EP4311989A1 - Kältemittelkreislauf - Google Patents

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EP4311989A1
EP4311989A1 EP23183718.8A EP23183718A EP4311989A1 EP 4311989 A1 EP4311989 A1 EP 4311989A1 EP 23183718 A EP23183718 A EP 23183718A EP 4311989 A1 EP4311989 A1 EP 4311989A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
refrigerant
ffm
heat exchanger
functional conveying
conveying agent
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP23183718.8A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Andreas Wagner
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
CTS Clima Temperatur Systeme GmbH
Original Assignee
CTS Clima Temperatur Systeme GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Priority claimed from DE102022134604.8A external-priority patent/DE102022134604A1/de
Application filed by CTS Clima Temperatur Systeme GmbH filed Critical CTS Clima Temperatur Systeme GmbH
Publication of EP4311989A1 publication Critical patent/EP4311989A1/de
Pending legal-status Critical Current

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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B9/00—Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point
    • F25B9/002—Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point characterised by the refrigerant
    • F25B9/008—Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point characterised by the refrigerant the refrigerant being carbon dioxide
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B40/00—Subcoolers, desuperheaters or superheaters
    • F25B40/02—Subcoolers
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B41/00—Fluid-circulation arrangements
    • F25B41/40—Fluid line arrangements
    • F25B41/42—Arrangements for diverging or converging flows, e.g. branch lines or junctions
    • F25B41/48—Arrangements for diverging or converging flows, e.g. branch lines or junctions for flow path resistance control on the downstream side of the diverging point, e.g. by an orifice
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B6/00—Compression machines, plants or systems, with several condenser circuits
    • F25B6/04—Compression machines, plants or systems, with several condenser circuits arranged in series
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B2400/00—General features or devices for refrigeration machines, plants or systems, combined heating and refrigeration systems or heat-pump systems, i.e. not limited to a particular subgroup of F25B
    • F25B2400/13—Economisers
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
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    • F25B2400/00—General features or devices for refrigeration machines, plants or systems, combined heating and refrigeration systems or heat-pump systems, i.e. not limited to a particular subgroup of F25B
    • F25B2400/23—Separators

Definitions

  • the invention relates to a refrigerant circuit, comprising a refrigerant compressor, which compresses refrigerant to a high pressure level that is above the triple point of the refrigerant, and from which the compressed refrigerant is fed to a heat exchanger unit, which extracts heat from the refrigerant, an expansion element arranged downstream of the heat exchanger unit , which is followed by at least one heat exchanger channel, wherein the expansion element expands the compressed refrigerant in such a way that the triple point in the expansion element itself is not exceeded and that the refrigerant, after leaving the expansion element, falls below the triple point in the subsequent heat exchanger channel and sublimes, thereby generating heat from a receives a heat source surrounding the heat exchanger body having the heat exchanger channel, as well as a collecting line which receives the refrigerant after leaving the heat exchanger channel and supplies it to the refrigerant compressor.
  • the invention is therefore based on the object of improving the heat transfer from the heat exchanger body to the sublimating refrigerant flowing into the heat exchanger channel.
  • This object is achieved according to the invention in a refrigerant circuit of the type described above in that a mixture of refrigerant and a functional conveying medium flows through the heat exchanger channel During the sublimation of the refrigerant, the functional conveying agent is still present as a liquid functional conveying agent, which improves heat transfer in the heat exchanger channel between the sublimating refrigerant and the heat exchanger body having the heat transfer channel.
  • the advantage of the solution according to the invention can therefore be seen in the fact that the functional conveying agent, which is still liquid during the sublimation of the refrigerant, opens up the possibility of improving the heat transfer between them by wetting, on the one hand, the sublimating refrigerant and, on the other hand, walls of the heat exchanger body surrounding the heat exchanger channel, and thus in particular the To increase heat absorption by the sublimating refrigerant per unit of time.
  • a lubricant separator is arranged between the refrigerant compressor and the high-pressure side heat exchanger unit, which ensures that the lubricant from the refrigerant compressor does not circulate in undefined quantities in the refrigerant circuit, but after the refrigerant compressor in the refrigerant circuit is largely withdrawn again.
  • the lubricant separator is a coalescence separator, since with such a coalescence separator a very high separation rate of lubricant can be achieved in order to largely remove it from the refrigerant, which subsequently enters the heat exchanger channel, and thus problems due to blockages in the heat exchanger channel avoid.
  • the functional conveying agent should not change and/or impair the operating conditions of the refrigerant circuit with the refrigerant intended for sublimation without the addition of the functional conveying agent.
  • the functional conveying agent is selected such that the mixture of the refrigerant, in particular CO2, and the functional conveying agent is non-flammable, preferably also non-toxic, so that the addition of the functional conveying agent does not create any additional risk potential due to the refrigerant circuit arises.
  • non-flammable requirement requires that the mixture be classified as “1” or “A1” according to the ANSI/ASHRAE Standard 34 based on ASTM E681, where "1" is non-flammable and “A1” is non-toxic and not means flammable.
  • a further advantageous specification provides that the functional conveying agent is selected such that the mixture of the refrigerant and the functional conveying agent has a triple point that is lowered by a maximum of 5 K, preferably a maximum of 3 K, compared to the triple point of the pure refrigerant.
  • the functional conveying agent is selected such that the mixture of the refrigerant and the functional conveying agent has a temperature glide, that is to say a difference between the dew temperature and the boiling temperature, of a maximum of 5 K in the area between the triple point and the critical point , preferably a maximum of 3 K.
  • This measure ensures that no additional measures are required for optimal heat transfer when operating the refrigerant circuit, since the difference between the dew temperature and the boiling temperature of the mixture of refrigerant and functional fluid has no significant impact on the operating conditions.
  • a further advantageous condition provides that the functional conveying agent is selected such that the mixture of the refrigerant and the functional conveying agent has a global warming potential, hereinafter referred to as “global warming potential,” of less than 150.
  • This measure can ensure that the mixture of refrigerant and functional conveying agent has a minimal impact on the environmental compatibility of operating such a refrigerant circuit.
  • the proportion of the functional conveying agent in the mixture of refrigerant and functional conveying agent is selected such that no blockage occurs in the heat exchanger channel during the sublimation of the refrigerant.
  • This measure excludes functional conveying agents that separate out of the mixture in the heat exchanger channel and settle or become viscous in such a way that the flow conditions in the heat exchanger channel are significantly impaired.
  • the functional conveying agent in the refrigerant circuit has a circulating lubricant with a defined mass proportion of the total mass of the mixture of refrigerant and functional conveying agent.
  • the refrigerant circuit is supplied with metered lubricant from the lubricant separator as a functional conveying medium by means of a supply line and a metering unit assigned to it.
  • a further advantageous solution provides that a mixture of refrigerant and lubricant is fed to the refrigerant circuit as a functional conveying agent in a metered manner by means of a feed line branching off between the refrigerant compressor and the lubricant separator and a metering unit assigned to this.
  • This solution has the advantage that the lubricant is present in a reduced proportion in the refrigerant and the exact lubricant dosage can therefore be achieved even more easily by metering this combination of refrigerant and lubricant.
  • a condenser or gas cooler is preferably provided in the supply line, which makes it possible to cool the mixture of refrigerant and lubricant before it is fed back into the refrigerant circuit.
  • the refrigerant circuit in the area of the high-pressure side heat exchanger unit is supplied with metered lubricant as a functional conveyor so that the lubricant can mix well with the refrigerant before it enters the heat exchanger channel.
  • Another supplementary or alternative advantageous possibility of supplying lubricant as a functional conveying agent provides that lubricant is supplied in a metered manner as a functional conveying agent to the refrigerant circuit in the area of the expansion element.
  • the lubricant could be supplied to the refrigerant as a functional conveying agent upstream of the expansion element.
  • a particularly advantageous solution provides that lubricant is supplied in metered quantities as a functional conveying agent to the refrigerant circuit following the expansion element, in particular immediately following the expansion element.
  • the lubricant present in the mixture can be a lubricant for the refrigerant compressor, which, however, must be selected so that it does not settle in a viscous form in the heat exchanger channel and clog it.
  • the mass fraction of the lubricant present in the mixture in the heat exchanger channel is based on the mixture of refrigerant and functional promoting means is more than 0.02% by mass, preferably more than 0.04% by mass.
  • the mass fraction of the lubricant present in the mixture is a maximum of 1 mass%, better a maximum of 0.11 mass%, even better a maximum of 0.05 mass%.
  • an advantageous solution for a functional conveying agent according to the invention provides that the functional conveying agent comprises at least one additional refrigerant.
  • Such an additional refrigerant is a refrigerant which differs from the refrigerant, for example CO2, which is intended for the basic function of the refrigerant circuit and in particular sublimates in the heat exchanger channel.
  • the proportion of the additional refrigerant representing the functional conveying agent in the mixture of refrigerant and functional conveying agent is selected such that the mixture of refrigerant and functional conveying agent has a temperature glide that is smaller both in the area between the triple point and the critical point than 5 K, and, based on the pure refrigerant, has a triple point depression that is less than 5 K, and in particular is not combustible and in particular also has a “global warming potential” of less than 150.
  • the functional funding means contains one or more of the additional refrigerants (E)-1,3,3,3-tetrafluoropropene, 1,1,1,2-tetrafluoroethane, 1,1-difluoroethene, 2,3 ,3,3-Tetrafluoropropene, difluoromethane, ethane, ethene, ethyne, fluoroethene, fluoromethane, pentafluoroethane, propane, propene, xenon.
  • additional refrigerants E-1,3,3,3-tetrafluoropropene, 1,1,1,2-tetrafluoroethane, 1,1-difluoroethene, 2,3 ,3,3-Tetrafluoropropene, difluoromethane, ethane, ethene, ethyne, fluoroethene, fluoromethane, pentafluoroethane
  • the functional conveying agent can not only be formed from an additional refrigerant, but can also be a mixture of several such additional refrigerants, with the overall mixture of additional refrigerants formed as a functional conveying agent fulfilling in particular one or more or preferably all of the above-mentioned conditions.
  • the refrigerant in the refrigerant circuit according to the invention is COz.
  • COz When COz is used as a refrigerant, it is preferably provided that it has a mass proportion in the range of 80% by mass to 99% by mass based on the total mass of the mixture of the refrigerant COz and the functional conveying agent.
  • the refrigerant COz has a molar proportion in the range from 88 mol% to 99.6 mol% based on 100 mol% of the mixture of the refrigerant COz and the functional conveying agent.
  • FIG. 1 Illustrated embodiment of a refrigerant circuit designated as a whole by 10 comprises a refrigerant compressor 12, which compresses refrigerant supplied to a suction side 14 and discharges it to a high-pressure side 16, the refrigerant compressed to high pressure being supplied from the refrigerant circuit 10 to a high-pressure-side heat exchanger unit 18, which is in the position is to extract heat from the refrigerant that is compressed to high pressure.
  • the heat exchanger unit 18 comprises a desuperheater 19 and a condenser or gas cooler 20, each of which dissipates a heat flow 21 and 22, respectively.
  • the compressed refrigerant cooled by dissipating the heat flow 22 is fed to a control valve 24, which thus makes it possible to supply the refrigerant, which is still under pressure, to a heat exchanger designated as a whole by 30, in which, after expansion of the refrigerant, heat is absorbed Fig. 1 characterized as fluid stream 28, takes place.
  • the heat exchanger has a refrigerant distributor 32 connected to the control valve 24, to which the pressurized refrigerant is supplied and the refrigerant is subsequently supplied via nozzle channels 34 to the heat exchanger channels 36, in which the refrigerant expands while absorbing heat from the fluid stream 28 , which runs in particular transversely or perpendicular to the plane of the drawing.
  • the refrigerant After flowing through the heat exchanger channels 36, the refrigerant enters a refrigerant collector 38, which collects the refrigerant from all heat exchanger channels 36 and from which the refrigerant is then supplied to the suction side 14 of the refrigerant compressor 12.
  • the heat exchanger channels 36 are formed by heat exchanger bodies 40 running parallel to one another, which extend from the refrigerant distributor 32 to the refrigerant collector 38, the heat exchanger bodies 40 having a first end region 42 for connection to the Refrigerant distributor 32 and a second end region 44 for connection to the refrigerant collector.
  • a preferred design solution provides that the heat exchanger bodies 40 protrude with the first end region 42 into an interior 46 of the refrigerant distributor 32 and are also provided at the first end region 42 with the nozzle channel 34, which thus on the one hand receives refrigerant from the interior 46 of the refrigerant distributor 32 and delivers it to the heat exchanger channel 36, in which the refrigerant then expands and cools the heat exchanger body 40 so that it can absorb heat from the heat flow 28 from a heat flowing around the respective heat exchanger body.
  • the nozzle channels 34 in the end regions 42 are designed so that they limit a mass flow of refrigerant flowing from the interior 46 to the respective heat exchanger channel 36.
  • the nozzle channels 34 are designed with regard to their cross-sectional area in such a way that the refrigerant flows in them at the critical speed, that is, in this case, the speed of sound, and thus essentially an isenthalpic expansion of the refrigerant takes place in the nozzle channels 34.
  • the refrigerant is supplied in the refrigerant circuit 10 to the refrigerant distributor 32 at a pressure level which is above the triple point of COz, for example in the range between 10 bar and 160 bar, preferably in the range from 70 bar to about 140 bar and in particular in the range from 10 bar to about 70 bar.
  • the pressure is then reduced in the nozzle channel 34, but until the transition from the nozzle channel 34 into the heat exchanger channel 36 it is preferably still above the triple point of the refrigerant, in this case above the triple point of CO2, so that essentially sublimation occurs the nozzle channel 34 is prevented.
  • the pressure in the nozzle channel 34 and in particular up to the outlet of the nozzle channel 34 is preferably in the range of greater than 6 bar, for example in the range of approximately 6 bar to approximately 40 bar.
  • Gaseous refrigerant is preferably present at the second connection 44 of the heat exchanger body 40, which passes from the heat exchanger channel 36, in particular with its cross section, into an interior 48 of the refrigerant collector and is collected by it and fed to the suction side 14 of the refrigerant compressor 12 via the refrigerant circuit 10.
  • the nozzle channels 34 have, for example, a diameter of less than 0.55 mm, preferably less than 0.1 mm, and, for example, a length in the range of 0.05 mm to 5 mm
  • the refrigerant compressor 12 on the high pressure side 16 is followed by a lubricant separator 50, which consists of the compressed refrigerant, in particular CO2, lubricant, in particular oil, with the highest possible lubricant separation efficiency, for example larger 99%, in order to achieve a defined and as low as possible lubricant circulation rate in the refrigerant circuit.
  • a lubricant separator 50 which consists of the compressed refrigerant, in particular CO2, lubricant, in particular oil, with the highest possible lubricant separation efficiency, for example larger 99%, in order to achieve a defined and as low as possible lubricant circulation rate in the refrigerant circuit.
  • Such a lubricant separator 50 is preferably a coalescence separator with which a separation efficiency of more than 99.99% can be achieved.
  • a part, in particular a predominant part, of the lubricant collecting in the lubricant separator 50 in a lubricant bath 54 from the lubricant bath 54 is supplied to the refrigerant compressor 12 via a feed line 58 provided with a metering unit 56 Suction side 14 or directly to a lubricant sump of the refrigerant compressor 12.
  • the metering unit 56 is controlled according to the lubricant level of the lubricant bath 54.
  • a functional conveying agent FFM which increases the heat transfer between the sublimating refrigerant and the walls of the heat exchanger body 40 and is still liquid at the sublimation temperatures of the refrigerant, is preferably added to the refrigerant, in particular COz, in the heat exchanger channels 36 to form a mixture , which preferably performs an effective wetting function in the heat exchanger channels 36 between the sublimenting refrigerant, in particular refrigerant COz, and the walls of the heat exchanger body 40, in order to ensure that the solid state of the refrigerant changes more quickly into the gaseous state, so that the refrig
  • Such a functional conveying agent FFM is designed in particular in such a way that the triple point of the mixture of the refrigerant and the functional conveying agent FFM is only insignificantly lowered relative to the pure refrigerant, for example by less than 5 K.
  • a further requirement for such a functional conveying agent FFM is that the mixture of the refrigerant and the functional conveying agent FFM should be non-flammable, whereby the mixture according to ANSI/ASHRAE Standard 34, based on ASTM E681, is used for the “non-flammable” requirement must be classifiable as “1” or “A1”.
  • the requirement for such a functional conveying agent FFM is that the mixture of the refrigerant and the functional conveying agent FFM has a temperature glide TG in the area between the triple point and the critical point, that is, a difference between the dew temperature T "and the boiling temperature T ' which is smaller than 5 K.
  • the functional conveying agent FFM is selected such that the mixture of the refrigerant and the functional conveying agent FFM has a “global warming potential” GWP that is less than 150.
  • a further requirement for a functional conveying agent FFM according to the invention is that the mixture of the refrigerant and the functional conveying agent FFM is selected such that no blockage occurs during the sublimation of the refrigerant in the heat exchanger channel 36.
  • One possibility is to use a known refrigerant, referred to in this context as an additional refrigerant, as such a functional conveying agent FFM, whereby the mixture of the refrigerant and the additional refrigerant serving as a functional conveying agent FFM preferably not only has the triple point of the mixture relative to the triple point of the refrigerant by less than 5 K should be reduced, but also as low as possible “global warming potential” GWP should have, for example preferably a “global warming potential” GWP of less than 150.
  • Table 1 shows, on the one hand, the designation of additional refrigerants, the GWP and the ASHRAE designation of the same.
  • Table 1 shows how large the minimum mass proportion and proportion of the functional conveying agent FFM used should be in relation to the total mass of the mixture of refrigerant and functional conveying agent FFM, and how large the maximum mass proportion and quantitative proportion of this functional conveying agent FFM based on the total mass of the mixture of refrigerant and functional conveying agent should be, how large the GWP of the mixture of refrigerant and functional conveying agent FFM is at the maximum mass fraction of functional conveying agent, how large the temperature glide TG (T" - T) at minus 56 ° C of the mixture of refrigerant and functional conveying agent FFM at the maximum mass fraction of the Functional conveying agent FFM is and how large the maximum triple point reduction of the mixture of refrigerant and functional conveying agent FFM is at the maximum mass fraction based on the pure refrigerant.
  • the FFM functional conveying agent mixed with the refrigerant only causes a triple point reduction compared to the pure refrigerant of less than 3 K and the other specifications remain the same.
  • Tables 1 to 4 only list data for functional conveyors and lubricants are not taken into account as functional conveyors.
  • the lubricant itself is used as the functional conveying agent FFM, which can be added in doses at various points in the refrigerant circuit.
  • a lubricant supply line 62 is provided with a metering unit 64 arranged therein, which supplies the lubricant to the refrigerant circuit between the oil separator 50 and the desuperheater 19, so that a via the metering unit 64 precisely metered lubricant circulation rate can be specified.
  • the supply of lubricant from the lubricant bath 54 takes place via a supply line 72, in which a metering unit 74 is also provided, the supply line 72 opening into the refrigerant circuit between the desuperheater 19 and the condenser 20 and thus the refrigerant entering the condenser 20 then carries the exactly metered amount of lubricant in the refrigerant circuit, so that the lubricant then also can develop its wetting effect in the heat exchanger channels 36.
  • a supply line 82 is provided, in which a metering unit 84 is also provided, the supply line 82 supplying the lubricant to the refrigerant circuit between the condenser 20 and the control valve 24.
  • a supply line 92 is provided, which is also provided with a metering unit 94 and supplies lubricant from the lubricant bath 54 between the control valve 24 and the heat exchanger 30 or on the input side of the heat exchanger 30 to the refrigerant circuit, so that metering of the lubricant and lubricant is unaffected by the previous components
  • a very precise lubricant circulation rate in the heat exchanger 30 can be achieved and the wetting function of the lubricant serving as a function-promoting agent can be precisely specified.
  • the lubricant is supplied from a supply line 102 with a metering unit 104 from the lubricant bath 54 directly to the respective heat exchanger channel 36, for example an area 106 thereof, which is arranged close to the respective nozzle channel 34, preferably following it, so that the Lubricant can mix with the solid phase of the refrigerant that is forming or the refrigerant that is already sublimating and can then have a wetting effect.
  • the mass proportions of the lubricant in the heat exchanger channel 36 are at values of 0.11% by mass to 0.05% by mass of the mixture of refrigerant and lubricant entering the heat exchanger 30.
  • a supply line 112 with a metering unit 114 arranged therein is provided, which branches off the refrigerant compressed to high pressure with lubricant between the high-pressure side 16 of the refrigerant compressor 12 and the lubricant separator 50 from the refrigerant circuit and, bypassing the lubricant separator 50, supplies it to the refrigerant circuit between the lubricant separator 50 and the desuperheater 19, so that a lubricant circulation rate that can be precisely metered via the metering unit 114 can be specified.
  • the supply of refrigerant and lubricant branched off in the same way as in the seventh exemplary embodiment takes place via a supply line 122, in which a metering unit 124 is also provided, the supply line 122 opening into the refrigerant circuit between the desuperheater 19 and the condenser 20 and thus the in The refrigerant entering the condenser 20 then precisely metered amount of lubricant is carried in the refrigerant circuit, so that the lubricant can then also develop its wetting effect in the heat exchanger channels 36.
  • a supply line 132 is provided, in which a metering unit 134 is also provided, the supply line 132 supplying the refrigerant and lubricant branched off in the same way as in the seventh exemplary embodiment to the refrigerant circuit between the condenser 20 and the control valve 24, whereby an additional one is optionally used to cool it down Condenser or gas cooler 136 is provided in the supply line 132.
  • a supply line 142 is provided, which is also provided with a metering unit 144 and, in the same way as in the seventh exemplary embodiment, supplies diverted refrigerant and lubricant between the control valve 24 and the heat exchanger 30 or on the inlet side of the heat exchanger 30 to the refrigerant circuit, whereby an additional one is optionally used to cool it down Condenser or gas cooler 136 is provided in the supply line 142, so that a metering of the lubricant that is uninfluenced by the previous components and thus a very precise lubricant circulation rate in the heat exchanger 30 can be achieved and thus the wetting function of the lubricant serving as a function-promoting agent can be precisely specified.
  • the refrigerant and lubricant branched off in the same way as in the seventh exemplary embodiment is supplied from a supply line 152 with a metering unit 154 directly to the respective heat exchanger channel 36, for example an area 106 thereof, which is close to the respective nozzle channel 34, preferably following it, is arranged so that the lubricant mixes with the forming solid phase of the refrigerant or the already sublimating refrigerant and then has a wetting effect can be, whereby a condenser or gas cooler 136 is optionally provided in the supply line 152 to cool it down.
  • the mass proportions of the lubricant in the heat exchanger channel 36 are between 0.11% by mass and 0.05% by mass of the mixture of refrigerant and lubricant entering the heat exchanger 30.

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Abstract

Um den Wärmeübergang von dem Wärmeübetragerkörper auf das in den Wärmeübertragerkanal strömende sublimierende Kältemittel zu verbessern, wird vorgeschlagen, dass den Wärmeübertragerkanal ein Gemisch aus Kältemittel und einem Funktionsfördermittel durchströmt, dass das Funktionsfördermittel bei der Sublimation des Kältemittels noch als flüssiges Funktionsfördermittel vorliegt, welches in dem Wärmeübertragerkanal einen Wärmeübergang zwischen dem sublimierenden Kältemittel und dem den Wärmeübertragerkanal aufweisenden Wärmeübertragerkörper verbessert.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen Kältemittelkreislauf, umfassend einen Kältemittelverdichter, welcher Kältemittel auf ein Hochdruckniveau verdichtet, das über dem Tripelpunkt des Kältemittels liegt, und von welchem ausgehend das verdichtete Kältemittel einer Wärmeübertragereinheit zugeführt wird, welche dem Kältemittel Wärme entzieht, ein auf die Wärmeübertragereinheit nachfolgend angeordnetes Expansionsorgan, an welches sich mindestens ein Wärmeübertragerkanal anschließt, wobei das Expansionsorgan das verdichtete Kältemittel derart expandiert, dass der Tripelpunkt in dem Expansionsorgan selbst nicht unterschritten wird und dass das Kältemittel nach Verlassen des Expansionsorgans in dem nachfolgenden Wärmeübertragerkanal den Tripelpunkt unterschreitet und sublimiert und dabei Wärme von einer einen den Wärmeübertragerkanal aufweisenden Wärmeübertragerkörper umgebenden Wärmequelle aufnimmt, sowie eine das Kältemittel nach Verlassen des Wärmeübertragerkanals aufnehmende und dem Kältemittelverdichter zuführende Sammelleitung.
  • Derartige Kältemittelkreisläufe sind aus dem Stand der Technik bekannt.
  • Bei diesen besteht das Problem, dass ein Wärmeübergang von dem Wärmeübertragerkörper auf das in dem Wärmeübertragerkanal strömende und sublimierende Kältemittel, insbesondere COz, die Wärmeaufnahme des Wärmeübertragerkörpers begrenzt.
  • Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, den Wärmeübergang von dem Wärmeübertragerkörper auf das in den Wärmeübertragerkanal strömende sublimierende Kältemittel zu verbessern.
  • Diese Aufgabe wird bei einem Kältemittelkreislauf der eingangs beschriebenen Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass den Wärmeübertragerkanal ein Gemisch aus Kältemittel und einem Funktionsfördermittel durchströmt, dass das Funktionsfördermittel bei der Sublimation des Kältemittels noch als flüssiges Funktionsfördermittel vorliegt, welches in dem Wärmeübertragerkanal einen Wärmeübergang zwischen dem sublimierenden Kältemittel und dem den Wärmeträgerkanal aufweisenden Wärmeübertragerkörper verbessert.
  • Der Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung ist somit darin zu sehen, dass das bei der Sublimation des Kältemittels noch flüssige Funktionsfördermittel die Möglichkeit eröffnet, durch Benetzung einerseits des sublimierenden Kältemittels und andererseits von Wänden des den Wärmeübertragerkanals umschließenden Wärmeübertragerkörpers den Wärmeübergang zwischen diesen zu verbessern und somit insbesondere die Wärmeaufnahme durch das sublimierende Kältemittel pro Zeiteinheit zu erhöhen.
  • Um in dem Kältemittelkreislauf definierte Verhältnisse zu schaffen ist vorzugsweise vorgesehen, dass zwischen dem Kältemittelverdichter und der hochdruckseitigen Wärmeübertragereinheit ein Schmiermittelabscheider angeordnet ist, der dafür sorgt, dass das Schmiermittel aus dem Kältemittelverdichter nicht in undefinierten Mengen in dem Kältemittelkreislauf zirkuliert, sondern nach dem Kältemittelverdichter dem Kältemittelkreislauf wieder weitgehend entzogen wird.
  • Damit kann vermieden werden, dass undefinierte große Schmiermittelmengen in dem Kältemittelkreislauf zirkulieren und in dem Wärmeübertragerkanal zu Verstopfungen führen.
  • Besonders günstig ist es, wenn der Schmiermittelabscheider ein Koaleszenzabscheider ist, da mit einem derartigen Koaleszenzabscheider eine sehr hohe Abscheiderate von Schmiermittel realisierbar ist, um dieses weitgehend aus dem Kältemittel, welches nachfolgend in den Wärmeübertragerkanal eintritt, zu entfernen und somit Probleme durch Verstopfungen des Wärmeübertragerkanals zu vermeiden.
  • Andererseits sollte das Funktionsfördermittel die ohne Zusatz des Funktionsfördermittels vorliegenden Betriebsbedingungen des Kältemittelkreislaufes mit dem für die Sublimation vorgesehenen Kältemittel nicht verändern und/oder beeinträchtigen.
  • Aus diesem Grund ist vorzugsweise vorgesehen, dass das Funktionsfördermittel so gewählt ist, dass das Gemisch aus dem Kältemittel, insbesondere COz, und dem Funktionsfördermittel nicht brennbar, vorzugsweise auch nicht giftig, ist, so dass dadurch durch Zusatz des Funktionsfördermittels kein zusätzliches Gefährdungspotential durch den Kältemittkreislauf entsteht.
  • Die Forderung "nicht brennbar" macht es notwendig, dass das Gemisch nach der Norm ANSI/ASHRAE Standard 34 angelehnt an ASTM E681 mit "1" oder "A1" klassifizierbar ist, wobei "1" nicht brennbar und "A1" nicht giftig und nicht brennbar bedeutet.
  • Eine weitere vorteilhafte Vorgabe sieht vor, dass das Funktionsfördermittel derart ausgewählt ist, dass das Gemisch aus dem Kältemittel und dem Funktionsfördermittel einen Tripelpunkt aufweist, der gegenüber dem Tripelpunkt des reinen Kältemittels um maximal 5 K, vorzugsweise maximal 3 K abgesenkt ist.
  • Diese Vorgabe für das Funktionsfördermittel erlaubt es, die Betriebsbedingungen für den Kältemittelkreislauf unverändert beizubehalten, so dass keine zusätzlichen Maßnahmen für die Aufrechterhaltung der Funktionen und/oder Betriebsbedingungen des Kältemittelkreislaufs erforderlich sind.
  • Ferner ist vorzugsweise vorgesehen, dass das Funktionsfördermittel derart ausgewählt ist, dass das Gemisch aus dem Kältemittel und dem Funktionsfördermittel im Bereich zwischen dem Tripelpunkt und dem kritischen Punkt einen Temperaturgleit, das heißt eine Differenz zwischen der Tautemperatur und der Siedetemperatur, aufweist, der maximal 5 K, vorzugsweise maximal 3 K, beträgt.
  • Durch diese Maßnahme ist sichergestellt, dass keine zusätzlichen Maßnahmen zur optimalen Wärmeübertragung beim Betrieb des Kältemittelkreislaufs erforderlich sind, da die Differenz zwischen der Tautemperatur und der Siedetemperatur des Gemischs aus Kältemittel und Funktionsfördermittel keine signifikanten Auswirkungen auf die Betriebszustände hat.
  • Eine weitere vorteilhafte Bedingung sieht vor, dass das Funktionsfördermittel derart ausgewählt ist, dass das Gemisch aus dem Kältemittel und dem Funktionsfördermittel ein Treibhauspotential, im Folgenden "global warming potential" genannt, von weniger als 150 aufweist.
  • Durch diese Maßnahme kann sichergestellt werden, dass die Mischung aus Kältemittel und Funktionsfördermittel maximal geringe Auswirkungen auf die Umweltverträglichkeit eines Betriebs eines derartigen Kältemittelkreislaufs hat.
  • Vorzugsweise ist dabei vorgesehen, dass der Anteil des Funktionsfördermittels in dem Gemisch aus Kältemittel und Funktionsfördermittel derart gewählt ist, dass bei der Sublimation des Kältemittels keine Verstopfung im Wärmeübertragerkanal auftritt.
  • Diese Maßnahme schließt Funktionsfördermittel aus, die sich im Wärmeübertragerkanal aus dem Gemisch in einer Weise abscheiden und absetzen oder zähflüssig werden, so dass die Strömungsverhältnisse in dem Wärmeübertragerkanal nennenswert beeinträchtigt sind.
  • Beispielsweise ist dabei vorgesehen, dass das Funktionsfördermittel im Kältemittelkreislauf ein mit einem definierten Masseanteil an der Gesamtmasse des Gemischs aus Kältemittel und Funktionsfördermittel umlaufendes Schmiermittel aufweist.
  • Besonders vorteilhaft ist es, wenn dem Kältemittelkreislauf mittels einer Zufuhrleitung und einer dieser zugeordneten Dosiereinheit dosiert Schmiermittel aus dem Schmiermittelabscheider als Funktionsfördermittel zugeführt wird.
  • Damit besteht die Möglichkeit, eine definierte Umlaufrate von Schmiermittel in dem Bereich des Kältemittelkreislaufs zu erreichen, der auf den Schmiermittelabscheider erfolgt.
  • Alternativ oder ergänzend zur direkten Zufuhr von Schmiermittel aus dem Schmiermittelabscheider als Funktionsfördermittel sieht eine weitere vorteilhafte Lösung vor, dass dem Kältemittelkreislauf mittels einer zwischen dem Kältemittelverdichter und dem Schmiermittelabscheider abzweigenden Zufuhrleitung und einer dieser zugeordneten Dosiereinheit dosiert eine Mischung aus Kältemittel und Schmiermittel als Funktionsfördermittel zugeführt wird.
  • Diese Lösung hat den Vorteil, dass das Schmiermittel mit reduziertem Anteil in dem Kältemittel vorliegt und somit durch die Dosierung dieser Kombination aus Kältemittel und Schmiermittel die genaue Schmiermitteldosierung noch einfacher erfolgen kann.
  • Da das Schmiermittel in dem unter Hochdruck stehenden und heißen Kältemittel vorliegt, ist vorzugsweise in der Zufuhrleitung noch ein Kondensator oder Gaskühler vorgesehen, der es ermöglicht, die Mischung aus Kältemittel und Schmiermittel vor erneuter Zufuhr zu dem Kältemittelkreislauf abzukühlen.
  • Dabei sind die unterschiedlichsten Möglichkeiten der Zufuhr des Schmiermittels als Funktionsfördermittel denkbar.
  • Eine Möglichkeit sieht vor, dass dem Kältemittelkreislauf im Bereich der hochdruckseitigen Wärmeübertragereinheit dosiert Schmiermittel als Funktionsfördermittel zugeführt wird, so dass sich das Schmiermittel mit dem Kältemittel gut vermischen kann, bevor es in den Wärmeübertragerkanal eintritt.
  • Eine andere ergänzende oder alternative vorteilhafte Möglichkeit der Zufuhr von Schmiermittel als Funktionsfördermittel sieht vor, dass dem Kältemittelkreislauf im Bereich des Expansionsorgans Schmiermittel als Funktionsfördermittel dosiert zugeführt wird.
  • Dabei könnte das Schmiermittel als Funktionsfördermittel vor dem Expansionsorgan dem Kältemittel zugeführt werden.
  • Eine besonders vorteilhafte Lösung sieht vor, dass dem Kältemittelkreislauf im Anschluss an das Expansionsorgan, insbesondere in unmittelbarem Anschluss an das Expansionsorgan, Schmiermittel als Funktionsfördermittel dosiert zugeführt wird.
  • Dies kann beispielsweise in einem Bereich des Wärmeübertragerkanals erfolgen, welcher nahe an dem jeweiligen Expansionsorgan, vorzugsweise in unmittelbarem Anschluss an dieses Expansionsorgan, angeordnet ist, so dass sich das Schmiermittel mit der sich ausbildenden festen Phase des Kältemittels oder dem bereits sublimierenden Kältemittel vermischen und dann wirksam werden kann.
  • Insbesondere kann das in dem Gemisch vorhandene Schmiermittel ein Schmiermittel für den Kältemittelverdichter sein, das allerdings so auszuwählen ist, dass dieses sich nicht in dem Wärmeübertragerkanal zähflüssig absetzt und diesen verstopft.
  • Hinsichtlich der Menge des zugesetzten Schmiermittels ist vorzugsweise vorgesehen, dass in dem Wärmeübertragerkanal der Masseanteil des in dem Gemisch vorhandenen Schmiermittel bezogen auf das Gemisch aus Kältemittel und Funktionsfördermittel mehr als 0,02 Masse %, vorzugsweise mehr als 0,04 Masse %, beträgt.
  • Ferner ist vorzugsweise vorgesehen, dass in dem Wärmeübertragerkanal der Masseanteil des in dem Gemisch vorhandenen Schmiermittels bezogen auf das Gemisch aus Kältemittel und Funktionsfördermittel, maximal 1 Masse %, besser maximal 0,11 Masse %, noch besser maximal 0,05 Masse %, beträgt.
  • Bei derartigen Masseanteilen des Schmiermittels ist sichergestellt, dass dieses einerseits als Funktionsfördermittel wirkt, andererseits aber auch sich nicht in dem Wärmeübertragerkanal absetzen und eine Verstopfung hervorrufen kann.
  • Alternativ oder ergänzend zum Einsatz von Schmiermittel als Funktionsfördermittel sieht eine vorteilhafte Lösung für ein erfindungsgemäßes Funktionsfördermittel vor, dass das Funktionsfördermittel mindestens ein Zusatzkältemittel umfasst.
  • Ein derartiges Zusatzkältemittel ist ein Kältemittel, welches sich von dem für die grundlegende Funktion des Kältemittelkreislaufs vorgesehenen und insbesondere in dem Wärmeübertragerkanal sublimierenden Kältemittel, beispielsweise COz, unterscheidet.
  • Bei einem derartigen Zusatzkältemittel ist insbesondere gefordert, dass der Anteil des das Funktionsfördermittel darstellenden Zusatzkältemittels in dem Gemisch aus Kältemittel und Funktionsfördermittel derart ausgewählt ist, dass die Mischung aus Kältemittel und Funktionsfördermittel sowohl im Bereich zwischen dem Tripelpunkt und dem kritischen Punkt einen Temperaturgleit aufweist, der kleiner als 5 K ist, und bezogen auf das reine Kältemittel eine Trippelpunktabsenkung aufweist, die kleiner als 5 K ist, und insbesondere nicht brennbar ist und insbesondere außerdem ein "global warming potential" kleiner 150 aufweist.
  • Eine weitere vorteilhafte Auswahl derartiger Funktionsfördermittel sieht vor, dass das Funktionsfördermittel eines oder mehrere der Zusatzkältemittel (E)-1,3,3,3-Tetrafluorpropen, 1,1,1,2-Tetrafluorethan, 1,1-Diflourethen, 2,3,3,3-Tetrafluorpropen, Difluormethan, Ethan, Ethen, Ethin, Fluorethen, Fluormethan, Pentafluorethan, Propan, Propen, Xenon umfasst.
  • Das heißt, dass das Funktionsfördermittel nicht nur aus einem Zusatzkältemittel gebildet sein kann, sondern auch eine Mischung aus mehreren derartiger Zusatzkältemittel sein kann, wobei die als Funktionsfördermittel gebildete Gesamtmischung aus Zusatzkältemitteln insbesondere eine oder mehrere oder vorzugsweise alle der vorstehend genannten Bedingungen erfüllt.
  • Besonders günstig ist es, wenn bei dem erfindungsgemäßen Kältemittelkreislauf das Kältemittel COz ist.
  • Vorzugsweise ist bei COz als Kältemittel vorgesehen, dass dieses einen Masseanteil im Bereich von 80 Masse % bis 99 Masse % bezogen auf die Gesamtmasse des Gemisches aus dem Kältemittel COz und dem Funktionsfördermittel aufweist.
  • Ferner ist vorzugsweise vorgesehen, dass das Kältemittel COz einen Mol-Anteil im Bereich von 88 Mol % bis 99,6 Mol % bezogen auf 100 Mol % des Gemischs aus dem Kältemittel COz und dem Funktionsfördermittel aufweist.
  • Die vorstehende Beschreibung erfindungsgemäßer Lösungen umfasst somit insbesondere die durch die nachfolgenden durchnummerierten Ausführungsformen definierten verschiedenen Merkmalskombinationen:
    1. 1. Kältemittelkreislauf (10), umfassend einen Kältemittelverdichter (12), welcher Kältemittel auf ein Hochdruckniveau verdichtet, das über dem Tripelpunkt des Kältemittels liegt, und von welchem ausgehend das verdichtete Kältemittel einer Wärmeübertragereinheit (18) zugeführt wird, welche dem Kältemittel Wärme entzieht, ein auf die Wärmeübertragereinheit (18) nachfolgend angeordnetes Expansionsorgan (34), an welches sich mindestens ein Wärmeübertragerkanal (36) anschließt, wobei das Expansionsorgan (34) das verdichtete Kältemittel derart expandiert, dass der Tripelpunkt in dem Expansionsorgan (34) selbst nicht unterschritten wird und dass das Kältemittel nach Verlassen des Expansionsorgans (34) in dem nachfolgenden Wärmeübertragerkanal (36) den Tripelpunkt unterschreitet und sublimiert und dabei Wärme von einer einen den Wärmeübertragerkanal (36) aufweisenden Wärmeübertragerkörper (40) umgebenden Wärmequelle (28) aufnimmt, sowie eine das Kältemittel nach Verlassen des Wärmeübertragerkanals (36) aufnehmende und dem Kältemittelverdichter (12) zuführende Sammelleitung (38), wobei den Wärmeübertragerkanal (36) ein Gemisch aus Kältemittel und einem Funktionsfördermittel (FFM) durchströmt, dass das Funktionsfördermittel (FFM) bei der Sublimation des Kältemittels noch als flüssiges Funktionsfördermittel (FFM) vorliegt, welches in dem Wärmeübertragerkanal (36) einen Wärmeübergang zwischen dem sublimierenden Kältemittel und dem den Wärmeübertragerkanal (36) aufweisenden Wärmeübertragerkörper (40) verbessert.
    2. 2. Kältemittelkreislauf nach Ausführungsform 1, wobei zwischen dem Kältemittelverdichter (12) und der hochdruckseitigen Wärmeübertragereinheit (18) ein Schmiermittelabscheider (50) angeordnet ist.
    3. 3. Kältemittelkreislauf nach Ausführungsform 2, wobei der Schmiermittelabscheider (50) ein Koaleszenzabscheider ist.
    4. 4. Kältemittelkreislauf nach einer der voranstehenden Ausführungsformen, das Funktionsfördermittel (FFM) so gewählt ist, dass das Gemisch aus dem Kältemittel und dem Funktionsfördermittel (FFM) nicht brennbar ist.
    5. 5. Kältemittelkreislauf nach einer der voranstehenden Ausführungsformen, wobei das Funktionsfördermittel (FFM) derart ausgewählt ist, dass das Gemisch aus dem Kältemittel und dem Funktionsfördermittel (FFM) einen Tripelpunkt aufweist, der gegenüber dem Tripelpunkt des reinen Kältemittels um maximal 5 K, vorzugsweise maximal 3 K, abgesenkt ist.
    6. 6. Kältemittelkreislauf nach einer der voranstehenden Ausführungsformen, wobei das Funktionsfördermittel (FFM) derart ausgewählt ist, dass das Gemisch aus dem Kältemittel und dem Funktionsfördermittel (FFM) im Bereich zwischen dem Tripelpunkt und dem kritischen Punkt einen Temperaturgleit (TG), das heißt eine Differenz zwischen der Tautemperatur (T") und der Siedetemperatur (T), aufweist, der maximal 5 K, vorzugsweise maximal 3 K, beträgt.
    7. 7. Kältemittelkreislauf nach einer der voranstehenden Ausführungsformen, wobei das Funktionsfördermittel (FFM) derart ausgewählt ist, dass das Gemisch aus dem Kältemittel und dem Funktionsfördermittel (FFM) ein "global warming potential" (GWP) von weniger als 150 aufweist.
    8. 8. Kältemittelkreislauf nach einer der voranstehenden Ausführungsformen, wobei der Anteil des Funktionsfördermittels (FFM) in dem Gemisch aus Kältemittel und Funktionsfördermittel (FFM) derart gewählt ist, dass bei der Sublimation des Kältemittels keine Verstopfung im Wärmeübertragerkanal (36) auftritt.
    9. 9. Kältemittelkreislauf nach einer der voranstehenden Ausführungsformen, wobei das Funktionsfördermittel (FFM) im Kältemittelkreislauf (10) ein, insbesondere mit einem definierten Masseanteil an der Gesamtmasse des Gemischs aus Kältemittel und Funktionsfördermittel (FFM), zumindest den Wärmeübertragerkanal durchströmendes Schmiermittel umfasst.
    10. 10. Kältemittelkreislauf nach Ausführungsform 9, wobei dem Kältemittelkreislauf (10) mittels einer Zufuhrleitung (62, 72, 82, 92, 102) und einer dieser zugeordneten Dosiereinheit (64, 74, 84, 94, 104) dosiert Schmiermittel aus dem Schmiermittelabscheider (50) als Funktionsfördermittel (FFM) zugeführt wird.
    11. 11. Kältemittelkreislauf nach einer der Ausführungsformen 9 oder 10, wobei dem Kältemittelkreislauf (10) mittels einer zwischen dem Kältemittelverdichter (12) und dem Schmiermittelabscheider (50) abzweigenden Zufuhrleitung (112, 122, 132, 142, 152) und einer dieser zugeordneten Dosiereinheit (114, 124, 134, 144, 154) dosiert eine Mischung aus Kältemittel und Schmiermittel als Funktionsfördermittel zugeführt wird.
    12. 12. Kältemittelkreislauf nach einer der Ausführungsformen 9 bis 11, wobei dem Kältemittelkreislauf (10) im Bereich der hochdruckseitigen Wärmeüberträgereinheit (18) dosiert Schmiermittel als Funktionsfördermittel (FFM) zugeführt wird.
    13. 13. Kältemittelkreislauf nach einer der Ausführungsformen 9 bis 12, wobei dem Kältemittelkreislauf (10) im Bereich des Expansionsorgans (34) Schmiermittel als Funktionsfördermittel (FFM) dosiert zugeführt wird.
    14. 14. Kältemittelkreislauf nach einer der Ausführungsformen 9 bis 13, wobei dem Kältemittelkreislauf (10) im Ausschluss an das Expansionsorgan (34) Schmiermittel als Funktionsfördermittel (FFM) dosiert zugeführt wird.
    15. 15. Kältemittelkreislauf nach einer der Ausführungsformen 9 bis 14, wobei im Wärmeübertragerkanal (36) der Masseanteil des in dem Gemisch vorhandenen Schmiermittels bezogen auf die Gesamtmasse des Gemischs aus Kältemittel und Funktionsfördermittel (FFM) mehr als 0,02 Masse %, vorzugsweise mehr als 0,04 Masse %, beträgt.
    16. 16. Kältemittelkreislauf nach Ausführungsform 15, wobei im Wärmeübertragerkanal (36) der Masseanteil des in dem Gemisch vorhandenen Schmiermittel bezogen auf die Gesamtmasse des Gemischs aus Kältemittel und Funktionsfördermittel (FFM) maximal 1 Masse %, besser maximal 0,11 Masse %, noch besser maximal 0,05 Masse %, beträgt.
    17. 17. Kältemittelkreislauf nach einer der voranstehenden Ausführungsformen, wobei das Funktionsfördermittel (FFM) mindestens ein Zusatzkältemittel umfasst.
    18. 18. Kältemittelkreislauf nach Ausführungsform 17, wobei der Anteil des das Funktionsfördermittel (FFM) darstellenden Zusatzkältemittels in dem Gemisch aus Kältemittel und Funktionsfördermittel (FFM) derart ausgewählt ist, dass das Gemisch aus Kältemittel und Funktionsfördermittel (FFM) im Bereich zwischen dem Tripelpunkt und dem kritischen Punkt einen Temperaturgleit (TG) aufweist, der kleiner als 5 K ist, und bezogen auf das reine Kältemittel eine Tripelpunktabsenkung aufweist, die kleiner als 5 K ist, und insbesondere nicht brennbar ist und insbesondere außerdem ein "global warming potential" (GWP) kleiner 150 aufweist.
    19. 19. Kältemittelkreislauf nach einer der Ausführungsformen 17 oder 18, wobei das Funktionsfördermittel (FFM) eines oder mehrere der Zusatzkältemittel (E)-1,3,3,3-Tetrafluorpropen, 1,1,1,2-Tetrafluorethan, 1,1-Diflourethen, 2,3,3,3-Tetrafluorpropen, Difluormethan, Ethan, Ethen, Ethin, Fluorethen, Fluormethan, Pentafluorethan, Propan, Propen, Xenon umfasst.
    20. 20. Kältemittelkreislauf nach einer der voranstehenden Ausführungsformen, wobei das Kältemittel COz ist.
    21. 21. Kältemittelkreislauf nach Ausführungsform 20, wobei das Kältemittel COz einen Masseanteil im Bereich von 80 Masse % bis 99 Masse % bezogen auf die Gesamtmasse des Gemischs aus dem Kältemittel COz und dem Funktionsfördermittel (FFM) aufweist.
    22. 22. Kältemittelkreislauf nach einer der Ausführungsformen 20 oder 21, wobei das Kältemittel COz einen Molanteil im Bereich von 88 Mol % bis 99,6 Mol % bezogen auf 100 Mol % des Gemischs aus dem Kältemittel COz und dem Funktionsfördermittel (FFM) aufweist.
  • Weitere Merkmale und Vorteile der erfindungsgemäßen Lösung sind Gegenstand der nachfolgenden Beschreibung sowie der Zeichnerischen Darstellung einiger Ausführungsbeispiele.
  • In der Zeichnung zeigen:
    • Fig. 1
    ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Kältemittelkreislaufs;
    Fig. 2
    eine vergrößerte Darstellung eines erfindungsgemäßen Wärmeübertragers mit Kältemittelverteiler und Kältemittelsammler;
    Fig. 3
    ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Kältemittelkreislaufs für die Anwendung von Schmiermittel für den Kältemittelverdichter als Funktionsfördermittel;
    Fig. 4
    ein drittes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Kältemittelkreislaufs für die Anwendung von Schmiermittel für den Kältemittelverdichter als Funktionsfördermittel;
    Fig. 5
    ein viertes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Kältemittelkreislaufs für die Anwendung von Schmiermittel für den Kältemittelverdichter als Funktionsfördermittel;
    Fig. 6
    ein fünftes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Kältemittelkreislaufs für die Anwendung von Schmiermittel für den Kältemittelverdichter als Funktionsfördermittel;
    Fig. 7
    ein sechstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Kältemittelkreislaufs für die Anwendung von Schmiermittel für den Kältemittelverdichter als Funktionsfördermittel;
    Fig. 8
    ein siebtes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Kältemittelkreislaufs für die Anwendung von Schmiermittel für den Kältemittelverdichter als Funktionsfördermittel;
    Fig. 9
    ein achtes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Kältemittelkreislaufs für die Anwendung von Schmiermittel für den Kältemittelverdichter als Funktionsfördermittel;
    Fig. 10
    ein neuntes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Kältemittelkreislaufs für die Anwendung von Schmiermittel für den Kältemittelverdichter als Funktionsfördermittel;
    Fig. 11
    ein zehntes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Kältemittelkreislaufs für die Anwendung von Schmiermittel für den Kältemittelverdichter als Funktionsfördermittel und
    Fig. 12
    ein elftes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Kältemittelkreislaufs für die Anwendung von Schmiermittel für den Kältemittelverdichter als Funktionsfördermittel.
  • Ein in Fig. 1 dargestelltes Ausführungsbeispiel eines als Ganzes mit 10 bezeichneten Kältemittelkreislaufs umfasst einen Kältemittelverdichter 12, welcher an einer Saugseite 14 zugeführtes Kältemittel verdichtet und an einer Hochdruckseite 16 abgibt, wobei das auf Hochdruck verdichtete Kältemittel von dem Kältemittelkreislauf 10 einer hochdruckseitigen Wärmeübertragereinheit 18 zugeführt wird, welche in der Lage ist, dem auf Hochdruck verdichteten Kältemittel Wärme zu entziehen.
  • Beispielsweise umfasst die Wärmeübertragereinheit 18 einen Enthitzer 19 und einen Kondensator oder Gaskühler 20, die jeweils einen Wärmestrom 21 beziehungsweise 22 abführen.
  • Das verdichtete und durch Abführen des Wärmestroms 22 gekühlte Kältemittel wird einem Steuerventil 24 zugeführt, welches somit ermöglicht, das nach wie vor unter Druck stehende Kältemittel einem als Ganzes mit 30 bezeichneten Wärmeübertrager zuzuführen, in welchem nach Expansion des Kältemittels eine Wärmeaufnahme, in Fig. 1 gekennzeichnet als Fluidstrom 28, erfolgt.
  • Hierzu weist der Wärmeübertrager einen mit dem Steuerventil 24 verbundenen Kältemittelverteiler 32 auf, dem das unter Druck stehende Kältemittel zugeführt wird und nachfolgend das Kältemittel über Düsenkanäle 34 den Wärmeübertragerkanälen 36 zugeführt wird, in welchen ein Expandieren des Kältemittels unter Aufnahme von Wärme aus dem Fluidstrom 28 erfolgt, der insbesondere quer oder senkrecht zur Zeichenebene verläuft.
  • Nach Durchströmen der Wärmeübertragerkanäle 36 tritt das Kältemittel in einen Kältemittesammler 38 ein, welcher das Kältemittel aus allen Wärmeübertragerkanälen 36 sammelt und von welchem aus dann eine Zufuhr des Kältemittels zu der Saugseite 14 des Kältemittelverdichters 12 erfolgt.
  • Wie in Fig. 2 vergrößert dargestellt, sind bei einer ersten, einfachen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Wärmeübertragers 30 beispielsweise die Wärmeübertragerkanäle 36 durch parallel zueinander verlaufende Wärmeübertragerkörper 40 gebildet, welche sich von dem Kältemittelverteiler 32 zu dem Kältemittelsammler 38 erstrecken, wobei die Wärmeübertragerkörper 40 einen ersten Endbereich 42 zur Verbindung mit dem Kältemittelverteiler 32 und einen zweiten Endbereich 44 zur Verbindung mit dem Kältemittelsammler aufweisen.
  • Eine bevorzugte konstruktive Lösung sieht dabei vor, dass die Wärmeübertragerkörper 40 mit dem ersten Endbereich 42 in einen Innenraum 46 des Kältemittelverteilers 32 hineinragen und außerdem am ersten Endbereich 42 mit dem Düsenkanal 34 versehen sind, der somit einerseits aus dem Innenraum 46 des Kältemittelverteilers 32 Kältemittel aufnimmt und an den Wärmeübertragerkanal 36 abgibt, in welchem dann das Kältemittel expandiert und den Wärmeübertragerkörper 40 kühlt, so dass dieser aus einem den jeweiligen Wärmeübertragerkörper umströmenden Wärme aus dem Wärmestrom 28 aufnehmen kann.
  • Dabei sind die Düsenkanäle 34 in den Endbereichen 42 so ausgebildet, dass sie einen von dem Innenraum 46 zum jeweiligen Wärmeübertragerkanal 36 strömenden Massenstrom des Kältemittels begrenzen.
  • Beispielsweise erfolgt die Ausbildung der Düsenkanäle 34 hinsichtlich ihrer Querschnittsfläche derart, dass in diesen das Kältemittel mit der kritischen Geschwindigkeit, das heißt in diesem Fall Schallgeschwindigkeit, strömt und somit in den Düsenkanälen 34 im Wesentlichen eine isenthalpe Expansion des Kältemittels stattfindet.
  • Das heißt, dass insbesondere erst nach dem Austreten des Kältemittels aus den Düsenkanälen 34 in den jeweiligen Wärmeübertragerkanälen 36 die zum Abkühlen des Kältemittels führende Expansion stattfindet.
  • Insbesondere bei Einsatz von COz als Kältemittel, gegebenenfalls als Gemisch mit nachstehend erläuterten zusätzlichen Funktionsfördermitteln FFM, beispielsweise Kohlenwasserstoffen, erfolgt eine Zufuhr des Kältemittels in dem Kältemittelkreislauf 10 zu dem Kältemittelverteiler 32 bei einem Druckniveau welches über dem Tripelpunkt von COz liegt, beispielsweise im Bereich zwischen 10 bar und 160 bar, vorzugsweise im Bereich von 70 bar bis ungefähr 140 bar und insbesondere im Bereich von 10 bar bis ungefähr 70 bar.
  • In dem Düsenkanal 34 erfolgt dann eine Reduzierung des Drucks, der jedoch bis zum Übergang von dem Düsenkanal 34 in den Wärmeübertragerkanal 36 vorzugsweise noch über dem Tripelpunkt des Kältemittels, in diesem Fall über dem Tripelpunkt von COz, liegt, so dass im Wesentlichen eine Sublimation in dem Düsenkanal 34 verhindert wird.
  • Vorzugsweise liegt der Druck im Düsenkanal 34 und insbesondere auch noch bis zum Ausgang des Düsenkanals 34 im Bereich von größer 6 bar, beispielsweise im Bereich von ungefähr 6 bar bis ungefähr 40 bar.
  • Somit liegt erst in dem Wärmeübertragerkanal 36 der Druck unter dem Druck des Kältemittels im Tripelpunkt, so dass sich eine feste Phase des Kältemittels ausbildet und eine Sublimation des Kältemittels, das heißt in diesem Fall beispielsweise des COz, eintritt, so dass das Kältemittel auf seinem Weg durch den Wärmeübertragerkanal 36 im jeweiligen Wärmeübertragerkörper 40 vollständig in den gasförmigen Zustand übergeht und dabei mittels des Wärmeübertragerkörpers 40 Wärme aus dem Fluidstrom 28 aufnehmen kann.
  • Vorzugsweise liegt am zweiten Anschluss 44 des Wärmeübertragerkörpers 40 gasförmiges Kältemittel vor, das aus dem Wärmeübertragerkanal 36, insbesondere mit dessen Querschnitt, in einen Innenraum 48 des Kältemittelsammlers übertritt und von diesem gesammelt und über den Kältemittelkreislauf 10 der Saugseite 14 des Kältemittelverdichters 12 zugeführt wird.
  • Die Düsenkanäle 34 haben, um diese Funktion zu erreichen, beispielsweise einen Durchmesser von weniger als 0,55 mm, vorzugsweise weniger als 0,1 mm, und beispielsweise eine Länge im Bereich von 0,05 mm bis 5 mm
  • Die voranstehende Dimensionierung der Düsenelemente 34, insbesondere der Düsenkanäle 34, sowie die vorstehend genannten Betriebsbedingungen gelten insbesondere auch für alle nachfolgend beschriebenen Ausführungsbeispiele.
  • Um einen definierten Betriebszustand des Kältemittels, insbesondere des CO2, zu erreichen, ist dem Kältemittelverdichter 12 auf der Hochdruckseite 16 ein Schmiermittelabscheider 50 nachgeordnet, welcher aus dem verdichteten Kältemittel, insbesondere COz, Schmiermittel, insbesondere Öl, mit einem möglichst hohen Schmiermittelabscheidegrad, beispielsweise größer 99 %, abscheidet, um eine definierte und möglichst geringe Schmiermittelumlaufrate im Kältemittelkreislauf zu erreichen.
  • Vorzugsweise ist ein derartiger Schmiermittelabscheider 50 ein Koaleszenzabscheider, mit dem ein Abscheidegrad von mehr als 99,99 % erreichbar ist.
  • Um einen zuverlässigen und verschleißarmen Betrieb des Kältemittelverdichters 12 sicherzustellen, wird ein Teil, insbesondere ein überwiegender Teil, des sich in dem Schmiermittelabscheider 50 in einem Schmiermittelbad 54 sammelnden Schmiermittels aus dem Schmiermittelbad 54 über eine mit einer Dosiereinheit 56 versehenen Zuleitung 58 dem Kältemittelverdichter 12 auf der Saugseite 14 oder direkt einem Schmiermittelsumpf des Kältemittelverdichters 12, zugeführt. Beispielsweise ist die Dosiereinheit 56 entsprechend dem Schmiermittelniveau des Schmiermittelbades 54 gesteuert.
  • Um die Wärmeaufnahme des in den Wärmeübertragekanälen 36 sublimierenden Kältemittels, beispielsweise von COz, von den Wärmeübertragekanal 36 begrenzenden Wänden des jeweiligen Wärmeübertragerkörpers 40 und somit auch aus dem den Wärmeübertragerkörper 40 umströmenden Fluidstrom 28 zu verbessern, ohne dadurch die primär durch das sublimierende Kältemittel, insbesondere COz, vorgegebenen Betriebsbedingungen und Eigenschaften wesentlich zu verändern, wird vorzugsweise dem Kältemittel, insbesondere COz, ein in den Wärmeübertragerkanälen 36 den Wärmeübergang zwischen dem sublimierenden Kältemittel und den Wänden des Wärmeübertragerkörpers 40 steigerndes und bei den Sublimationstemperaturen des Kältemittels noch flüssiges Funktionsfördermittel FFM unter Bildung eines Gemischs zugegeben, welches vorzugsweise in den Wärmeübertragerkanälen 36 eine zwischen dem sublimentierenden Kältemittel, insbesondere Kältemittel COz, und den Wänden der Wärmeübertragerkörpers 40 wirksame Benetzungsfunktion ausübt, um dadurch zu erreichen, dass der feste Aggregatzustand des Kältemittels schneller in den gasförmigen Aggregatzustand übergeht, so dass das Kältemittel in der Lage ist, in kürzerer Zeit größere Wärmemengen aufzunehmen.
  • Ein derartiges Funktionsfördermittel FFM ist insbesondere so ausgebildet, dass der Tripelpunkt des Gemischs aus dem Kältemittel und dem Funktionsförderungsmittel FFM relativ zum reinen Kältemittel nur unwesentlich, beispielsweise um kleiner 5 K abgesenkt wird.
  • Eine weitere Forderung an ein derartiges Funktionsfördermittel FFM ist die, dass das Gemisch aus dem Kältemittel und dem Funktionsfördermittel FFM nicht brennbar sein soll, wobei für die Forderung "nicht brennbar" das Gemisch nach Norm ANSI/ASHRAE Standard 34, angelehnt an ASTM E681, mit "1" oder "A1" klassifizierbar sein muss.
  • Des Weiteren ist an ein derartiges Funktionsfördermittel FFM die Forderung zu stellen, dass das Gemisch aus dem Kältemittel und dem Funktionsfördermittel FFM im Bereich zwischen dem Tripelpunkt und dem kritischen Punkt einen Temperaturgleit TG, das heißt eine Differenz zwischen der Tautemperatur T" und der Siedetemperatur T' aufweist, die kleiner als 5 K ist.
  • Darüber hinaus ist zweckmäßigerweise noch vorgesehen, dass das Funktionsfördermittel FFM derart ausgewählt ist, dass das Gemisch aus dem Kältemittel und dem Funktionsfördermittel FFM ein "global warming potential" GWP aufweist, das kleiner als 150 ist.
  • Eine weitere Forderung an ein erfindungsgemäßes Funktionsfördermittel FFM besteht darin, dass das Gemisch aus dem Kältemittel und dem Funktionsfördermittel FFM derart gewählt ist, dass bei der Sublimation des Kältemittels im Wärmeübertragerkanal 36 keine Verstopfung auftritt.
  • Dabei ist eine Möglichkeit, als derartiges Funktionsfördermittel FFM ein bekanntes Kältemittel, in diesem Zusammenhang als Zusatzkältemittel bezeichnet, einzusetzen, wobei das Gemisch aus dem Kältemittel und dem als Funktionsfördermittel FFM dienenden Zusatzkältemittel vorzugsweise nicht nur den Tripelpunkt des Gemischs relativ zum Tripelpunkt des Kältemittels um weniger als 5 K absenken soll, sondern zusätzlich noch ein möglichst geringes "global warming potential" GWP aufweisen soll, beispielsweise vorzugsweise ein "global warming potenzial" GWP von kleiner 150.
  • Derartige als Funktionsfördermittel FFM bei der erfindungsgemäßen Lösung einzusetzende Zusatzkältemittel sind in der Tabelle 1 aufgelistet.
  • In der Tabelle 1 ist einerseits die Bezeichnung von Zusatzkältemitteln, der GWP und die ASHRAE Bezeichnung derselben genannt.
  • Ferner ist in der Tabelle 1 dargestellt, wie groß der minimale Masseanteil und Mengenanteil des eingesetzten Funktionsfördermittels FFM an der Gesamtmasse des Gemischs aus Kältemittel und Funktionsfördermittel FFM sein soll, wie groß der maximale Masseanteil und Mengenanteil dieses Funktionsfördermittels FFM bezogen auf die Gesamtmasse des Gemischs aus Kältemittel und Funktionsfördermittel sein soll, wie groß der GWP des Gemischs aus Kältemittel und Funktionsfördermittel FFM bei maximalem Masseanteil von Funktionsfördermittel ist, wie groß der Temperaturgleit TG (T" - T) bei minus 56°C des Gemischs aus Kältemittel und Funktionsfördermittel FFM bei maximalem Masseanteil des Funktionsfördermittels FFM ist und wie groß die maximale Tripelpunktabsenkung des Gemischs aus Kältemittel und Funktionsfördermittel FFM bei maximalem Masseanteil bezogen auf das reine Kältemittel ist.
  • Noch vorteilhafter ist es jedoch, wenn das Funktionsfördermittel FFM im Gemisch mit dem Kältemittel lediglich eine Tripelpunktabsenkung gegenüber dem reinen Kältemittel von weniger als 3 K bewirkt und die übrigen Vorgaben gleich bleiben.
  • Derartige Funktionsfördermittel FFM mit den entsprechenden Parametern sind in Tabelle 2 genannt.
  • Noch vorteilhafter ist es, wenn das Funktionsfördermittel FFM in dem Gemisch mit dem Kältemittel nur eine Reduzierung des Temperaturgleit TG (T" - T) um 3 K zur Folge hat, wie in Tabelle 3 aufgelistet.
  • Es besteht aber auch die Möglichkeit, einen größeren Temperaturgleit TG (T" - T) zuzulassen, diese Funktionsfördermittel FFM mit den entsprechenden Parametern für das jeweilige Gemisch sind in Tabelle 4 aufgelistet.
  • In den Tabellen 1 bis 4 sind nur Daten von Funktionsfördermitteln aufgelistet, und Schmiermittel als Funktionsfördermittel nicht berücksichtigt.
  • Bei weiteren Ausführungsbeispielen, dargestellt in den Fig. 3 bis 12 ist zusätzlich oder alternativ als Funktionsfördermittel FFM das Schmiermittel selbst eingesetzt, welches im Kältemittelkreislauf dosiert an verschiedenen Stellen zugegeben werden kann.
  • So ist bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 3 vorgesehen, das Schmiermittel hochdruckseitig und zwar nach dem Schmiermittelabscheider 50 und vor dem Enthitzer 19 dem hochdruckseitigen Kältemittel zuzuführen, welches dann das Schmiermittel durch den Kältemittelkreislauf 10 führt und insbesondere auch durch die Düsenkanäle 34 in die Wärmeübertragerkanäle 36 einführt, so dass in diesen dann das Schmiermittel seine Benetzungsfunktion ausführen und den Wärmeübergang verbessern kann.
  • Zur exakten Bestimmung des Masseanteils des Schmiermittels an dem Gemisch aus Schmiermittel und Kältemittel, ist eine Schmiermittelzufuhrleitung 62 mit einer in dieser angeordneten Dosiereinheit 64 vorgesehen, welche das Schmiermittel dem Kältemittelkreislauf zwischen dem Ölabscheider 50 und dem Enthitzer 19 zuführt, so dass dadurch eine über die Dosiereinheit 64 exakt dosierbare Schmiermittelumlaufrate vorgebbar ist.
  • Bei einem dritten Ausführungsbeispiel, dargestellt in Fig. 4, erfolgt die Zufuhr von Schmiermittel aus dem Schmiermittelbad 54 über eine Zufuhrleitung 72, in welcher ebenfalls eine Dosiereinheit 74 vorgesehen ist, wobei die Zufuhrleitung 72 in den Kältemittelkreislauf zwischen dem Enthitzer 19 und dem Kondensator 20 einmündet und somit das in den Kondensator 20 eintretende Kältemittel dann die exakt dosierte Schmiermittelmenge in dem Kältemittelkreislauf mitführt, so dass das Schmiermittel dann ebenfalls in den Wärmeübertragerkanälen 36 seine Benetzungswirkung entfalten kann.
  • Bei einem vierten Ausführungsbeispiel, dargestellt in Fig. 5 ist eine Zufuhrleitung 82 vorgesehen, in welcher ebenfalls eine Dosiereinheit 84 vorgesehen ist, wobei die Zufuhrleitung 82 das Schmiermittel dem Kältemittelkreislauf zwischen dem Kondensator 20 und dem Steuerventil 24 zuführt.
  • Bei einem fünften Ausführungsbeispiel, dargestellt in Fig. 6 ist eine Zufuhrleitung 92 vorgesehen, welche ebenfalls mit einer Dosiereinheit 94 versehen ist und Schmiermittel aus dem Schmiermittelbad 54 zwischen dem Steuerventil 24 und dem Wärmeübertrager 30 oder eingangsseitig des Wärmeübertragers 30 dem Kältemittelkreislauf zuführt, so dass dadurch eine durch die vorangegangenen Komponenten unbeeinflusste Dosierung des Schmiermittels und somit eine sehr exakte Schmiermittelumlaufrate in dem Wärmeübertrager 30 erreichbar ist und somit die Benetzungsfunktion des als Funktionsförderungsmittel dienenden Schmiermittels exakt vorgebbar ist.
  • Bei einem sechsten Ausführungsbeispiel, dargestellt in Fig. 7, wird das Schmiermittel von einer Zufuhrleitung 102 mit einer Dosiereinheit 104 aus dem Schmiermittelbad 54 direkt dem jeweiligen Wärmeübertragerkanal 36, beispielsweise einem Bereich 106 desselben, zugeführt, welcher nahe des jeweiligen Düsenkanals 34, vorzugsweise im Anschluss an diesen, angeordnet ist, so dass sich das Schmiermittel mit der sich ausbildenden festen Phase des Kältemittels oder dem bereits sublimierenden Kältemittel vermischen und dann benetzend wirksam werden kann.
  • Beispielsweise liegen dem zweiten bis sechsten Ausführungsbeispiel die Masseanteile des Schmiermittels im Wärmeübertragerkanal 36 dabei bei Werten von 0,11 Masse% bis 0,05 Masse% des in den Wärmeübertrager 30 eintretenden Gemischs aus Kältemittel und Schmiermittel.
  • Im Übrigen wird insoweit als das zweite bis sechste Ausführungsbeispiel betroffen sind vollinhaltlich auf die Ausführungen zum ersten Ausführungsbeispiel Bezug genommen.
  • So ist bei dem siebten Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 8 vorgesehen, Kältemittel und von diesem mitgeführtes Schmiermittel hochdruckseitig und zwar nach dem Schmiermittelabscheider 50 und vor dem Enthitzer 19 dem hochdruckseitigen Kältemittel zuzuführen, welches dann das Schmiermittel durch den Kältemittelkreislauf 10 führt und insbesondere auch durch die Düsenkanäle 34 in die Wärmeübertragerkanäle 36 einführt, so dass in diesen dann das Schmiermittel seine Benetzungsfunktion ausführen und den Wärmeübergang verbessern kann.
  • Zur exakten Bestimmung des Masseanteils des Schmiermittels an dem Gemisch aus Schmiermittel und Kältemittel, ist eine Zufuhrleitung 112 mit einer in dieser angeordneten Dosiereinheit 114 vorgesehen, welche das auf Hochdruck verdichtete Kältemittel mit Schmiermittel zwischen der Hochdruckseite 16 des Kältemittelverdichters 12 und dem Schmiermittelabscheider 50 vom Kältemittelkreislauf abzweigt und unter Umgehung des Schmiermittelabscheiders 50 dem Kältemittelkreislauf zwischen dem Schmiermittelabscheider 50 und dem Enthitzer 19 zuführt, so dass dadurch eine über die Dosiereinheit 114 exakt dosierbare Schmiermittelumlaufrate vorgebbar ist.
  • Bei einem achten Ausführungsbeispiel, dargestellt in Fig. 9, erfolgt die Zufuhr von in gleicher Weise wie beim siebten Ausführungsbeispiel abgezweigtem Kältemittel und Schmiermittel über eine Zufuhrleitung 122, in welcher ebenfalls eine Dosiereinheit 124 vorgesehen ist, wobei die Zufuhrleitung 122 in den Kältemittelkreislauf zwischen dem Enthitzer 19 und dem Kondensator 20 einmündet und somit das in den Kondensator 20 eintretende Kältemittel dann die exakt dosierte Schmiermittelmenge in dem Kältemittelkreislauf mitführt, so dass das Schmiermittel dann ebenfalls in den Wärmeübertragerkanälen 36 seine Benetzungswirkung entfalten kann.
  • Bei einem neunten Ausführungsbeispiel, dargestellt in Fig. 10 ist eine Zufuhrleitung 132 vorgesehen, in welcher ebenfalls eine Dosiereinheit 134 vorgesehen ist, wobei die Zufuhrleitung 132 das in gleicher Weise wie beim siebten Ausführungsbeispiel abgezweigte Kältemittel und Schmiermittel dem Kältemittelkreislauf zwischen dem Kondensator 20 und dem Steuerventil 24 zuführt, wobei zur Abkühlung desselben gegebenenfalls noch ein Kondensator oder Gaskühler 136 in der Zufuhrleitung 132 vorgesehen ist.
  • Bei einem zehnten Ausführungsbeispiel, dargestellt in Fig. 11 ist eine Zufuhrleitung 142 vorgesehen, welche ebenfalls mit einer Dosiereinheit 144 versehen ist und in gleicher Weise wie beim siebten Ausführungsbeispiel abgezweigtes Kältemittel und Schmiermittel zwischen dem Steuerventil 24 und dem Wärmeübertrager 30 oder eingangsseitig des Wärmeübertragers 30 dem Kältemittelkreislauf zuführt, wobei zur Abkühlung desselben gegebenenfalls noch ein Kondensator oder Gaskühler 136 in der Zufuhrleitung 142 vorgesehen ist, so dass dadurch eine durch die vorangegangenen Komponenten unbeeinflusste Dosierung des Schmiermittels und somit eine sehr exakte Schmiermittelumlaufrate in dem Wärmeübertrager 30 erreichbar ist und somit die Benetzungsfunktion des als Funktionsförderungsmittel dienenden Schmiermittels exakt vorgebbar ist.
  • Bei einem elften Ausführungsbeispiel, dargestellt in Fig. 12, wird das in gleicher Weise wie beim siebten Ausführungsbeispiel abgezweigte Kältemittel und Schmiermittel von einer Zufuhrleitung 152 mit einer Dosiereinheit 154, direkt dem jeweiligen Wärmeübertragerkanal 36, beispielsweise einem Bereich 106 desselben, zugeführt, welcher nahe des jeweiligen Düsenkanals 34, vorzugsweise im Anschluss an diesen, angeordnet ist, so dass sich das Schmiermittel mit der sich ausbildenden festen Phase des Kältemittels oder dem bereits sublimierenden Kältemittel vermischen und dann benetzend wirksam werden kann, wobei zur Abkühlung desselben gegebenenfalls noch ein Kondensator oder Gaskühler 136 in der Zufuhrleitung 152 vorgesehen ist,.
  • Beispielsweise liegen dem siebten bis elften Ausführungsbeispiel die Masseanteile des Schmiermittels im Wärmeübertragerkanal 36 dabei bei Werten von 0,11 Masse% bis 0,05 Masse% des in den Wärmeübertrager 30 eintretenden Gemischs aus Kältemittel und Schmiermittel.
  • Im Übrigen wird insoweit als das siebte bis elfte Ausführungsbeispiel betroffen sind vollinhaltlich auf die Ausführungen zum ersten Ausführungsbeispiel Bezug genommen.
    • Tabelle 1
    eine Zusammenstellung einer Reihe von Funktionsfördermitteln als Zusatzkältemittel für COz als Kältemittel mit Angabe von deren Masse % und Mol %, des sich dabei für das jeweilige Gemisch aus COz als Kältemittel und Funktionsfördermittel ergebenden "global warming potential", des sich dabei bezogen auf COz ergebenden Temperaturgleits und der sich dabei ergebenden Tripelpunktabsenkung ohne Berücksichtigung von Schmiermittel als Funktionsfördermittel;
    Tabelle 2
    eine Auswahl der Funktionsfördermittel gemäß Tabelle 1 insoweit, als diese der Vorgabe Rechnung tragen, dass bezogen auf COz als Kältemittel die Tripelpunktabsenkung kleiner 3 K ist;
    Tabelle 3
    eine Auswahl der Funktionsfördermittel gemäß Tabelle 2 mit der Vorgabe, dass bezogen auf COz als Kältemittel die Tripelpunktabsenkung kleiner 3 K und der Temperaturgleit kleiner 3 K ist;
    Tabelle 4
    eine Auswahl der Funktionsfördermittel gemäß Tabelle 1, wobei bezogen auf COz als Kältemittel der zulässige Temperaturgleit größer 5 K und kleiner 10 K sein kann;
  • Gemische auf Basis von CO2
    • Nicht giftig, nicht brennbar
    • Tripelpunktabsenkung ≤ 5 K
    • TG ≤ 5 K
    • GWP Gemisch < 150
    Tabelle 1
    Bezeichnung Gemischkomponente GWP Ashrae 34 Bez. Masseanteil min Masseanteil max Mengenanteil min Mengenanteil max GWP Gemisch TG Tripelpunktabsenkung max
    - - - Masse % Masse % Mol % Mol % - K K
    (E)-1,3,3,3-Tetrafluorpropen 1 R1234ze 1 2,0 0,4 0,8 1 5,0 0,3
    1,1,1,2-Tetrafluorethan 1430 R134a 1 4,0 0,4 1,8 58 5,0 0,7
    1,1-Diflourethen 1 R1132a 1 15,6 0,7 11,3 1 0,0 5,0
    2,3,3,3-Tetrafluorpropen 1 R1234yf 1 5,7 0,4 2,3 1 5,0 0,9
    Difluormethan 675 R32 1 8,8 0,8 7,5 60 5,0 3,3
    Ethan 3 R170 1 8,0 1,5 11,3 1 2,6 5,0
    Ethen 4 R1150 1 6,6 1,6 10,0 1 2,6 4,4
    Ethin 3 1 3,0 1,7 5,0 1 2,2 2,1
    Fluorethen 1 R1141 - 1 8,3 1,0 8,0 0 2,0 3,5
    Fluormethan 92 R41 1 8,9 1,3 11,3 9 0,5 5,0
    Pentafluorethan 3500 R125 1 4,3 0,4 1,6 150 1,7 0,7
    Propan 3 R290 1 7,0 1,0 7,0 1 1,7 3,0
    Propen 3 R1270 1 7,7 1,0 8,0 1 3,3 3,5
    Xenon 0 1 10,6 0,3 3,8 1 5,0 1,6
  • Gemische auf Basis von CO2
    • Nicht giftig, nicht brennbar
    • Tripelpunktabsenkung ≤ 3 K
    • TG ≤ 5 K
    • GWP Gemisch < 150
    Tabelle 2
    Bezeichnung Gemischkomponente GWP Ashrae 34 Bez. Masseanteil min Masseanteil max Mengenanteil min Mengenanteil max GWP Gemisch TG Tripelpunktabsenkung max
    - - - Masse % Masse % Mol % Mol% - K K
    (E)-1,3,3,3-Tetrafluorpropen 1 R1234ze 1 2,0 0,4 0,8 1 5,0 0,3
    1,1,1,2-Tetrafluorethan 1430 R134a 1 4,0 0,4 1,8 58 5,0 0,7
    1,1-Diflourethen 1 R1132a 1 9,7 0,7 6,9 1 0,0 3,0
    2,3,3,3-Tetrafluorpropen 1 R1234yf 1 5,7 0,4 2,3 1 5,0 0,9
    Difluormethan 675 R32 1 8,0 0,8 6,9 55 4,6 3,0
    Ethan 3 R170 1 4,8 1,5 6,9 1 2,3 3,0
    Ethen 4 R1150 1 4,5 1,6 6,9 1 2,0 3,0
    Ethin 3 1 3,0 1,7 5,0 1 2,2 2,1
    Fluorethen 1 R1141 1 7,1 1,0 6,8 0 2,0 3,0
    Fluormethan 92 R41 1 5,4 1,3 6,9 6 0,3 3,0
    Pentafluorethan 3500 R125 1 4,3 0,4 1,6 150 1,7 0,7
    Propan 3 R290 1 7,0 1,0 7,0 1 1,7 3,0
    Propen 3 R1270 1 6,6 1,0 6,9 1 2,7 3,0
    Xenon 0 1 10,6 0,3 3,8 1 5,0 1,6
  • Gemische auf Basis von CO2
    • Nicht giftig, nicht brennbar
    • Tripelpunktabsenkung ≤ 3 K
    • TG ≤ 3 K
    • GWP Gemisch < 150
    Tabelle 3
    Bezeichnung Gemischkomponente GWP Ashrae 34 Bez. Masseanteil min Masseanteil max Mengenanteil min Mengenanteil max GWP Gemisch TG Tripelpunktabsenkung max
    - - - Masse % Masse % Mol % Mol % - K K
    (E)-1,3,3,3-Tetrafluorpropen 1 R1234ze 1 1,1 0,4 0,4 1 3,0 0,1
    1,1,1,2-Tetrafluorethan 1430 R134a 1 2,3 0,4 1,0 34 3,0 0,4
    1,1-Diflourethen 1 R1132a 1 9,7 0,7 6,9 1 0,0 3,0
    2,3,3,3-Tetrafluorpropen 1 R1234yf 1 3,3 0,4 1,3 1 3,0 0,5
    Difluormethan 675 R32 1 5,0 0,8 4,2 34 3,0 1,8
    Ethan 3 R170 1 4,8 1,5 6,9 1 2,3 3,0
    Ethen 4 R1150 1 4,5 1,6 6,9 1 2,0 3,0
    Ethin 3 1 3,0 1,7 5,0 1 2,2 2,1
    Fluorethen 1 R1141 1 7,1 1,0 6,8 0 2,0 3,0
    Fluormethan 92 R41 1 5,4 1,3 6,9 6 0,3 3,0
    Pentafluorethan 3500 R125 1 4,3 0,4 1,6 150 1,7 0,7
    Propan 3 R290 1 7,0 1,0 7,0 1 1,7 3,0
    Propen 3 R1270 1 6,6 1,0 6,9 1 2,7 3,0
    Xenon 0 1 5,6 0,3 2,0 1 3,0 0,8
  • Gemische auf Basis von CO2
    • Nicht giftig, nicht brennbar
    • Tripelpunktabsenkung ≤ 5 K
    • T6 < 10 K und ≥ 5 K
    • GWP Gemisch < 150
    Tabelle 4
    Bezeichnung Gemischkomponente GWP Ashrae 34 Bez. Masseanteil min Masseanteil max Mengenanteil min Mengenanteil max GWP Gemisch TG Tripelpunktabsenkung max
    - - - Masse % Masse % Mol % Mol% - K K
    (E)-1,3,3,3-Tetrafluorpropen 1 R1234ze 1 5 0 2 1 10,0 0,8
    1,1,1,2-Tetrafluorethan 1430 R134a 1 9 0 4 124 10,0 1,7
    2,3,3,3-Tetrafluorpropen 1 R1234yf 1 12 0 5 1 10,0 2,2
    Xenon 0 1 20 0 8 1 7,5 3,4

Claims (16)

  1. Kältemittelkreislauf (10), umfassend einen Kältemittelverdichter (12), welcher Kältemittel auf ein Hochdruckniveau verdichtet, das über dem Tripelpunkt des Kältemittels liegt, und von welchem ausgehend das verdichtete Kältemittel einer Wärmeübertragereinheit (18) zugeführt wird, welche dem Kältemittel Wärme entzieht, ein auf die Wärmeübertragereinheit (18) nachfolgend angeordnetes Expansionsorgan (34), an welches sich mindestens ein Wärmeübertragerkanal (36) anschließt, wobei das Expansionsorgan (34) das verdichtete Kältemittel derart expandiert, dass der Tripelpunkt in dem Expansionsorgan selbst nicht unterschritten wird und dass das Kältemittel nach Verlassen des Expansionsorgans in dem nachfolgenden Wärmeübertragerkanal (36) den Tripelpunkt unterschreitet und sublimiert und dabei Wärme von einer einen den Wärmeübertragerkanal (36) aufweisenden Wärmeübertragerkörper (40) umgebenden Wärmequelle (28) aufnimmt, sowie eine das Kältemittel nach Verlassen des Wärmeübertragerkanals (36) aufnehmende und dem Kältemittelverdichter (12) zuführende Sammelleitung (38),
    dadurch gekennzeichnet, dass den Wärmeübertragerkanal (36) ein Gemisch aus Kältemittel und einem Funktionsfördermittel (FFM) durchströmt, dass das Funktionsfördermittel (FFM) bei der Sublimation des Kältemittels noch als flüssiges Funktionsfördermittel (FFM) vorliegt, welches in dem Wärmeübertragerkanal (36) einen Wärmeübergang zwischen dem sublimierenden Kältemittel und dem den Wärmeübertragerkanal (36) aufweisenden Wärmeübertragerkörper (40) verbessert.
  2. Kältemittelkreislauf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Kältemittelverdichter (12) und der hochdruckseitigen Wärmeübertragereinheit (18) ein Schmiermittelabscheider (50) angeordnet ist, insbesondere dass der Schmiermittelabscheider (50) ein Koaleszenzabscheider ist.
  3. Kältemittelkreislauf nach einem der voranstehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass das Funktionsfördermittel (FFM) so gewählt ist, dass das Gemisch aus dem Kältemittel und dem Funktionsfördermittel (FFM) nicht brennbar ist.
  4. Kältemittelkreislauf nach einem der voranstehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass das Funktionsfördermittel (FFM) derart ausgewählt ist, dass das Gemisch aus dem Kältemittel und dem Funktionsfördermittel (FFM) einen Tripelpunkt aufweist, der gegenüber dem Tripelpunkt des reinen Kältemittels um maximal 5 K, vorzugsweise maximal 3 K, abgesenkt ist.
  5. Kältemittelkreislauf nach einem der voranstehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass das Funktionsfördermittel (FFM) derart ausgewählt ist, dass das Gemisch aus dem Kältemittel und dem Funktionsfördermittel (FFM) im Bereich zwischen dem Tripelpunkt und dem kritischen Punkt einen Temperaturgleit (TG), das heißt eine Differenz zwischen der Tautemperatur (T") und der Siedetemperatur (T), aufweist, der maximal 5 K, vorzugsweise maximal 3 K, beträgt.
  6. Kältemittelkreislauf nach einem der voranstehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass das Funktionsfördermittel (FFM) derart ausgewählt ist, dass das Gemisch aus dem Kältemittel und dem Funktionsfördermittel (FFM) ein "global warming potential" (GWP) von weniger als 150 aufweist.
  7. Kältemittelkreislauf nach einem der voranstehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass der Anteil des Funktionsfördermittels (FFM) in dem Gemisch aus Kältemittel und Funktionsfördermittel (FFM) derart gewählt ist, dass bei der Sublimation des Kältemittels keine Verstopfung im Wärmeübertragerkanal (36) auftritt.
  8. Kältemittelkreislauf nach einem der voranstehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass das Funktionsfördermittel (FFM) im Kältemittelkreislauf (10) ein, insbesondere mit einem definierten Masseanteil an der Gesamtmasse des Gemischs aus Kältemittel und Funktionsfördermittel (FFM), zumindest den Wärmeübertragerkanal (36) durchströmendes Schmiermittel umfasst.
  9. Kältemittelkreislauf nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass dem Kältemittelkreislauf (10) mittels einer Zufuhrleitung (62, 72, 82, 92, 102) und einer dieser zugeordneten Dosiereinheit (64, 74, 84, 94, 104) dosiert Schmiermittel aus dem Schmiermittelabscheider (50) als Funktionsfördermittel (FFM) zugeführt wird.
  10. Kältemittelkreislauf nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass dem Kältemittelkreislauf (10) mittels einer zwischen dem Kältemittelverdichter (12) und dem Schmiermittelabscheider (50) abzweigenden Zufuhrleitung (112, 122, 132, 142, 152) und einer dieser zugeordneten Dosiereinheit (114, 124, 134, 144, 154) dosiert eine Mischung aus Kältemittel und Schmiermittel als Funktionsfördermittel (FFM) zugeführt wird.
  11. Kältemittelkreislauf nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass dem Kältemittelkreislauf (10) im Bereich der hochdruckseitigen Wärmeüberträgereinheit (18) dosiert Schmiermittel als Funktionsfördermittel (FFM) zugeführt wird.
  12. Kältemittelkreislauf nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass dem Kältemittelkreislauf (10) im Bereich des Expansionsorgans (34) Schmiermittel als Funktionsfördermittel (FFM) dosiert zugeführt wird.
  13. Kältemittelkreislauf nach einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass dem Kältemittelkreislauf (10) im Ausschluss an das Expansionsorgan (34) Schmiermittel als Funktionsfördermittel (FFM) dosiert zugeführt wird.
  14. Kältemittelkreislauf nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Wärmeübertragerkanal (36) der Masseanteil des in dem Gemisch vorhandenen Schmiermittels bezogen auf die Gesamtmasse des Gemischs aus Kältemittel und Funktionsfördermittel (FFM) mehr als 0,02 Masse %, vorzugsweise mehr als 0,04 Masse %, beträgt, insbesondere dass ein Wärmeübertragerkanal (36) der Masseanteil des in dem Gemisch vorhandenen Schmiermittels bezogen auf die Gesamtmasse des Gemischs aus Kältemittel und Funktionsfördermittel (FFM)maximal 1 Masse %, besser maximal 0,11 Masse %, noch besser maximal 0,05 Masse %, beträgt.
  15. Kältemittelkreislauf nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Funktionsfördermittel (FFM) mindestens ein Zusatzkältemittel umfasst, insbesondere dass der Anteil des das Funktionsfördermittel (FFM) darstellenden Zusatzkältemittels in dem Gemisch aus Kältemittel und Funktionsfördermittel (FFM) derart ausgewählt ist, dass das Gemisch aus Kältemittel und Funktionsfördermittel (FFM) im Bereich zwischen dem Tripelpunkt und dem kritischen Punkt einen Temperaturgleit (TG) aufweist, der kleiner als 5 K ist, und bezogen auf das reine Kältemittel eine Tripelpunktabsenkung aufweist, die kleiner als 5 K ist, und insbesondere nicht brennbar ist und insbesondere außerdem ein "global warming potential" (GWP) kleiner 150 aufweist, insbesondere dass das Funktionsfördermittel (FFM) eines oder mehrere der Zusatzkältemittel (E)-1,3,3,3-Tetrafluorpropen, 1,1,1,2-Tetrafluorethan, 1,1-Diflourethen, 2,3,3,3-Tetrafluorpropen, Difluormethan, Ethan, Ethen, Ethin, Fluorethen, Fluormethan, Pentafluorethan, Propan, Propen, Xenon umfasst.
  16. Kältemittelkreislauf nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kältemittel COz ist, insbesondere dass das Kältemittel COz einen Masseanteil im Bereich von 80 Masse % bis 99 Masse % bezogen auf die Gesamtmasse des Gemischs aus dem Kältemittel COz und dem Funktionsfördermittel (FFM) aufweist, und/oder dass das Kältemittel COz einen Molanteil im Bereich von 88 Mol % bis 99,6 Mol % bezogen auf 100 Mol % des Gemischs aus dem Kältemittel COz und dem Funktionsfördermittel (FFM) aufweist.
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