging capacities or system integration, if necessary direct application to e.g. foodstuffs or supply in pipelines (e.g. district cooling) can be achieved and only a low operating and maintenance effort is required. It should be possible to provide ice, ice slurry/ice particles, snow, hydrates, cold water or combinations thereof or mixtures/suspensions from 20 °C to -100 °C.
Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen der Patentansprüche 1 und 15 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.This object is achieved with the features of patent claims 1 and 15. Advantageous embodiments emerge from the subclaims.
Bei dem Verfahren zur Erzeugung von Eis, Eisbrei/Eispartikeln, Schnee, Hydraten, Kaltwasser oder deren Kombinationen bzw. Mischung/Suspension, in einer geschlossenen Prozessführung werden erfindungsgemäß
- a) mindestens ein zweiter Stoffstrom in Form von Eis, Eisbrei/Eispartikeln, Schnee, Hydraten, Kaltwasser oder deren Kombinationen bzw. Mischung/Suspension,
- b) und ein erster Stoffstrom mit mindestens einem Kältemittel,
- c) in einem Apparat zusammengeführt, wobei sich die Stoffströme in dem Apparat und/oder beim Austreten aus dem Apparat entspannen und abkühlen,
- d) wobei der aus dem Apparat austretende Strom aus dem ersten und zweiten Stoffstrom mindestens einem Behälter mit Speicherfunktion zugeführt wird,
- e) in dem Behälter eine Phasentrennung des ersten und zweiten Stoffstroms erfolgt und
- - aus dem Behälter der erste Stoffstrom mit dem Kältemittel entnommen wird und
- - der in seiner Temperatur reduzierte zweite Stoffstrom in Form von Eis, Eisbrei/Eispartikeln, Schnee, Hydraten, Kaltwasser oder deren Kombinationen bzw. Mischung/Suspension eine Kühlfunktion realisiert.
- (a) at least one second material stream in the form of ice, ice slurry/ice particles, snow, hydrates, cold water or their combinations or mixtures/suspensions,
- b) and a first material stream with at least one refrigerant,
- c) brought together in an apparatus, whereby the material flows relax and cool down in the apparatus and/or when leaving the apparatus,
- d) wherein the stream leaving the apparatus from the first and second material streams is fed to at least one container with storage function,
- e) a phase separation of the first and second material streams takes place in the container and
- - the first stream of refrigerant is removed from the container and
- - the second material stream, which has a reduced temperature, in the form of ice, ice slurry/ice particles, snow, hydrates, cold water or their combinations or mixtures/suspensions, realizes a cooling function.
Dabei werden nach der Phasentrennung im Behälter der erste Stoffstrom aus dem Behälter angesaugt, im Kältemittelkreislauf verdichtet und rückgekühlt und dem Apparat wieder zugeführt, und
in einer ersten Variante
der zweite Stoffstrom als Kälteträgerkreislauf zur Realisierung der Kühlaufgabe aus dem Behälter entnommen und in den Kälteträgerkreislauf über einen Wärmeübertrager dem Behälter zugeführt wird, wobei
- - der Kälteträgerkreislauf von einem Wärmeübertrager über den Apparat zum Behälter führt
- - der Kälteträgerkreislauf vom Wärmeübertrager zum Behälter führt und mindestens ein weiterer zweiter Stoffstrom als Nebenkreislauf über den Apparat in den Behälter führt
und/oder
in einer zweiten Variante
- die Kühlaufgabe mit mindestens einem dem Behälter zugeordneten Wärmeübertrager realisiert wird und
- mindestens ein weiterer zweiter Stoffstrom als Nebenkreislauf über den Apparat in den Behälter führt.
in a first variant
the second material flow is taken from the container as a coolant circuit to realize the cooling task and is fed into the coolant circuit of the container via a heat exchanger, whereby
- - the coolant circuit leads from a heat exchanger via the apparatus to the container
- - the coolant circuit leads from the heat exchanger to the tank and at least one further second material flow leads as a secondary circuit via the apparatus into the tank
and or
in a second variant
- the cooling task is realized with at least one heat exchanger assigned to the container and
- at least one further second material stream leads as a secondary circuit via the apparatus into the container.
Es erfolgt dabei eine indirekte und/oder direkte Wärmeübertragung zwischen dem ersten Stoffstrom und dem zweiten Stoffstrom in dem Apparat und/oder vorgelagert zum Apparat, wobei es ebenfalls möglich ist, die Stoffströme in dem Apparat durch mindestens eine Zusatzheizung und/oder mindestens eine Zusatzkühlung insbesondere zonenweise zu erwärmen und/oder zu kühlen.In this case, an indirect and/or direct heat transfer takes place between the first material flow and the second material flow in the apparatus and/or upstream of the apparatus, wherein it is also possible to heat and/or cool the material flows in the apparatus by at least one additional heating and/or at least one additional cooling, in particular zone by zone.
Es ist möglich, dass ein erster Nebenkreislauf und ein zweiter Nebenkreislauf des Kälteträgers des zweiten Stoffstroms aus dem Behälter unter Druck über den Apparat wieder in den Behälter führen.It is possible that a first secondary circuit and a second secondary circuit lead the coolant of the second material stream from the container under pressure via the apparatus back into the container.
Dadurch, dass die Temperatur beim Austritt aus dem Apparat stark reduziert ist im Vergleich zum Eintritt in den Apparat, kann mit dem im Behälter abgetrennten Kälteträger die Kühlaufgabe realisiert werden.Since the temperature at the outlet from the device is greatly reduced compared to the temperature at the inlet into the device, the cooling task can be realized with the coolant separated in the container.
In dem Apparat kann eine Mischung und/oder eine Dispergierung und/oder eine Lösung des ersten Stoffstroms im zweiten Stoffstrom und/oder eine temporäre Hydratbildung und/oder eine Reaktion zum Beispiel zu Kohlensäure erfolgen.In the apparatus, a mixing and/or a dispersion and/or a dissolution of the first material stream in the second material stream and/or a temporary hydrate formation and/or a reaction, for example to carbonic acid, can take place.
Dabei erfolgt die Entspannung in und/oder nach dem Apparat zur Erzeugung von Eis, Eisbrei/Eispartikeln, Schnee, Hydraten, Kaltwasser oder deren Kombinationen bzw. Mischung/Suspension des gekühlten zweiten Stoffstroms unter der Nutzung einzelner oder einer Kombination der nachfolgenden Effekte:
- ◯ Änderung des thermodynamischen Zustands des ersten Stoffstroms durch eine Verdampfung bei 10 bis 300 kJ/kg oder ggf. auch höher,
- ◯ Entgasen des ersten Stoffstroms aufgrund der physikalischen Löslichkeit,
- ◯ Auflösung der Hydrate des ersten Stoffstroms und des zweiten Stoffstroms,
- ◯ Joule-Thompson-Effekt und dadurch Entspannung des Kältemittels des ersten Stoffstroms.
- ◯ Change in the thermodynamic state of the first material stream by evaporation at 10 to 300 kJ/kg or possibly even higher,
- ◯ Degassing of the first stream due to physical solubility,
- ◯ Dissolution of the hydrates of the first stream and the second stream,
- ◯ Joule-Thompson effect and thus relaxation of the refrigerant of the first material stream.
Die Druckerhöhung des zweiten Stoffstroms vor der Zuführung zum Apparat erfolgt insbesondere auf einen Druck von 1,1 bar bis 200 bar, wobei bedarfsweise die Druckerhöhung mehrstufig realisiert wird.The pressure increase of the second material stream before feeding to the apparatus is carried out in particular to a pressure of 1.1 bar to 200 bar, whereby the pressure increase is realized in several stages if required.
Weiterhin erfolgt die Zuführung des ersten Stoffstroms in den Apparat mit einem Druck von bevorzugt 1,1 bar bis 200 bar und dabei unter Umständen in verschiedenen Phasen und mit einer Temperatur von insbesondere typischerweise -40 °C bis 50 °C, bedarfsweise in Abhängigkeit einer realisierten Rückkühlung im ersten Wärmeübertrager und/oder eine Zwischenkühlung oder eine weitere Kühlung in einem zusätzlichen Wärmeübertrager.Furthermore, the first material stream is fed into the apparatus at a pressure of preferably 1.1 bar to 200 bar and possibly in different phases and at a temperature of in particular typically -40 °C to 50 °C, if required depending on a realized recooling in the first heat exchanger and/or an intermediate cooling or a further cooling in an additional heat exchanger.
Dabei besteht der erste Stoffstrom aus mindestens einem Kältemittel oder weist dieses auf, wobei das Kältemittel vorzugsweise nicht oder nur gering löslich im Kälteträger ist.The first material stream consists of or comprises at least one refrigerant, wherein the refrigerant is preferably insoluble or only slightly soluble in the coolant.
Das Kältemittel besteht insbesondere aus Kohlendioxid, oder Propan oder Distickstoffmonoxid (Lachgas) oder Gasen oder Dämpfen mit/ohne Phasenwechsel oder Kombinationen der vorgenannten Stoffe oder anderen geeigneten Kältemitteln oder weist diese auf.The refrigerant consists in particular of or comprises carbon dioxide, or propane or nitrous oxide (laughing gas) or gases or vapors with/without phase change or combinations of the aforementioned substances or other suitable refrigerants.
Der Kälteträger des zweiten Stoffstroms kann zum Betrieb mit Speichertemperaturen deutlich unter 0 °C aus einer Mischung von Wasser mit mindestens einem gefrierpunktsenkenden Stoff bestehen.The coolant of the second material stream can consist of a mixture of water with at least one freezing point lowering substance for operation with storage temperatures well below 0 °C.
Es ist möglich, nachfolgende Modifikationen des ersten Stoffstromes einzeln oder in beliebigen Kombinationen zu realisieren:
- a. transkritische oder subkritische Betriebsweise,
- b. ein- oder mehrstufige Verdichtung bis maximalen Verdichtungsendruck von ca. 200 bar, mit oder ohne Ansaugüberhitzung
- c. Parallelschaltung von Verdichtern,
- d. mit und ohne Zwischenkühlung insbesondere unter Verwendung von internen und/oder externen Wärmeübertragern,
- e. ggf. Einsatz von einem oder mehreren Ejektoren,
- f. ggf. Einsatz von einem oder mehreren Kältemitteltrocknern.
- g. ggf. Einsatz von einem oder mehreren Ölabscheidern.
- a. transcritical or subcritical operation,
- b. single or multi-stage compression up to a maximum compression pressure of approx. 200 bar, with or without intake superheat
- c. Parallel connection of compressors,
- d. with and without intermediate cooling, in particular using internal and/or external heat exchangers,
- e. if necessary, use of one or more ejectors,
- f. if necessary, use of one or more refrigerant dryers.
- g. if necessary, use of one or more oil separators.
Nach der Phasentrennung kann aus dem Behälter ein Kälteträger des zweiten Stoffstroms des Kälteträgerkreislaufes einem zweiten Wärmeübertrager zugeführt werden und im zweiten Wärmeübertrager der Kälteträger des zweiten Stoffstroms die Kühlaufgabe übernehmen.
Parallel oder alternativ kann mindestens eine Kühlaufgabe durch den Behälter mit mindestens einem mit dem Behälter kombinierten Wärmeübertrager realisiert werden.After phase separation, a coolant from the second material stream of the coolant circuit can be fed from the container to a second heat exchanger and in the second heat exchanger the coolant from the second material stream can take over the cooling task.
In parallel or alternatively, at least one cooling task can be realized by the container with at least one heat exchanger combined with the container.
Da durch die Expansion der Stoffströme im Apparat eine starke Abkühlung zu verzeichnen ist, kann eine Erwärmung des Apparates zur Vermeidung von Eisbildung oder zum Lösen von Eis erfolgen.Since the expansion of the material flows in the apparatus results in a strong cooling, the apparatus can be heated to prevent ice formation or to dissolve ice.
Weiterhin umfasst die Erfindung eine Anlage zur Erzeugung von Eis, Eisbrei/Eispartikeln, Schnee, Hydraten, Kaltwasser oder deren Kombinationen bzw. Mischung/Suspension wobei die Anlage erfindungsgemäß mindestens einen Apparat aufweist, der mindestens eine erste Zuführung für einen unter Druck stehenden ersten Stoffstrom eines Kältemittels eines Kältemittelkreislaufes und mindestens eine zweite Zuführung für einen unter Druck stehenden zweiten Stoffstrom eines Kälteträgers eines Kälteträgerkreislaufes und/oder mindestens einen Nebenstoffstrom mit/aus einem Kälteträger in Form von Eis, Eisbrei/Eispartikeln, Schnee, Hydrate, Kaltwasser oder deren Kombinationen bzw. Mischung/Suspension aufweist, und der Apparat mindestens eine Kammer aufweist, in welcher der erste und der zweite Stoffstrom zusammenführbar, entspannbar und abkühlbar sind, wobei sich an den Apparat ein Behälter mit Speicherfunktion zur Phasentrennung des ersten und zweiten Stoffstroms anschließt, wobei der Behälter mindestens einen ersten Ausgang für das Kältemittel und mindestens einen weiteren Ausgang für den Kälteträger aufweist.The invention further comprises a system for producing ice, ice slurry/ice particles, snow, hydrates, cold water or combinations or mixtures/suspensions thereof, wherein the system according to the invention has at least one apparatus which has at least one first feed for a pressurized first material flow of a coolant of a coolant circuit and at least one second feed for a pressurized second material flow of a coolant of a coolant circuit and/or at least one secondary material flow with/from a coolant in the form of ice, ice slurry/ice particles, snow, hydrates, cold water or combinations or mixtures/suspensions thereof, and the apparatus has at least one chamber in which the first and second material flows can be brought together, expanded and cooled, wherein a container with a storage function for phase separation of the first and second material flows is connected to the apparatus, wherein the container has at least one first outlet for the coolant and at least one further outlet for the coolant.
Die Anlage zur Erzeugung von Eis, Eisbrei/Eispartikeln, Schnee, Hydraten, Kaltwasser oder deren Kombinationen bzw. Mischung/Suspension bei einer geschlossenen Prozessführung zur Realisierung einer Kühlaufgabe, ist weiterhin erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, dass
in einer ersten Variante
- der zweite Stoffstrom als Kälteträgerkreislauf zur Realisierung der Kühlaufgabe aus dem Behälter entnommen und in den Kälteträgerkreislauf über einen zweiten Wärmeübertrager dem Behälter zugeführt wird, wobei
- a) der Kälteträgerkreislauf vom Wärmeübertrager über den Apparat zum Behälter führt oder
- b) der Kälteträgerkreislauf vom Wärmeübertrager zum Behälter führt und mindestens ein weiterer zweiter Stoffstrom als Nebenkreislauf über den Apparat in den Behälter führt
in einer zweiten Variante
- die Kühlaufgabe mit mindestens einem dem Behälter zugeordneten Wärmeübertrager realisiert wird und mindestens ein weiterer zweiter Stoffstrom als Nebenkreislauf über den Apparat in den Behälter führt.
in a first variant
- the second material flow is taken from the container as a coolant circuit to realize the cooling task and is fed into the coolant circuit of the container via a second heat exchanger, whereby
- a) the coolant circuit leads from the heat exchanger via the apparatus to the tank or
- b) the coolant circuit leads from the heat exchanger to the tank and at least one further second material flow leads as a secondary circuit via the apparatus into the tank
in a second variant
- the cooling task is carried out with at least one heat exchanger assigned to the container and at least one further second material flow leads as a secondary circuit via the apparatus into the container.
Die Anlage ist dabei bei der ersten Variante ausgestattet:
- - mit mindestens einem Apparat zum Zusammenführen und anschließendem Entspannen des ersten und zweiten Stoffstroms zur Erzeugung von Eis, Eisbrei/Eispartikeln, Schnee, Hydraten, Kaltwasser oder deren Kombinationen bzw. Mischung/Suspension des zweiten Stoffstroms,
- - mit dem zweiten Wärmeübertrager zur Realisierung einer Wärmeübertragung für die Kühlaufgabe von dem Kühlgut/Kühlmedium auf den zweiten Stoffstrom,
- - mit einer Pumpe zur Förderung des zweiten Stoffstroms und zur Realisierung einer Druckerhöhung auf 1,1 bar bis 200 bar vor dem Apparat,
- - mit mindestens einem ersten Wärmeübertrager zur Realisierung einer Rückkühlung des Kältemittels des ersten Stoffstroms auf eine Temperatur zwischen -40°C und 50 °C vor dem Apparat,
- - mit mindestens einem Verdichter zum Verdichten und Fördern des ersten Stoffstroms und zur Realisierung eines Drucks von 1,1 bar bis 200 bar vor dem Apparat,
- - mit dem Behälter zur Phasentrennung des ersten und zweiten Stoffstroms.
- - with at least one apparatus for combining and subsequently expanding the first and second material streams to produce ice, ice slurry/ice particles, snow, hydrates, cold water or combinations thereof or mixture/suspension of the second material stream,
- - with the second heat exchanger to realize a heat transfer for the cooling task from the cooling material/cooling medium to the second material flow,
- - with a pump to convey the second material flow and to achieve a pressure increase to 1.1 bar to 200 bar in front of the device,
- - with at least one first heat exchanger for realising a recooling of the refrigerant of the first material flow to a temperature between -40°C and 50 °C before the apparatus,
- - with at least one compressor for compressing and conveying the first material flow and for realising a pressure of 1.1 bar to 200 bar upstream of the apparatus,
- - with the container for phase separation of the first and second material streams.
Der Behälter mit Speicherfunktion kann dabei eine tangentiale oder im Wesentlichen tangentiale Zuführung für mindestens einen aus dem Apparat zugeführten Strom aufweisen.The container with storage function can have a tangential or substantially tangential supply for at least one stream supplied from the apparatus.
In dem Behälter zur Phasentrennung des ersten und zweiten Stoffstrom wird in einem oberen Bereich das Kältemittel des ersten Stoffstroms und in einem unteren Bereich der Kälteträger des zweiten Stoffstroms abgeschieden.In the container for phase separation of the first and second material streams, the coolant of the first material stream is separated in an upper area and the coolant of the second material stream is separated in a lower area.
Aus dem oberen Bereich wird dann das Kältemittel und aus dem unteren Bereich des Behälters der Kälteträger jeweils unter Druck wieder über den Apparat in den Behälter geführt.The coolant is then fed from the upper area and the coolant from the lower area of the container, each under pressure, via the device back into the container.
Vorteilhafter Weise können Bereiche der Anlage, die vereisen oder bei welchen die Gefahr der Vereisung besteht, mit mindestens einer Zusatzheizung und/oder mindestens einem Wärmeübertrager versehen sein, wobei mehrere Heizbereiche vorgesehen sein können und die Heizung beispielsweise mittels elektrischem Widerstand und/oder Mikrowellen und/oder einer Induktionsheizung und/oder einem Stoffstrom erfolgt.Advantageously, areas of the system which are prone to icing or where there is a risk of icing can be provided with at least one additional heater and/or at least one heat exchanger, wherein several heating areas can be provided and the heating is carried out, for example, by means of electrical resistance and/or microwaves and/or an induction heater and/or a material flow.
Weiterhin ist es möglich, den Apparat mit einer Zusatzkühlung zum Abführen der Wärme zu versehen, die bei der Hydratbildung und/oder bei Reaktionen und/oder Lösungsvorgängen entsteht.Furthermore, it is possible to provide the apparatus with additional cooling to dissipate the heat generated during hydrate formation and/or during reactions and/or dissolution processes.
Erfindungsgemäß kann mindestens ein weiterer zweiter Stoffstrom als Nebenkreislauf über den Apparat in den Behälter führen.According to the invention, at least one further second material stream can lead as a secondary circuit via the apparatus into the container.
Vorteilhafter Weise besitzt der mindestens eine Apparat mindestens einen Einlass für den ersten Stoffstrom und mindestens einen oder mehrere Einlässe für den zweiten Stoffstrom und ggf. auch für den/die Nebenkreisläufe.
In dem Apparat können auch Mittel zur Erzeugung einer Strömung mit Drall angeordnet sein, um einen besseren Kontakt zwischen den Stoffströmen zu realisieren.
Diese Mittel können mit oder ohne starren oder bewegten Einbauten zur Beeinflussung der Strömung ausgebildet sein.Advantageously, the at least one apparatus has at least one inlet for the first material stream and at least one or more inlets for the second material stream and, if applicable, also for the secondary circuit(s).
The apparatus may also contain means for generating a swirling flow in order to achieve better contact between the material flows.
These means can be designed with or without rigid or moving components to influence the flow.
Durch den Apparat kann eine kontinuierliche oder pulsierende Strömung führen. Weiterhin sind bedarfsweise weitere Strömungseffekte wie Turbulenz-, Instabilitäts-, Grenzschichteffekte, Unter- und Überschallströmung realisierbar.A continuous or pulsating flow can pass through the device. If required, other flow effects such as turbulence, instability, boundary layer effects, subsonic and supersonic flow can also be realized.
Die erfindungsgemäße Anlage und das Verfahren können beispielsweise als Wärmepumpenanlage und/oder als kombinierte Kühl- und Heizanlage eingesetzt werden.The system and the method according to the invention can be used, for example, as a heat pump system and/or as a combined cooling and heating system.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen und zugehörigen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
-
1 schematische Darstellung des geschlossenen Verfahrens, Zuführung des zweiten Stoffstroms 2 aus dem Behälter über einen Wärmeübertrager und den Apparat in den Behälter (Kältespeicher), -
2 schematische Darstellung des geschlossenen Verfahrens, Zuführung des zweiten Stoffstroms 2 aus dem Behälter (Kältespeicher) über den Wärmeübertrager in den Behälter und erster Nebenstoffstrom vom Behälter (Kältespeicher) und den Apparat in den Behälter, -
3 zusätzlich zur Variante nach2 weiterer Nebenstoffstrom vom Behälter (Kältespeicher) über den Apparat in den Behälter, -
4 zusätzlich zur Variante nach2 , zweistufige Verdichtung und Zwischenkühlung sowie weitere Abkühlung des ersten Stoffstroms 1, -
5 zusätzlich zur Variante nach4 , Entspannung des Kältemittels mit einer Turbine zur Gewinnung einer mechanischen Leistung, Anordnung der Turbine vor dem Apparat, -
6 zusätzlich zur Variante nach1 - Wärmeübertragung vom Behälter auf einen Wärmeübertrager zur Realisierung der Kühlfunktion, -
7 eine erste Variante des Apparates mit einer Zuführung für den Stoffstrom 1 (Kältemittel) und einer Zuführung für den Stoffstrom 2 (Kälteträger), -
8 eine zweite Variante des Apparates mit einer Zuführung für den Stoffstrom 1 (Kältemittel) und zwei Zuführungen für den Stoffstrom 2 (Kälteträger).
-
1 schematic representation of the closed process, feeding the second material stream 2 from the container via a heat exchanger and the apparatus into the container (cold storage), -
2 schematic representation of the closed process, supply of the second material stream 2 from the container (cold storage) via the heat exchanger into the container and first secondary material stream from the container (cold storage) and the apparatus into the container, -
3 in addition to the variant according to2 further by-product flow from the container (cold storage) via the apparatus into the container, -
4 in addition to the variant according to2 , two-stage compression and intermediate cooling as well as further cooling of the first material stream 1, -
5 in addition to the variant according to4 , Relaxation of the refrigerant with a turbine to obtain mechanical power, arrangement of the turbine in front of the device, -
6 in addition to the variant according to1 - Heat transfer from the container to a heat exchanger to realize the cooling function, -
7 a first variant of the apparatus with a feed for material flow 1 (refrigerant) and a feed for material flow 2 (coolant), -
8th a second variant of the apparatus with one feed for material stream 1 (refrigerant) and two feeds for material stream 2 (coolant).
Gemäß
Die Anlage ist weiterhin ausgestattet mit einem Apparat 3, und einen sich daran anschließenden Behälter 4 mit Speicherfunktion.
Bei der geschlossenen Prozessführung wird zuerst der Behälter 4 mit Kältemittel (für Stoffstrom 1) und Kälteträger (für Stoffstrom 2) befüllt, wobei in dem Behälter 4 deren Phasentrennung erfolgt.
Der erste Stoffstrom 1 führt in einem Kältemittelkreislauf A aus dem Behälter 4, in dem eine Phasentrennung des Stoffstrom 1 und des Stoffstroms 2 erfolgt, über einen Verdichter 5 in einen ersten Wärmeübertrager 1.1, des ersten Stoffstroms 1 in dem eine Rückkühlung R des Stoffstroms 1 realisiert wird und unter Druck in den Apparat 3.
Der zweite Stoffstrom 2 führt in einem Kälteträgerkreislauf B aus dem Behälter 4, über einen Wärmeübertrager 2.1 des Stoffstroms 2 zur Realisierung einer Kühlaufgabe K über eine Pumpe 6 ebenfalls unter Druck in den Apparat 3.
Die Druckerhöhung des Stoffstroms 2 auf einen hohen Druck erfolgt ggf. auch mehrstufig. In dem Apparat 3 werden der erste und der zweite Stoffstrom 1, 2 zusammengeführt und expandieren und kühlen sich von Temperaturen T1 des ersten Stoffstroms 1 und T2 des zweiten Stoffstroms 2 vor dem Apparat 3 auf eine geringere Temperatur T des aus dem Apparat austretenden Stroms 1/2 ab.
Der auf eine Temperatur T reduzierte Strom 1/2 wird von dem Apparat 3 dem Behälter 4 zugeführt, in dem wieder eine Phasentrennung der beiden Stoffströme 1 und 2 erfolgt, wobei sich bevorzugt das Kältemittel des Stoffstroms 1 in dem oberen Bereich und der Kälteträger des Stoffstroms 2 in dem unteren Bereich des Behälters 4 ablagern/absetzen. Dadurch können sehr geringe Temperaturen des Kälteträgers von bis zu -20 °C und geringer bis zu -100 °C realisiert werden.
In dem Apparat 3 erfolgt dabei eine direkte oder indirekte Wärmeübertragung zwischen dem ersten Stoffstrom 1 und dem zweiten Stoffstrom 2.According to
The system is further equipped with an apparatus 3 and an adjoining container 4 with storage function.
In the closed process, tank 4 is first filled with refrigerant (for material stream 1) and coolant (for material stream 2), whereby their phase separation takes place in tank 4.
The first material stream 1 leads in a refrigerant circuit A from the container 4, in which a phase separation of the material stream 1 and the material stream 2 takes place, via a compressor 5 into a first heat exchanger 1.1 of the first material stream 1 in which a recooling R of the material stream 1 is realized and under pressure into the apparatus 3.
The second material stream 2 leads in a coolant circuit B from the container 4, via a heat exchanger 2.1 of the material stream 2 to realize a cooling task K via a pump 6, also under pressure, into the apparatus 3.
The pressure increase of the material stream 2 to a high pressure may also be carried out in several stages. In the apparatus 3, the first and second material streams 1, 2 are brought together and expand and cool from temperatures T1 of the first material stream 1 and T2 of the second material stream 2 upstream of the apparatus 3 to a lower temperature T of the stream 1/2 exiting the apparatus.
The stream 1/2 reduced to a temperature T is fed from the apparatus 3 to the container 4, in which a phase separation of the two material streams 1 and 2 takes place again, with the coolant of the material stream 1 preferably being deposited/settled in the upper area and the coolant of the material stream 2 in the lower area of the container 4. This makes it possible to achieve very low temperatures of the coolant of up to -20 °C and lower down to -100 °C.
In the apparatus 3, a direct or indirect heat transfer takes place between the first material stream 1 and the second material stream 2.
Gemäß eines nicht dargestellten Beispiels kann in einer dem Apparat 3 vorgelagerten Einrichtung (z.B. Wärmeübertrager) auch bereits eine Wärmeübertragung/ ein Temperaturausgleich der beiden Stoffströme 1, 2 realisiert werden.According to an example not shown, a heat transfer/temperature equalization of the two material flows 1, 2 can already be realized in a device upstream of the apparatus 3 (e.g. heat exchanger).
Weiterhin können die Stoffströme 1, 2 auch in dem Apparat 3 durch mindestens eine Zusatzheizung ZH und/oder mindestens eine Zusatzkühlung ZK insbesondere zonenweise erwärmt und/oder gekühlt werden.Furthermore, the material flows 1, 2 can also be heated and/or cooled in the apparatus 3 by at least one additional heating ZH and/or at least one additional cooling ZK, in particular zone by zone.
Durch den Apparat 3 führt bevorzugt eine kontinuierliche oder auch eine pulsierende Strömung und es sind bedarfsweise weitere Strömungseffekte wie Turbulenz-, Instabilitäts-, Grenzschichteffekte, Unter- und Überschallströmung realisierbar.Preferably, a continuous or pulsating flow passes through the apparatus 3 and, if required, further flow effects such as turbulence, instability, boundary layer effects, subsonic and supersonic flow can be realized.
Die Zuführung des Stoffstroms 1 (z. B. Kohlendioxid R744 oder anderes Kältemittel) in den Apparat 3 erfolgt bevorzugt mit hohem Druck, insbesondere bei 1,1 bar bis 200 bar und unter Umständen in verschiedenen Phasen mit einer Temperatur von typischerweise - 40 °C bis 50 °C in Abhängigkeit der Rückkühlung und/oder Zwischenkühlung.
Der zweite Stoffstrom 2 wird bevorzugt mit einem Druck von 1,1 bar bis 200 bar mit einer Temperatur von ebenfalls -40 °C bis 50 °C in den Apparat gefördert.
Es erfolgt bei dem Zusammenführen beider Stoffströme 1 und 2 in dem Apparat 3 deren vollständiger und/oder partieller Kontakt, wobei sich z. B. Blasen oder Tropfen bilden. Es kann auch sein, dass eine Mischung der beiden Stoffströme mit direkter Wärmeübertragung erfolgt.The supply of the material stream 1 (e.g. carbon dioxide R744 or other refrigerant) into the apparatus 3 is preferably carried out at high pressure, in particular at 1.1 bar to 200 bar and possibly in different phases with a temperature of typically - 40 °C to 50 °C depending on the recooling and/or intermediate cooling.
The second material stream 2 is preferably fed into the apparatus at a pressure of 1.1 bar to 200 bar and at a temperature of -40 °C to 50 °C.
When both material streams 1 and 2 are brought together in the apparatus 3, they come into complete and/or partial contact, whereby bubbles or drops form, for example. It is also possible that the two material streams are mixed with direct heat transfer.
Es sind dabei folgende Vorgänge beim Zusammenführen der beiden Stoffströme 1, 2 in dem Apparat 3 möglich,
- - ggf. Lösung des Stoffstrom 1 im Stoffstrom 2,
- - ggf. temporäre Hydratbildung (ggf. Begrenzung der Prozessführung),
- - ggf. Reaktionen zu z. B. Kohlensäure,
- - ggf. nachgelagerte Wärmeübertragung mit externem Wärmeübertrager.
- - if necessary, dissolving material stream 1 in material stream 2,
- - if necessary, temporary hydrate formation (if necessary, limitation of the process control),
- - possible reactions to e.g. carbonic acid,
- - if necessary, downstream heat transfer with an external heat exchanger.
Die in dem Apparat 3 erfolgende und/oder sich an diesen anschließende Entspannung zur Erzeugung von Eis, Eisbrei/Eispartikeln, Schnee, Hydraten, Kaltwasser oder deren Kombinationen bzw. Mischung/Suspension eines gekühlten zweiten Stoffstroms 2 erfolgt bevorzugt mit der Nutzung folgender einzelner Effekte oder deren Kombinationen:
- - Änderung des thermodynamischen Zustands des Stoffstroms 1 durch die Verdampfung des Stoffstroms 1/Kältemittel (ca. 10 kJ/kg bis 300 kJ/kg),
- - ggf. Entgasen des Kältemittels (Stoff 1) aufgrund der physikalischen Löslichkeit,
- - ggf. Auflösung der Hydrate (Stoff 1 und 2),
- - ggf. Joule-Thompson-Effekt bei der Entspannung des Kältemittels (Stoffstrom 1),
- - ggf. Verdampfung des Stoffstroms 2.
- - Change in the thermodynamic state of material flow 1 due to the evaporation of material flow 1/refrigerant (approx. 10 kJ/kg to 300 kJ/kg),
- - if necessary, degassing of the refrigerant (substance 1) due to physical solubility,
- - if necessary, dissolution of the hydrates (substance 1 and 2),
- - if applicable, Joule-Thompson effect during the expansion of the refrigerant (material flow 1),
- - if necessary, evaporation of material stream 2.
Weiterhin erfolgt die Phasentrennung der Stoffströme in dem Behälter/Speicher 4 (bevorzugt bei -100 °C bis 20 °C) und/oder zumindest teilweise im Apparat beim Abführen der gasförmigen Phase (Stoffstrom 1) und Auffangen des Eises, Eisbreis, der Eispartikel, des Schnees, der Hydrate, des Kaltwassers oder deren Kombinationen bzw. Mischungen oder Suspensionen (Stoffstrom 2).Furthermore, the phase separation of the material flows takes place in the container/storage unit 4 (preferably at -100 °C to 20 °C) and/or at least partially in the apparatus when discharging the gaseous phase (material flow 1) and collecting the ice, ice slurry, ice particles, snow, hydrates, cold water or combinations or mixtures or suspensions thereof (material flow 2).
Der erste Stoffstrom 1 besteht aus anorganischen oder organischen Stoffen oder deren Mischungen oder Suspensionen, wobei insbesondere als Kältemittel alle Gase und alle Dämpfe sowie deren Mischungen mit oder ohne Phasenwechsel einsetzbar sind, wobei beispielsweise als Gase bevorzugte Kohlendioxid oder Propan oder Distickstoffmonoxid (Lachgas) oder deren Kombinationen eingesetzt werden und vorzugsweise Mischungen mit insbesondere Luft realisiert werden.The first material stream 1 consists of inorganic or organic substances or mixtures or suspensions thereof, whereby in particular all gases and all vapors as well as mixtures thereof with or without phase change can be used as refrigerants, whereby for example carbon dioxide or propane or dinitrogen monoxide (laughing gas) or combinations thereof are preferably used as gases and preferably mixtures with air in particular are realized.
Je nach Wahl des Kältemittels muss ggf. der Druck beim Zuführen in den Apparat 3 entsprechend geändert bzw. angepasst werden.Depending on the choice of refrigerant, the pressure when feeding into apparatus 3 may need to be changed or adjusted accordingly.
Der Stoffstrom 1 besteht weiterhin bevorzugt aus einem Kältemittel oder weist dieses auf, welches nicht oder nur gering löslich im Kälteträger des Stoffstroms 2 ist, wodurch die Phasentrennung gefördert wird.
Vorzugsweise ist das Kältemittel nicht oder nur gering löslich in Wasser (z. B. R290, Propan) und ggf. im unterkritischen Gebiet.The material stream 1 further preferably consists of or comprises a refrigerant which is not or only slightly soluble in the coolant of the material stream 2, thereby promoting phase separation.
Preferably, the refrigerant is not or only slightly soluble in water (e.g. R290, propane) and possibly in the subcritical region.
Als Kältemittel können auch Mischungen (z. B. Wasser und gefrierpunktsenkende Stoffe) und/oder Stoffen die einen Phasenwechsel fördern, wie z.B. keimbildende Partikel und/oder Tropfen zum Betrieb mit Speichertemperaturen deutlich unter 0 °C eingesetzt werden.Mixtures (e.g. water and freezing point lowering substances) and/or substances that promote a phase change, such as nucleating particles and/or droplets, can also be used as refrigerants for operation with storage temperatures well below 0 °C.
Der geeignete Druck der Stoffströme 1 und 2 bei der Zuführung zum Apparat 3 kann berechnet oder durch Versuche ermittelt werden.The appropriate pressure of the material streams 1 and 2 when feeding to the apparatus 3 can be calculated or determined by experiments.
Der Stoffstrom 2 weist einen Kälteträger auf oder besteht aus einem Kälteträger in Form von Eis, Eisbrei/Eispartikeln, Schnee, Hydraten, Kaltwasser oder deren Kombinationen bzw. Mischung/Suspension.Material stream 2 comprises or consists of a coolant in the form of ice, ice slurry/ice particles, snow, hydrates, cold water or their combinations or mixtures/suspensions.
Aus dem Behälter 4 erfolgt nun im geschlossenen Kreislauf aus dem oberen Bereich des Behälters 4 das Ansaugen und Verdichten des Stoffstroms 1 (z. B. Kohlendioxid, ggf. mit sehr geringen Wasserdampfanteilen) mittels des Verdichters 5, die Rückkühlung des Stoffstroms 1 über den ersten Wärmeübertrager 1.1 des Stoffstroms 1 und die Zuführung in den Apparat 3.From the container 4, the material flow 1 (e.g. carbon dioxide, possibly with very small amounts of water vapor) is now sucked in and compressed by means of the compressor 5 in a closed circuit from the upper area of the container 4, the material flow 1 is recooled via the first heat exchanger 1.1 of the material flow 1 and fed into the apparatus 3.
Es können die nachfolgend aufgeführten Modifikationen des Kältemittelkreislaufes (Stoffstrom 1) erfolgen, wobei die Maßnahmen einzeln oder in verschiedenen Kombinationen realisierbar sind:
- - vorzugsweise transkritische Betriebsweise (aber auch subkritische Betriebsweise),
- - ein- oder mehrstufige Verdichtung bis maximalen Verdichtungsenddruck von ca. 200 bar, mit oder ohne Ansaugüberhitzung,
- - Parallelschaltung von Verdichtern,
- - mit und ohne Zwischenkühlung,
- - ggf. Einsatz von einem oder mehreren Ejektoren,
- - ggf. Einsatz von einem oder mehreren Kältemitteltrocknern,
- - ggf. Einsatz mindestens eines Ölabscheiders.
- - preferably transcritical operation (but also subcritical operation),
- - single or multi-stage compression up to a maximum final compression pressure of approx. 200 bar, with or without intake superheat,
- - Parallel connection of compressors,
- - with and without intermediate cooling,
- - if necessary, use of one or more ejectors,
- - if necessary, use of one or more refrigerant dryers,
- - If necessary, use of at least one oil separator.
Weiterhin wird parallel zum Stoffstrom 1 aus dem unteren Bereich des Behälters 4 der Stoffstrom 2 in Form von Eis, Eisbrei/Eispartikeln, Schnee, Hydraten, Kaltwasser oder deren Kombinationen oder deren Mischung/Suspension entnommen und dem zweiten Wärmeübertrager 2.1 des zweiten Stoffstroms 2 zur Realisierung einer Kühlaufgabe K zugeführt und daraus mittels der Pumpe 6 wieder unter Druck in den Apparat 3 gefördert.Furthermore, parallel to the material flow 1, the material flow 2 in the form of ice, ice slurry/ice particles, snow, hydrates, cold water or combinations thereof or their mixture/suspension is taken from the lower region of the container 4 and fed to the second heat exchanger 2.1 of the second material flow 2 to realize a cooling task K and from there pumped back under pressure into the apparatus 3 by means of the pump 6.
Es kann eine direkte oder indirekte Entladung des Speichers (Behälter 4 mit Speicherfunktion) hinsichtlich des zweiten Stoffstroms 2 erfolgen.A direct or indirect discharge of the storage (container 4 with storage function) with regard to the second material stream 2 can take place.
Die erfindungsgemäße Anlage dient zur Erzeugung und/oder Speicherung von Eis, Eisbrei/Eispartikeln, Schnee, Hydraten, Kaltwasser oder deren Kombinationen bzw. Mischung/Suspension.The plant according to the invention serves for the production and/or storage of ice, ice slurry/ice particles, snow, hydrates, cold water or their combinations or mixtures/suspensions.
Dabei kann der Behälter 4 am Anfang/vor Beginn des Prozesses mit Kälteträger (bevorzugt Wasser) und dem Kältemittel (z.B. Kohlendioxid) befüllt werden, aus/in welchem sich durch die starke Abkühlung im und/oder nach dem Apparat Eis, Eisbrei/Eispartikel, Schnee, Hydrate, Kaltwasser oder deren Kombinationen bzw. Mischung/Suspension bilden.The container 4 can be filled at the beginning/before the start of the process with the coolant (preferably water) and the refrigerant (e.g. carbon dioxide), from/in which ice, ice slurry/ice particles, snow, hydrates, cold water or their combinations or mixtures/suspensions are formed by the strong cooling in and/or after the apparatus.
Vor dem erstmaligen Einsatz wird der Behälter 4 bevorzugt evakuiert und danach mit dem Kälteträger (2) und Kältemittel (1) befüllt.Before first use, the container 4 is preferably evacuated and then filled with the coolant (2) and refrigerant (1).
Es ist möglich, mehrere Apparate 3 zur Steigerung der Kälteleistung bzw. Eiserzeugung parallel zu schalten.It is possible to connect several devices 3 in parallel to increase the cooling capacity or ice production.
Weiterhin ist es möglich, für den zweiten Stoffstrom 2 Pumpen mit höherem Druck zu verwenden, um insbesondere im Bereich des Apparates 3 den Stoffstrom 1 teilweise anzusaugen (Injektorwirkung). Dadurch ist es auch möglich, die Temperatur des Stoffstroms 1 zu senken oder die Senkung der Temperatur für den Stoffstrom 1 und/oder die Verdichtungsleistung für Stoffstrom 1 zu reduzieren und/oder eine bessere Vorkühlung für den Stoffstrom 2 zu realisieren.It is also possible to use pumps with higher pressure for the second material flow 2 in order to partially suck in the material flow 1, particularly in the area of the apparatus 3 (injector effect). This also makes it possible to lower the temperature of the material flow 1 or to reduce the reduction in temperature for the material flow 1 and/or the compression power for the material flow 1 and/or to achieve better pre-cooling for the material flow 2.
Es ist eine weitere Vorkühlung des Stoffstroms 1 intern (im Apparat) oder extern möglich, auch durch externe oder im Apparat 3 vorgesehene Kühlelemente.Further pre-cooling of the material stream 1 is possible internally (in the apparatus) or externally, also by means of external cooling elements or those provided in the apparatus 3.
Es sind der Einsatz des Prozesses und der Anlage als Wärmepumpenanlage und/oder als kombinierte Kühl- und Heizanlage möglich.
Dazu kann die aus der Rückkühlung des Kältemittels gewonnene Wärme für Heizzwecke genutzt werden.The process and the system can be used as a heat pump system and/or as a combined cooling and heating system.
The heat obtained from the recooling of the refrigerant can be used for heating purposes.
Es ist auch möglich, die bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens entstehende Abwärme zu nutzen, z.B. zu Heizungszwecken, zur
Prozesswärmebereitstellung, zur Beladung von thermischen Energiespeichern (Wärmespeicher) mit Warmwasser, Heißwasser, Wasserdampf und sonstigen Wärmeträgern; aber auch zur Kälteerzeugung mit Absorptionskältemaschinen, Adsorptionskältemaschinen, Dampfstrahlkältemaschinen oder als Wärmequellenanlage für mindestens eine weitere Wärmepumpe.It is also possible to use the waste heat generated during the implementation of the process according to the invention, e.g. for heating purposes, for
Process heat provision, for loading thermal energy storage systems (heat storage systems) with warm water, hot water, steam and other heat transfer media; but also for generating cold with absorption chillers, adsorption chillers, steam jet chillers or as a heat source system for at least one other heat pump.
Dabei kann dem ersten Stoffstrom mit mindestens einem Kühler und/oder mindestens einem Rückkühler Wärme entzogen und in einem Temperaturbereich von 40°C bis 400°C für die Heizzwecke und/oder eine Speicherbeladung genutzt werden.Heat can be extracted from the first material stream using at least one cooler and/or at least one recooler and used for heating purposes and/or storage charging in a temperature range of 40°C to 400°C.
Zur Rückgewinnung der Verdichtungsleistung des Verdichters 5 des ersten Stoffstroms 1 ist es möglich, eine Expansionsmaschine in den Kältemittelkreislauf des ersten Stoffstroms 1 einzubinden. Dies erfolgt bevorzugt vor dem und Apparat 3. Dadurch ist auch eine teilweise Entspannung des Stoffstroms 1 realisierbar und dieser kühlt sich ab.In order to recover the compression power of the compressor 5 of the first material flow 1, it is possible to integrate an expansion machine into the refrigerant circuit of the first material flow 1. This is preferably done before the device 3. This also makes it possible to partially relax the material flow 1 and cool it down.
Die Expansionsmaschine kann beispielsweise eine Verdrängungsmaschine und/oder Turbine T sein, mit welcher insbesondere ein Generator G zur Stromerzeugung angetrieben wird (siehe
Weitere Ausführungsvarianten der erfindungsgemäßen Anlage sind in den
Zur Reduzierung der Temperatur des Kälteträgers führt ein erster Nebenstoffstrom 2N1 aus dem Behälter 4 über eine Pumpe 6.2 mit hohem Druck und einer Temperatur T2 in den Apparat 3 (dem auch der erste Stoffstrom zugeführt wird) und von dort aus nach der Expansion und Abkühlung wieder in den Behälter 4. Der in den Behälter 4 zurückgeführte Kälteträger ist stark abgekühlt, wodurch auch der Stoffstrom 2 in seiner Temperatur zur Realisierung der Kühlfunktion reduziert ist.
To reduce the temperature of the coolant, a first secondary material stream 2N1 from the container 4 is fed via a pump 6.2 at high pressure and a temperature T2 into the apparatus 3 (to which the first material stream is also fed) and from there, after expansion and cooling, back into the container 4. The coolant returned to the container 4 is significantly cooled, whereby the material stream 2 is also reduced in its temperature to realize the cooling function.
Der erste Stoffstrom 1 des Kältemittelkreislaufes A wird wie bei
Bei der Anlage gemäß
When installing according to
Bei der Anlage gemäß
Der Kältemittelkreislauf A verfügt zusätzlich zu der Variante nach
Die Variante nach
Bei
Es ist gemäß nicht dargestellter Ausführungsvarianten auch möglich, bei allen Varianten einen oder mehrere Nebenstoffströme des Kältemittels des Kältemittelkreislaufes A vorzusehen.According to design variants not shown, it is also possible to provide one or more secondary streams of the refrigerant of the refrigerant circuit A in all variants.
Weiterhin können alle beschriebenen Varianten mit einer mehrstufigen Verdichtung des Kältemittelkreislaufes arbeiten und vor dem Apparat 3 mit einer Einrichtung zur Entspannung des Kältemittels versehen sein, z.B. eine Turbine T zur Erzeugung mechanischer Leistung, wie beispielsweise zum Antrieb eines Generators G zur Stromerzeugung.
Somit können die in den
This means that the
Weiterhin können mehrere Apparate 3 in einer Anlage verwendet werden und dann ggf. auch mehrere Behälter 4 und eine entsprechende Anzahl von Pumpen und Wärmeübertragern für den Kälteträgerkreislauf B sowie Kompressoren und Wärmeübertrager für den Kältemittelkreislauf A.Furthermore, several devices 3 can be used in one system and then, if necessary, also several containers 4 and a corresponding number of pumps and heat exchangers for the coolant circuit B as well as compressors and heat exchangers for the refrigerant circuit A.
Alternativ können auch mehrere Apparate 3 mit nur einem Behälter 4 gekoppelt sein (nicht dargestellt).Alternatively, several devices 3 can be coupled to only one container 4 (not shown).
Nachfolgend werden in den
Der zweite Mantel 10 weist nach dem zylindrischen Bereich in Richtung zum Ausgang 10.2 eine trichterförmige Durchmessererweiterung 10.3 und am Einlass 10.1 eine trichterförmige Durchmesserreduzierung 10.4 auf.
Es besteht die Möglichkeit den ersten Stoffstrom 1 über den Einlass 9 und den zweiten Stoffstrom 2 über den Einlass 10 zuzuführen (wie dargestellt) oder umgekehrt. Die beiden unter hohem Druck zugeführten Stoffströme 1, 2 kommen im Bereich der Kammer 3.2 in Kontakt und treten am Ausgang 10.2 aus dem Apparat 3 als ein Strom 1/2 aus und werden in den hier nicht dargestellten Behälter 4 eingebracht. In dem Apparat 3 expandieren die Stoffströme und kühlen sich dadurch stark ab. Zwischen den Stoffströmen wird im Bereich 3.1 ein indirekter und im Bereich 3.2 ein direkter Wärmeübergang realisiert.
The second casing 10 has a funnel-shaped diameter expansion 10.3 after the cylindrical region in the direction of the outlet 10.2 and a funnel-shaped diameter reduction 10.4 at the inlet 10.1.
It is possible to feed the first material stream 1 via the inlet 9 and the second material stream 2 via the inlet 10 (as shown) or vice versa. The two material streams 1, 2 fed under high pressure come into contact in the area of the chamber 3.2 and exit the apparatus 3 at the outlet 10.2 as a stream 1/2 and are introduced into the container 4 (not shown here). In the apparatus 3, the material streams expand and thus cool down considerably. An indirect heat transfer is realized between the material streams in area 3.1 and a direct heat transfer in area 3.2.
In
Der dritte hohlzylindrische Mantel 11 weist ebenfalls einen Einlass 11.1 und einen Auslass 11.2 auf und ist in Richtung zum Auslass 11.2 mit einer trichterförmigen Erweiterung 11.3 versehen.The third hollow cylindrical shell 11 also has an inlet 11.1 and an outlet 11.2 and is provided with a funnel-shaped extension 11.3 in the direction of the outlet 11.2.
Der zweite Mantel 11 wird im Abstand von dem hohlzylidrischen/rohrförmigen dritten Mantel 11 umringt, der hier länger ist, als der zweite Mantel 10 und somit über den Auslass 10.2 des zweiten Mantels 10 ragt. Der erste, der zweite und der dritte Mantel 9, 10, 11 sind ebenfalls zentrisch zueinander entlang der Längsachse A angeordnet. Zwischen dem Außenumfang des zweiten Mantels 10 und der Innenkontur des dritten Mantels 11 wird ein zweiter Ringraum 3.3 ausgebildet und nach der Austrittsöffnung 10.2 des zweiten Mantels 10 eine zweite Kammer 3.4.The second jacket 11 is surrounded at a distance by the hollow cylindrical/tubular third jacket 11, which is longer here than the second jacket 10 and thus protrudes over the outlet 10.2 of the second jacket 10. The first, second and third jackets 9, 10, 11 are also arranged centrally to one another along the longitudinal axis A. A second annular space 3.3 is formed between the outer circumference of the second jacket 10 and the inner contour of the third jacket 11, and a second chamber 3.4 is formed after the outlet opening 10.2 of the second jacket 10.
Es besteht auch hier die Möglichkeit den ersten Stoffstrom 1 über den Einlass 9.1 und den zweiten Stoffstrom 2 über den Einlass 10.1 zuzuführen (wie dargestellt) oder umgekehrt. In den Einlass 11.1 können beispielsweise ein oder beide Nebenströme 2N1, 2N2 eingeleitet werden.Here, too, it is possible to feed the first material stream 1 via inlet 9.1 and the second material stream 2 via inlet 10.1 (as shown) or vice versa. For example, one or both secondary streams 2N1, 2N2 can be introduced into inlet 11.1.
Die beiden unter hohem Druck zugeführten Stoffströme 1, 2 kommen im Bereich der Kammer 3.2 in Kontakt und treten am Ausgang 10.2 in die zweite Kammer 3.4 ein und kommen dort beispielsweise mit dem Stoffstrom des /der Nebenkreisläufe 2N1, 2N2 in Kontakt.The two material flows 1, 2 supplied under high pressure come into contact in the area of chamber 3.2 and enter the second chamber 3.4 at the outlet 10.2, where they come into contact, for example, with the material flow of the secondary circuit(s) 2N1, 2N2.
Es wird in den Ringräumen 3.1, 3.3 eine indirekte und in den Kammern 3.2, 3.4 eine direkte Wärmeübertragung realisiert.Indirect heat transfer is realized in the annular spaces 3.1, 3.3 and direct heat transfer is realized in the chambers 3.2, 3.4.
In dem Apparat 3 und/oder nach dem Apparat 3 expandieren alle Stoffströme, kühlen sich dadurch stark ab und werden als Strom 1/2 in den hier nicht dargestellten Behälter 4 eingebracht.In the apparatus 3 and/or after the apparatus 3, all material flows expand, cool down considerably and are introduced as flow 1/2 into the container 4 (not shown here).
Bei beiden Varianten nach
Die Zusatzheizung ZH bzw. der Wärmeübertrager 3W können beispielsweise eine Behinderung der erfindungsgemäßen Funktion, z.B. eine unerwünschte Eisbildung auf den Oberflächen des Apparates 3 verhindern.
Eine Zusatzkühlung ZK wird bevorzugt bei Hydratbildung eingesetzt.The additional heater ZH or the heat exchanger 3W can, for example, prevent an obstruction of the function according to the invention, e.g. an undesirable formation of ice on the surfaces of the apparatus 3.
Additional cooling ZK is preferably used for hydrate formation.
Gemäß nicht dargestellter Ausführungsvarianten können die aus dem Apparat austretenden Ströme 1/2 auch im Wesentlichen tangential in den Behälter/Speicher 4 eingeleitet werden. Dadurch wird eine bessere Trennung des Kälteträgers und des Kältemittels realisiert.
Alternativ kann auch eine andere Einleitung der Stoffströme in den Apparat 3 gewählt werden.
Beispielsweise kann über die Zuführung 9.1 der Stoffstrom 2 eingeleitet werden und über die Zuführung 10.1 der Stoffstrom 1.According to design variants not shown, the streams 1/2 emerging from the apparatus can also be introduced essentially tangentially into the container/storage tank 4. This achieves a better separation of the coolant and the refrigerant.
Alternatively, a different introduction of the material streams into apparatus 3 can be selected.
For example, material stream 2 can be introduced via feed 9.1 and material stream 1 via feed 10.1.
Bei der Anordnung einer Ummantelung in Form des dritten Mantels 11 kann dann beispielsweise ein Nebenstoffstrom 2N1, 2N2 über die Zuführung 11.1 in den Apparat 3 eingeleitet werden.When arranging a jacket in the form of the third jacket 11, for example, a by-product stream 2N1, 2N2 can be introduced into the apparatus 3 via the feed 11.1.
Die Zufuhr der Stoffströme kann gemäß nicht dargestellter Beispiele auch radial oder schiefwinklig ausgeführt sein.The supply of the material flows can also be carried out radially or at an oblique angle according to examples not shown.
In dem Apparat 3 erfolgt die Expansion, Beschleunigung und Drucksenkung, welche für die Erzeugung von Eis, Eisbrei/Eispartikeln, Schnee, Hydraten, Kaltwasser oder deren Kombinationen bzw. Mischung/Suspension erforderlich ist.
Bei der Zusammenführung der Stoffströme können sich Hydrate bilden oder auch Reaktionen zwischen den Stoffströmen oder ggf. eine physikalische Lösung von Gasen des ersten Stoffstroms 1 in der Flüssigkeit des zweiten Stoffstroms 2 erfolgen.In the apparatus 3, the expansion, acceleration and pressure reduction required for the production of ice, ice slurry/ice particles, snow, hydrates, cold water or their combinations or mixtures/suspensions take place.
When the material streams are combined, hydrates can form or reactions can occur between the material streams or, if necessary, a physical dissolution of gases from the first material stream 1 in the liquid from the second material stream 2 can occur.
Die Hydrate können sich auch in Richtung zum Ausgang 10.2 bzw. 11.2 oder nach den Ausgängen zersetzen, es kann ein Ausgasen des Kältemittels, ggf. auch ein Joule-Thompson-Effekt und ebenfalls ggf. eine Rückreaktion erfolgen.The hydrates can also decompose in the direction of the outlet 10.2 or 11.2 or after the outlets, outgassing of the coolant, possibly also a Joule-Thompson effect and also possibly a reverse reaction can occur.
In dem Apparat 3 können gewünschte Turbulenzeffekte, Grenzschichteffekte und Instabilitätseffekte durch die Strömungsführung und verschiedene bekannte konstruktive Modifikationen auftreten, um den Druck zu senken und/oder die Wärmeübertragung zwischen den Stoffströmen zu verbessern oder um ungünstige Betriebszustände zu vermeiden.In the apparatus 3, desired turbulence effects, boundary layer effects and instability effects can occur through the flow guidance and various known design modifications in order to reduce the pressure and/or improve the heat transfer between the material flows or to avoid unfavorable operating conditions.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren und der Anlage können unter Verwendung eines ökologischen Kältemittels (wie z.B. Kohlendioxid) und Kälteträgers (Eis, Eisbrei/Eispartikeln, Schnee, Hydraten, Kaltwasser oder deren Kombinationen bzw. Mischungen/ Suspensionen) hohe Kälteleistungen und hohe Eisproduktionen beispielsweise für industrielle Anwendungen realisiert werden, wobei Temperaturen des Kälteträgers von 20 °C bis -100 °C bereitgestellt werden können.With the method and the system according to the invention, high cooling capacities and high ice productions can be achieved, for example for industrial applications, using an ecological coolant (such as carbon dioxide) and coolant (ice, ice slurry/ice particles, snow, hydrates, cold water or combinations or mixtures/suspensions thereof), whereby temperatures of the coolant from 20 °C to -100 °C can be provided.
Mit der erfindungsgemäßen Anlage und dem Verfahren sind sehr hohe Speicherbeladeleistungen (bis beispielsweise in den Megawattbereich, sehr hohe Speicherentladeleistungen (bis beispielsweise in den Megawattbereich) möglich.
Die Anlage kann aber je nach Dimensionierung auch kleinere Leistungen im Kilowattbereich bereitstellen.With the system and the method according to the invention, very high storage charging capacities (up to, for example, the megawatt range) and very high storage discharging capacities (up to, for example, the megawatt range) are possible.
However, depending on its dimensions, the system can also provide smaller outputs in the kilowatt range.
Weiterhin kann über Rohrleitungen beispielsweise auch Fernkälte zur Verfügung gestellt werden.Furthermore, district cooling can also be provided via pipelines, for example.
Es kann auch eine direkte Anwendung auf z. B. Lebensmitteln umgesetzt werden.It can also be applied directly to food, for example.
Durch die relativ einfache konstruktive Ausführung der Anlage ist und nur ein geringer Betriebs- und Wartungsaufwand erforderlich ist.Due to the relatively simple design of the system, only minimal operating and maintenance effort is required.
Ein Vorteil besteht auch darin, dass die Anlage auch als Wärmepumpenanlage und/oder als kombinierte Kühl- und Heizanlage einsetzbar ist.Another advantage is that the system can also be used as a heat pump system and/or as a combined cooling and heating system.
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
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- WO 2007121603 A1 [0005]WO 2007121603 A1 [0005]
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2022
- 2022-12-20 DE DE102022134153.4A patent/DE102022134153A1/en active Pending
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