WO2024132024A1 - Method and plant for producing ice, slurry ice/ice particles, snow, hydrates, cold water, or combinations or a mixture/suspension thereof, in a closed process - Google Patents
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Definitions
- the invention relates to a method and a system for producing ice, ice slurry/ice particles, snow, hydrates, cold water or combinations thereof or mixtures/suspensions in a closed process according to the generic term of the 1st and 15th patent claims.
- the storage of cold water and water ice has many (theoretical) advantages (e.g. ecological storage material, pumpability of ice slurry).
- ice slurry systems have not been able to prevail for various reasons (e.g. system technology is too expensive, performance factors are too low).
- the coolant and ice slurry are separated in a storage tank so that the ice slurry is discharged via an outlet and can carry out its cooling task. After use, this is fed back into the tank via a return line, discharged from the storage tank together with the coolant and divided into water and coolant using a pump and a separating device. The coolant is returned to its original state and the circuit is closed.
- a complex separation process e.g. reverse osmosis, nanofiltration
- evaporator material separation of coolant and refrigerant
- the carbon dioxide is injected into an aqueous solution via nozzle devices in order to produce ice slurry.
- the injection of carbon dioxide can take place in liquid and/or gaseous form into an aqueous solution using injector nozzles or - as an alternative - by prior mixing in a nozzle.
- the coolant is also under pressure and has a temperature range around or below 0 degrees Celsius.
- the coolant circuit and the recycling circuit (with a cold consumer) are separated into two material flows.
- the hydrate slurry (possibly with ice particles) is created in the container either by cooling spirals or by relaxation.
- the spiral can be arranged inside or outside and also serves to control the temperature in the container.
- Recooling of the coolant in the form of carbon dioxide is not intended and may not be absolutely necessary for the production of hydrates, but this limits better process control.
- the hydration heat is dissipated from the storage tank, which can have a negative effect on the temperatures.
- the heat exchanger arranged on the tank does not allow for high performance.
- ice is produced in a two-stage process by dissolving the hydrates. Overall, the system described is not energy efficient and is not able to provide high cooling performance.
- a method and device for cooling is also described in the document EP 2667 116 A1.
- a coolant is mixed with liquid carbon dioxide under a pressure at which the mixture is in the liquid state, then the mixture of carrier medium and liquid carbon dioxide is expanded while cooling to a pressure at which at least part of the carbon dioxide evaporates, then the expanded mixture is fed to a separator in which evaporated carbon dioxide is separated from the carrier medium, the separated carrier medium is pressurized again and fed back into the circuit to be mixed with liquid carbon dioxide. is, whereby the mixture after the expansion and/or the carrier medium from the separator passes through a heat exchanger in which it is brought into thermal contact with a medium to be cooled.
- the gaseous carbon dioxide is discharged via the gas discharge line 19 and used in a heat exchanger 20 to cool a medium or released into the atmosphere. This is therefore an open process.
- the disadvantage is that the coolant (carrier medium) is not stored, but only a phase separation takes place in the separator. Likewise, no ice slurry production etc. is realized.
- a medium is cooled in the temperature range -85...-56 °C
- the heat exchanger 9 represents an additional expense that is not required in the solution according to the invention and would not work either.
- a coolant compressor for the liquid carbon dioxide is disadvantageously not provided.
- the control of the coolant and coolant flow takes place via a valve 8, which is disadvantageous.
- the pressure range is only between 10 bar and 20 bar, which means that only a limited operating range is available.
- the cooling of the medium with the heat exchanger is only described in an insufficiently comprehensible manner.
- Another solution is also described in the publication DE 102019127488 A1, which is a closed process.
- the task of this solution is to provide a flexibly usable fluid circuit with a working medium circulating in it and a method for operating the fluid circuit to generate a cooling capacity.
- the cold should be used at a temperature level or pressure level below the triple point of the working medium.
- the device should be reliable and safe, in particular without the risk of blocking due to solid particles of the working medium, and should be able to be operated efficiently and easily controlled.
- a mixture of environmentally friendly, non-flammable fluids should be able to be used. There is no cold storage, no ice slush production, etc.
- CO2 (R744) is used as the refrigerant and R125 (which is also a refrigerant) or R410 (refrigerant mixture) is used as the coolant, although R410 is not ecological.
- a mixing device for mixing a carrier liquid with the working medium is provided, as well as a separator for separating the carrier liquid from a gaseous fluid flow.
- a compressor and a heat exchanger are arranged between the separator and the mixing device. Furthermore, another heat exchanger is arranged between the mixing device and the separator, which means additional effort.
- the aim of the invention is to develop a system and a method for producing ice, ice slurry/ice particles, snow, hydrates, cold water or combinations thereof or mixtures/suspensions for industrial or technical applications, with which high cooling capacities and high ice production can be achieved using an ecological coolant and coolant, whereby very high storage loading capacities, very high storage discharging capacities or system integration, if necessary direct application to e.g. food or supply in pipelines (e.g.
- a) at least a second material flow in the form of ice, ice slurry/ice particles, snow, hydrates, cold water or combinations thereof or mixtures/suspensions, b) and a first material flow with at least one coolant, c) are brought together in an apparatus, wherein the material flows relax and cool in the apparatus and/or when leaving the apparatus, d) wherein the flow emerging from the apparatus from the first and second material flows is fed to at least one container with a storage function, e) a phase separation of the first and second material flows takes place in the container and - the first material flow with the coolant is removed from the container and - the second material flow with reduced temperature in the form of ice, ice slurry/ice particles, snow, hydrates, cold water or combinations thereof or mixtures/suspensions implements a cooling function
- the first material flow is sucked out of the container, compressed and recooled in the coolant circuit and fed back to the apparatus, and in a first variant, the second material flow is taken from the container as a coolant circuit to implement the cooling task and fed into the coolant circuit of the container via a heat exchanger, whereby - the coolant circuit leads from a heat exchanger via the apparatus to the container or - the coolant circuit leads from the heat exchanger to the container and at least one further second material flow leads as a secondary circuit via the apparatus into the container and/or in a second variant, the cooling task is implemented with at least one heat exchanger assigned to the container and at least one further second material flow leads as a secondary circuit via the apparatus into the container.
- Indirect and/or direct heat transfer takes place between the first material flow and the second material flow in the apparatus and/or upstream of the apparatus, whereby it is also possible to heat and/or cool the material flows in the apparatus by means of at least one additional heater and/or at least one additional cooling system, in particular in zones. It is possible for a first secondary circuit and a second secondary circuit to lead the coolant of the second material flow from the container under pressure via the apparatus back into the container. Because the temperature at the exit from the device is greatly reduced compared to the entry into the device, the cooling task can be carried out using the coolant separated in the container.
- a mixture and/or a dispersion and/or a solution of the first material stream in the second material stream and/or a temporary hydrate formation and/or a reaction, for example to form carbonic acid can take place.
- the expansion takes place in and/or after the apparatus for producing ice, ice slurry/ice particles, snow, hydrates, cold water or combinations thereof or a mixture/suspension of the cooled second material stream using individual or a combination of the following effects: o Change in the thermodynamic state of the first material stream through evaporation at 10 to 300 kJ/kg or possibly higher, o Degassing of the first material stream due to physical solubility, o Dissolution of the hydrates of the first material stream and the second material stream, o Joule-Thompson effect and thus expansion of the coolant in the first material stream.
- the pressure increase of the second material stream before it is fed to the apparatus takes place in particular to a pressure of 1.1 bar to 200 bar, with the pressure increase being implemented in several stages if necessary.
- the first material flow is fed into the apparatus at a pressure of preferably 1.1 bar to 200 bar and, under certain circumstances, in different phases and at a temperature of in particular typically -40 °C to 50 °C, if necessary depending on the realized recooling in the first heat exchanger and/or intermediate cooling or further cooling in an additional heat exchanger.
- the first material flow consists of or has at least one coolant, whereby the coolant is preferably not or only slightly soluble in the coolant.
- the coolant consists in particular of or has carbon dioxide, or propane or dinitrogen monoxide (laughing gas) or gases or vapors with/without phase change or combinations of the aforementioned substances or other suitable coolants.
- the coolant of the second material flow can consist of a mixture of water with at least one freezing point lowering substance for operation with storage temperatures significantly below 0 °C. It is possible to implement the following modifications to the first material flow individually or in any combination: a. transcritical or subcritical operation, b. single- or multi-stage compression up to a maximum compression pressure of approx. 200 bar, with or without intake superheat c. parallel connection of compressors, d. with and without intermediate cooling, in particular using internal and/or external heat exchangers, e.
- a coolant from the second material flow of the coolant circuit can be fed from the container to a second heat exchanger and in the second heat exchanger the coolant from the second material flow can take over the cooling task.
- at least one cooling task can be implemented by the container with at least one heat exchanger combined with the container. Since the expansion of the material flows in the apparatus results in a strong cooling, the apparatus can be heated to prevent ice formation or to dissolve ice.
- the invention further comprises a system for producing ice, ice slurry/ice particles, snow, hydrates, cold water or combinations or mixtures/suspensions thereof, wherein the system according to the invention has at least one apparatus which has at least one first feed for a pressurized first material flow of a coolant of a coolant circuit and at least one second feed for a pressurized second material flow of a coolant of a coolant circuit and/or at least one secondary material flow with/from a coolant in the form of ice, ice slurry/ice particles, snow, hydrates, cold water or combinations or mixtures/suspensions thereof, and the apparatus has at least one chamber in which the first and second material flows can be brought together, expanded and cooled, wherein a container with a storage function for phase separation of the first and second material flows is connected to the apparatus, wherein the container has at least one first outlet for the coolant and at least one further outlet for the coolant.
- the system for producing ice, ice slurry/ice particles, snow, hydrates, cold water or combinations thereof or mixtures/suspensions in a closed process to implement a cooling task is further characterized according to the invention in that, in a first variant, the second material flow is taken from the container as a coolant circuit to implement the cooling task and is fed into the coolant circuit of the container via a second heat exchanger, wherein a) the coolant circuit leads from the heat exchanger to the container via the apparatus or b) the coolant circuit leads from the heat exchanger to the container and at least one further second material flow leads as a secondary circuit via the apparatus into the container and/or in a second variant, the cooling task is implemented with at least one heat exchanger assigned to the container and at least one further second material flow leads as a secondary circuit via the apparatus into the container.
- the system is equipped with: - at least one device for combining and then relaxing the first and second material streams to produce ice, ice slurry/ice particles, snow, hydrates, cold water or combinations thereof or mixture/suspension of the second material stream, - with the second heat exchanger to implement heat transfer for the cooling task from the cooling goods/cooling medium to the second material stream, - with a pump to convey the second material stream and to implement a pressure increase to 1.1 bar to 200 bar in front of the device, - with at least one first heat exchanger for realising a recooling of the coolant of the first material stream to a temperature between -40°C and 50°C upstream of the apparatus, - with at least one compressor for compressing and conveying the first material stream and for realising a pressure of 1.1 bar to 200 bar upstream of the apparatus, - with the container for phase separation of the first and second material streams.
- the container with storage function can have a tangential or essentially tangential feed for at least one stream fed from the apparatus.
- the coolant of the first material stream is separated in an upper region and the coolant of the second material stream is separated in a lower region.
- the coolant is then fed from the upper region and the coolant from the lower region of the container, each under pressure, back into the container via the apparatus.
- areas of the system that freeze or where there is a risk of icing can be provided with at least one additional heater and/or at least one heat exchanger, whereby several heating areas can be provided and the heating takes place, for example, by means of electrical resistance and/or microwaves and/or induction heating and/or a material flow.
- At least one further second material flow can lead into the container via the apparatus as a secondary circuit.
- the at least one apparatus has at least one inlet for the first material flow and at least one or more inlets for the second material flow and possibly also for the secondary circuit(s).
- Means for generating a flow with swirl can also be arranged in the apparatus in order to achieve better contact between the material flows. These means can be designed with or without rigid or moving components to influence the flow. A continuous or pulsating flow can pass through the device.
- Figure 1 schematic representation of the closed process, supply of the second material flow 2 from the container via a heat exchanger and the apparatus into the container (cold storage)
- Figure 2 schematic representation of the closed process, supply of the second material flow 2 from the container (cold storage) via the heat exchanger into the container and first secondary material flow from the container (cold storage) and the apparatus into the container
- Figure 3 in addition to the variant according to Figure 2, further secondary material flow from the container (cold storage) via the apparatus into the container
- Figure 4 in addition to the variant according to Figure 2, two-stage compression and intermediate cooling as well as further cooling of the first material flow 1
- Figure 5 in addition to the variant according to Figure 4
- Figure 6 in addition to the variant according to Figure 1 - heat transfer from the container to a heat exchanger to implement the cooling function
- Figure 7 a first variant of the apparatus with a supply for the material flow 1 (coolant) and a feed for the material flow 2 (cool
- the system has a first material flow 1 with at least one or consisting of at least one coolant and a second material flow 2 with at least one or consisting of at least one coolant in a closed process.
- the system is also equipped with an apparatus 3 and an adjoining container 4 with a storage function.
- the container 4 is first filled with coolant (for material flow 1) and coolant (for material flow 2), with their phase separation taking place in the container 4.
- the first material flow 1 leads in a coolant circuit A from the container 4, in which a phase separation of the material flow 1 and the material flow 2 takes place, via a compressor 5 into a first heat exchanger 1.1 of the first material flow 1 in which a recooling R of the material flow 1 is realized and under pressure into the apparatus 3.
- the second material flow 2 leads in a coolant circuit B from the container 4, via a heat exchanger 2.1 of the material flow 2 to realize a cooling task K via a pump 6, also under pressure into the apparatus 3.
- the pressure increase of the material flow 2 to a high pressure may also take place in several stages.
- the first and second material streams 1, 2 are brought together and expand and cool down from temperatures T1 of the first material stream 1 and T2 of the second material stream 2 upstream of the apparatus 3 to a lower temperature T of the stream 1/2 exiting the apparatus.
- the stream 1/2 reduced to a temperature T is fed from the apparatus 3 to the container 4, in which a phase separation of the two material streams 1 and 2 takes place again, with the coolant of the material stream 1 preferably being deposited/settled in the upper region and the coolant of the material stream 2 in the lower region of the container 4.
- This makes it possible to achieve very low temperatures of the coolant of up to -20 °C and lower down to -100 °C.
- a direct or indirect heat transfer takes place between the first material flow 1 and the second material flow 2.
- a heat transfer/temperature equalization of the two material flows 1, 2 can also be realized in a device upstream of the apparatus 3 (e.g. heat exchanger).
- the material flows 1, 2 can also be heated and/or cooled in the apparatus 3 by at least one additional heater ZH and/or at least one additional cooler ZK, in particular zone by zone.
- a continuous or pulsating flow preferably runs through the apparatus 3 and, if required, other flow effects such as turbulence, instability, boundary layer effects, subsonic and supersonic flow can be realized.
- the feed of the material stream 1 (e.g. carbon dioxide R744 or other refrigerant) into the apparatus 3 is preferably carried out at high pressure, in particular at 1.1 bar to 200 bar and possibly in different phases with a temperature of typically - 40 °C to 50 °C depending on the recooling and/or intermediate cooling.
- the second material stream 2 is preferably fed into the apparatus at a pressure of 1.1 bar to 200 bar and at a temperature of -40 °C to 50 °C.
- the two material streams 1 and 2 are brought together in the apparatus 3, they come into complete and/or partial contact, forming bubbles or drops, for example.
- the two material streams can also be mixed with direct heat transfer.
- the following processes are possible when the two material streams 1 and 2 are brought together in the apparatus 3: - possibly dissolving material stream 1 in material stream 2, - possibly temporary hydrate formation (possibly limiting the process), - possibly reactions to form carbonic acid, for example, - possibly downstream heat transfer using an external heat exchanger.
- the expansion taking place in the apparatus 3 and/or subsequent to it to produce ice, ice slurry/ice particles, snow, hydrates, cold water or combinations thereof or mixture/suspension of a cooled second material flow 2 is preferably carried out using the following individual effects or combinations thereof: - change in the thermodynamic state of the material flow 1 through the evaporation of the material flow 1/refrigerant (approx.
- the phase separation of the material flows takes place in the container/storage tank 4 (preferably at -100 °C to 20 °C) and/or at least partially in the apparatus when removing the gaseous phase (material flow 1) and collecting the ice, ice slurry, ice particles, snow, hydrates, cold water or combinations or mixtures or suspensions thereof (material flow 2).
- the first material flow 1 consists of inorganic or organic substances or mixtures or suspensions thereof, whereby in particular all gases and all vapors as well as mixtures thereof with or without phase change can be used as refrigerants, whereby, for example, preferred gases are carbon dioxide or propane or dinitrogen monoxide (laughing gas) or combinations thereof are used, and mixtures with air in particular are preferably used.
- the material flow 1 also preferably consists of or contains a coolant which is insoluble or only slightly soluble in the coolant of the material flow 2, which promotes phase separation.
- the coolant is preferably insoluble or only slightly soluble in water (e.g. R290, propane) and possibly in the subcritical region. Mixtures (e.g. water and freezing point lowering substances) and/or substances which promote phase changes, such as nucleating particles and/or droplets for operation with storage temperatures well below 0 °C, can also be used as coolants.
- the suitable pressure of the material flows 1 and 2 when feeding it to the apparatus 3 can be calculated or determined by tests.
- Material stream 2 comprises or consists of a coolant in the form of ice, ice slurry/ice particles, snow, hydrates, cold water or their combinations or mixtures/suspensions.
- the material flow 1 e.g. carbon dioxide, possibly with very low water vapor content
- the material flow 1 is now sucked in and compressed in the closed circuit from the upper area of the container 4 by means of the compressor 5, the material flow 1 is recooled via the first heat exchanger 1.1 of the material flow 1 and fed into the apparatus 3.
- the following modifications to the refrigerant circuit (material flow 1) can be carried out, whereby the measures can be implemented individually or in various combinations: - preferably transcritical operation (but also subcritical operation), - single or multi-stage compression up to a maximum final compression pressure of approx.
- the material flow 2 in the form of ice, ice slurry/ice particles, snow, hydrates, cold water or combinations thereof or their mixture/suspension is taken from the lower area of the container 4 and fed to the second heat exchanger 2.1 of the second material flow 2 to carry out a cooling task K and from there pumped back into the apparatus 3 under pressure by means of the pump 6.
- the storage unit (container 4 with storage function) can be discharged directly or indirectly with regard to the second material flow 2.
- the system according to the invention serves to produce and/or store ice, ice slurry/ice particles, snow, hydrates, cold water or combinations thereof or mixture/suspension.
- the container 4 can be filled at the beginning/before the start of the process with coolant (preferably water) and the coolant (e.g. carbon dioxide), from/in which ice, ice slurry/ice particles, snow, hydrates, cold water or combinations thereof or mixtures/suspensions form due to the strong cooling in and/or after the device.
- the container 4 is preferably evacuated and then filled with the coolant 2 and coolant 1.
- the waste heat generated when carrying out the method according to the invention e.g. for heating purposes, for providing process heat, for charging thermal energy storage devices (heat storage devices) with warm water, hot water, water vapor and other heat transfer media; but also for generating cold with absorption chillers, adsorption chillers, steam jet chillers or as a heat source system for at least one further heat pump.
- Heat can be extracted from the first material flow with at least one cooler and/or at least one recooler and used for heating purposes and/or charging a storage device in a temperature range from 40°C to 400°C.
- the expansion machine can be, for example, a displacement machine and/or turbine T, with which in particular a generator G is driven to generate electricity (see Figure 5).
- FIGs 2 to 6 Further embodiments of the system according to the invention are shown in Figures 2 to 6.
- Figure 2 shows that the material flow 2 of the coolant circuit B intended for the cooling task is returned from the heat exchanger 2.1 to the container 4.
- a pump 6 is located between the container 4 and the heat exchanger 2.1.
- a first secondary material flow 2N1 from the container 4 leads via a pump 6.2 at high pressure and a temperature T2 into the apparatus 3 (to which the first material flow is also fed) and from there, after expansion and cooling, back into the container 4.
- the coolant returned to the container 4 is significantly cooled, whereby the material flow 2 is also reduced in temperature to realize the cooling function.
- the first material stream 1 of the refrigerant circuit A is led from the tank 4 via the compressor 5 and the first heat exchanger 1.1 to the apparatus 3, as in Figure 1.
- the coolant circuit B in addition to the variant according to Figure 2, there is a second secondary flow 2N2 in the coolant circuit B, which is fed from the container 4 via a further pump 6.3 to the apparatus 3 at a high pressure and a temperature T3.
- the coolant circuit B is designed as in Figure 2.
- the coolant circuit A has a two-stage compression and intermediate cooling as well as further cooling of the substance 1.
- the first substance flow 1 leads from the compressor 5, which realizes the first compression stage, via an intermediate container 7 and a further compressor 5.1, which realizes the second compression stage, to the first heat exchanger 1.1.
- a further heat exchanger 1.2 is provided for further cooling the first substance flow 1. Furthermore, the additional heat exchanger 1.2 is coupled to the additional compressor 5.1 via the container 7. As a result, a partial flow of the coolant between the two heat exchangers 1.1 and 1.2 is expanded in the expansion device 1.3 and cools the remaining material flow (approx. 20% to 90% of the entire first material flow) and the material flow after compression with the compressor 5.
- the variant according to Figure 5 has essentially the same structure as in Figure 4, but additionally realizes an expansion of the coolant in the first material flow 1 upstream of the device 3 with an expansion machine, here a turbine T for generating mechanical power, here the drive of a generator G for generating electricity is realized.
- the coolant circuit A is designed as in Figures 1, 2 and 3.
- the cooling function of the coolant circuit B is implemented here by means of heat transfer from the container 4 to a pipe system (heat exchanger 8) that surrounds the container or is integrated into the container and through which a coolant flows.
- the low temperatures in the container 4 are thereby transferred to the heat exchanger 8 and the coolant that flows through the heat exchanger 8, whereby the coolant of the heat exchanger 8 cools down and the cooling function K is implemented.
- all of the variants described can work with a multi-stage compression of the refrigerant circuit and can be provided with a device for expanding the refrigerant upstream of the device 3, e.g. a turbine T for generating mechanical power, such as for driving a generator G to generate electricity.
- a device for expanding the refrigerant upstream of the device 3 e.g. a turbine T for generating mechanical power, such as for driving a generator G to generate electricity.
- the variants described in Figures 1 to 6 can therefore be combined as required.
- several devices 3 can be used in one system and then, if necessary, several containers 4 and a corresponding number of pumps and heat exchangers for the coolant circuit B as well as compressors and heat exchangers for the refrigerant circuit A.
- several devices 3 can also be coupled with just one container 4 (not shown). Two structural designs of devices 3 are shown below in Figures 7 and 8.
- Figure 7 shows a variant of the device 3 with an inner hollow cylindrical/tubular first casing 9, which has an inlet 9.1 and an outlet 9.2 and is provided with a funnel-shaped extension 9.3 in the direction of the outlet 9.2.
- the first jacket 9 is surrounded at a distance by another hollow cylindrical/tubular second jacket 10, which is longer here than the first jacket 9 and protrudes over the outlet 9.2 of the first jacket 9.
- the first and second jackets 9, 10 are arranged centrally to one another along a longitudinal axis A.
- a first annular space 3.1 is formed between the outer circumference of the first jacket 9 and the inner contour of the second jacket 10, and a first chamber 3.2 is formed after the outlet opening 9.2 of the first jacket 9.
- the second jacket 10 has a funnel-shaped diameter expansion 10.3 after the cylindrical region in the direction of the outlet 10.2 and a funnel-shaped diameter reduction 10.4 at the inlet 10.1. It is possible to supply the first material flow 1 via the inlet 9 and the second material flow 2 via the inlet 10 (as shown) or vice versa.
- the two material flows 1, 2 supplied under high pressure come into contact in the area of the chamber 3.2 and exit the apparatus 3 at the outlet 10.2 as a flow 1/2 and are introduced into the container 4 (not shown here).
- the material flows expand and cool down considerably as a result. Indirect heat transfer takes place between the material flows in region 3.1 and direct heat transfer takes place in region 3.2.
- Figure 8 shows a further variant of an apparatus 3 in which the first jacket 9 and the second jacket 10 are designed as in Figure 7, but are additionally surrounded by a third hollow cylindrical jacket 11.
- the third hollow cylindrical jacket 11 also has an inlet 11.1 and an outlet 11.2 and is provided with a funnel-shaped extension 11.3 in the direction of the outlet 11.2.
- the second jacket 10 is surrounded at a distance by the hollow cylindrical/tubular third jacket 11, which is longer here than the second jacket 10 and thus protrudes over the outlet 10.2 of the second jacket 10.
- the first, second and third jackets 9, 10, 11 are also arranged centrally to one another along the longitudinal axis A.
- a second annular space 3.3 is formed between the outer circumference of the second jacket 10 and the inner contour of the third jacket 11, and a second chamber 3.4 is formed after the outlet opening 10.2 of the second jacket 10.
- one or both secondary flows 2N1, 2N2 can be introduced into the inlet 11.1.
- the two material flows 1, 2 supplied under high pressure come into contact in the area of the chamber 3.2 and enter the second chamber 3.4 at the outlet 10.2, where they come into contact, for example, with the material flow of the secondary circuit(s) 2N1, 2N2.
- Indirect heat transfer is realized in the annular spaces 3.1, 3.3 and direct heat transfer in the chambers 3.2, 3.4.
- the respective outer jacket (second jacket 10 or third jacket 11) is equipped with an additional heater ZH and/or Additional cooling ZK and/or a heat exchanger 3W, which can also be divided into zones.
- the additional heating ZH or the heat exchanger 3W can, for example, prevent an obstruction to the function according to the invention, e.g. unwanted ice formation on the surfaces of the apparatus 3.
- Additional cooling ZK is preferably used in the case of hydrate formation.
- the streams 1/2 emerging from the apparatus can also be introduced essentially tangentially into the container/storage tank 4. This enables a better separation of the coolant and the refrigerant.
- a different introduction of the material streams into the apparatus 3 can be selected.
- material stream 2 can be introduced via the feed 9.1 and material stream 1 via the feed 10.1.
- a secondary material stream 2N1, 2N2 can then, for example, be introduced into the apparatus 3 via the feed 11.1.
- the supply of the material flows can also be carried out radially or at an oblique angle, according to examples not shown.
- the expansion, acceleration and pressure reduction required for the production of ice, ice slurry/ice particles, snow, hydrates, cold water or combinations thereof or mixtures/suspensions take place in the apparatus 3.
- hydrates can form or reactions can occur between the material flows or, if necessary, a physical solution of gases from the first material flow 1 in the liquid from the second material flow 2.
- the hydrates can also decompose in the direction of the outlet 10.2 or 11.2 or after the outlets, the coolant can outgas, possibly also a Joule-Thompson effect and also possibly a reverse reaction.
- desired turbulence effects, boundary layer effects and instability effects can occur through the flow guidance and various known design modifications in order to reduce the pressure and/or improve the heat transfer between the material flows or to avoid unfavorable operating conditions.
- high cooling capacities and high ice production can be achieved, for example for industrial applications, using an ecological coolant (such as carbon dioxide) and coolant (ice, ice slurry/ice particles, snow, hydrates, cold water or combinations or mixtures/suspensions thereof), whereby coolant temperatures of 20 °C to -100 °C can be provided.
- an ecological coolant such as carbon dioxide
- coolant ice, ice slurry/ice particles, snow, hydrates, cold water or combinations or mixtures/suspensions thereof
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Abstract
The invention relates to a method and a plant for producing ice, slurry ice/ice particles, snow, hydrates, cold water, or combinations or a mixture/suspension thereof, wherein: at least one substance stream (2) in the form of ice, slurry ice/ice particles, snow, hydrates, cold water, or combinations or a mixture/suspension thereof, are brought together with a refrigerant of a substance stream (1) in an apparatus (3) and expand and cool in and/or upon emerging from the apparatus (3); the stream (1/2) emerging from the apparatus (3) and consisting of the substance streams (1) and (2) is fed to a vessel (4) that has a storage function; phase separation of the substance streams (1) and (2) is performed in the vessel (4); the first substance stream (1) comprising the refrigerant is extracted from the vessel (4); and a cooling function (K) is implemented using the second substance stream (2) in the form of ice, slurry ice/ice particles, snow, hydrates, cold water, or combinations or a mixture/suspension thereof, the temperature of which second substance stream has been reduced.
Description
Verfahren und Anlage zur Erzeugung von Eis, Eisbrei/Eispartikeln, Schnee, Hydraten, Kaltwasser oder deren Kombinationen bzw. Mischung/Suspension in einem geschlossenen Prozess Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anlage zur Erzeugung von Eis, Eisbrei/Eispartikeln, Schnee, Hydraten, Kaltwasser oder deren Kombinationen bzw. Mischung/Suspension in einem geschlossenen Prozess nach dem Oberbegriff des 1. und 15. Patentanspruchs. Die Speicherung von Kaltwasser und Wassereis besitzt viele (theoretische) Vorteile (z. B. ökologischer Speicherstoff, Pumpfähigkeit von Eisbrei). Jedoch konnten sich Eisbreisysteme aus verschiedenen Gründen nicht durchsetzen (z. B. zu teure Anlagentechnik, zu niedrige Arbeitszahlen). Verschiedene Techniken lassen sich auch nicht auf große Leistungen skalieren bzw. bei der Übertragung auf große Leistungen konnten keine Kostenreduktionen bzw. keine Effizienzsteigerungen erreicht werden. Deswegen ist eine verfahrenstechnische Herstellung von Eisbrei erforderlich (z. B. Injektortechnik). Weiterhin werden zur Kälteerzeugung oft klassische Kältemaschinen mit (noch) zugelassenen Kältemitteln (Schädigung des Klimas und der Umwelt, Brennbarkeit, Explosionsgefahr, Giftigkeit usw.) verwendet. Aus der Druckschrift DE 102010018497 A1 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Erzeugung von Eisbrei bekannt. Bei dieser Lösung wird mittels einer Mischdüse Wasser mit einem unterkühlten Kältemittel gemischt. Beim Kontakt gefriert das Wasser und es wird ein sogenannter Eisbrei gebildet. In der Mischdüse erfolgt zudem eine Entspannung. In einem Speicherbehälter werden Kälteträger und Eisbrei getrennt, sodass der Eisbrei über einen Auslass abgeführt wird und seine Kühlaufgabe umsetzen kann. Über einen Rücklauf wird dieser nach der Nutzung wieder dem Behälter zugeführt, gemeinsam mit dem Kälteträger aus dem Speicherbehälter abgeführt und mittels einer Pumpe und einer Trenneinrichtung in Wasser und Kälteträger aufgeteilt. Der Kälteträger wird wieder in seinen Ausgangszustand gebracht und der Kreislauf geschlossen. Es ist ein aufwendiges Trennverfahren (z.B. Umkehrosmose, Nanofiltration) erforderlich, um einen Teilstrom in einem Verdampfer (stoffliche Trennung Kälteträger und Kältemittel) einer Kälteanlage abzukühlen.
Die Druckschrift WO 2007/121603 A1 zeigt eine Vorrichtung zur Erzeugung von Eisbrei, bei der konkret Kohlendioxid als Kältemittel eingesetzt wird. Dabei wird das Kohlendioxid über Düsenvorrichtungen in eine wässrige Lösung injiziert, um Eisbrei zu erzeugen. Die Injektion von Kohlendioxid kann dabei flüssig und/oder gasförmig erfolgen in eine wässrige Lösung mittels Injektordüsen oder - als Alternative - durch vorherige Vermischung in einer Düse. Das Kältemittel steht zudem unter Druck und liegt in einem Temperaturbereich um oder unter 0 Grad Celsius vor. Der Kältemittelkreislauf und der Verwertungskreislauf (mit einem Kälteverbraucher) sind in zwei Stoffströme getrennt Der Hydratbrei (ggf. mit Eispartikeln) entsteht im Behälter entweder durch Kühlspiralen oder durch Entspannung. Die Spirale kann innen oder außen angeordnet sein und dient auch der Temperaturkontrolle im Behälter. Eine Rückkühlung des Kältemittels in Form des Kohlendioxids ist nicht vorgesehen und für die Erzeugung von Hydraten unter Umständen auch nicht zwingend erforderlich, jedoch wird eine bessere Prozessführung dadurch eingeschränkt. Weiterhin wird die Hydrationswärme aus dem Speicherbehälter abgeführt, was sich negativ auf die Temperaturen auswirken kann. Der am Behälter angeordnete Wärmeübertrager lässt keine großen Leistungen zu. Letztendlich erfolgt die Eiserzeugung in einem zweistufigen Prozess über das Auflösen der Hydrate. Insgesamt arbeitet die beschriebene Anlage nicht energieeffizient und ist nicht in der Lage große Kälteleistungen bereitzustellen. Ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Kühlen wird auch in der Druckschrift EP 2667 116 A1 beschrieben. Es wird ein Kälteträger mit flüssigen Kohlendioxid unter einem Druck, bei dem das Gemisch im flüssigen Zustand vorliegt, vermischt, anschließend das Gemisch aus Trägermedium und flüssigem Kohlendioxid unter Abkühlung auf einen Druck entspannt, bei dem zumindest ein Teil des Kohlendioxids verdampft, anschließend das entspannte Gemisch einem Separator zugeführt wird, in dem verdampftes Kohlendioxid vom Trägermedium separiert wird, das separierte Trägermedium erneut unter Druck gesetzt und im Kreislauf zur Vermischung mit flüssigem Kohlendioxid zurückgeführt. wird, wobei das Gemisch nach der Entspannung und/oder das Trägermedium aus dem Separator einen Wärmetauscher durchläuft, in dem es mit einem zu kühlenden Medium in Wärmekontakt gebracht wird. Das gasförmige Kohlendioxid wird über die Gasableitung 19 abgeführt und an einem Wärmeübertrager 20 zur Kühlung eines Mediums verwendet oder in die Atmosphäre abgegeben. Daher handelt es sich hier um einen offenen Prozess. Nachteiliger Weise erfolgt keine Speicherung des Kälteträgers (Trägermediums), sondern in dem Separator lediglich eine Phasentrennung. Ebenfalls wird keine Eisbreierzeugung usw. realisiert. Es erfolgt die Kühlung eines Mediums im Temperaturbereich -85...-56 °C
Der Wärmeübertrager 9 stellt einen zusätzlichen Aufwand dar, der bei der erfindungsgemäßen Lösung nicht benötigt wird und auch nicht funktionieren würde. Nach einer Mischeinrichtung für das flüssige Kohlendioxid und das Trägermedium ist ein Entspannungsorgan erforderlich, was ebenfalls einen zusätzlichen Aufwand bedeutet. Ein Kältemittel-Verdichter für das flüssige Kohlendioxid ist nachteiliger Weise nicht vorgesehen. Weiterhin erfolgt die Regelung des Kältemittel- und Kälteträger-Stroms (flüssiges Kohlendioxid und Trägermedium) über ein Ventil 8, was nachteilig ist. Der Druckbereich liegt lediglich zwischen 10 bar bis 20 bar wodurch ein nur eingeschränkter Betriebsbereich zur Verfügung steht. Nachteiliger Weise wird die Kühlung des Mediums mit dem Wärmeübertrager nur unzureichend nachvollziehbar beschrieben. Eine weitere Lösung wird auch in der Druckschrift DE 102019127488 A1 beschrieben, bei welcher es sich um ein geschlossenes Verfahren handelt. Die Aufgabe dieser Lösung besteht in der Bereitstellung eines flexibel einsetzbaren Fluidkreislaufs mit einem darin zirkulierenden Arbeitsmedium und eines Verfahrens zum Betreiben des Fluidkreislaufs zum Erzeugen einer Kälteleistung. Dabei soll die Kälte auf einem Temperaturniveau beziehungsweise Druckniveau unterhalb des Tripelpunktes des Arbeitsmediums genutzt werden. Die Vorrichtung soll zuverlässig und sicher, insbesondere ohne die Gefahr des Verblockens durch feste Partikel des Arbeitsmediums effizient betrieben und einfach geregelt werden können. Dabei soll ein Stoffgemisch aus umweltverträglichen, nicht- brennbaren Fluiden einsetzbar sein. Es erfolgt keine Kältespeicherung, keine Eisbreierzeugung usw. Es wird eher eine Betriebsoptimierung einer Kältemaschine (Sicherheit, Vermeidung der Verblockung) beschrieben. Als Kältemittel wird CO2 (R744) und als Kälteträger R125 (ist auch ein Kältemittel) oder R410 (Kältemittelgemisch) eingesetzt, wobei R410 nicht ökologisch ist. Es ist eine Mischvorrichtung zum Mischen einer Trägerflüssigkeit mit dem Arbeitsmedium vorgesehen sowie ein Abscheider zum Abscheiden der Trägerflüssigkeit aus einer gasförmigen Fluidströmung. Zwischen dem Abscheider und der Mischvorrichtung sind ein Verdichter und ein Wärmeübertrager angeordnet. Weiterhin ist Zwischen der Mischvorrichtung und dem Abscheider diesen ein weiterer Wärmeübertrager angeordnet, was einen zusätzlichen Aufwand bedeutet. Im Allgemeinen sind keine Kälte- oder Eiserzeugungsanlagen bzw. Speichersysteme bekannt, die für eine großtechnische Verwertung des überschüssigen Stroms, insbesondere aus erneuerbaren Energiequellen, geeignet sind. Außerdem liegen keine Lösungen für die industrielle Bereitstellung von Prozesskälte und Prozesswärme vor. Die
Flexibilisierung der Energieversorgungssysteme sowie eine konsequente ökologische Gestaltung von Verfahren und Anlagen sind in diesem Zusammenhang neu. Aufgabe der Erfindung ist es, eine Anlage und ein Verfahren zur Erzeugung von Eis, Eisbrei/ Eispartikeln, Schnee, Hydraten, Kaltwasser oder deren Kombinationen bzw. Mischung/Suspension für industrielle bzw. technische Anwendungen zu entwickeln, mit dem unter Verwendung eines ökologischen Kältemittels und Kälteträgers hohe Kälteleistungen und hohe Eisproduktionen realisierbar sind, wobei sehr hohe Speicherbeladeleistungen, sehr hohe Speicherentladeleistungen bzw. Systemintegration, ggf. direkte Anwendung auf z. B. Lebensmitteln oder Zuführung in Rohrleitungen (z. B. Fernkälte) realisierbar ist und nur ein geringer Betriebs- und Wartungsaufwand erforderlich ist. Es soll möglich sein, Eis, Eisbrei/Eispartikeln, Schnee, Hydrate, Kaltwasser oder deren Kombinationen bzw. Mischungen/ Suspensionen von 20 °C bis - 100 °C bereitzustellen. Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen der Patentansprüche 1 und 15 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen. Bei dem Verfahren zur Erzeugung von Eis, Eisbrei/Eispartikeln, Schnee, Hydraten, Kaltwasser oder deren Kombinationen bzw. Mischung/Suspension, in einer geschlossenen Prozessführung werden erfindungsgemäß a) mindestens ein zweiter Stoffstrom in Form von Eis, Eisbrei/Eispartikeln, Schnee, Hydraten, Kaltwasser oder deren Kombinationen bzw. Mischung/Suspension, b) und ein erster Stoffstrom mit mindestens einem Kältemittel, c) in einem Apparat zusammengeführt, wobei sich die Stoffströme in dem Apparat und/oder beim Austreten aus dem Apparat entspannen und abkühlen, d) wobei der aus dem Apparat austretende Strom aus dem ersten und zweiten Stoffstrom mindestens einem Behälter mit Speicherfunktion zugeführt wird, e) in dem Behälter eine Phasentrennung des ersten und zweiten Stoffstroms erfolgt und - aus dem Behälter der erste Stoffstrom mit dem Kältemittel entnommen wird und
- der in seiner Temperatur reduzierte zweite Stoffstrom in Form von Eis, Eisbrei/Eispartikeln, Schnee, Hydraten, Kaltwasser oder deren Kombinationen bzw. Mischung/Suspension eine Kühlfunktion realisiert. Dabei werden nach der Phasentrennung im Behälter der erste Stoffstrom aus dem Behälter angesaugt, im Kältemittelkreislauf verdichtet und rückgekühlt und dem Apparat wieder zugeführt, und in einer ersten Variante der zweite Stoffstrom als Kälteträgerkreislauf zur Realisierung der Kühlaufgabe aus dem Behälter entnommen und in den Kälteträgerkreislauf über einen Wärmeübertrager dem Behälter zugeführt wird, wobei - der Kälteträgerkreislauf von einem Wärmeübertrager über den Apparat zum Behälter führt oder - der Kälteträgerkreislauf vom Wärmeübertrager zum Behälter führt und mindestens ein weiterer zweiter Stoffstrom als Nebenkreislauf über den Apparat in den Behälter führt und/oder in einer zweiten Variante die Kühlaufgabe mit mindestens einem dem Behälter zugeordneten Wärmeübertrager realisiert wird und mindestens ein weiterer zweiter Stoffstrom als Nebenkreislauf über den Apparat in den Behälter führt. Es erfolgt dabei eine indirekte und/oder direkte Wärmeübertragung zwischen dem ersten Stoffstrom und dem zweiten Stoffstrom in dem Apparat und/oder vorgelagert zum Apparat, wobei es ebenfalls möglich ist, die Stoffströme in dem Apparat durch mindestens eine Zusatzheizung und/oder mindestens eine Zusatzkühlung insbesondere zonenweise zu erwärmen und/oder zu kühlen. Es ist möglich, dass ein erster Nebenkreislauf und ein zweiter Nebenkreislauf des Kälteträgers des zweiten Stoffstroms aus dem Behälter unter Druck über den Apparat wieder in den Behälter führen.
Dadurch, dass die Temperatur beim Austritt aus dem Apparat stark reduziert ist im Vergleich zum Eintritt in den Apparat, kann mit dem im Behälter abgetrennten Kälteträger die Kühlaufgabe realisiert werden. In dem Apparat kann eine Mischung und/oder eine Dispergierung und/oder eine Lösung des ersten Stoffstroms im zweiten Stoffstrom und/oder eine temporäre Hydratbildung und/oder eine Reaktion zum Beispiel zu Kohlensäure erfolgen. Dabei erfolgt die Entspannung in und/oder nach dem Apparat zur Erzeugung von Eis, Eisbrei/Eispartikeln, Schnee, Hydraten, Kaltwasser oder deren Kombinationen bzw. Mischung/Suspension des gekühlten zweiten Stoffstroms unter der Nutzung einzelner oder einer Kombination der nachfolgenden Effekte: o Änderung des thermodynamischen Zustands des ersten Stoffstroms durch eine Verdampfung bei 10 bis 300 kJ/kg oder ggf. auch höher, o Entgasen des ersten Stoffstroms aufgrund der physikalischen Löslichkeit, o Auflösung der Hydrate des ersten Stoffstroms und des zweiten Stoffstroms, o Joule-Thompson-Effekt und dadurch Entspannung des Kältemittels des ersten Stoffstroms. Die Druckerhöhung des zweiten Stoffstroms vor der Zuführung zum Apparat erfolgt insbesondere auf einen Druck von 1,1 bar bis 200 bar, wobei bedarfsweise die Druckerhöhung mehrstufig realisiert wird. Weiterhin erfolgt die Zuführung des ersten Stoffstroms in den Apparat mit einem Druck von bevorzugt 1,1 bar bis 200 bar und dabei unter Umständen in verschiedenen Phasen und mit einer Temperatur von insbesondere typischerweise -40 °C bis 50 °C, bedarfsweise in Abhängigkeit einer realisierten Rückkühlung im ersten Wärmeübertrager und/oder eine Zwischenkühlung oder eine weitere Kühlung in einem zusätzlichen Wärmeübertrager. Dabei besteht der erste Stoffstrom aus mindestens einem Kältemittel oder weist dieses auf, wobei das Kältemittel vorzugsweise nicht oder nur gering löslich im Kälteträger ist. Das Kältemittel besteht insbesondere aus Kohlendioxid, oder Propan oder Distickstoffmonoxid (Lachgas) oder Gasen oder Dämpfen mit/ohne Phasenwechsel oder Kombinationen der vorgenannten Stoffe oder anderen geeigneten Kältemitteln oder weist diese auf. Der Kälteträger des zweiten Stoffstroms kann zum Betrieb mit Speichertemperaturen deutlich unter 0 °C aus einer Mischung von Wasser mit mindestens einem gefrierpunktsenkenden Stoff bestehen.
Es ist möglich, nachfolgende Modifikationen des ersten Stoffstromes einzeln oder in beliebigen Kombinationen zu realisieren: a. transkritische oder subkritische Betriebsweise, b. ein- oder mehrstufige Verdichtung bis maximalen Verdichtungsendruck von ca.200 bar, mit oder ohne Ansaugüberhitzung c. Parallelschaltung von Verdichtern, d. mit und ohne Zwischenkühlung insbesondere unter Verwendung von internen und/oder externen Wärmeübertragern, e. ggf. Einsatz von einem oder mehreren Ejektoren, f. ggf. Einsatz von einem oder mehreren Kältemitteltrocknern. g. ggf. Einsatz von einem oder mehreren Ölabscheidern. Nach der Phasentrennung kann aus dem Behälter ein Kälteträger des zweiten Stoffstroms des Kälteträgerkreislaufes einem zweiten Wärmeübertrager zugeführt werden und im zweiten Wärmeübertrager der Kälteträger des zweiten Stoffstroms die Kühlaufgabe übernehmen. Parallel oder alternativ kann mindestens eine Kühlaufgabe durch den Behälter mit mindestens einem mit dem Behälter kombinierten Wärmeübertrager realisiert werden. Da durch die Expansion der Stoffströme im Apparat eine starke Abkühlung zu verzeichnen ist, kann eine Erwärmung des Apparates zur Vermeidung von Eisbildung oder zum Lösen von Eis erfolgen. Weiterhin umfasst die Erfindung eine Anlage zur Erzeugung von Eis, Eisbrei/Eispartikeln, Schnee, Hydraten, Kaltwasser oder deren Kombinationen bzw. Mischung/Suspension wobei die Anlage erfindungsgemäß mindestens einen Apparat aufweist, der mindestens eine erste Zuführung für einen unter Druck stehenden ersten Stoffstrom eines Kältemittels eines Kältemittelkreislaufes und mindestens eine zweite Zuführung für einen unter Druck stehenden zweiten Stoffstrom eines Kälteträgers eines Kälteträgerkreislaufes und/oder mindestens einen Nebenstoffstrom mit/aus einem Kälteträger in Form von Eis, Eisbrei/Eispartikeln, Schnee, Hydrate, Kaltwasser oder deren Kombinationen bzw. Mischung/Suspension aufweist, und der Apparat mindestens eine Kammer aufweist, in welcher der erste und der zweite Stoffstrom zusammenführbar, entspannbar und abkühlbar sind, wobei sich an den Apparat ein Behälter mit Speicherfunktion zur Phasentrennung des ersten und zweiten Stoffstroms anschließt, wobei der Behälter
mindestens einen ersten Ausgang für das Kältemittel und mindestens einen weiteren Ausgang für den Kälteträger aufweist. Die Anlage zur Erzeugung von Eis, Eisbrei/Eispartikeln, Schnee, Hydraten, Kaltwasser oder deren Kombinationen bzw. Mischung/Suspension bei einer geschlossenen Prozessführung zur Realisierung einer Kühlaufgabe, ist weiterhin erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, dass in einer ersten Variante der zweite Stoffstrom als Kälteträgerkreislauf zur Realisierung der Kühlaufgabe aus dem Behälter entnommen und in den Kälteträgerkreislauf über einen zweiten Wärmeübertrager dem Behälter zugeführt wird, wobei a) der Kälteträgerkreislauf vom Wärmeübertrager über den Apparat zum Behälter führt oder b) der Kälteträgerkreislauf vom Wärmeübertrager zum Behälter führt und mindestens ein weiterer zweiter Stoffstrom als Nebenkreislauf über den Apparat in den Behälter führt und/oder in einer zweiten Variante die Kühlaufgabe mit mindestens einem dem Behälter zugeordneten Wärmeübertrager realisiert wird und mindestens ein weiterer zweiter Stoffstrom als Nebenkreislauf über den Apparat in den Behälter führt. Die Anlage ist dabei bei der ersten Variante ausgestattet: - mit mindestens einem Apparat zum Zusammenführen und anschließendem Entspannen des ersten und zweiten Stoffstroms zur Erzeugung von Eis, Eisbrei/Eispartikeln, Schnee, Hydraten, Kaltwasser oder deren Kombinationen bzw. Mischung/Suspension des zweiten Stoffstroms, - mit dem zweiten Wärmeübertrager zur Realisierung einer Wärmeübertragung für die Kühlaufgabe von dem Kühlgut/Kühlmedium auf den zweiten Stoffstrom, - mit einer Pumpe zur Förderung des zweiten Stoffstroms und zur Realisierung einer Druckerhöhung auf 1,1 bar bis 200 bar vor dem Apparat,
- mit mindestens einem ersten Wärmeübertrager zur Realisierung einer Rückkühlung des Kältemittels des ersten Stoffstroms auf eine Temperatur zwischen -40°C und 50 °C vor dem Apparat, - mit mindestens einem Verdichter zum Verdichten und Fördern des ersten Stoffstroms und zur Realisierung eines Drucks von 1,1 bar bis 200 bar vor dem Apparat, - mit dem Behälter zur Phasentrennung des ersten und zweiten Stoffstroms. Der Behälter mit Speicherfunktion kann dabei eine tangentiale oder im Wesentlichen tangentiale Zuführung für mindestens einen aus dem Apparat zugeführten Strom aufweisen. In dem Behälter zur Phasentrennung des ersten und zweiten Stoffstrom wird in einem oberen Bereich das Kältemittel des ersten Stoffstroms und in einem unteren Bereich der Kälteträger des zweiten Stoffstroms abgeschieden. Aus dem oberen Bereich wird dann das Kältemittel und aus dem unteren Bereich des Behälters der Kälteträger jeweils unter Druck wieder über den Apparat in den Behälter geführt. Vorteilhafter Weise können Bereiche der Anlage, die vereisen oder bei welchen die Gefahr der Vereisung besteht, mit mindestens einer Zusatzheizung und/oder mindestens einem Wärmeübertrager versehen sein, wobei mehrere Heizbereiche vorgesehen sein können und die Heizung beispielsweise mittels elektrischem Widerstand und/oder Mikrowellen und/oder einer Induktionsheizung und/oder einem Stoffstrom erfolgt. Weiterhin ist es möglich, den Apparat mit einer Zusatzkühlung zum Abführen der Wärme zu versehen, die bei der Hydratbildung und/oder bei Reaktionen und/oder Lösungsvorgängen entsteht. Erfindungsgemäß kann mindestens ein weiterer zweiter Stoffstrom als Nebenkreislauf über den Apparat in den Behälter führen. Vorteilhafter Weise besitzt der mindestens eine Apparat mindestens einen Einlass für den ersten Stoffstrom und mindestens einen oder mehrere Einlässe für den zweiten Stoffstrom und ggf. auch für den/die Nebenkreisläufe. In dem Apparat können auch Mittel zur Erzeugung einer Strömung mit Drall angeordnet sein, um einen besseren Kontakt zwischen den Stoffströmen zu realisieren.
Diese Mittel können mit oder ohne starren oder bewegten Einbauten zur Beeinflussung der Strömung ausgebildet sein. Durch den Apparat kann eine kontinuierliche oder pulsierende Strömung führen. Weiterhin sind bedarfsweise weitere Strömungseffekte wie Turbulenz-, Instabilitäts-, Grenzschichteffekte, Unter- und Überschallströmung realisierbar. Die erfindungsgemäße Anlage und das Verfahren können beispielsweise als Wärmepumpenanlage und/oder als kombinierte Kühl- und Heizanlage eingesetzt werden. Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen und zugehörigen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen: Figur 1 schematische Darstellung des geschlossenen Verfahrens, Zuführung des zweiten Stoffstroms 2 aus dem Behälter über einen Wärmeübertrager und den Apparat in den Behälter (Kältespeicher), Figur 2 schematische Darstellung des geschlossenen Verfahrens, Zuführung des zweiten Stoffstroms 2 aus dem Behälter (Kältespeicher) über den Wärmeübertrager in den Behälter und erster Nebenstoffstrom vom Behälter (Kältespeicher) und den Apparat in den Behälter, Figur 3 zusätzlich zur Variante nach Figur 2 weiterer Nebenstoffstrom vom Behälter (Kältespeicher) über den Apparat in den Behälter, Figur 4 zusätzlich zur Variante nach Figur 2, zweistufige Verdichtung und Zwischenkühlung sowie weitere Abkühlung des ersten Stoffstroms 1, Figur 5 zusätzlich zur Variante nach Figur 4, Entspannung des Kältemittels mit einer Turbine zur Gewinnung einer mechanischen Leistung, Anordnung der Turbine vor dem Apparat, Figur 6 zusätzlich zur Variante nach Figur 1 - Wärmeübertragung vom Behälter auf einen Wärmeübertrager zur Realisierung der Kühlfunktion, Figur 7 eine erste Variante des Apparates mit einer Zuführung für den Stoffstrom 1 (Kältemittel) und einer Zuführung für den Stoffstrom 2 (Kälteträger), Figur 8 eine zweite Variante des Apparates mit einer Zuführung für den Stoffstrom 1 (Kältemittel) und zwei Zuführungen für den Stoffstrom 2 (Kälteträger). Gemäß Figur 1 weist die Anlage bei einer geschlossenen Prozessführung einen ersten Stoffstrom 1 aufweisend mindestens ein oder bestehend aus mindestens einem Kältemittel und einen zweiten Stoffstrom 2 aufweisend mindestens einen oder bestehend aus mindestens einem Kälteträger auf. Die Anlage ist weiterhin ausgestattet mit einem Apparat 3, und einen sich daran anschließenden Behälter 4 mit Speicherfunktion.
Bei der geschlossenen Prozessführung wird zuerst der Behälter 4 mit Kältemittel (für Stoffstrom 1) und Kälteträger (für Stoffstrom 2) befüllt, wobei in dem Behälter 4 deren Phasentrennung erfolgt. Der erste Stoffstrom 1 führt in einem Kältemittelkreislauf A aus dem Behälter 4, in dem eine Phasentrennung des Stoffstrom 1 und des Stoffstroms 2 erfolgt, über einen Verdichter 5 in einen ersten Wärmeübertrager 1.1, des ersten Stoffstroms 1 in dem eine Rückkühlung R des Stoffstroms 1 realisiert wird und unter Druck in den Apparat 3. Der zweite Stoffstrom 2 führt in einem Kälteträgerkreislauf B aus dem Behälter 4, über einen Wärmeübertrager 2.1 des Stoffstroms 2 zur Realisierung einer Kühlaufgabe K über eine Pumpe 6 ebenfalls unter Druck in den Apparat 3. Die Druckerhöhung des Stoffstroms 2 auf einen hohen Druck erfolgt ggf. auch mehrstufig. In dem Apparat 3 werden der erste und der zweite Stoffstrom 1, 2 zusammengeführt und expandieren und kühlen sich von Temperaturen T1 des ersten Stoffstroms 1 und T2 des zweiten Stoffstroms 2 vor dem Apparat 3 auf eine geringere Temperatur T des aus dem Apparat austretenden Stroms 1/2 ab. Der auf eine Temperatur T reduzierte Strom 1/2 wird von dem Apparat 3 dem Behälter 4 zugeführt, in dem wieder eine Phasentrennung der beiden Stoffströme 1 und 2 erfolgt, wobei sich bevorzugt das Kältemittel des Stoffstroms 1 in dem oberen Bereich und der Kälteträger des Stoffstroms 2 in dem unteren Bereich des Behälters 4 ablagern/absetzen. Dadurch können sehr geringe Temperaturen des Kälteträgers von bis zu -20 °C und geringer bis zu -100 °C realisiert werden. In dem Apparat 3 erfolgt dabei eine direkte oder indirekte Wärmeübertragung zwischen dem ersten Stoffstrom 1 und dem zweiten Stoffstrom 2. Gemäß eines nicht dargestellten Beispiels kann in einer dem Apparat 3 vorgelagerten Einrichtung (z.B. Wärmeübertrager) auch bereits eine Wärmeübertragung/ ein Temperaturausgleich der beiden Stoffströme 1, 2 realisiert werden. Weiterhin können die Stoffströme 1, 2 auch in dem Apparat 3 durch mindestens eine Zusatzheizung ZH und/oder mindestens eine Zusatzkühlung ZK insbesondere zonenweise erwärmt und/oder gekühlt werden. Durch den Apparat 3 führt bevorzugt eine kontinuierliche oder auch eine pulsierende Strömung und es sind bedarfsweise weitere Strömungseffekte wie Turbulenz-, Instabilitäts-, Grenzschichteffekte, Unter- und Überschallströmung realisierbar. Die Zuführung des Stoffstroms 1 (z. B. Kohlendioxid R744 oder anderes Kältemittel) in den Apparat 3 erfolgt bevorzugt mit hohem Druck, insbesondere bei 1,1 bar bis 200 bar und unter Umständen in verschiedenen Phasen mit einer Temperatur von typischerweise – 40 °C bis 50 °C in Abhängigkeit der Rückkühlung und/oder Zwischenkühlung. Der
zweite Stoffstrom 2 wird bevorzugt mit einem Druck von 1,1 bar bis 200 bar mit einer Temperatur von ebenfalls -40 °C bis 50 °C in den Apparat gefördert. Es erfolgt bei dem Zusammenführen beider Stoffströme 1 und 2 in dem Apparat 3 deren vollständiger und/oder partieller Kontakt, wobei sich z. B. Blasen oder Tropfen bilden. Es kann auch sein, dass eine Mischung der beiden Stoffströme mit direkter Wärmeübertragung erfolgt. Es sind dabei folgende Vorgänge beim Zusammenführen der beiden Stoffströme 1, 2 in dem Apparat 3 möglich, - ggf. Lösung des Stoffstrom 1 im Stoffstrom 2, - ggf. temporäre Hydratbildung (ggf. Begrenzung der Prozessführung), - ggf. Reaktionen zu z. B. Kohlensäure, - ggf. nachgelagerte Wärmeübertragung mit externem Wärmeübertrager. Die in dem Apparat 3 erfolgende und/oder sich an diesen anschließende Entspannung zur Erzeugung von Eis, Eisbrei/Eispartikeln, Schnee, Hydraten, Kaltwasser oder deren Kombinationen bzw. Mischung/Suspension eines gekühlten zweiten Stoffstroms 2 erfolgt bevorzugt mit der Nutzung folgender einzelner Effekte oder deren Kombinationen: - Änderung des thermodynamischen Zustands des Stoffstroms 1 durch die Verdampfung des Stoffstroms 1/Kältemittel (ca.10 kJ/kg bis 300 kJ/kg), - ggf. Entgasen des Kältemittels (Stoff 1) aufgrund der physikalischen Löslichkeit, - ggf. Auflösung der Hydrate (Stoff 1 und 2), - ggf. Joule-Thompson-Effekt bei der Entspannung des Kältemittels (Stoffstrom 1), - ggf. Verdampfung des Stoffstroms 2. Weiterhin erfolgt die Phasentrennung der Stoffströme in dem Behälter/Speicher 4 (bevorzugt bei –100 °C bis 20 °C) und/oder zumindest teilweise im Apparat beim Abführen der gasförmigen Phase (Stoffstrom 1) und Auffangen des Eises, Eisbreis, der Eispartikel, des Schnees, der Hydrate, des Kaltwassers oder deren Kombinationen bzw. Mischungen oder Suspensionen (Stoffstrom 2). Der erste Stoffstrom 1 besteht aus anorganischen oder organischen Stoffen oder deren Mischungen oder Suspensionen, wobei insbesondere als Kältemittel alle Gase und alle Dämpfe sowie deren Mischungen mit oder ohne Phasenwechsel einsetzbar sind, wobei beispielsweise als Gase bevorzugte Kohlendioxid oder Propan oder Distickstoffmonoxid
(Lachgas) oder deren Kombinationen eingesetzt werden und vorzugsweise Mischungen mit insbesondere Luft realisiert werden. Je nach Wahl des Kältemittels muss ggf. der Druck beim Zuführen in den Apparat 3 entsprechend geändert bzw. angepasst werden. Der Stoffstrom 1 besteht weiterhin bevorzugt aus einem Kältemittel oder weist dieses auf, welches nicht oder nur gering löslich im Kälteträger des Stoffstroms 2 ist, wodurch die Phasentrennung gefördert wird. Vorzugsweise ist das Kältemittel nicht oder nur gering löslich in Wasser (z. B. R290, Propan) und ggf. im unterkritischen Gebiet. Als Kältemittel können auch Mischungen (z. B. Wasser und gefrierpunktsenkende Stoffe) und/oder Stoffen die einen Phasenwechsel fördern, wie z.B. keimbildende Partikel und/oder Tropfen zum Betrieb mit Speichertemperaturen deutlich unter 0 °C eingesetzt werden. Der geeignete Druck der Stoffströme 1 und 2 bei der Zuführung zum Apparat 3 kann berechnet oder durch Versuche ermittelt werden. Der Stoffstrom 2 weist einen Kälteträger auf oder besteht aus einem Kälteträger in Form von Eis, Eisbrei/Eispartikeln, Schnee, Hydraten, Kaltwasser oder deren Kombinationen bzw. Mischung/Suspension. Aus dem Behälter 4 erfolgt nun im geschlossenen Kreislauf aus dem oberen Bereich des Behälters 4 das Ansaugen und Verdichten des Stoffstroms 1 (z. B. Kohlendioxid, ggf. mit sehr geringen Wasserdampfanteilen) mittels des Verdichters 5, die Rückkühlung des Stoffstroms 1 über den ersten Wärmeübertrager 1.1 des Stoffstroms 1 und die Zuführung in den Apparat 3. Es können die nachfolgend aufgeführten Modifikationen des Kältemittelkreislaufes (Stoffstrom 1) erfolgen, wobei die Maßnahmen einzeln oder in verschiedenen Kombinationen realisierbar sind: - vorzugsweise transkritische Betriebsweise (aber auch subkritische Betriebsweise), - ein- oder mehrstufige Verdichtung bis maximalen Verdichtungsenddruck von ca.200 bar, mit oder ohne Ansaugüberhitzung, - Parallelschaltung von Verdichtern, - mit und ohne Zwischenkühlung, - ggf. Einsatz von einem oder mehreren Ejektoren, - ggf. Einsatz von einem oder mehreren Kältemitteltrocknern,
- ggf. Einsatz mindestens eines Ölabscheiders. Weiterhin wird parallel zum Stoffstrom 1 aus dem unteren Bereich des Behälters 4 der Stoffstrom 2 in Form von Eis, Eisbrei/Eispartikeln, Schnee, Hydraten, Kaltwasser oder deren Kombinationen oder deren Mischung/Suspension entnommen und dem zweiten Wärmeübertrager 2.1 des zweiten Stoffstroms 2 zur Realisierung einer Kühlaufgabe K zugeführt und daraus mittels der Pumpe 6 wieder unter Druck in den Apparat 3 gefördert. Es kann eine direkte oder indirekte Entladung des Speichers (Behälter 4 mit Speicherfunktion) hinsichtlich des zweiten Stoffstroms 2 erfolgen. Die erfindungsgemäße Anlage dient zur Erzeugung und/oder Speicherung von Eis, Eisbrei/Eispartikeln, Schnee, Hydraten, Kaltwasser oder deren Kombinationen bzw. Mischung/Suspension. Dabei kann der Behälter 4 am Anfang/vor Beginn des Prozesses mit Kälteträger (bevorzugt Wasser) und dem Kältemittel (z.B. Kohlendioxid) befüllt werden, aus/in welchem sich durch die starke Abkühlung im und/oder nach dem Apparat Eis, Eisbrei/Eispartikel, Schnee, Hydrate, Kaltwasser oder deren Kombinationen bzw. Mischung/Suspension bilden. Vor dem erstmaligen Einsatz wird der Behälter 4 bevorzugt evakuiert und danach mit dem Kälteträger 2 und Kältemittel 1 befüllt. Es ist möglich, mehrere Apparate 3 zur Steigerung der Kälteleistung bzw. Eiserzeugung parallel zu schalten. Weiterhin ist es möglich, für den zweiten Stoffstrom 2 Pumpen mit höherem Druck zu verwenden, um insbesondere im Bereich des Apparates 3 den Stoffstrom 1 teilweise anzusaugen (Injektorwirkung). Dadurch ist es auch möglich, die Temperatur des Stoffstroms 1 zu senken oder die Senkung der Temperatur für den Stoffstrom 1 und/oder die Verdichtungsleistung für Stoffstrom 1 zu reduzieren und/oder eine bessere Vorkühlung für den Stoffstrom 2 zu realisieren. Es ist eine weitere Vorkühlung des Stoffstroms 1 intern (im Apparat) oder extern möglich, auch durch externe oder im Apparat 3 vorgesehene Kühlelemente. Es sind der Einsatz des Prozesses und der Anlage als Wärmepumpenanlage und/oder als kombinierte Kühl- und Heizanlage möglich. Dazu kann die aus der Rückkühlung des Kältemittels gewonnene Wärme für Heizzwecke genutzt werden.
Es ist auch möglich, die bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens entstehende Abwärme zu nutzen, z.B. zu Heizungszwecken, zur Prozesswärmebereitstellung, zur Beladung von thermischen Energiespeichern (Wärmespeicher) mit Warmwasser, Heißwasser, Wasserdampf und sonstigen Wärmeträgern; aber auch zur Kälteerzeugung mit Absorptionskältemaschinen, Adsorptionskältemaschinen, Dampfstrahlkältemaschinen oder als Wärmequellenanlage für mindestens eine weitere Wärmepumpe. Dabei kann dem ersten Stoffstrom mit mindestens einem Kühler und/oder mindestens einem Rückkühler Wärme entzogen und in einem Temperaturbereich von 40°C bis 400°C für die Heizzwecke und/oder eine Speicherbeladung genutzt werden. Zur Rückgewinnung der Verdichtungsleistung des Verdichters 5 des ersten Stoffstroms 1 ist es möglich, eine Expansionsmaschine in den Kältemittelkreislauf des ersten Stoffstroms 1 einzubinden. Dies erfolgt bevorzugt vor dem und Apparat 3. Dadurch ist auch eine teilweise Entspannung des Stoffstroms 1 realisierbar und dieser kühlt sich ab. Die Expansionsmaschine kann beispielsweise eine Verdrängungsmaschine und/oder Turbine T sein, mit welcher insbesondere ein Generator G zur Stromerzeugung angetrieben wird (siehe Figur 5). Weitere Ausführungsvarianten der erfindungsgemäßen Anlage sind in den Figuren 2 bis 6 dargestellt. Figur 2 zeigt im Unterschied zu Figur 1, dass der zur Kühlaufgabe vorgesehene Stoffstrom 2 des Kälteträgerkreislaufes B aus dem Wärmeübertrager 2.1 wieder in den Behälter 4 zurückgeführt wird. Dazu befindet sich eine Pumpe 6 zwischen dem Behälter 4 und dem Wärmeübertrager 2.1. Zur Reduzierung der Temperatur des Kälteträgers führt ein erster Nebenstoffstrom 2N1 aus dem Behälter 4 über eine Pumpe 6.2 mit hohem Druck und einer Temperatur T2 in den Apparat 3 (dem auch der erste Stoffstrom zugeführt wird) und von dort aus nach der Expansion und Abkühlung wieder in den Behälter 4. Der in den Behälter 4 zurückgeführte Kälteträger ist stark abgekühlt, wodurch auch der Stoffstrom 2 in seiner Temperatur zur Realisierung der Kühlfunktion reduziert ist. Der erste Stoffstrom 1 des Kältemittelkreislaufes A wird wie bei Figur 1 aus dem Behälter 4 über den Verdichter 5 und den ersten Wärmeübertrager 1.1 zum Apparat 3 geführt.
Bei der Anlage gemäß Figur 3 ist zusätzlich zu der Variante nach Figur 2 ein zweiter Nebenstrom 2N2 im Kälteträgerkreislauf B vorhanden, der von dem Behälter 4 über eine weitere Pumpe 6.3 mit einem hohen Druck und einer Temperatur T3 dem Apparat 3 zugeführt wird. Bei der Anlage gemäß Figur 4 ist der Kälteträgerkreislauf B wie bei Figur 2 ausgeführt. Der Kältemittelkreislauf A verfügt zusätzlich zu der Variante nach Figur 2 über eine zweistufige Verdichtung und Zwischenkühlung sowie weitere Abkühlung des Stoffes 1. Dazu führt der erste Stoffstrom 1 von dem Verdichter 5, der die erste Verdichtungsstufe realisiert, über einen Zwischenbehälter 7 und einen weiteren Verdichter 5.1, der die zweite Verdichtungsstufe realisiert, zu dem ersten Wärmeübertrager 1.1. Zwischen dem ersten Wärmeübertrager 1.1 und dem Apparat 3 ist ein weiterer Wärmeübertrager 1.2 zur weiteren Kühlung des ersten Stoffstroms 1 vorgesehen. Weiterhin ist der weitere Wärmeübertrager 1.2 über den Behälter 7 mit dem weiteren Verdichter 5.1 gekoppelt. Dadurch wird ein Teilstrom des Kältemittels zwischen den beiden Wärmeübertragern 1.1 und 1.2 in dem Entspannungsorgan 1.3 entspannt und kühlt den verbleibenden Stoffstrom (ca.20 % bis 90 % des gesamten ersten Stoffstroms) und den Stoffstrom nach der Verdichtung mit dem Verdichter 5 ab. Die Variante nach Figur 5 weist im Wesentlichen den gleichen Aufbau wie in Figur 4 auf, realisiert jedoch zusätzlich bei dem ersten Stoffstrom 1 vor dem Apparat 3 eine Entspannung des Kältemittels mit einer Expansionsmaschine, hier einer Turbine T zur Gewinnung einer mechanischen Leistung, hier wird der Antrieb eines Generators G zur Stromerzeugung realisiert. Bei Figur 6 ist der Kältemittelkreislauf A wie bei den Figuren 1, 2 und 3 ausgeführt. Die Kühlfunktion des Kälteträgerkreislaufes B wird hier mittels einer Wärmeübertragung vom dem Behälter 4 auf ein den Behälter ummantelndes oder in den Behälter integriertes Leitungssystem (Wärmeübertrager 8) realisiert, durch welches ein Kälteträger strömt. Die niedrigen Temperaturen im Behälter 4 werden dadurch auf den Wärmeübertrager 8 und den Kälteträger, der den Wärmeübertrager 8 durchströmt, übertragen, wodurch sich der Kälteträger des Wärmeübertragers 8 abkühlt und die Kühlfunktion K realisiert wird. Es ist gemäß nicht dargestellter Ausführungsvarianten auch möglich, bei allen Varianten einen oder mehrere Nebenstoffströme des Kältemittels des Kältemittelkreislaufes A vorzusehen.
Weiterhin können alle beschriebenen Varianten mit einer mehrstufigen Verdichtung des Kältemittelkreislaufes arbeiten und vor dem Apparat 3 mit einer Einrichtung zur Entspannung des Kältemittels versehen sein, z.B. eine Turbine T zur Erzeugung mechanischer Leistung, wie beispielsweise zum Antrieb eines Generators G zur Stromerzeugung. Somit können die in den Figuren 1 bis 6 beschriebenen Varianten je nach Anforderung kombiniert werden. Weiterhin können mehrere Apparate 3 in einer Anlage verwendet werden und dann ggf. auch mehrere Behälter 4 und eine entsprechende Anzahl von Pumpen und Wärmeübertragern für den Kälteträgerkreislauf B sowie Kompressoren und Wärmeübertrager für den Kältemittelkreislauf A. Alternativ können auch mehrere Apparate 3 mit nur einem Behälter 4 gekoppelt sein (nicht dargestellt). Nachfolgend werden in den Figuren 7 und 8 zwei konstruktive Ausführungen von Apparaten 3 dargestellt. Figur 7 zeigt eine Variante des Apparates 3 mit einem inneren hohlzylidrischen/rohrförmigen ersten Mantel 9, der einen Einlass 9.1 und einen Auslass 9.2 aufweist und in Richtung zum Auslass 9.2 mit einer trichterförmigen Erweiterung 9.3 versehen ist. Der erste Mantel 9 wird im Abstand von einem weiteren hohlzylidrischen/rohrförmigen zweiten Mantel 10 umringt, der hier länger ist, als der erste Mantel 9 und über den Auslass 9.2 des ersten Mantels 9 ragt. Der erste und der zweite Mantel 9, 10 sind zentrisch zueinander entlang einer Längsachse A angeordnet. Zwischen dem Außenumfang des ersten Mantels 9 und der Innenkontur des zweiten Mantels 10 wird ein erster Ringraum 3.1 ausgebildet und nach der Austrittsöffnung 9.2 des ersten Mantels 9 eine erste Kammer 3.2. Der zweite Mantel 10 weist nach dem zylindrischen Bereich in Richtung zum Ausgang 10.2 eine trichterförmige Durchmessererweiterung 10.3 und am Einlass 10.1 eine trichterförmige Durchmesserreduzierung 10.4 auf. Es besteht die Möglichkeit den ersten Stoffstrom 1 über den Einlass 9 und den zweiten Stoffstrom 2 über den Einlass 10 zuzuführen (wie dargestellt) oder umgekehrt. Die beiden unter hohem Druck zugeführten Stoffströme 1, 2 kommen im Bereich der Kammer 3.2 in Kontakt und treten am Ausgang 10.2 aus dem Apparat 3 als ein Strom 1/2 aus und werden in den hier nicht dargestellten Behälter 4 eingebracht. In dem Apparat 3
expandieren die Stoffströme und kühlen sich dadurch stark ab. Zwischen den Stoffströmen wird im Bereich 3.1 ein indirekter und im Bereich 3.2 ein direkter Wärmeübergang realisiert. In Figur 8 ist eine weitere Variante eines Apparates 3 dargestellt, bei dem der erste Mantel 9 und der zweite Mantel 10 wie in Figur 7 ausgeführt sind, wobei diese zusätzlich von einem dritten hohlzylindrischen Mantel 11 umringt sind. Der dritte hohlzylindrische Mantel 11 weist ebenfalls einen Einlass 11.1 und einen Auslass 11.2 auf und ist in Richtung zum Auslass 11.2 mit einer trichterförmigen Erweiterung 11.3 versehen. Der zweite Mantel 10 wird im Abstand von dem hohlzylidrischen/rohrförmigen dritten Mantel 11 umringt, der hier länger ist, als der zweite Mantel 10 und somit über den Auslass 10.2 des zweiten Mantels 10 ragt. Der erste, der zweite und der dritte Mantel 9, 10, 11 sind ebenfalls zentrisch zueinander entlang der Längsachse A angeordnet. Zwischen dem Außenumfang des zweiten Mantels 10 und der Innenkontur des dritten Mantels 11 wird ein zweiter Ringraum 3.3 ausgebildet und nach der Austrittsöffnung 10.2 des zweiten Mantels 10 eine zweite Kammer 3.4. Es besteht auch hier die Möglichkeit den ersten Stoffstrom 1 über den Einlass 9.1 und den zweiten Stoffstrom 2 über den Einlass 10.1 zuzuführen (wie dargestellt) oder umgekehrt. In den Einlass 11.1 können beispielsweise ein oder beide Nebenströme 2N1, 2N2 eingeleitet werden. Die beiden unter hohem Druck zugeführten Stoffströme 1, 2 kommen im Bereich der Kammer 3.2 in Kontakt und treten am Ausgang 10.2 in die zweite Kammer 3.4 ein und kommen dort beispielsweise mit dem Stoffstrom des /der Nebenkreisläufe 2N1, 2N2 in Kontakt. Es wird in den Ringräumen 3.1, 3.3 eine indirekte und in den Kammern 3.2, 3.4 eine direkte Wärmeübertragung realisiert. In dem Apparat 3 und/oder nach dem Apparat 3 expandieren alle Stoffströme, kühlen sich dadurch stark ab und werden als Strom 1/2 in den hier nicht dargestellten Behälter 4 eingebracht. Bei beiden Varianten nach Figur 7 und 8 ist beispielsweise der jeweils äußere Mantel (zweiter Mantel 10 oder dritter Mantel 11) mit einer Zusatzheizung ZH und/oder
Zusatzkühlung ZK und/oder einem Wärmeübertrager 3W versehen, die auch in Zonen aufgeteilt sein können. Die Zusatzheizung ZH bzw. der Wärmeübertrager 3W können beispielsweise eine Behinderung der erfindungsgemäßen Funktion, z.B. eine unerwünschte Eisbildung auf den Oberflächen des Apparates 3 verhindern. Eine Zusatzkühlung ZK wird bevorzugt bei Hydratbildung eingesetzt. Gemäß nicht dargestellter Ausführungsvarianten können die aus dem Apparat austretenden Ströme 1/2 auch im Wesentlichen tangential in den Behälter/Speicher 4 eingeleitet werden. Dadurch wird eine bessere Trennung des Kälteträgers und des Kältemittels realisiert. Alternativ kann auch eine andere Einleitung der Stoffströme in den Apparat 3 gewählt werden. Beispielsweise kann über die Zuführung 9.1 der Stoffstrom 2 eingeleitet werden und über die Zuführung 10.1 der Stoffstrom 1. Bei der Anordnung einer Ummantelung in Form des dritten Mantels 11 kann dann beispielsweise ein Nebenstoffstrom 2N1, 2N2 über die Zuführung 11.1 in den Apparat 3 eingeleitet werden. Die Zufuhr der Stoffströme kann gemäß nicht dargestellter Beispiele auch radial oder schiefwinklig ausgeführt sein. In dem Apparat 3 erfolgt die Expansion, Beschleunigung und Drucksenkung, welche für die Erzeugung von Eis, Eisbrei/Eispartikeln, Schnee, Hydraten, Kaltwasser oder deren Kombinationen bzw. Mischung/Suspension erforderlich ist. Bei der Zusammenführung der Stoffströme können sich Hydrate bilden oder auch Reaktionen zwischen den Stoffströmen oder ggf. eine physikalische Lösung von Gasen des ersten Stoffstroms 1 in der Flüssigkeit des zweiten Stoffstroms 2 erfolgen. Die Hydrate können sich auch in Richtung zum Ausgang 10.2 bzw.11.2 oder nach den Ausgängen zersetzen, es kann ein Ausgasen des Kältemittels, ggf. auch ein Joule- Thompson-Effekt und ebenfalls ggf. eine Rückreaktion erfolgen.
In dem Apparat 3 können gewünschte Turbulenzeffekte, Grenzschichteffekte und Instabilitätseffekte durch die Strömungsführung und verschiedene bekannte konstruktive Modifikationen auftreten, um den Druck zu senken und/oder die Wärmeübertragung zwischen den Stoffströmen zu verbessern oder um ungünstige Betriebszustände zu vermeiden. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren und der Anlage können unter Verwendung eines ökologischen Kältemittels (wie z.B. Kohlendioxid) und Kälteträgers (Eis, Eisbrei/Eispartikeln, Schnee, Hydraten, Kaltwasser oder deren Kombinationen bzw. Mischungen/ Suspensionen) hohe Kälteleistungen und hohe Eisproduktionen beispielsweise für industrielle Anwendungen realisiert werden, wobei Temperaturen des Kälteträgers von 20 °C bis -100 °C bereitgestellt werden können. Mit der erfindungsgemäßen Anlage und dem Verfahren sind sehr hohe Speicherbeladeleistungen (bis beispielsweise in den Megawattbereich, sehr hohe Speicherentladeleistungen (bis beispielsweise in den Megawattbereich) möglich. Die Anlage kann aber je nach Dimensionierung auch kleinere Leistungen im Kilowattbereich bereitstellen. Weiterhin kann über Rohrleitungen beispielsweise auch Fernkälte zur Verfügung gestellt werden. Es kann auch eine direkte Anwendung auf z. B. Lebensmitteln umgesetzt werden. Durch die relativ einfache konstruktive Ausführung der Anlage ist und nur ein geringer Betriebs- und Wartungsaufwand erforderlich ist. Ein Vorteil besteht auch darin, dass die Anlage auch als Wärmepumpenanlage und/oder als kombinierte Kühl- und Heizanlage einsetzbar ist.
Method and system for producing ice, ice slurry/ice particles, snow, hydrates, cold water or combinations thereof or mixtures/suspensions in a closed process The invention relates to a method and a system for producing ice, ice slurry/ice particles, snow, hydrates, cold water or combinations thereof or mixtures/suspensions in a closed process according to the generic term of the 1st and 15th patent claims. The storage of cold water and water ice has many (theoretical) advantages (e.g. ecological storage material, pumpability of ice slurry). However, ice slurry systems have not been able to prevail for various reasons (e.g. system technology is too expensive, performance factors are too low). Various technologies cannot be scaled up to high outputs or no cost reductions or efficiency increases could be achieved when transferred to high outputs. For this reason, a process-based production of ice slurry is required (e.g. injector technology). Furthermore, classic refrigeration machines with (still) approved refrigerants (damage to the climate and the environment, flammability, risk of explosion, toxicity, etc.) are often used to generate cold. A method and device for producing ice slurry is known from the publication DE 102010018497 A1. In this solution, water is mixed with a supercooled refrigerant using a mixing nozzle. When it comes into contact, the water freezes and a so-called ice slurry is formed. The pressure is also released in the mixing nozzle. The coolant and ice slurry are separated in a storage tank so that the ice slurry is discharged via an outlet and can carry out its cooling task. After use, this is fed back into the tank via a return line, discharged from the storage tank together with the coolant and divided into water and coolant using a pump and a separating device. The coolant is returned to its original state and the circuit is closed. A complex separation process (e.g. reverse osmosis, nanofiltration) is required to cool a partial flow in an evaporator (material separation of coolant and refrigerant) of a refrigeration system. The publication WO 2007/121603 A1 shows a device for producing ice slurry, in which carbon dioxide is used as a coolant. The carbon dioxide is injected into an aqueous solution via nozzle devices in order to produce ice slurry. The injection of carbon dioxide can take place in liquid and/or gaseous form into an aqueous solution using injector nozzles or - as an alternative - by prior mixing in a nozzle. The coolant is also under pressure and has a temperature range around or below 0 degrees Celsius. The coolant circuit and the recycling circuit (with a cold consumer) are separated into two material flows. The hydrate slurry (possibly with ice particles) is created in the container either by cooling spirals or by relaxation. The spiral can be arranged inside or outside and also serves to control the temperature in the container. Recooling of the coolant in the form of carbon dioxide is not intended and may not be absolutely necessary for the production of hydrates, but this limits better process control. Furthermore, the hydration heat is dissipated from the storage tank, which can have a negative effect on the temperatures. The heat exchanger arranged on the tank does not allow for high performance. Ultimately, ice is produced in a two-stage process by dissolving the hydrates. Overall, the system described is not energy efficient and is not able to provide high cooling performance. A method and device for cooling is also described in the document EP 2667 116 A1. A coolant is mixed with liquid carbon dioxide under a pressure at which the mixture is in the liquid state, then the mixture of carrier medium and liquid carbon dioxide is expanded while cooling to a pressure at which at least part of the carbon dioxide evaporates, then the expanded mixture is fed to a separator in which evaporated carbon dioxide is separated from the carrier medium, the separated carrier medium is pressurized again and fed back into the circuit to be mixed with liquid carbon dioxide. is, whereby the mixture after the expansion and/or the carrier medium from the separator passes through a heat exchanger in which it is brought into thermal contact with a medium to be cooled. The gaseous carbon dioxide is discharged via the gas discharge line 19 and used in a heat exchanger 20 to cool a medium or released into the atmosphere. This is therefore an open process. The disadvantage is that the coolant (carrier medium) is not stored, but only a phase separation takes place in the separator. Likewise, no ice slurry production etc. is realized. A medium is cooled in the temperature range -85...-56 °C The heat exchanger 9 represents an additional expense that is not required in the solution according to the invention and would not work either. After a mixing device for the liquid carbon dioxide and the carrier medium, an expansion device is required, which also means additional expense. A coolant compressor for the liquid carbon dioxide is disadvantageously not provided. Furthermore, the control of the coolant and coolant flow (liquid carbon dioxide and carrier medium) takes place via a valve 8, which is disadvantageous. The pressure range is only between 10 bar and 20 bar, which means that only a limited operating range is available. Disadvantageously, the cooling of the medium with the heat exchanger is only described in an insufficiently comprehensible manner. Another solution is also described in the publication DE 102019127488 A1, which is a closed process. The task of this solution is to provide a flexibly usable fluid circuit with a working medium circulating in it and a method for operating the fluid circuit to generate a cooling capacity. The cold should be used at a temperature level or pressure level below the triple point of the working medium. The device should be reliable and safe, in particular without the risk of blocking due to solid particles of the working medium, and should be able to be operated efficiently and easily controlled. A mixture of environmentally friendly, non-flammable fluids should be able to be used. There is no cold storage, no ice slush production, etc. It is more a question of optimizing the operation of a refrigeration machine (safety, avoiding blocking). CO2 (R744) is used as the refrigerant and R125 (which is also a refrigerant) or R410 (refrigerant mixture) is used as the coolant, although R410 is not ecological. A mixing device for mixing a carrier liquid with the working medium is provided, as well as a separator for separating the carrier liquid from a gaseous fluid flow. A compressor and a heat exchanger are arranged between the separator and the mixing device. Furthermore, another heat exchanger is arranged between the mixing device and the separator, which means additional effort. In general, there are no known refrigeration or ice production plants or storage systems that are suitable for the large-scale utilization of excess electricity, especially from renewable energy sources. In addition, there are no solutions for the industrial provision of process cooling and process heat. Making energy supply systems more flexible and consistently designing processes and systems to be ecological are new in this context. The aim of the invention is to develop a system and a method for producing ice, ice slurry/ice particles, snow, hydrates, cold water or combinations thereof or mixtures/suspensions for industrial or technical applications, with which high cooling capacities and high ice production can be achieved using an ecological coolant and coolant, whereby very high storage loading capacities, very high storage discharging capacities or system integration, if necessary direct application to e.g. food or supply in pipelines (e.g. district cooling) can be achieved and only a low operating and maintenance effort is required. It should be possible to provide ice, ice slurry/ice particles, snow, hydrates, cold water or combinations thereof or mixtures/suspensions from 20 °C to - 100 °C. This task is solved with the features of patent claims 1 and 15. Advantageous embodiments arise from the subclaims. In the method for producing ice, ice slurry/ice particles, snow, hydrates, cold water or combinations thereof or mixtures/suspensions, in a closed process, according to the invention a) at least a second material flow in the form of ice, ice slurry/ice particles, snow, hydrates, cold water or combinations thereof or mixtures/suspensions, b) and a first material flow with at least one coolant, c) are brought together in an apparatus, wherein the material flows relax and cool in the apparatus and/or when leaving the apparatus, d) wherein the flow emerging from the apparatus from the first and second material flows is fed to at least one container with a storage function, e) a phase separation of the first and second material flows takes place in the container and - the first material flow with the coolant is removed from the container and - the second material flow with reduced temperature in the form of ice, ice slurry/ice particles, snow, hydrates, cold water or combinations thereof or mixtures/suspensions implements a cooling function. After phase separation in the container, the first material flow is sucked out of the container, compressed and recooled in the coolant circuit and fed back to the apparatus, and in a first variant, the second material flow is taken from the container as a coolant circuit to implement the cooling task and fed into the coolant circuit of the container via a heat exchanger, whereby - the coolant circuit leads from a heat exchanger via the apparatus to the container or - the coolant circuit leads from the heat exchanger to the container and at least one further second material flow leads as a secondary circuit via the apparatus into the container and/or in a second variant, the cooling task is implemented with at least one heat exchanger assigned to the container and at least one further second material flow leads as a secondary circuit via the apparatus into the container. Indirect and/or direct heat transfer takes place between the first material flow and the second material flow in the apparatus and/or upstream of the apparatus, whereby it is also possible to heat and/or cool the material flows in the apparatus by means of at least one additional heater and/or at least one additional cooling system, in particular in zones. It is possible for a first secondary circuit and a second secondary circuit to lead the coolant of the second material flow from the container under pressure via the apparatus back into the container. Because the temperature at the exit from the device is greatly reduced compared to the entry into the device, the cooling task can be carried out using the coolant separated in the container. In the device, a mixture and/or a dispersion and/or a solution of the first material stream in the second material stream and/or a temporary hydrate formation and/or a reaction, for example to form carbonic acid, can take place. The expansion takes place in and/or after the apparatus for producing ice, ice slurry/ice particles, snow, hydrates, cold water or combinations thereof or a mixture/suspension of the cooled second material stream using individual or a combination of the following effects: o Change in the thermodynamic state of the first material stream through evaporation at 10 to 300 kJ/kg or possibly higher, o Degassing of the first material stream due to physical solubility, o Dissolution of the hydrates of the first material stream and the second material stream, o Joule-Thompson effect and thus expansion of the coolant in the first material stream. The pressure increase of the second material stream before it is fed to the apparatus takes place in particular to a pressure of 1.1 bar to 200 bar, with the pressure increase being implemented in several stages if necessary. Furthermore, the first material flow is fed into the apparatus at a pressure of preferably 1.1 bar to 200 bar and, under certain circumstances, in different phases and at a temperature of in particular typically -40 °C to 50 °C, if necessary depending on the realized recooling in the first heat exchanger and/or intermediate cooling or further cooling in an additional heat exchanger. The first material flow consists of or has at least one coolant, whereby the coolant is preferably not or only slightly soluble in the coolant. The coolant consists in particular of or has carbon dioxide, or propane or dinitrogen monoxide (laughing gas) or gases or vapors with/without phase change or combinations of the aforementioned substances or other suitable coolants. The coolant of the second material flow can consist of a mixture of water with at least one freezing point lowering substance for operation with storage temperatures significantly below 0 °C. It is possible to implement the following modifications to the first material flow individually or in any combination: a. transcritical or subcritical operation, b. single- or multi-stage compression up to a maximum compression pressure of approx. 200 bar, with or without intake superheat c. parallel connection of compressors, d. with and without intermediate cooling, in particular using internal and/or external heat exchangers, e. if necessary, use of one or more ejectors, f. if necessary, use of one or more refrigerant dryers. g. if necessary, use of one or more oil separators. After phase separation, a coolant from the second material flow of the coolant circuit can be fed from the container to a second heat exchanger and in the second heat exchanger the coolant from the second material flow can take over the cooling task. In parallel or alternatively, at least one cooling task can be implemented by the container with at least one heat exchanger combined with the container. Since the expansion of the material flows in the apparatus results in a strong cooling, the apparatus can be heated to prevent ice formation or to dissolve ice. The invention further comprises a system for producing ice, ice slurry/ice particles, snow, hydrates, cold water or combinations or mixtures/suspensions thereof, wherein the system according to the invention has at least one apparatus which has at least one first feed for a pressurized first material flow of a coolant of a coolant circuit and at least one second feed for a pressurized second material flow of a coolant of a coolant circuit and/or at least one secondary material flow with/from a coolant in the form of ice, ice slurry/ice particles, snow, hydrates, cold water or combinations or mixtures/suspensions thereof, and the apparatus has at least one chamber in which the first and second material flows can be brought together, expanded and cooled, wherein a container with a storage function for phase separation of the first and second material flows is connected to the apparatus, wherein the container has at least one first outlet for the coolant and at least one further outlet for the coolant. The system for producing ice, ice slurry/ice particles, snow, hydrates, cold water or combinations thereof or mixtures/suspensions in a closed process to implement a cooling task is further characterized according to the invention in that, in a first variant, the second material flow is taken from the container as a coolant circuit to implement the cooling task and is fed into the coolant circuit of the container via a second heat exchanger, wherein a) the coolant circuit leads from the heat exchanger to the container via the apparatus or b) the coolant circuit leads from the heat exchanger to the container and at least one further second material flow leads as a secondary circuit via the apparatus into the container and/or in a second variant, the cooling task is implemented with at least one heat exchanger assigned to the container and at least one further second material flow leads as a secondary circuit via the apparatus into the container. In the first variant, the system is equipped with: - at least one device for combining and then relaxing the first and second material streams to produce ice, ice slurry/ice particles, snow, hydrates, cold water or combinations thereof or mixture/suspension of the second material stream, - with the second heat exchanger to implement heat transfer for the cooling task from the cooling goods/cooling medium to the second material stream, - with a pump to convey the second material stream and to implement a pressure increase to 1.1 bar to 200 bar in front of the device, - with at least one first heat exchanger for realising a recooling of the coolant of the first material stream to a temperature between -40°C and 50°C upstream of the apparatus, - with at least one compressor for compressing and conveying the first material stream and for realising a pressure of 1.1 bar to 200 bar upstream of the apparatus, - with the container for phase separation of the first and second material streams. The container with storage function can have a tangential or essentially tangential feed for at least one stream fed from the apparatus. In the container for phase separation of the first and second material streams, the coolant of the first material stream is separated in an upper region and the coolant of the second material stream is separated in a lower region. The coolant is then fed from the upper region and the coolant from the lower region of the container, each under pressure, back into the container via the apparatus. Advantageously, areas of the system that freeze or where there is a risk of icing can be provided with at least one additional heater and/or at least one heat exchanger, whereby several heating areas can be provided and the heating takes place, for example, by means of electrical resistance and/or microwaves and/or induction heating and/or a material flow. It is also possible to provide the apparatus with additional cooling to dissipate the heat that arises during hydrate formation and/or during reactions and/or dissolution processes. According to the invention, at least one further second material flow can lead into the container via the apparatus as a secondary circuit. Advantageously, the at least one apparatus has at least one inlet for the first material flow and at least one or more inlets for the second material flow and possibly also for the secondary circuit(s). Means for generating a flow with swirl can also be arranged in the apparatus in order to achieve better contact between the material flows. These means can be designed with or without rigid or moving components to influence the flow. A continuous or pulsating flow can pass through the device. Furthermore, other flow effects such as turbulence, instability, boundary layer effects, subsonic and supersonic flow can be implemented if required. The system and the method according to the invention can be used, for example, as a heat pump system and/or as a combined cooling and heating system. The invention is explained in more detail below using exemplary embodiments and associated drawings. Shown are: Figure 1 schematic representation of the closed process, supply of the second material flow 2 from the container via a heat exchanger and the apparatus into the container (cold storage), Figure 2 schematic representation of the closed process, supply of the second material flow 2 from the container (cold storage) via the heat exchanger into the container and first secondary material flow from the container (cold storage) and the apparatus into the container, Figure 3 in addition to the variant according to Figure 2, further secondary material flow from the container (cold storage) via the apparatus into the container, Figure 4 in addition to the variant according to Figure 2, two-stage compression and intermediate cooling as well as further cooling of the first material flow 1, Figure 5 in addition to the variant according to Figure 4, expansion of the coolant with a turbine to generate mechanical power, arrangement of the turbine in front of the apparatus, Figure 6 in addition to the variant according to Figure 1 - heat transfer from the container to a heat exchanger to implement the cooling function, Figure 7 a first variant of the apparatus with a supply for the material flow 1 (coolant) and a feed for the material flow 2 (coolant), Figure 8 shows a second variant of the apparatus with a feed for the material flow 1 (refrigerant) and two feeds for the material flow 2 (coolant). According to Figure 1, the system has a first material flow 1 with at least one or consisting of at least one coolant and a second material flow 2 with at least one or consisting of at least one coolant in a closed process. The system is also equipped with an apparatus 3 and an adjoining container 4 with a storage function. In the closed process, the container 4 is first filled with coolant (for material flow 1) and coolant (for material flow 2), with their phase separation taking place in the container 4. The first material flow 1 leads in a coolant circuit A from the container 4, in which a phase separation of the material flow 1 and the material flow 2 takes place, via a compressor 5 into a first heat exchanger 1.1 of the first material flow 1 in which a recooling R of the material flow 1 is realized and under pressure into the apparatus 3. The second material flow 2 leads in a coolant circuit B from the container 4, via a heat exchanger 2.1 of the material flow 2 to realize a cooling task K via a pump 6, also under pressure into the apparatus 3. The pressure increase of the material flow 2 to a high pressure may also take place in several stages. In the apparatus 3, the first and second material streams 1, 2 are brought together and expand and cool down from temperatures T1 of the first material stream 1 and T2 of the second material stream 2 upstream of the apparatus 3 to a lower temperature T of the stream 1/2 exiting the apparatus. The stream 1/2 reduced to a temperature T is fed from the apparatus 3 to the container 4, in which a phase separation of the two material streams 1 and 2 takes place again, with the coolant of the material stream 1 preferably being deposited/settled in the upper region and the coolant of the material stream 2 in the lower region of the container 4. This makes it possible to achieve very low temperatures of the coolant of up to -20 °C and lower down to -100 °C. In the apparatus 3, a direct or indirect heat transfer takes place between the first material flow 1 and the second material flow 2. According to an example not shown, a heat transfer/temperature equalization of the two material flows 1, 2 can also be realized in a device upstream of the apparatus 3 (e.g. heat exchanger). Furthermore, the material flows 1, 2 can also be heated and/or cooled in the apparatus 3 by at least one additional heater ZH and/or at least one additional cooler ZK, in particular zone by zone. A continuous or pulsating flow preferably runs through the apparatus 3 and, if required, other flow effects such as turbulence, instability, boundary layer effects, subsonic and supersonic flow can be realized. The feed of the material stream 1 (e.g. carbon dioxide R744 or other refrigerant) into the apparatus 3 is preferably carried out at high pressure, in particular at 1.1 bar to 200 bar and possibly in different phases with a temperature of typically - 40 °C to 50 °C depending on the recooling and/or intermediate cooling. The The second material stream 2 is preferably fed into the apparatus at a pressure of 1.1 bar to 200 bar and at a temperature of -40 °C to 50 °C. When the two material streams 1 and 2 are brought together in the apparatus 3, they come into complete and/or partial contact, forming bubbles or drops, for example. The two material streams can also be mixed with direct heat transfer. The following processes are possible when the two material streams 1 and 2 are brought together in the apparatus 3: - possibly dissolving material stream 1 in material stream 2, - possibly temporary hydrate formation (possibly limiting the process), - possibly reactions to form carbonic acid, for example, - possibly downstream heat transfer using an external heat exchanger. The expansion taking place in the apparatus 3 and/or subsequent to it to produce ice, ice slurry/ice particles, snow, hydrates, cold water or combinations thereof or mixture/suspension of a cooled second material flow 2 is preferably carried out using the following individual effects or combinations thereof: - change in the thermodynamic state of the material flow 1 through the evaporation of the material flow 1/refrigerant (approx. 10 kJ/kg to 300 kJ/kg), - if necessary, degassing of the refrigerant (material 1) due to the physical solubility, - if necessary, dissolution of the hydrates (material 1 and 2), - if necessary, Joule-Thompson effect during the expansion of the refrigerant (material flow 1), - if necessary, evaporation of the material flow 2. Furthermore, the phase separation of the material flows takes place in the container/storage tank 4 (preferably at -100 °C to 20 °C) and/or at least partially in the apparatus when removing the gaseous phase (material flow 1) and collecting the ice, ice slurry, ice particles, snow, hydrates, cold water or combinations or mixtures or suspensions thereof (material flow 2). The first material flow 1 consists of inorganic or organic substances or mixtures or suspensions thereof, whereby in particular all gases and all vapors as well as mixtures thereof with or without phase change can be used as refrigerants, whereby, for example, preferred gases are carbon dioxide or propane or dinitrogen monoxide (laughing gas) or combinations thereof are used, and mixtures with air in particular are preferably used. Depending on the choice of coolant, the pressure when feeding it into the apparatus 3 may need to be changed or adjusted accordingly. The material flow 1 also preferably consists of or contains a coolant which is insoluble or only slightly soluble in the coolant of the material flow 2, which promotes phase separation. The coolant is preferably insoluble or only slightly soluble in water (e.g. R290, propane) and possibly in the subcritical region. Mixtures (e.g. water and freezing point lowering substances) and/or substances which promote phase changes, such as nucleating particles and/or droplets for operation with storage temperatures well below 0 °C, can also be used as coolants. The suitable pressure of the material flows 1 and 2 when feeding it to the apparatus 3 can be calculated or determined by tests. Material stream 2 comprises or consists of a coolant in the form of ice, ice slurry/ice particles, snow, hydrates, cold water or their combinations or mixtures/suspensions. From the container 4, the material flow 1 (e.g. carbon dioxide, possibly with very low water vapor content) is now sucked in and compressed in the closed circuit from the upper area of the container 4 by means of the compressor 5, the material flow 1 is recooled via the first heat exchanger 1.1 of the material flow 1 and fed into the apparatus 3. The following modifications to the refrigerant circuit (material flow 1) can be carried out, whereby the measures can be implemented individually or in various combinations: - preferably transcritical operation (but also subcritical operation), - single or multi-stage compression up to a maximum final compression pressure of approx. 200 bar, with or without intake superheat, - parallel connection of compressors, - with and without intermediate cooling, - if necessary use of one or more ejectors, - if necessary use of one or more refrigerant dryers, - if necessary, use of at least one oil separator. Furthermore, parallel to the material flow 1, the material flow 2 in the form of ice, ice slurry/ice particles, snow, hydrates, cold water or combinations thereof or their mixture/suspension is taken from the lower area of the container 4 and fed to the second heat exchanger 2.1 of the second material flow 2 to carry out a cooling task K and from there pumped back into the apparatus 3 under pressure by means of the pump 6. The storage unit (container 4 with storage function) can be discharged directly or indirectly with regard to the second material flow 2. The system according to the invention serves to produce and/or store ice, ice slurry/ice particles, snow, hydrates, cold water or combinations thereof or mixture/suspension. The container 4 can be filled at the beginning/before the start of the process with coolant (preferably water) and the coolant (e.g. carbon dioxide), from/in which ice, ice slurry/ice particles, snow, hydrates, cold water or combinations thereof or mixtures/suspensions form due to the strong cooling in and/or after the device. Before it is used for the first time, the container 4 is preferably evacuated and then filled with the coolant 2 and coolant 1. It is possible to connect several devices 3 in parallel to increase the cooling capacity or ice production. It is also possible to use pumps with higher pressure for the second material flow 2 in order to partially suck in material flow 1, particularly in the area of the device 3 (injector effect). This also makes it possible to lower the temperature of material flow 1 or to reduce the reduction in temperature for material flow 1 and/or the compression performance for material flow 1 and/or to achieve better pre-cooling for material flow 2. Further pre-cooling of material flow 1 is possible internally (in the apparatus) or externally, also by means of external cooling elements or those provided in the apparatus 3. The process and the system can be used as a heat pump system and/or as a combined cooling and heating system. The heat obtained from the recooling of the coolant can be used for heating purposes. It is also possible to use the waste heat generated when carrying out the method according to the invention, e.g. for heating purposes, for providing process heat, for charging thermal energy storage devices (heat storage devices) with warm water, hot water, water vapor and other heat transfer media; but also for generating cold with absorption chillers, adsorption chillers, steam jet chillers or as a heat source system for at least one further heat pump. Heat can be extracted from the first material flow with at least one cooler and/or at least one recooler and used for heating purposes and/or charging a storage device in a temperature range from 40°C to 400°C. To recover the compression power of the compressor 5 of the first material flow 1, it is possible to integrate an expansion machine into the coolant circuit of the first material flow 1. This is preferably done before the apparatus 3. This also makes it possible to partially relax the material flow 1 and cool it down. The expansion machine can be, for example, a displacement machine and/or turbine T, with which in particular a generator G is driven to generate electricity (see Figure 5). Further embodiments of the system according to the invention are shown in Figures 2 to 6. In contrast to Figure 1, Figure 2 shows that the material flow 2 of the coolant circuit B intended for the cooling task is returned from the heat exchanger 2.1 to the container 4. For this purpose, a pump 6 is located between the container 4 and the heat exchanger 2.1. To reduce the temperature of the coolant, a first secondary material flow 2N1 from the container 4 leads via a pump 6.2 at high pressure and a temperature T2 into the apparatus 3 (to which the first material flow is also fed) and from there, after expansion and cooling, back into the container 4. The coolant returned to the container 4 is significantly cooled, whereby the material flow 2 is also reduced in temperature to realize the cooling function. The first material stream 1 of the refrigerant circuit A is led from the tank 4 via the compressor 5 and the first heat exchanger 1.1 to the apparatus 3, as in Figure 1. In the system according to Figure 3, in addition to the variant according to Figure 2, there is a second secondary flow 2N2 in the coolant circuit B, which is fed from the container 4 via a further pump 6.3 to the apparatus 3 at a high pressure and a temperature T3. In the system according to Figure 4, the coolant circuit B is designed as in Figure 2. In addition to the variant according to Figure 2, the coolant circuit A has a two-stage compression and intermediate cooling as well as further cooling of the substance 1. For this purpose, the first substance flow 1 leads from the compressor 5, which realizes the first compression stage, via an intermediate container 7 and a further compressor 5.1, which realizes the second compression stage, to the first heat exchanger 1.1. Between the first heat exchanger 1.1 and the apparatus 3, a further heat exchanger 1.2 is provided for further cooling the first substance flow 1. Furthermore, the additional heat exchanger 1.2 is coupled to the additional compressor 5.1 via the container 7. As a result, a partial flow of the coolant between the two heat exchangers 1.1 and 1.2 is expanded in the expansion device 1.3 and cools the remaining material flow (approx. 20% to 90% of the entire first material flow) and the material flow after compression with the compressor 5. The variant according to Figure 5 has essentially the same structure as in Figure 4, but additionally realizes an expansion of the coolant in the first material flow 1 upstream of the device 3 with an expansion machine, here a turbine T for generating mechanical power, here the drive of a generator G for generating electricity is realized. In Figure 6, the coolant circuit A is designed as in Figures 1, 2 and 3. The cooling function of the coolant circuit B is implemented here by means of heat transfer from the container 4 to a pipe system (heat exchanger 8) that surrounds the container or is integrated into the container and through which a coolant flows. The low temperatures in the container 4 are thereby transferred to the heat exchanger 8 and the coolant that flows through the heat exchanger 8, whereby the coolant of the heat exchanger 8 cools down and the cooling function K is implemented. According to design variants not shown, it is also possible to provide one or more secondary flows of the coolant of the coolant circuit A in all variants. Furthermore, all of the variants described can work with a multi-stage compression of the refrigerant circuit and can be provided with a device for expanding the refrigerant upstream of the device 3, e.g. a turbine T for generating mechanical power, such as for driving a generator G to generate electricity. The variants described in Figures 1 to 6 can therefore be combined as required. Furthermore, several devices 3 can be used in one system and then, if necessary, several containers 4 and a corresponding number of pumps and heat exchangers for the coolant circuit B as well as compressors and heat exchangers for the refrigerant circuit A. Alternatively, several devices 3 can also be coupled with just one container 4 (not shown). Two structural designs of devices 3 are shown below in Figures 7 and 8. Figure 7 shows a variant of the device 3 with an inner hollow cylindrical/tubular first casing 9, which has an inlet 9.1 and an outlet 9.2 and is provided with a funnel-shaped extension 9.3 in the direction of the outlet 9.2. The first jacket 9 is surrounded at a distance by another hollow cylindrical/tubular second jacket 10, which is longer here than the first jacket 9 and protrudes over the outlet 9.2 of the first jacket 9. The first and second jackets 9, 10 are arranged centrally to one another along a longitudinal axis A. A first annular space 3.1 is formed between the outer circumference of the first jacket 9 and the inner contour of the second jacket 10, and a first chamber 3.2 is formed after the outlet opening 9.2 of the first jacket 9. The second jacket 10 has a funnel-shaped diameter expansion 10.3 after the cylindrical region in the direction of the outlet 10.2 and a funnel-shaped diameter reduction 10.4 at the inlet 10.1. It is possible to supply the first material flow 1 via the inlet 9 and the second material flow 2 via the inlet 10 (as shown) or vice versa. The two material flows 1, 2 supplied under high pressure come into contact in the area of the chamber 3.2 and exit the apparatus 3 at the outlet 10.2 as a flow 1/2 and are introduced into the container 4 (not shown here). In the apparatus 3 the material flows expand and cool down considerably as a result. Indirect heat transfer takes place between the material flows in region 3.1 and direct heat transfer takes place in region 3.2. Figure 8 shows a further variant of an apparatus 3 in which the first jacket 9 and the second jacket 10 are designed as in Figure 7, but are additionally surrounded by a third hollow cylindrical jacket 11. The third hollow cylindrical jacket 11 also has an inlet 11.1 and an outlet 11.2 and is provided with a funnel-shaped extension 11.3 in the direction of the outlet 11.2. The second jacket 10 is surrounded at a distance by the hollow cylindrical/tubular third jacket 11, which is longer here than the second jacket 10 and thus protrudes over the outlet 10.2 of the second jacket 10. The first, second and third jackets 9, 10, 11 are also arranged centrally to one another along the longitudinal axis A. A second annular space 3.3 is formed between the outer circumference of the second jacket 10 and the inner contour of the third jacket 11, and a second chamber 3.4 is formed after the outlet opening 10.2 of the second jacket 10. Here, too, it is possible to supply the first material flow 1 via the inlet 9.1 and the second material flow 2 via the inlet 10.1 (as shown) or vice versa. For example, one or both secondary flows 2N1, 2N2 can be introduced into the inlet 11.1. The two material flows 1, 2 supplied under high pressure come into contact in the area of the chamber 3.2 and enter the second chamber 3.4 at the outlet 10.2, where they come into contact, for example, with the material flow of the secondary circuit(s) 2N1, 2N2. Indirect heat transfer is realized in the annular spaces 3.1, 3.3 and direct heat transfer in the chambers 3.2, 3.4. In the apparatus 3 and/or after the apparatus 3, all material flows expand, cool down considerably and are introduced as flow 1/2 into the container 4 (not shown here). In both variants according to Figures 7 and 8, for example, the respective outer jacket (second jacket 10 or third jacket 11) is equipped with an additional heater ZH and/or Additional cooling ZK and/or a heat exchanger 3W, which can also be divided into zones. The additional heating ZH or the heat exchanger 3W can, for example, prevent an obstruction to the function according to the invention, e.g. unwanted ice formation on the surfaces of the apparatus 3. Additional cooling ZK is preferably used in the case of hydrate formation. According to embodiments not shown, the streams 1/2 emerging from the apparatus can also be introduced essentially tangentially into the container/storage tank 4. This enables a better separation of the coolant and the refrigerant. Alternatively, a different introduction of the material streams into the apparatus 3 can be selected. For example, material stream 2 can be introduced via the feed 9.1 and material stream 1 via the feed 10.1. When a casing in the form of the third casing 11 is arranged, a secondary material stream 2N1, 2N2 can then, for example, be introduced into the apparatus 3 via the feed 11.1. The supply of the material flows can also be carried out radially or at an oblique angle, according to examples not shown. The expansion, acceleration and pressure reduction required for the production of ice, ice slurry/ice particles, snow, hydrates, cold water or combinations thereof or mixtures/suspensions take place in the apparatus 3. When the material flows are brought together, hydrates can form or reactions can occur between the material flows or, if necessary, a physical solution of gases from the first material flow 1 in the liquid from the second material flow 2. The hydrates can also decompose in the direction of the outlet 10.2 or 11.2 or after the outlets, the coolant can outgas, possibly also a Joule-Thompson effect and also possibly a reverse reaction. In the apparatus 3, desired turbulence effects, boundary layer effects and instability effects can occur through the flow guidance and various known design modifications in order to reduce the pressure and/or improve the heat transfer between the material flows or to avoid unfavorable operating conditions. With the method and the system according to the invention, high cooling capacities and high ice production can be achieved, for example for industrial applications, using an ecological coolant (such as carbon dioxide) and coolant (ice, ice slurry/ice particles, snow, hydrates, cold water or combinations or mixtures/suspensions thereof), whereby coolant temperatures of 20 °C to -100 °C can be provided. With the system and method according to the invention, very high storage loading capacities (up to the megawatt range, for example) and very high storage discharging capacities (up to the megawatt range, for example) are possible. However, depending on the dimensions, the system can also provide smaller capacities in the kilowatt range. Furthermore, district cooling can also be provided via pipelines, for example. Direct application to food, for example, can also be implemented. The relatively simple structural design of the system means that only a low level of operation and maintenance is required. Another advantage is that the system can also be used as a heat pump system and/or as a combined cooling and heating system.
Claims
Patentansprüche 1. Verfahren zur Erzeugung von Eis, Eisbrei/Eispartikeln, Schnee, Hydraten, Kaltwasser oder deren Kombinationen bzw. Mischung/Suspension in einem geschlossenen Prozess, dadurch gekennzeichnet, dass a) mindestens ein Stoffstrom (2) in Form von Eis, Eisbrei/Eispartikeln, Schnee, Hydraten, Kaltwasser oder deren Kombinationen bzw. Mischung/Suspension b) mit einem Kältemittel eines Stoffstroms (1) c) in einem Apparat (3) zusammengeführt und in und/oder beim Austreten aus dem Apparat (3) entspannen und abkühlen, d) der aus dem Apparat (3) austretende Strom (1/2) aus den Stoffströmen (1) und (2) einem Behälter (4) mit Speicherfunktion zugeführt wird, e) in dem Behälter (4) eine Phasentrennung der Stoffströme (1) und (2) erfolgt und - aus dem Behälter (4) der erste Stoffstrom (1) mit dem Kältemittel entnommen wird und - der in seiner Temperatur reduzierte zweite Stoffstrom (2) Form von Eis, Eisbrei/Eispartikeln, Schnee, Hydraten, Kaltwasser oder deren Kombinationen bzw. Mischung/Suspension eine Kühlfunktion realisiert. 1. Method for producing ice, ice slurry/ice particles, snow, hydrates, cold water or combinations thereof or mixtures/suspensions in a closed process, characterized in that a) at least one material flow (2) in the form of ice, ice slurry/ice particles, snow, hydrates, cold water or combinations thereof or mixtures/suspensions b) is combined with a coolant of a material flow (1) c) in an apparatus (3) and is expanded and cooled in and/or when leaving the apparatus (3), d) the flow (1/2) emerging from the apparatus (3) from the material flows (1) and (2) is fed to a container (4) with a storage function, e) a phase separation of the material flows (1) and (2) takes place in the container (4) and - the first material flow (1) with the coolant is removed from the container (4) and - the second material flow (2) reduced in temperature is in the form of ice, Ice slurry/ice particles, snow, hydrates, cold water or their combinations or mixtures/suspensions realize a cooling function.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass nach der Phasentrennung des ersten Stoffstroms (1) und des zweiten Stoffstroms (2) in dem Behälter (4) eine gasförmige Phase des ersten Stoffstroms (1) abgeführt wird, wobei in einem Kältemittelkreislauf (A) der erste Stoffstrom (1) angesaugt und verdichtet und rückgekühlt und dem Apparat (3) wieder zugeführt wird, und a) der zweite Stoffstrom (2) als Kälteträgerkreislauf (B) zur Realisierung der Kühlaufgabe (K) aus dem Behälter (4) entnommen und in den Kälteträgerkreislauf (B) über einen Wärmeübertrager (2.1) dem Behälter (4) wieder zugeführt wird, wobei - der Kälteträgerkreislauf (B) vom Wärmeübertrager (2.1) über den Apparat (3) zum Behälter (4) führt oder - der Kälteträgerkreislauf (B) vom Wärmeübertrager (2.1) zum Behälter (4) führt und
mindestens ein weiterer zweiter Stoffstrom als Nebenkreislauf (2N1, 2N2) über den Apparat (3) in den Behälter (4) führt, und/oder b) die Kühlaufgabe mit mindestens einem dem Behälter (4) zugeordneten Wärmeübertrager (8) realisiert wird, und mindestens ein weiterer zweiter Stoffstrom als Nebenkreislauf (2N1, 2N2) über den Apparat (3) in den Behälter (4) führt. 2. Method according to claim 1, characterized in that after the phase separation of the first material flow (1) and the second material flow (2) in the container (4), a gaseous phase of the first material flow (1) is discharged, wherein the first material flow (1) is sucked in and compressed and recooled in a coolant circuit (A) and fed back to the apparatus (3), and a) the second material flow (2) is taken from the container (4) as a coolant circuit (B) to implement the cooling task (K) and fed back into the coolant circuit (B) via a heat exchanger (2.1) to the container (4), wherein - the coolant circuit (B) leads from the heat exchanger (2.1) via the apparatus (3) to the container (4) or - the coolant circuit (B) leads from the heat exchanger (2.1) to the container (4) and at least one further second material stream leads as a secondary circuit (2N1, 2N2) via the apparatus (3) into the container (4), and/or b) the cooling task is implemented with at least one heat exchanger (8) assigned to the container (4), and at least one further second material stream leads as a secondary circuit (2N1, 2N2) via the apparatus (3) into the container (4).
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine indirekte und/oder direkte Wärmeübertragung zwischen dem ersten Stoffstrom (1) und dem zweiten Stoffstrom (2) in dem Apparat (3) und/oder vorgelagert zum Apparat (3) erfolgt und/oder dass die Stoffströme (1 und 2) in dem Apparat (3) durch mindestens eine Zusatzheizung und/oder mindestens eine Zusatzkühlung insbesondere zonenweise erwärmt und/oder gekühlt werden. 3. Method according to claim 1 or 2, characterized in that an indirect and/or direct heat transfer between the first material stream (1) and the second material stream (2) takes place in the apparatus (3) and/or upstream of the apparatus (3) and/or that the material streams (1 and 2) in the apparatus (3) are heated and/or cooled, in particular zone by zone, by at least one additional heater and/or at least one additional cooler.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein erster Nebenkreislauf (2N1) und ein zweiter Nebenkreislauf (2N2) des Kälteträgers des Stoffstroms aus dem Behälter (4) unter Druck über den Apparat (3) in den Behälter (4) führen. 4. Method according to one of claims 1 to 3, characterized in that a first secondary circuit (2N1) and a second secondary circuit (2N2) of the coolant of the material flow from the container (4) lead under pressure via the apparatus (3) into the container (4).
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Apparat (3) eine Mischung und/oder Dispergierung und/oder Lösung des Stoffstroms (1) im Stoffstrom (2) und/oder eine temporäre Hydratbildung und/oder eine Reaktion erfolgt. 5. Process according to one of claims 1 to 4, characterized in that in the apparatus (3) a mixing and/or dispersion and/or dissolution of the material stream (1) in the material stream (2) and/or a temporary hydrate formation and/or a reaction takes place.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Entspannung in und/oder nach dem Apparat (3) zur Erzeugung von Eis, Eisbrei/ Eispartikeln, Schnee, Hydraten, Kaltwasser oder deren Kombinationen bzw. Mischung/Suspension unter der Nutzung einzelner oder einer Kombination der nachfolgenden Effekte erfolgt: - Änderung des thermodynamischen Zustands des ersten Stoffstroms (1) durch eine Verdampfung bei typischer Weise 10 bis 300 kJ/kg, - Entgasen des ersten Stoffstroms (1) aufgrund der physikalischen Lös- lichkeit, - Auflösung der Hydrate des Stoffstroms (1) und des Stoffstroms (2)
- Joule-Thompson-Effekt und Entspannung des ersten Stoffstroms (1). 6. Method according to one of claims 1 to 5, characterized in that the relaxation in and/or after the apparatus (3) for producing ice, ice slurry/ice particles, snow, hydrates, cold water or combinations thereof or mixture/suspension takes place using individual or a combination of the following effects: - change in the thermodynamic state of the first material flow (1) by evaporation at typically 10 to 300 kJ/kg, - degassing of the first material flow (1) due to the physical solubility, - dissolution of the hydrates of the material flow (1) and the material flow (2) - Joule-Thompson effect and relaxation of the first material stream (1).
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine Druckerhöhung des Stoffstroms (2) vor der Zuführung zum Apparat (3) mittels mindestens einer Pumpe (6) auf einen Druck von 1,1 bar bis 200 bar erfolgt, wobei bedarfsweise die Druckerhöhung mehrstufig mittels mehrerer Pumpen realisiert wird. 7. Process according to one of claims 1 to 6, characterized in that a pressure increase of the material flow (2) before feeding to the apparatus (3) takes place by means of at least one pump (6) to a pressure of 1.1 bar to 200 bar, wherein, if required, the pressure increase is realized in several stages by means of several pumps.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Zuführung des Stoffstroms (1) in den Apparat (3) mit einem Druck, von 1,1 bar bis 200 bar erfolgt und dabei unter Umständen in verschiedenen Phasen und mit einer Temperatur von insbesondere typischerweise -40 °C bis 50 °C, bedarfsweise in Abhängigkeit einer realisierten Rückkühlung im Wärmeübertrager (1.1) und/oder eine Zwischenkühlung oder eine weitere Kühlung in einem zusätzlichen Wärmeübertrager (1.2). 8. Process according to one of claims 1 to 7, characterized in that the supply of the material flow (1) into the apparatus (3) takes place at a pressure of 1.1 bar to 200 bar and possibly in different phases and at a temperature of in particular typically -40 °C to 50 °C, if necessary depending on a realized recooling in the heat exchanger (1.1) and/or an intermediate cooling or a further cooling in an additional heat exchanger (1.2).
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Stoffstrom (1) aus einem Kältemittel besteht oder dieses aufweist, wobei das Kältemittel nicht oder nur gering löslich im Kälteträger ist. 9. Process according to one of claims 1 to 8, characterized in that the first material stream (1) consists of or comprises a refrigerant, wherein the refrigerant is insoluble or only slightly soluble in the coolant.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass als Kältemittel alle anorganischen oder organischen Stoffe oder deren Mischungen oder Suspensionen eingesetzt werden, wobei insbesondere als Kältemittel alle Gase und alle Dämpfe sowie deren Mischungen mit oder ohne Phasenwechsel einsetzbar sind, wobei beispielsweise als Gase bevorzugt Kohlendioxid oder Propan oder Distickstoffmonoxid oder deren Kombinationen eingesetzt werden und vorzugsweise Mischungen mit insbesondere Luft realisiert werden. 10. The method according to claim 9, characterized in that all inorganic or organic substances or mixtures or suspensions thereof are used as refrigerants, wherein in particular all gases and all vapors as well as mixtures thereof with or without phase change can be used as refrigerants, wherein for example carbon dioxide or propane or nitrous oxide or combinations thereof are preferably used as gases and preferably mixtures with in particular air are realized.
11. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Kälteträger zum Betrieb mit Speichertemperaturen deutlich unter 0 °C aus einer Mischung von Wasser mit mindestens einem gefrierpunktsenkenden Stoff und/oder Stoffen die einen Phasenwechsel fördern, wie z.B. keimbildende Partikel und/oder Tropfen besteht.
11. Method according to claim 9 or 10, characterized in that the coolant for operation with storage temperatures significantly below 0 °C consists of a mixture of water with at least one freezing point lowering substance and/or substances which promote a phase change, such as nucleating particles and/or droplets.
12. Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass nachfolgende Modifikationen des ersten Stoffstromes (1) einzeln oder in beliebigen Kombinationen erfolgen: a) transkritische oder subkritische Betriebsweise, b) ein- oder mehrstufige Verdichtung bis maximalen Verdichtungsenddruck von ca.200 bar, mit oder ohne Ansaugüberhitzung, c) Parallelschaltung von Verdichtern, d) mit und ohne Zwischenkühlung insbesondere unter Verwendung von internen und/oder externen Wärmeübertragern, e) bedarfsweise Einsatz von einem oder mehreren Ejektoren, f) bedarfsweise Einsatz von einem oder mehreren Kältemitteltrocknern, g) bedarfsweise Einsatz mindestens eines Ölabscheiders. 12. Method according to one of the preceding claims 1 to 11, characterized in that subsequent modifications of the first material flow (1) take place individually or in any combination: a) transcritical or subcritical operation, b) single- or multi-stage compression up to a maximum final compression pressure of approx. 200 bar, with or without intake superheat, c) parallel connection of compressors, d) with and without intermediate cooling, in particular using internal and/or external heat exchangers, e) if required, use of one or more ejectors, f) if required, use of one or more refrigerant dryers, g) if required, use of at least one oil separator.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass nach der Phasentrennung aus dem Behälter (4) ein Kälteträger des Stoffstroms (2) des Kälteträgerkreislaufes (B) einem zweiten Wärmeübertrager (2.1) zugeführt wird, und im Wärmeübertrager (2.1) der Kälteträger des zweiten Stoffstroms (2) die Kühlaufgabe (K) übernimmt und/oder mindestens eine Kühlaufgabe (K) durch den Behälter (4) mit mindestens einem mit dem Behälter (4) kombinierten Wärmeübertrager (8) realisiert wird. 13. Method according to one of claims 1 to 12, characterized in that after the phase separation from the container (4) a coolant of the material flow (2) of the coolant circuit (B) is fed to a second heat exchanger (2.1), and in the heat exchanger (2.1) the coolant of the second material flow (2) takes over the cooling task (K) and/or at least one cooling task (K) is realized by the container (4) with at least one heat exchanger (8) combined with the container (4).
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass eine Erwärmung des Apparates (3) zur Vermeidung von Eisbildung oder zum Lösen von Eis erfolgt. 14. Method according to one of claims 1 to 13, characterized in that the apparatus (3) is heated to prevent ice formation or to dissolve ice.
15. Anlage zur Erzeugung von Eis, Eisbrei/Eispartikeln, Schnee, Hydraten, Kaltwasser oder deren Kombinationen bzw. Mischung/Suspension, dadurch gekennzeichnet, dass diese mindestens einen Apparat (3) aufweist, der mindestens eine erste Zuführung für einen unter Druck stehenden ersten Stoffstrom (1) eines Kältemittels eines Kältemittelkreislaufes (A) und mindestens eine zweite Zuführung für einen unter Druck stehenden zweiten Stoffstrom (2) eines Kälteträgers eines Kälteträgerkreislaufes (B) und/oder mindestens einen Nebenstoffstrom (2N1, 2N2) mit/aus einem Kälteträger in Form von Eis, Eisbrei/Eispartikeln, Schnee, Hydraten, Kaltwasser oder deren Kombinationen bzw. Mischung/Suspension aufweist, dass
der Apparat (3) mindestens eine Kammer aufweist, in welcher der erste und der zweite Stoffstrom (1, 2) zusammenführbar, entspannbar und abkühlbar sind und dass sich an den Apparat (3) ein Behälter (4) mit Speicherfunktion und zur Phasentrennung des ersten und zweiten Stoffstroms (1, 2) anschließt, dass der Behälter (4) einen ersten Ausgang für das Kältemittel und mindestens einen weiteren Ausgang für den Kälteträger aufweist. 15. Plant for producing ice, ice slurry/ice particles, snow, hydrates, cold water or combinations thereof or mixtures/suspensions, characterized in that it has at least one apparatus (3) which has at least one first feed for a pressurized first material flow (1) of a coolant of a coolant circuit (A) and at least one second feed for a pressurized second material flow (2) of a coolant of a coolant circuit (B) and/or at least one secondary material flow (2N1, 2N2) with/from a coolant in the form of ice, ice slurry/ice particles, snow, hydrates, cold water or combinations thereof or mixtures/suspensions, that the apparatus (3) has at least one chamber in which the first and the second material stream (1, 2) can be brought together, expanded and cooled, and that a container (4) with a storage function and for phase separation of the first and second material stream (1, 2) is connected to the apparatus (3), that the container (4) has a first outlet for the coolant and at least one further outlet for the coolant.
16. Anlage zur Erzeugung von Eis, Eisbrei, Hydraten oder Kaltwasser in einer geschlossenen Prozessführung zur Realisierung einer Kühlaufgabe, dadurch gekennzeichnet, dass a) der zweite Stoffstrom (2) als Kälteträgerkreislauf (B) zur Realisierung der Kühlaufgabe (K) aus dem Behälter entnommen und in den Kälteträgerkreislauf (B) über einen Wärmeübertrager (2.1) dem Behälter zugeführt wird, wobei - der Kälteträgerkreislauf (B) vom Wärmeübertrager über den Apparat zum Behälter (4) führt oder - der Kälteträgerkreislauf (B) vom Wärmeübertrager zum Behälter (4) führt und/oder - mindestens ein weiterer zweiter Stoffstrom (2) als Nebenkreislauf (2N1, 2N2) über den Apparat (3) in den Behälter (4) führt und/oder b) die Kühlaufgabe (K) mit mindestens einem dem Behälter (4) zugeordneten Wärmeübertrager (8) realisiert wird, und mindestens ein weiterer zweiter Stoffstrom als Nebenkreislauf (2N1, 2N2) über den Apparat (3) in den Behälter (4) führt. 16. Plant for producing ice, ice slurry, hydrates or cold water in a closed process for realizing a cooling task, characterized in that a) the second material flow (2) is taken from the container as a coolant circuit (B) for realizing the cooling task (K) and is fed into the coolant circuit (B) via a heat exchanger (2.1) of the container, whereby - the coolant circuit (B) leads from the heat exchanger via the apparatus to the container (4) or - the coolant circuit (B) leads from the heat exchanger to the container (4) and/or - at least one further second material flow (2) leads as a secondary circuit (2N1, 2N2) via the apparatus (3) into the container (4) and/or b) the cooling task (K) is realized with at least one heat exchanger (8) assigned to the container (4), and at least one further second material flow leads as a secondary circuit (2N1, 2N2) via the apparatus (3) into the container (4).
17. Anlage nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass diese ausgestattet ist: - mit mindestens einem Apparat (3), - mit dem zweiten Wärmeübertrager (2.1) zur Realisierung einer Wärmeübertragung von einem Kühlgut/Kühlmedium (K) auf den zweiten Stoffstrom (2),
- mit einer Pumpe (6) zur Förderung des zweiten Stoffstroms (2) und zur Realisierung einer Druckerhöhung auf 1,1 bar bis 200 bar vor dem Apparat (3), - mit dem ersten Wärmeübertrager (1.1) zur Realisierung einer Rückkühlung des Kältemittels des ersten Stoffstroms (1) auf eine Temperatur zwischen -40°C und 50 °C vor dem Apparat (3), - mit einem Verdichter (5) zum Verdichten und Fördern des ersten Stoffstroms (1) und zur Realisierung eines Drucks von 1,1 bar bis 200 bar vor dem Apparat (3), - mit dem Apparat (3) zum Zusammenführen und anschließendem Entspannen des ersten und zweiten Stoffstroms (1, 2) zur Erzeugung von Eis, Eisbrei/Eispartikeln, Schnee, Hydraten, Kaltwasser oder deren Kombinationen bzw. Mischung/Suspension, - mit dem Behälter (4) zur Phasentrennung des ersten und zweiten Stoffstroms (1, 2). 17. Plant according to claim 15 or 16, characterized in that it is equipped: - with at least one apparatus (3), - with the second heat exchanger (2.1) for realizing a heat transfer from a cooling material/cooling medium (K) to the second material flow (2), - with a pump (6) for conveying the second material flow (2) and for realizing a pressure increase to 1.1 bar to 200 bar upstream of the apparatus (3), - with the first heat exchanger (1.1) for realizing a recooling of the coolant of the first material flow (1) to a temperature between -40°C and 50 °C upstream of the apparatus (3), - with a compressor (5) for compressing and conveying the first material flow (1) and for realizing a pressure of 1.1 bar to 200 bar upstream of the apparatus (3), - with the apparatus (3) for combining and subsequently expanding the first and second material flows (1, 2) to produce ice, ice slurry/ice particles, snow, hydrates, cold water or combinations thereof or mixtures/suspensions, - with the container (4) for phase separation of the first and second material flows (1, 2).
18. Anlage nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Behälter (4) zur Phasentrennung des mittels des Apparats (3) eingebrachten Stroms (1/2) aus ersten und zweitem Stoffstrom (1, 2) in einem oberen Bereich das Kältemittel des ersten Stoffstroms (1) und in einem unteren Bereich der Kälteträger des zweiten Stoffstroms (2) abgeschieden ist. 18. Plant according to one of the preceding claims, characterized in that in the container (4) for phase separation of the stream (1/2) introduced by means of the apparatus (3) from the first and second material streams (1, 2), the coolant of the first material stream (1) is separated in an upper region and the coolant of the second material stream (2) is separated in a lower region.
19. Anlage nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Behälter (4) mit Speicherfunktion eine tangentiale oder im Wesentlichen tangentiale Zuführung für mindestens eines Stroms (1/2) aufweist. 19. Plant according to one of the preceding claims, characterized in that the container (4) with storage function has a tangential or substantially tangential supply for at least one stream (1/2).
20. Anlage nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Bereiche der Anlage, die vereisen oder bei welchen die Gefahr der Vereisung besteht, mit einer Zusatzheizung (ZH) und/oder Wärmeübertrager (3W) versehen sind. 20. System according to one of the preceding claims, characterized in that areas of the system which freeze or where there is a risk of icing are provided with an additional heater (ZH) and/or heat exchanger (3W).
21. Anlage nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Apparat (3) einen Wärmeübertrager (3W) und/oder eine Zusatzheizung (ZH) mit insbesondere einem oder mehreren Heizbereichen aufweist und dass die Zusatzheizung (ZH) mittels elektrischem Widerstand und/oder Mikrowellen und/oder einer Induktionsheizung und/oder durch einen Stoffstrom erfolgt.
21. Plant according to one of the preceding claims, characterized in that the apparatus (3) has a heat exchanger (3W) and/or an additional heater (ZH) with in particular one or more heating areas and that the additional heater (ZH) is provided by means of electrical resistance and/or microwaves and/or an induction heater and/or by a material flow.
22. Anlage nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Apparat (3) eine Zusatzkühlung (ZK) zum Abführen der Wärme aufweist, die bei der Hydratbildung und/oder bei Reaktionen und/oder Lösungsvorgängen entsteht. 22. Plant according to one of the preceding claims, characterized in that the apparatus (3) has an additional cooling system (ZK) for dissipating the heat which arises during the hydrate formation and/or during reactions and/or dissolution processes.
23. Anlage nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein weiterer Stoffstrom als Nebenkreislauf (2N1, 2N2) in den Apparat (3) führt. 23. Plant according to one of the preceding claims, characterized in that at least one further material stream leads into the apparatus (3) as a secondary circuit (2N1, 2N2).
24. Anlage nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Apparat (3) mindestens einen Einlass für den ersten Stoffstrom (1) und mindestens einen oder mehrere Einlässe für den zweiten Stoffstrom (2) und ggf. für den/die Nebenkreisläufe (2N1, 2N2) aufweist. 24. Plant according to one of the preceding claims, characterized in that the at least one apparatus (3) has at least one inlet for the first material stream (1) and at least one or more inlets for the second material stream (2) and optionally for the secondary circuit(s) (2N1, 2N2).
25. Anlage nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Apparat (3) Mittel zur Erzeugung einer Strömung mit Drall angeordnet sind. 25. Installation according to one of the preceding claims, characterized in that means for generating a flow with swirl are arranged in the apparatus (3).
26. Anlage nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel des Apparates (3) zur Erzeugung der Strömung mit Drall mit oder ohne starren oder bewegten Einbauten zur Beeinflussung der Strömung ausgebildet sind. 26. Installation according to one of the preceding claims, characterized in that the means of the apparatus (3) for generating the flow with swirl are designed with or without rigid or moving internals for influencing the flow.
27. Anlage nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass durch den Apparat (3) eine kontinuierliche oder pulsierende Strömung führt und dass bedarfsweise weitere Strömungseffekte wie Turbulenz-, Instabilitäts-, Grenzschichteffekte, Unter- und Überschallströmung realisierbar sind. 27. Plant according to one of the preceding claims, characterized in that a continuous or pulsating flow passes through the apparatus (3) and that, if required, further flow effects such as turbulence, instability, boundary layer effects, subsonic and supersonic flow can be realized.
28. Verwendung des Verfahrens nach Anspruch 1 und der Anlage nach Anspruch 15 als Wärmepumpenanlage und/oder als kombinierte Kühl- und Heizanlage, und/oder als Wärmequelle für mindestens eine weitere Wärmepumpe, wobei dem Stoffstrom (1) mit mindestens einem Kühler und/oder mindestens einem Rückkühler Wärme entzogen und für Heizzwecke und/oder eine Speicherbeladung in einem Temperaturbereich von 40°C bis 400°C genutzt werden.
28. Use of the method according to claim 1 and the system according to claim 15 as a heat pump system and/or as a combined cooling and heating system, and/or as a heat source for at least one further heat pump, wherein heat is extracted from the material flow (1) with at least one cooler and/or at least one recooler and used for heating purposes and/or storage loading in a temperature range of 40°C to 400°C.
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DE202022107104U1 (en) | 2023-03-01 |
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