CH628417A5

CH628417A5 - Anlage zum speichern von kontinuierlich erzeugter kaelte und zum stossweisen abgeben mindestens eines teils der gespeicherten kaelte.

Info

Publication number: CH628417A5
Application number: CH15778A
Authority: CH
Inventors: Laszlo Simon; Jean-Marc Frantz
Original assignee: Laszlo Simon
Priority date: 1978-01-06
Filing date: 1978-01-06
Publication date: 1982-02-26
Also published as: US4254635A; DE2900372A1; DE2900372C2

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Anlage zum Speichern von kontinuierlich erzeugter Kälte und zum stossweisen Abgeben mindestens eines Teils der gespeicherten Kälte.

Es sind bereits Verfahren bekannt, die auf eine Kältespei-cherung zwecks Leistungsmultiplikation abzielen. Zum Beispiel wird in Behältern Kaltwasser oder Sole gespeichert. Bedingt durch die relativ kleinen Temperaturdifferenzen, die hierbei erreichbar sind, sind für die Akkumulierung einer bestimmten Kältemenge relativ grosse Volumina — dies verbunden mit hohen Anlagekosten - nötig. Ausserdem ist infolge Vermischung bei Auf- und Entladung solcher Speicher die Temperatur nur schwer unter Kontrolle zu halten.

Bei einem anderen Verfahren werden zur Kältespeicherung in einem Wasserbehälter eingetauchte platten- oder rohrför-mige Verdampferelemente, an deren Oberfläche sich ein Eisbelag bildet, benützt. Im Inneren dieser Elemente wird ein Kältemittel bei einer Temperatur unter 0 DC verdampft, wodurch sich auf der Aussenseite ein ständig wachsender Eisbelag bildet.

Mit zunehmender Eisschichtdicke erhöht sich notgedrungen auch der Wärmedurchgangswiderstand zwischen dem verdampfenden Kältemittel und dem Wasser, wodurch auch ständig die Leistung der Kälteerzeugung sinkt. Um die Verminderung der Kälteleistung in vertretbarem Rahmen halten zu können, müssen entsprechend grössere Austauschflächen eingebaut werden. Hierdurch erhöhen sich aber die Herstellungskosten.

Da das Abschmelzen und Nachwachsen des Eises um die Elemente herum notgemäss unregelmässig erfolgt, besteht die Gefahr, dass sich in gewissen räumlich begrenzten Teilen solcher Behälter Wassereinschüsse bilden können, die gänzlich von Eis umgeben sind. Infolge der räumlichen Ausdehnung beim Gefrieren des eingeschlossenen Wassers besteht die Gefahr einer Beschädigung der Apparatur durch Risse und Verschiebungen der an sie fest anhaftenden Eismasse. Zudem wird die Kälteabgabe infolge der Unterkühlung der gebildeten Eisschicht zusätzlich erschwert, da ein Aufschmelzen z. B. beim Wassereis erst bei einer Temperatur der Eisoberfläche von 0 °C erfolgt. Um den Wärmeübergang zu fördern, werden Rührvorrichtungen oder zusätzliche Umwälzpumpen benötigt. Eine relativ hohe Temperaturdifferenz zwischen dem Schmelzpunkt der Kristalle und der Temperatur der Flüssigkeit bleibt jedoch bestehen, was in den meisten Fällen nachteilig ist.

Zusammenfassend kann gesagt werden, dass beim heutigen Stand der Technik ein in der Zeit variabler Kältebedarf durch eine ebenfalls variable Kälteleistung gedeckt wird, wobei die installierte Leistung der Kälteanlage dem maximalen Kältebedarf zu entsprechen hat und deshalb hohe Anlagekosten mit sich bringt. Um den Spitzenbedarf an Kälte mit reduzierter Erzeugungsleistung zu decken, sind bereits auch Speicher eingesetzt worden, die jedoch keine optimale Ausschöpfung der Kostensenkungsmöglichkeiten erlaubten. Bei Speicherung nur durch Temperaturabsenkung des Kälteträgers, also ohne Zu-standsänderung, werden zu grosse Volumina beansprucht; dadurch werden solche Anlagen unhandlich.

Bei den bisher bekannten Speichern mit Eisaufbau an festen Trennflächen hemmt die Eisschicht selbst mit zunehmender Masse die Speicherung und erfordert zur Kompensierung eine zusätzliche Vergrösserung der Wärmeaustauschflächen.

Die erfindungsgemässe Anlage, welche im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 definiert ist, bringt nun einen entscheidenden Fortschritt.

Bei Industrie-, Gewerbe- und Klimakälteanlagen, deren Kältebedarf im Laufe einer bestimmten Betriebsperiode starke Schwankungen aufweist, ist es nicht erforderlich, die Leistung der Kälteerzeugungsanlage dem maximalen Kältebedarf genau anzupassen. Es genügt demnach eine Kälteerzeugungsanlage, deren Leistung im Grenzfall nur dem Mittelwert des Kälteverbrauchs im Laufe der betrachteten Betriebsperiode entsprechen muss.

Mit dem Bau der erfindungsgemässen Anlage können die aufgeführten Nachteile eliminiert werden. Hierbei kann das zur latenten Kältespeicherung dienende Eis in Form von Röh-ren- oder Platteneis direkt im Inneren des Speicherbehälters erzeugt werden. Beim Erreichen einer bestimmten Eisschichtdicke kann der Gefriervorgang unterbrochen und durch Einleitung von heissem Kältemitteldampf in den Verdampfer das gebildete Eis von dessen Oberfläche abgelöst werden. Anschliessend kann der Gefriervorgang von neuem beginnen. Wenn die Dicke der Eisstücke klein gehalten wird, vermindert sich die Wärmedurchgangszahl nicht zu stark, und die Kälteleistung bleibt hoch. Da die Eisstücke von der Verdampferoberfläche abgelöst werden, bieten sie beim Abschmelzen die doppelte Oberfläche, die die Kälteabgabe begünstigt. Da das spezifische Gewicht der Eisstücke kleiner als jenes der Kälteträgerflüssigkeit ist, schwimmen sie in diesem auf. Durch die Tatsache, dass das Wasser die grösste Dichte bei +4 °C aufweist, wird beim Einführen des wärmeren Kälteträgers zuerst eine thermische Auftriebsströmung entlang der Eisstücke eintreten, wodurch ein intensiveres Abschmelzen stattfindet. Auch wenn beim Ablösen der Eisstücke von der Verdampferoberfläche diese teilweise noch unterkühlt sind, wachsen sie nicht zusammen, da die Unterkühlungskälte durch Ausfrieren von Wasser bei 0 °C an der Oberfläche abgeführt wird. Somit nimmt jedes Eisstück sehr rasch eine mittlere Temperatur von 0 °C im Behälter an und bietet günstigste Bedingungen für das Abschmelzen.

Die erfindungsgemässe Anlage bedarf keiner raschen Reguliereinrichtung für die Kältezufuhr, wenn der integrierte Kältebedarf der integrierten Kältezufuhr entspricht. Dieser Vorteil gegenüber herkömmlichen Kälteanlagen ist aus Fig. 1 bei Betrachtung der eingezeichneten Leistungskurven ersichtlich.

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Da beim Gefrieren von Wasser eine rund 9%ige Volumenerhöhung erfolgt, kann der Speicherbehälter selbst als Expan-sionsgefäss dienen, wenn im Oberteil der Raum mit Luft oder Stickstoff gefüllt wird. Ein gesondertes Expansionsgefäss kann damit entfallen. Das Verfahren lässt sich auch bei anderen Kälteträgern, so z.B. allen herkömmlichen Solen bis hinunter zur Temperatur beim eutektischen Punkt anwenden.

Bei einer weiteren Ausführungsform wird zur Eiserzeugung ein Verdampfungs-Kristallisator verwendet. Hierbei wird das Kaltwasser mit einem Kältemittel, das sich in ihm nicht löst, vermischt. Beim Verdampfen entzieht es dem Wasser die Verdampfungswärme, wodurch Eiskristalle gebildet werden.

Bei geeignetem Druck kann der Speicherbehälter selbst gleichzeitig als Verdampfungs-Kristallisator dienen, was wiederum den apparativen Aufwand zu mindern hilft. Das dabei eingesetzte Kältemittel soll folgende Eigenschaften aufweisen:

a) Druck bei der benötigten Verdampfungstemperatur möglichst über Atmosphärendruck b) Unlöslichkeit und Unmischbarkeit zu Wasser c) Chemische Stabilität, Ungiftigkeit, Korrosionsunwilligkeit gegen branchenspezifische Werkstoffe.

Geeignet sind Freon C318 und Butan.

Die Erfindung wird nun anhand von Ausführungsbeispielen und der Zeichnungen erläutert. Darin zeigen:

Fig. 1 Kälteerzeugungsleistung und Kältebedarf in Funktion der Zeit;

Fig. 2, 3 und 4 je eine Ausführungsform der Erfindung.

Die in die Fig. 1 eingezeichnete Kurve 1 entspricht dem Kältebedarf einer zu kühlenden Vorrichtung in Funktion der Tageszeit. Bei einer herkömmlichen Kälteanlage verläuft die Kälteleistung zwangsläufig nach derselben Kurve 1. Die installierte Leistung entspricht dem maximalen Kältebedarf, die Maschine ist jedoch nur schlecht ausgenützt.

Bei der Linie 2 handelt es sich um eine Anlage mit Akkumulierung für den Kältebedarf gemäss der Erfindung. Die Fläche unter den beiden Kurven 1 und 2 ist gleich gross; sie entspricht der Tageskälteproduktion. Bei diesem Beispiel werden 24 Stunden als Betriebsperiode zugrunde gelegt. Die Kälteerzeugungsleistung der Anlage gemäss Kurve 2 ist gleichmässig auf die ganze Betriebsperiode verteilt. Die Maschine ist klein und optimal ausgelastet im Vergleich zu einer solchen, welche Kälte nach der Kurve 1 erzeugt und abgibt. Der Wirkungsgrad der Anlage bleibt hoch. Der elektrische Leistungsbedarf wird reduziert, die Tagesstromspitze wird eliminiert. Ein wesentlicher Anteil der Kälte wird während der Nachtstunden bei reduziertem Stromtarif erzeugt. Der Leistungsbereich von bestehenden kleineren Kältemaschinen wird um ein Vielfaches erweitert.

In Fig. 2 wird eine erste Ausführungsform der Erfindung gezeigt. In einem Speicherbehälter 3 ist unten am Boden ein als Röhren- oder Plattenkühler wirkender Verdampfer 4 eingebaut. An seiner Oberfläche bildet sich ein Eisbelag 5. Der Speicherbehälter ist bis zur Höhe 6 mit Wasser gefüllt. Der Raum 7 enthält ein Gas, z.B. Stickstoff oder Luft, und dient als Expansionsraum. Der Speicherbehälter ist gegen Wärmeeinfall von aussen mit einem Isoliermantel 8 versehen. Beim Gefrieren wird aus einer Kälteanlage 9 durch eine Rohrleitung

10 flüssiges Kältemittel in den Verdampfer 4 eingespritzt. Der Kältemitteldampf wird über die Rohrleitung 11 abgesaugt.

Beim Abtauen wird heisser Kältemitteldampf in den Verdampfer 4 über die Leitung 12 geleitet, die Leitungen 10 und

11 gesperrt und das in Verdampfer 4 befindliche flüssige Kältemittel über eine Leitung 13 in den Flüssigkeitsbehälter abgelassen. Durch die heissen Kältemitteldämpfe, die sich nunmehr an der Innenwand des Verdampfers 4 kondensieren, wird das

Eis an der Kontaktfläche angetaut und löst sich ab. Die so befreiten Eisstücke 5 schwimmen nun aufwärts. Im oberen Teil sammeln sich die Eisstücke. Der Vorgang Verdampfen-Ab-tauen wird periodisch wiederholt. Die Eisfront 15 wandert nach unten bis sie die durch ein Niveau-Überwachungsgerät 16 begrenzte Höhe erreicht. In diesem Fall ist der Speicher voll aufgeladen, die Kältemaschine 9 kann abgestellt werden.

Zum Kühlen einer beliebigen Vorrichtung wird dem Behälter 3 über eine Leitung 18 Kühlwasser entnommen, dessen Menge durch ein durch einen Thermostaten gesteuertes Ventil 19 geregelt und über eine Leitung 20 der zu kühlenden Vorrichtung zugeführt und von dieser durch eine Leitung 17 wieder abgezogen und dem Behälter 3 oben zugeführt wird. Das Ventil 19 regelt dabei auch das Mengenverhältnis zwischen einem Bypass 21 und der Leitung 18. Die Temperatur des durch die Leitung 17 in den Behälter 3 zuriickfliessenden Wassers gleicht sich der Speichertemperatur an, indem eine entsprechende Menge Eis beim Kontakt mit dem warmen Wasser geschmolzen wird.

Die Temperatur des Wassers liegt beim Austritt aus dem Speicherbehälter praktisch bei 0 °C. Dies bedeutet, dass die Anlage ohne Bypass 21 mit einer Vorlauftemperatur von 0 °C gefahren werden kann. Besonders bei Fernkälteanlagen wird durch diese Tatsache der Vorteil einer reduzierten Umwälzmenge geboten. Demzufolge können für die Deckung eines gleich hohen Kältebedarfs die erforderlichen Pumpen und Rohrleitungen kleiner dimensioniert werden.

Bei der in Fig. 3 dargestellten Ausführungsform ist der als Röhren- oder Plattenkühler ausgebildete Verdampfer 4 über dem Wasserspiegel angeordnet. Der Prozessablauf ist hier wie in Fig. 2, nur wird das für die Eisbildung erforderliche Wasser unten aus dem Behälter durch eine Rohrleitung 22 entnommen und mittels einer Pumpe 23 und einer Verteilvorrichtung 24 an die Verdampferoberfläche gebracht. Beim Abtauen fallen die Eisstücke in das mit Wasser gefüllte Behälterteil. Der Verdampfer 4 wird gleich wie gemäss Fig. 2 betrieben.

Die Kälteentnahme erfolgt bei dieser Variante in genau gleicher Weise wie vorstehend im Zusammenhang mit Fig. 2 beschrieben.

Sowohl beim Anordnen des Verdampfers oberhalb als auch unterhalb des Wasserspiegels besteht die Möglichkeit, Scherbeneis zu erzeugen. Hierbei wird das Eis von der Verdampferoberfläche abgeschabt oder durch mechanische Verformung abgesprengt. Dabei entstehen keine thermodynamischen Verluste wie es bei den Varianten gemäss Fig. 2 und 3, infolge des Abtauens mittels heissen Kältemitteldampfes, der Fall ist.

Fig. 4 betrifft eine Ausführungsform mit einem Verdamp-fungskristallisator.

Solche Kristallisatoren sind bereits bekannt und benützen ein in Wasser unlösliches Kältemittel. In einen Kristallisator 25 wird unten durch eine Leitung 26 und ein Drosselventil 27 das flüssige Kältemittel eingeführt. Beim Verdampfen bilden sich Eiskristalle, die nach oben schwimmen. Von hier werden sie durch eine Rohrleitung 28 mittels einer Pumpe 29 in den Speicherbehälter 3 überführt. Der Kältemitteldampf wird durch eine Leitung 30 durch eine nicht eingezeichnete Kältemaschine angesaugt, verdichtet und nach Verflüssigung wieder in den Kristallisator eingegeben. Die Verbindungsleitung 31 zwischen Speicherbehälter 3 und Verdampferkristallisator 25 ist mit einem durch einen Niveauregler 32 gesteuerten Drosselventil 33 versehen, um die Druckdifferenz zwischen den beiden aufrecht erhalten zu können. Diesem Zweck dient ein ebenfalls in der Leitung 28 eingebautes Rückschlagventil 34.

Auf der linken Seite der Fig. 4 ist wieder genau wie in den Fig. 2 und 3 die Einrichtung zum Entnehmen von Kühlwasser dargestellt.

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2 Blatt Zeichnungen

Claims

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1. Anlage zum Speichern von kontinuierlich erzeugter Kälte und zum stossweisen Abgeben mindestens eines Teils der gespeicherten Kälte, gekennzeichnet durch einen Speicherbehälter für ein Gemisch aus Kaltwasser und Eis, durch eine Kühlvorrichtung, um den Speicherbehälter kontinuierlich mit Eis zu versorgen, und durch Mittel, um dem Speicherbehälter stossweise Kaltwasser zu entnehmen und dieses im Kreislauf einer zu kühlenden Vorrichtung zuzuführen und sodann wieder in den Speicherbehälter zurückzuführen.

2. Anlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlvorrichtung einen im Speicherbehälter angeordneten Röhrenkühler oder einen Plattenkühler und eine Einrichtung aufweist, um dem Röhrenkühler bzw. dem Plattenkühler intermittierend ein flüssiges Kältemittel zum Bilden von Eis auf den Röhren bzw. den Platten und dazwischen heissen Kältemitteldampf zum Ablösen dieses so gebildeten Eises zuzuführen.

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PATENTANSPRÜCHE

3. Anlage nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch mechanische Mittel, um das durch die Kühlvorrichtung gebildete Eis kontinuierlich auf mechanischem Wege zu entfernen.

4. Anlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlvorrichtung einen Verdampfungskristallisator aufweist.

5. Anlage nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, dass das Kaltwasser Salz enthält.