DE2705894A1

DE2705894A1 - Kaeltespeicher

Info

Publication number: DE2705894A1
Application number: DE19772705894
Authority: DE
Inventors: Cornelis Doomernik
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1976-02-13
Filing date: 1977-02-11
Publication date: 1977-08-18
Also published as: NL7601499A; FR2341109B3; BE851214A; DK59777A; FR2341109A1; GB1531953A

Description

DIPL-PHYS. WOLrGAMG SEEGER

8 MÜNCHEN 22 · THIEKSCHSTRASSE 27 TEL (089)225182

Anwaltsakte: 35 Pat 2

Cornells Doomernik BERGBEM,_Niederlande

Kältespeicher

Die Erfindung bezieht sich auf einen Kältespeicher, versehen mit einem Behälter, der mit einem eutek ti sehen Gemisch gefüllt ist und Wärmeaustausch-Oberflächen aufweist, die das Eutektikum von Durchlässen für ein Kühlmittel trennen, mit Organen, gasförmiges oder flüssiges Kühlmittel nach Bedarf diesen Durchlässen zuzuführen und flüssiges oder gasförmiges Kühlmittel unter Auftauen bzw. Einfrieren des eutektischen Gemisches daraus abzuführen.

Bin solcher Speicher wird in DT AS 1.015.019 beschrieben. Dort is auch eine Kühlvorrichtung beschrieben, die einen Kältespeicher des genannten Typus enthält.

Grosse Industrieanlagen, wie sie für die Kühl- und Gefrierzellen für grosseSbhlachthauser verwendet werden, müssen eine grosse Menge Kälte liefern in der Periode, in der Fleisch in die Zellen gebracht wird und noch einige Zeit danach, bis alles auf die gewünschte niedrige Temperatur gelangt ist. In den meisten Fällen ist jedoch diese grosse Kühlkapazität nur während der Arbeitsstunden erforderlich, d.h., normalerweise während etwa 8 Stunden pro Tag oder 40 bis 50 Stunden pro Woche, während in der

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übrigen Zeit nur Kälte genug geliefert zu werden braucht, um die Verluste durch unvollständige Isolierung auszugleichen. Die Anwendung eines Kältespeichers ermöglicht es in solchen Fällen, eine viel kleinere Kühlvorrichtung zu gebrauchen, die jedoch kontinuierlich arbeiten kann. Die während der Spitzenstunden erforderliche zusätzliche Kühlung kann dann dem Speicher entnommen werden. Man lässt diesen Speicher dann wieder in der Periode, in der für die Gefrierzellen nur wenig Kälte erforderlich ist, gefrieren. Man kann auf diese Weise von billigem Nachtstrom profitieren und zugleich vermeidet man die Zuschläge, die viele Elektrizitätsgesellschaften für grosse Spitzenbelastungen in Rechnung stellen.

Auf dem Versuchswege ist jetzt festgestellt worden, dass ein Speicher von dem in der genannten DT-AS beschriebenen Typus durchaus in der Lage ist, innerhalb einer angemessenen Zeitdauer die gewünschte Kältemenge zu speichern, aber dass er nicht imstande ist, diese gespeicherte Kälte auch wieder innerhalb einer vergleichbaren Zeitdauer abzugeben. Dadurch erfüllt dieser Speicher nicht die Forderungen, die in der Praxis zu stellen sind.

Beim Einfrieren des eutektischen Gemisches im Speicher wird nämlich um die Kühloberflächen (normalerweise ein Rohrbündel) eine aus eingefrorenem Eutektikuro bestehende Schicht gebildet, die immer dicker wird, bis schliesslich das eutektische Gemisch ganz eingefroren ist. Die dem Speicher zugeführte Kälte muss also aus dem Rohrbündel durch eine aus festem Eutektikum bestehende Schicht zu dem noch flüssigen TejLl des eutektischen Gemisches fHessen. Zn der Praxis hat sich gezeigt, dass damit keine Schwierigkeiten verbunden sind.

Beim Auftauen des Speichers wird zuerst um die Rohrbündel eine dünne Eutektikumschicht geschmolzen und von dem Moment an muss alle dem Eutektikum entzogene Kälte von der Grenzschicht zwischen flüssigem und festem Eutektikum durch eine Schicht des flüssigen Eutektikums hindurch zu den Rohren fHessen. Dieses flüssige Eutektikum ist, wie sich ergeben hat, ein schlechterer Kälteleiter als das feste Eutektikum und die Folge davon ist, dass die Auftaugeschwindigkeit stets viel kleiner als die Gefriergeschwindigkeit ist.

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Dieser Nachteil macht sich deutlich geltend, sobald die Schicht des geschmolzenen Eutektikums eine Dicke von 2 bis 3 mm hat und der Nachteil wird grosser, je nachdem diese Schicht dicker wird.

Heil oft für das GefrierenAwa 16 Stunden pro Tag zur Verfugung stehen und für das Auftauen nur etwa 8 Stunden, ist es für die praktische Anwendbarkeit notwendig, dass die Auftaugeschwindigkeit etwa zweimal so gross wie die Gefriergeschwindigkeit ist, und zwar bei einem gleichen geringen Temperaturunterschied zwischem dem Eutektikum einerseits und dem kondensierenden Gas bzw. der verdampfenden Flüssigkeit andererseits. Wenn dieser Temperaturunterschied So gross wird, kommt die aus dem Speicher zurückgewonnene Kälte nur zur Verfügung bei einer erheblich höheren Temperatur als die Temperatur, bei der diese Kälte von den Kompressoren dem Speicher abgegeben war; und dies ist für die Kältewirtschaft sehr nachteilig.

Erfindungsgemäss ist der Speicher mit Pumpenorganen (35) versehen, um während des Auftauens des eutektischen Gemisches flüssiges Eutektikum durch den Spalt zwischen den Wärmeaustauschflächen (29) und dem noch festen Teil des Eutektikums zu zirkulieren.

Wenn die Flüssigkeit in diesem Spalt in Bewegung gehalten wird, braucht nämlich de r Kältetransport nicht mehr ausschliesslich durch Leiten zu erfolgen, aber dieser Transport geschieht grösstenteils durch Konvektion, so dass die Kälteübertragung bei gleichem Temperaturunterschied sehr viel grosser wird.

Es hat sich herausgestellt, dass mit einer solchen Zirkulation auch das Auftauen des Speichers ganz befriedigend verläuft.

Bekanntlich ist ein eutektisches Gemisch ein Gemisch aus zwei oder mehreren Stoffen, mit solchem Mischverhältnis, dass der Schmelzpunkt des Gemisches ein Minimum ist, und das ganze Gemisch bei ein und derselben Temperatur von der festen in die flüssige Form übergeht und umgekehrt. Im festen Zustand ist normalerweise mehr als eine feste Phase anwesend.

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Bei dieser Schmelzpunkttemperatur kann also das fest Gemisch eine grosse Wärmemenge aufnehmen, nämlich die Schmelzwärme der Komponenten und ihre Mischwärme, ohne dass die Temperatur des Gemisches steigt. Wenn dem geschmolzenen Gemisch Wärme entzogen wird, wird dieselbe Wärmemenge wieder abgegeben, ebenfalls bei gleichbleibender Temperatur.

Weil man bevorzugt, die Kälte dem Speicher zuführt bei annäherend derselben Temperatur wie die, bei der diese Kälte später wieder zu gebrauchen ist, ist es gewünscht, die Temperatur, bei der Erstarren oder Schmelzen auftritt, sorgfältig durch richtige Wahl der Flüssigkeit im Speicher einzustellen. Deshalb wendet man vorzugsweise nicht einen einfachen Stoff an (auch wenn dieser bei gleichbleibender Temperatur gefrieren würde), sondern vorzugsweise ein eutektisches Gemisch aus mindestens zwei Stoffen, das bevorzugt eine grosse Schmelzwärme und den gewünschten Schmelzpunkt aufweist.

Bekannte Beispiele eutektischer Gemische sind folgende Lösungen in Wasser mit den dabei genannten Konzentrationen, ausgedrückt als g gelöster Stoff pro 100 g Wasser und die genannte eutektische Temperatur T .

KONZENTRATION T_ °C

MgSO₄.	7H₂O
KCl
NH .Cl 4
NaCl
NaBr
MgCl₂.	6H₂O
CaCl₂.	6HO

64	-5,2
24,6	-10,7
22,9	-15,8
30,7	-21,2
67	-28
84	-33,6
143	-55

Man kann ebenfalls eutektische Gemische anwenden, bestehend aus einer Lösung mehrerer Salze und/oder anderer Stoffe in Wasser oder anderen Lösungsmitteln. Durch eine richtige Wahl der Komponenten kann man den Wert von T auf einen jedem gewünschten Wert naheliegenden Wert bringen.

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Die Erfindung bezieht sich ebenfalls auf die Anwendung eines Kältespeichers des hier beschriebenen Typus in Kombination mit einer übrigens an sich bekannten Kompressionskühlvorrichtung.

In dieser Kühlvorrichtung Kann man jedes der üblichen Kühlmittel verwenden, wie Pr eon, SO-, CO. und Ammoniak. Aus wirtschaftlichen Erwägungen verwendet man vorzugsweise Ammoniak und in den unten beschriebenen Beispielen ist dieses daher auch immer verwendet.

Die Erfindung wird durch die Zeichnung erläutert. Es zeigen darin:

Fig. 1 ein Schema einer herkömmlichen Kühlvorrichtung mit Ammoniak als Kühlmittel, die dazu eingerichtet ist, bei zwei verschiedenen Temperaturen Kälte zu liefern ;

Fig. 2 ein Schema einer Kühlvorrichtung, die ebenfalls dazu eingerichtet ist, bei denselben zwei Temperaturen Kälte zu liefern, aber die mit einem erfindungsgemässen Kältespeicher für jede dieser zwei Temperaturen versehen ist;

Fig. 3 schematisch eine Ausführungsform des erfindungsgemässen Speichers; Fig. 4 eine Vorzugsausführungsform des Speichers; und Fig. 5 ein Detail des Speichers gemäss Fig. 4.

In der Kühlanlage nach Fig. 1 saugen die Kompressoren 1 gasförmiges Ammoniak aus dem Abscheider 2, der bei der wiedergegebenen Ausführungsform auf -10 C gehalten wird. Das zusammengepresste Ammoniak wird durch eine Leitung in der Pfeilrichtung einem Kondensator 3 zugeführt, in dem das Gas abgekühlt und bei +35⁰C kondensiert wird. Der Koapressionsdruck ist ca. 14 atm. Das kondensierte Ammoniak wird/ein Puffergefäss 4 einer Entspannungsvorrichtung 5 zugeführt, in der die Flüssigkeit auf ca. 3 atm. entspannt wird, während das entspannte Ammoniak wieder in den Abscheider 2 eingeführt wird. Nährend der Entspannung verdampft ein Teil des flüssigen Ammoniaks und durch dieses Verdampfen wird das Ammoniak abgekühlt, in dem Abscheider werden Gas und Flüssigkeit voneinander getrennt. Nenn man Freon als Kühlmittel

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anwendet, wendet man oft gar keine Abscheider an, sondern führt man das entspannte Gemisch ohne weiteres den Kühlzellen zu. Die Entspannungsvorrichtung besteht in ihrer einfachsten Form aus einem Drosselventil, aber es ist selbstverständlich, dass man in diesem Punkt ebenfalls eine Arbeit liefernde Maschine, wie eine Turbine, gebrauchen kann, wodurch Energie dem Ammoniak entzogen wird und eine grössere Abkühlung bei derselben Menge des verdampften Ammoniaks erhalten wird, während die entzogene mechanische Energie benutzt werden kann, z.B. um Strom zu erzeugen.

Das flüssige Ammoniak wird aus dem Abscheider 2 über eine Kühlmittelpumpe und ein Leitungsnetz zu den Kühlzellen 7 gepumpt, in denen das Ammoniak in Kühlkörpern ganz oder teilweise verdampft und dabei Härme aus diesen Kühlzellen aufnimmt. Das gebildete gasförmige Ammoniak und das nicht verdampfte flüssige Ammoniak werden wieder zum Abscheider 2 zurückgeführt, von wo das gasförmige Ammoniak von dem Kompressor 1 wieder angesaugt wird.

Damit ist der erste Kühlkreislauf vollendet.

Aus der Druckleitung der Kühlmittelpumpe 6 wird ein Teil des flüssigen Ammoniaks der Entspannungsvorrichtung 10 zugeführt und dort auf einen Druck von etwas weniger als 1 atm. entspannt. Dabei verdampft wiederum eine Menge Ammoniak, sodiss das Ammoniak auf etwa -35°C abkühlt, während Gas und Flüssigkeit im Abscheider 9 voneinander getrennt werden. Ebensowie die Entspannungsvorrichtung 5 kann auch die Entspannungsvorrichtung 9 aus einem Drosselventil oder aus einer Turbine bestehen. Aus dem Abscheider 9 wird durch eine Kühlmittelpumpe 11 das kalte flüssige Kühlmittel zu den Gefrierzellen 12 gepumpt, wo das flüssige Kühlmittel in Kühlorganen ganz oder teilweise verdampft und zum Abscheider 9 zurückgeführt wird. Aus diesem Abscheider 9 wird das gasförmige Kühlmittel von Kompressoren 8 abgesaugt und das auf ca. 3 atm. zusammengepresste Gas wird unter der Oberfläche des flüssigen Kühlmittels Im Abscheider 2 geführt. Damit ist auch der zweite Kreislauf vollendet. Die Zuführung von flüssigem Ammoniak aus dem Puffergefäss 4 zum Entspannungsorgan 5 kann von Hand geregelt werden, aber normalerweise verwendet man eine automatische Regelung, die das Niveau im Abscheider 2 etwa konstant hält. Ebenso wird die Zuführung von flüssigem Ammoniak aus dem Abscheider 2 zur Entspannungsvorrichtung 10 bevorzugt automatisch so geregelt, dass das Niveau im Abscheider 9 etwa konstant bleibt.

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Wenn die Kühlzellen 3 und die Gefrierzellen 12 alle auf die gewünschte Temperatur gebracht sind und die beiden Abscheider auf das gewünschte Niveau mit flüssigem Ammoniak mit der gewünschten Temperatur gefüllt sind, ist es nutzlos, die Kompressoren 1 und 8 länger arbeiten zu lassen und diese werden dann, normalerweise ebenfalls automatisch, gestopp-t und wiederum gestartet, wenn die Temperatur (und damit der Druck) in einem der Abscheider stark ansteigt.

Heil es bei diesen bekannten Vorrichtungen notwendig ist, dass jeder Kältebedarf sofort durch Erzeugung einer neuen KSltemenge gedeckt wird, ist es notwendig, in jeder der Kompressorstufen eine grosse Kompressionsleistung zur Verfügung zu haben, entweder in Form eines einzigen, ganz grossen Kompressors oder in Form mehrerer kleinen Kompressoren. Die Anschaffung dieser Kompressoren bildet einen grossen Teil der Baukosten der Kühlvorrichtung.

Fig. 2 zeigt eine erfindungsgemässe Kühlvorrichtung, die grösstenteils der Vorrichtung nach Fig. 1 entspricht, aber durch Hinzufügung von zwei Kaltespeichern modifiziert ist. In Fig. 1 und 2 geben dieselben Positionen dieselben Teilen an.

Die Kältespeicher 14 und 20 umfassen je einen thermisch gut isolierten Behälter, der mit einem eutektischen Gemisch gefüllt ist, dessen Schmelzpunkt der normalen Temperatur im zugeordneten Abscheider etwa gleich ist, während in diesem Behälter und in Berührung mit dem eutektischen Gemisch Harmeaustauschorgane vorgesehen sind, wie RohrSpiralen, Hohlplatten oder andere Organe, die mit Zu- und Abfuhrleitungen für Kühlmittel verbunden sind. Darin geben die gezogenen Pfeile die StrÖaungsrichtung während des Auftaus an und die gestrichelten Pfeile die Stromungsrichtung während des Einfrierens. Es ist von Belang, dass diese Wärmeaustauschorgane eine grosse Oberfläche haben, üb pro Stunde eine grosse Kältemenge aufnehmen oder abgeben zu können und zugleich ein kleine· Volumen, um möglichst viel Raum für das eutektische Gemisch zu behalten. Solche Harmeaustauschorgane sind an sich allgemein bekannt. Heiter ist der Speicher mit einer (nicht gezeichneten) Umlaufpumpe für das eutektische Gemisch versehen.

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Beim Starten der Vorrichtung nach Fig. 2 wirkt diese anfänglich ganz analog der Vorrichtung aus Fig. I₁ während die Ventile 13, 17, 19 und geschlossen sind.

Die Kältespeicher sind dann noch nicht abgekühlt.

Sobald die Kühlzellen und die Gefrierzellen die gewünschte Temperatur erreicht haben, wird dort keine oder nur noch wenig Kälte verbraucht und folglich sinkt die Temperatur im Abscheider 2 und zugleich fällt dort der Druck ab. In diesem Fall wird jedoch der Kompressor 1 nicht gestogt, sondern er arbeitet nach wie vor. Sobald Temperatur oder Druck im Abscheider unterhalb eines gewählten Wertes herabgesunken ist, wird das Ventil 13 geöffnet, vorzugsweise automatisch. Dadurch wird von der Pumpe 6 jetzt flüssiges Ammoniak durch die Rohrspiralen oder andere Wärmeaustauschorgane 15 gepumpt, von denen eines oder mehrere im Kältespeicher angeordnet sind. Das eutektische Gemisch gibt über die Wärmeaustauschflächen seine Wärme an das flüssige Ammoniak ab, das dadurch ganz oder teilweise verdampft und durch die Leitung 16 wieder zum Abscheider 2 zurückgeführt wird. Weil Temperatur und Druck im Abscheider 2 jetzt unterhalb der normalen Temperatur und Druck liegen und also auch unterhalb des Schmelzpunktes des eutektischen Gemisches kann diese Wärmeabgabe durch das eutektische Gemisch sich fortsetzen, bis das eutektische Gemisch gefriert. Während dieses Gefrierens bleibt die Temperatur im Abscheider 2 durchgehend niedriger als die normale Temperatur (die dem eutektischen Gefrierpunkt im Speicher gleich ist).

Wenn nach ganz oder teilweise erfolgtem Gefrieren des eutektischen Gemisches der Kältebedarf der Kühlzellen oder Gefrierzellen wieder zunimmt, wird aus diesen Zellen mehr gasförmiges Ammoniak zum Abscheider 2 geführt, so dass der Druck und die Temperatur im Abscheider 2 steigen. Sobald die Temperatur dem eutektischen Gefrierpunkt gleich wird, hört automatisch das Gefrieren des eutektischen Gemisches auf, aber vorzugsweise ist schon vorher das Ventil 13 geschlossen. Wenn der Kältebedarf in den Zellen grosser ist, als von den Kompressoren geliefert werden kann, wird die Temperatur im Abscheider 2 nach wie vor steigen und bei einer gewählten Temperatur nuss dann das Ventil 17 geöffnet und zugleich die Pumpe 18 gestartet werden.

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Diese Pumpe saugt gasförmiges Ammoniak durch die Leitung 16 an und dieses Ammoniak wird unter Abscheiderdruck durch den Speicher gefuhrt. Weil dieser Abscheiderdruck jetzt grosser als der Dampfdruck des Ammoniaks beim eutektischen Gefrierpunkt ist, wird dieses Gas ganz oder teilweise kondensieren und das flüssige Ammoniak wird durch die Pumpe 18 dem Abscheider zugeführt. Auf diese Heise stellt sich im Abscheider 2 eine zusatzliche Kältemenge zur Verfugung, so dass weiterer Temperatur- und Druckanstieg', in diesem Abscheider vermieden wird. Es ist also nicht notwendig, dass die Kompressorleistung vergrössert wird, um dennoch eine grosse Kühlkapazität zu erhalten.

Wenn man das Eutektikum völlig zu einem festen Block gefriert, entsteht beim Auftauen um jedes Rohr, in dem Ammoniak kondensiert, ein konzentrischer Zylinder, bestehend aus eutektischer Sole. Diese Sole ist ein schlechter Härmeleiter, so dass Kondensierung des Ammoniaks in der gewünschten Menge dann nur noch möglich ist, wenn ein ziemlich grosser Temperaturunterschied zwischen der eutektischen Temperatur und der Kondensationstemperatür des Ammoniaks besteht und auf diese Heise würde ein grosser Teil der gespeicherten Kälte nur zur Verfugung kommen, wenn die Temperatur erheblich höher als die Temperatur, bei der diese KSlte gespeichert war, ist. Dieser Nachteil maclt sich deutlich geltend, sobald die Soleschicht eine Dicke von 2 bis 3 mn hat und der Nachteil wird grosser, je nachdem diese Schicht dicker wird. Es ist klar, dass dieser Nachteil dadurch beseitigt werden kann, dass man die Sole in dieser dünnen Schicht in Bewegung hält, weil dann die Kälte nicht mehr im wesentlichen durchleiten, sondern gerade im wesentlichen durch Konvektion übertragen werden wird, so dass die Kälteübertragung sehr viel grosser sein kann bei gleichem Temperaturunterschied.

Bei der in Fig. 3 gezeichneten Ausführungsform eines Kältespeichers bestehen die Kühloberflächen aus einer Anzahl in das Eutektikum eingetauchter, haarnadelartig gebogener Bohre 29, die je eine Gesamtlänge mehrerer Meter haben können Diese Rohre sind mit gemeinsamen Zo- und Abfuhrleitungen 27 und 28 verbunden. Geniss einer Vorzugsausführungsform montiert man nun um das Zufuhr- und da» Abführend· jedes dieser Bohr· ein kurzes Mantelrohr bzw. 31 einer Länge von z.B. 15 bis 25 ca, das an «ines Ende (in der Zeichung links) geschlossen und mit einer Anschlusspumpe 33 bzw. 34 versehen

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ist. Der Innendurchmesser dieser Mantelrohre ist etwa 4 bis 6 mm grosser als der Aussendurchmesser der Rohre 29. Nenn also um die Rohre 29 eine Schicht von 2 bis 3 mm Dicke an eutektischem Material geschmolzen ist, bildet die Grenzfläche 32 zwischen festem Eutektikum und geschmolzenem Eutektikum die Verlängerung der Mantelrohre 30 und 31, so dass es möglich wird, über die Stutzen 33 und 34 mit einer Pumpe 35 die Sole durch den Spalt um die Rohre 29 zu zirkulieren. Es zeigt sich, dass dies während des Auftauens die Kälteübertragung zunehmen lässt bis zu einem Vielfachen dieser Kälteübertragung ohne diese Zirkulation. Um Kälteverluste zu vermeiden, ist es gewünscht, alle in Fig. 3 gezeichneten Leitungen und die Pumpe 35 möglichst innerhalb des Speichers selbst anzuordnen, so dass ihre Temperatur nur wenig höher als die eutektische Temperatur ist. Auf diese Weise ist es möglich, das eutektische Gemisch ganz einzufrieren und dennoch eine gute Auftaugeschwindigkeit zu erhalten.

In ganz analoger Heise ist der Speicher 20 indfer Lage, bei geringem Kältebedarf der Gefrierzellen die erzeugte Kälte zu speichern nach Offnen des Ventils 19 und bei vergrössertem Kältebedarf diese gespeicherte Kälte wieder an den Abscheider/abzugeben, nach Offnen des Ventils 23 und Starten der Pumpe 24.

Das Offnen und Schliessen der Ventile 13, 17, 19 und 23 erfolgt vorzugsweise ganz automatisch als Reaktion auf das überschreiten vorgewählter Grenzen für Temperatur und Druck im Abscheider 2 und 9. Die Kapazität der Kältespeicher 20 und 14 ist so zu wählen, dass einerseits diese Speicher ganz eingefroren werden können in den Perioden mit geringer Belastung der Kompressoren 1 und 8, während sie andererseits nahezu ganz aufgetaut werden können während der Perioden mit grosses Kältebedarf, der-nicht durch die Kompressoren 1 und 8 gedeckt werden kann.

Fig. 4 zeigt eine Vorzugsausführungsform des Speichers. Dieser ist mit einem Behälter 14 versehen, der von einer aus Isolationsmaterial bestehenden Schicht umhüllt und mit dem gewählten eutektischen Gemisch gefüllt ist. Dieser Behälter kann vorzugsweise Abmessungen von 10 χ 2 χ 2 Meter haben. In diesem Behälter sind zwei Rohrplatten 36 und 37 nahe den Stirnenden angeordnet. In diesen Rohrplatten sind die Mantelrohre befestigt,

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die in diesem Fall trichterförmig ausgebildet sind (Fig. 5). Durch diese Mantelrohre sind die haarnadelartigen Kühlmittelrohre (29) gesteckt, während zwischen diesen Rohren 29 und dem Mantelrohr 30 ein Spalt einer Breite von 2 bis 5 mm offen Heibt. Die Enden der Rohre 29 sind an Flüssigkeitszu- und-abfuhrrohren 28 und Gaszu- und-abfuhrrohren 27 befestigt. Diese Rohre 28 und 27 sind ihrerseits mit zwei Hauptzu- und-abfuhrrohren für flüssiges bzw. gasförmiges Kühlmittel verbunden.

In dem Raum zwischen der Rohrplatte 36 und dem benachbarten Stirnende des Behältes befindet sich auf etwa der Hälfte der Höhe eine horizontale Trennwand (35a) und darin ist ein Pumpenorgan (35) angeordnet, das einen Druckunterschied zwischen der Unterseite und der Oberseite der Trennwand (35a) beibehält. Dieses Pumpenorgan kann einfach aus einem kurzen Zylinder bestehen, der durch die Trennwand (35a) steckt, während in diesem Zylinder ein Propeller angeordnet ist, der von einer langen Welle und einem auf dem Speicherdeckel angeordneten Motor angetrieben wird.

Die Oberseite des Speichers wird durch einen Deckel 39 abgeschlossen. Weil die Zusammensetzung des eutektischen Gemisches, normalerweise eine Lösung eines oder mehrerer Salze in Wasser, sich nicht ändern darf, ist es notwendig, dafür zu sorgen, dass kein Wasser von aussen her eintreten kann und auch kein Wasser aus dem Gemisch verdampfen kann. Dazu kann oben am Rand des Behälters 14 entlang eine mit 01 gefüllte Rinne (38) vorgesehen werden und der Deckel wird dann mit einem sich nach unten erstreckerdon Rind versehen, der in diese Rinne hineinragt. Dadurch wird ein genügender Abschluss erhalten. Weil beim Einfrieren und Auftauen des eutektischen Gemisches dessen Volumen sich ändert, ist es weiter gewünscht, zu vermeiden, dass durch dieses Atmen des Speichers Wasser verlorengeht oder Wasser eindringt. Deshalb wird gemäss einer weiteren Vorzugsausführungsfofm in dem Gasraum oberhalb des eutektischen Gemisches ein Stickstoffüberdruck von einigen cm ,Wassersäule beibehalten, während dieser Stickstoff einen Wassergehalt aufweist, der der Dampfspannung des eutektischen Gemisches entspricht. Der Druck und die Feuchtigkeit dieses Stickstoffes werden durch eine an sich bekannte Regelvorrichtung 41 geregelt. Der Druck kann an einem Manometer 40 abge]e;en werden.

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Beim Einfrieren des Speichers verfährt man vorzugsweise wie folgt. Zunächst wird bei stillstehender Pumpe (35) so lange flüssiges Kühlmittel eingeleitet, dass um jedes Rohr (29) eine aus festem Eutektikum bestehende Schicht gebildet ist, die derart dick ist, dass die Spalte zwischen den Mantelrohren (30, 31) und den Rohren (29) ganz abgeschlossen sind. In diesem Stadium erstreckt sich die Flüssigkeit im Speicher bis gerade über die höchsten Rohre (29). Dann wird mit der Pumpe 43 das flüssige eutektische Gemisch aus den Räumen zwischen den Rohjplatten (36, 37) und den benachbarten äirnenden des Behälters (14) weggepumpt zu dem Raum zwischen diesen Rohrplatten oberhalb der Rohre (29) und das Einfrieren wird fortgesetzt, bis ein aus festem eutektischem Gemisch bestehender grosser Block erhalten ist. Die Räume zwischen den Rohrplatten (36, 37) sind dann also leer. Oben und an den Seitenwänden entlang bleibt vorzugsweise eine aus eutektischem Gemisch bestehende Schicht flüssig, weil dies einen etwas grösseren Abstand zu den Rohren hat als der Rest des eutektisehen Gemisches und weil bei den Wänden und dem Deckel immer ein Kälteleck vorhanden ist.

Wenn man dem eingefrorenen Speicher Kälte entziehen will, führt man gasförmiges Kühlmittel in die Rohre (29) bei gerade ausreichendem Druck, um Kondensation zu ermöglichen. Dann entsteht nach z.B. 10 Minuten um jedes Rohr (29) ein zylindrischer Spalt, der mit geschmolzenem eutektischem Gemisch gefüllt ist, mit einer Breite von z.B. 2 bis 3 mm und von dem Moment an nimmt die Kälteabgabe stark ab. Spätestens in diesem Moment öffnet man Hähne (42), die den Raum zwischen den Trennwänden (36) und (37) mit den Leerräumen an den Stirnenden verbinden, so dass das zwischen den Rohrplatten vorhandene flüssige eutektische Gemisch zu diesen Räumen läuft und sie füllt. Danach startet man die Pumpe (35). Diese Pumpe fördert die Flüssigkeit oberhalb der Trennwand (35a) nach unten, von dort durch die Spalte längs der Rohre im unteren Teil des Speichers zu dem anderen Stirnende, also in der Figur von links nach rechts. In diesem rechten Stirnende steigt die Flüssigkeit hoch und strömt sie durch die Spalte längs der Rohre wieder zum linken Stirnende und zu der Pumpe (35). Bei einem Speicher der obengenannten Abmessungen (10 χ 2 χ 2 Meter) stellt es sich heraus, dass eine Pumpenkapazität von ca. 1000 m /Stunde sehr brauchbar ist. Dadurch, dass die Flüssigkeit im Spalt jetzt in Bewegung ist, wird die Kälteübertragung ein Vielfaches der Kälteübertragung bei stillstehender

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Flüssigkeit und reicht sie ganz für den praktischen Bedarf.

Solange man abwechselnd den Speicher ganz einfriert und danach ganz auftaut, ist die Form der Mantelrohre 30 nicht kritisch. Es kommt in der Praxis jedoch auch vor, dass nach einer Periode des teilweisen Auftauens wieder Kompressorkapazität übrig -bleibt, so dass wiederum Kälte gespeichert werden muss.

Wenn (siehe Fig. 5) das feste Eutektikum bis zur Grenzfläche (45) geschmolzen war und man wiederum Kälte zuführt, wird an den Rohren eine neue Schicht aus festem eutektischem Gemisch entstehen bis zu einer Grenzfläche (44). Ist es danach wieder notwendig, dem Speicher Kälte zu entziehen, so entsteht um die Rohre C9) wiederum ein Spalt, der mit geschmolzenem eutektischem Gemisch gefüllt ist, und zwar bis zu einer Grenzfläche (32). Wenn man durch diesen Spalt geschmolzenes eutektisches Gemisch pumpen will, muss man natürlich vermeiden, dass der Grossteil dieses Gemisches durch den Spalt zwischen den Grenzflächen (44) und (45) strömt, der anfänglich meistens breiter sein wird. Strömung in diesem letztgenannten Spalt wird die Kälteabgabe nicht fördern. Eine. Trichterform der Mantelrohre (30) z.B. wie in Fig. 5 angegeben, vermeidet eine solche ungewünschte Strömung durch den äusseren Spalt nahezu völlig, weil der Zylinder festes eutektische^ Gemisch zwischen den Grenzflächen (32) und (44) nach wie vor an das trichterförmige Mantelrohr anschliesst. Um einem Abschmelzen der Enden dieses Zylinders entgegenzuwirken, werden diese Mantelrohre vorzugsweise aus einem Material hergestellt, das die Wärme schlecht leitet, wie ein Kunststoff, z.B. PVC, Polypropylen, Polyäthylen oder schlagfestes Polystyrol. Dadurch, dass der genannte Zylinder festes Material an beiden Enden nach wie vor an diese Trichter anschliesst, wild alle umgepumpte Flüssigkeit gezwungen, durch den Spalt zu strömen, der dem Rohr (29) benachbart ist, so dass eine gute Kälteabgabe immer gewährleistet ist.

In der Praxis stellt es sich heraus, dass die Geschwindigkeit der Kälteabgabe aus den erfindungsgemassen Speichern während des Auftauens annähernd konstant ist, bis nahezu alles feste Eutektikum geschmolzen ist. Nahe dem Auftauende wird diese Kälteabgabe jedoch deutlich geringer, weil dann die Strömung der Schmelze nicht länger durch ein System von voneinander

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getrennten Spalten definiert ist.

In der Praxis werden die verschiedenen Handlungen, wie Offnen und Schliessen von Hähnen, Starten und Stoppen von Motoren od. dgl. ganz automatisch durchgeführt. Die dafür erforderliche Apparatur ist an sich bekannt und mit deren Anwendung in Zusammenhang mit den erfindungsgemässen Speichern hat der Fachmann keine Probleme.

In der Annahme, dass eine Anlage, wie in Fig. 1 wiedergegeben, eine Kühlkapazität von 1.000.000 kcal/Stunde bei -10°C und ausserdem eine Kühlkapazität von 2 30.000 kcal/Stunde bei -35°C hat und wenn es sich zeigen würde, dass diese Anlage insgesamt pro Etraal 8 Stunden arbeiten würde (berechnet als die Summe aller Arbeitsperioden), so würde man beim Obergang auf eine Vorrichtung nach Fig. 2 folgende Situation erhalten:

Der Hochtemperaturkompressor müsste eine Kühlkapazität haben von:

1.000.000 χ 8 = 333.000 kcal/Stunde 24

und der Niedrigtemperaturkompressor eine Kühlkapazität von

200.000 χ 8 = 67.000 kcal/Stunde. 24

Heil beim Einfrieren des Speichers das Ammoniak eine niedrigere Temperatur haben muss als beim Auftauen, tritt dort ein Verlust auf, so dass die obengenannten Kapazitäten um ca. 10% erhöht werden müssen. Das kommt also darauf hinaus, dass man in Fig. 2 nur jeweils einen Kompressor braucht, während man in Fig. 1 drei vom gleichen Typus brauchte.

Unter diesen Bedingungen muss der Speicher 14 aufnehmen können: (24-8) χ 366.000 kcal = ca. 5.800.000 kcal und der Speicher 20 muss aufnehmen können: 16 χ 74.000 = ca. 1.200.0(D kcal.

Wenn man erwägt, die Kompressoren während einer Spitzenstunde ganz auszuschalten und das Kühlen ausschliesslich mit den Speichern durchzuführen, muss man dies selbstverständlich beim Entwerfen berücksichtigen.

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Ausser der Kapazität der Speicher ist weiter von Belang, das auch die Kälteaufnahmegeschwindigkeit und die Kälteabgabegeschwindigkeit gross genug ist, um den vorhandenen Kältebedarf zu decken.

Es ist von höchster Bedeutung, dass sowohl zum Speichern von Kälte im Speicher als auch zum Entnehmen von lullte aus dem Speicher dieselben Wärmeaustauschflächen verwendet' werden. Nenn man nämlich den Speicher mit gesonderten Austauschflachen zur Kälteentnahme ausstatten würde, so wäre die Gesamtober fläche der Austauschflächen das Zweifache von dem, was erfindungsgemäss notwendig ist und dann wäre ausserdem ein beträchtlich grosser Teil des Speicherinhalts mit diesen Oberflächen und Durchströmungsräumen für Ammoniak und anderes Kühlmittel gefüllt , so dass viel weniger Raum für das eutektische Gemisch übrigbleiben würde. Um dann trotzdem dieselbe Kapazität zu erzielen, müsste der Speicher also erheblich grosser und dem-entsprechend teuerer und zu-dem komplizierter konstruiert sein. Nachdem nur ein einziger Satz Austauschflächen notwendig ist, kann man diesen zweimal so gross machen, wie wenn man zwei Sätze verwenden würde und also kann man dann eine um zweimal schnellere Kältezufuhr und -abfuhr bei gleichem Temperaturunterschied erzielen.

Nährend in Fig. 1 und 2 eine Kühlvorrichtung geschildert ist, ie bei nur zwei verschiedenen Temperaturen Kälte liefern kann, kommt es in der Praxis oft vor, dass es erforderlich ist, Kälte zu liefern bei mehreren, beispielweise 3 bis 6 verschiedenen Temperaturen und in diesel Fällen wendete man bisher normalerweise eine Vorrichtung an, analog der nach Fig. 1, aber versehen'mit mehreren Abscheidern, die je bei einem eigenen Druck arbeiten und mit einem eigenen Kompressor und einer eigenen Gruppe von Kühlkörpern verbunden sind, während die verschiedenen Abscheider und Kompressoren miteinander durch Leitungen für flüssiges und gasförmiges Kühlmittel verbunden sind. Nährend die zwei Kreisläufe in Fig. 1 in Serie geschaltet sind, können sie bei mehreren Kreisläufen ebenfalls ganz teilweise parallel-geschaltet sein.

Erfindungsgemäss können alle solche Kühlvorrichtungen mit eines oder mehreren Kältespeichern versehen werden, and zwar «liter für jeden Abscheider. Natürlich kann ea nicht nötig sein, manchen dieser Abscheider

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einen gesonderten Speicher zuzuordnen, wenn dieser Abscheider nicht periodisch schwer belastet wird. Auch kann es gewünscht sein, bei einem gegebenen Abscheider nicht einen, sondern mehr als einen Speicher anzuordnen, um auf diese Heise eine grossere Kapazität zu erzielen. Jedoch soll stets der eutektische Gefrierpunkt in einem Speicher nahezu gleich der normalen Temperatur in dem zugeordneten Abscheider sein.

Wenn diese Speicher einmal aufgestellt sind, sind ihre Betriebskosten sehr gering, weil nahezu keine bewegenden Teile vorhanden sind und also kein Verschleiss auftritt. Soweit die verwendeten eutektischen Gemische korrodierende Eigenschaften aufweisen, kann man diese in bekannter Heise durch Zugabe eines Inhibitors zu dem Gemisch unterdrücken.

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Claims

ANSPRUECHE

\1. kältespeicher, versehen mit einem Behälter (14), der mit einem eutektischen Gemisch gefüllt ist und versehen mit Wärmeaustauschflächen (29), welche Flächen das Eutektikum von Durchlässen für ein Kühlmittel trennen, mit Organen, gasförmiges oder flüssiges Kühlmittel nach Bedarf diesen Durchlässen zuzuführen und flüssiges oder gasförmiges Kühlmittel daraus abzuführen unter Auftauen bzw. Einfrieren des eutektischen Gemisches, dadurch gekennzeichnet, dass der Speicher mit Pumpenorganen (35) versehen ist, um während des Auftauens des eutektischen Gemisches flüssiges Eutektikum durch den Spalt zwischen den Wärmeaustauschflächen (29) und dem noch festen Teil des Eutektikums (32) zu zirkulieren.
2. Kältespeicher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeaustauschflächen aus einem Bündel Rohre (29) bestehen, die an den Enden mit kurzen Mantelrohren 30, 31, verbunden mit der Saugkante bzw. Presskante der Pumpenorgane (35), versehen sind.
3. Kältespeicher nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass dieser mit zwei Rohrplatten (36,37) versehen ist, in denen die Mantelrohre befestigt sind, während die Rohre durch diese Mantelrohre stecken unter Freilassung eines Spaltes zwischen den Rohren (29) und den Mantelrohren, zwischen jeder Rohrplatte und dem nahen 0ade des Behälters ein freier Raum verbleibt, einer dieser freien Räume auf etwa der halben Höhe durch eine horizontale Trennwand (35a) verteilt ist, in welcher Trennwand das Pumpenorgan (35) vorgesehen ist.
4. Kältespeicher nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Spalt zwischen den Rohren (29) und den Mantelrohren (30, 31) 2 bis 5 can br a it i-st.
5. Speicher nach Ansprüchen 1-4, dadurch gekennzeichnet, dass die Mantelrohre trichterförmig ausgebildet sind und aus einem Kunststoff hergestellt sind.
6. Anwendung eines Kältespeichers nach Ansprüchen 1-5 in Kombination mit einer Kompressionskühlvorrichtung.

709833/0691 ORIGINAL JNSPECTgD