DE69909423T2 - Lastabhängiger Tieftemperaturkühlkreislauf - Google Patents

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Dante Patrick Grand Island Bonaquist
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    • F25B5/02—Compression machines, plants or systems, with several evaporator circuits, e.g. for varying refrigerating capacity arranged in parallel

Description

  • Technisches Gebiet
  • Diese Erfindung bezieht sich im allgemeinen auf die Kühlung und genauer auf die Verwendung von Mehrkomponentenkältemitteln, die zum Erzeugen von Kälte nützlich sind. Die Erfindung ist besonders nützlich für die Bereitstellung von Kälte bis hinunter zu kryogenen Temperaturen.
  • Stand der Technik
  • Kälte wird konventionellerweise durch Verdichten und anschließendes Expandieren eines Kältemittels innerhalb eines Kühlkreises erzeugt. Wohlbekannte Beispiele derartiger konventioneller Systeme beinhalten Kältemaschinen und Klimaanlagen. Typischerweise ist das Kältemittel ein Einkomponentenfluid, das bei einer erforderlichen Temperatur eine Phasenveränderung von Flüssigkeit zu Gas durchläuft, wodurch seine latente Verdampfungswärme für Kühlzwecke verfügbar gemacht wird. Die Effizienz des konventionellen Systems kann durch die Verwendung eines Mehrkomponentenfluids als das Kältemittel verbessert werden, das variable Mengen von Kälte über einen erforderlichen Temperaturbereich hinweg bereitstellen kann. Allerdings können bekannte Mehrkomponentenfluid-Kühlzyklen nicht auf effiziente Weise Kälte über einen großen Temperaturbereich hinweg bis hinunter zu kälteren kryogenen Temperaturen bereitstellen. Darüber hinaus sind die meisten wohlbekannten Kältemittele toxisch, entflammbar und/oder ozonabreichernd.
  • In EP-A-0 516 093 ist eine Kühleinheit beschrieben, die einen Hochtemperatur-Seitenkältemittelkreislauf und einen Niedertemperatur-Seitenkältemittelkreislauf zur Ausbildung eines unabhängigen geschlossenen Kältemittelkreislaufs aufweist, der einen Kühleffekt erbringt, indem von einem Kompressor abgelassenes Kältemittel kondensiert und anschließend verdampft wird, und ein Verdampfer des Hochtemperatur-Seitenkältemittelkreislaufs und der Kondensator des Niedertemperatur-Seitenkältemittelkreislaufs bildet einen Wärmetauscher aus. Die Einheit verwendet ein nicht acetropisches Gemischkältemittel, das ein aus der aus Argon und Stickstoff bestehenden Gruppe ausgewähltes anorganisches Kältemittel, einen Kohlenwasserstoff und mindestens ein aus der aus Hydrochlorfluorkohlenwasserstoff, Hydrofluorkohlenwasserstoff Kohlenwasserstoff und Fluorkohlenwasserstoff bestehenden Gruppe ausgewähltes Kältemittel aufweist.
  • Substitute für Chlordifluourmethan (HCFC-22) sind in US-A-5 736 063 offenbart.
  • Dementsprechend besteht eine Aufgabe dieser Erfindung in der Bereitstellung eines Verfahrens zum Erzeugen von Kälte unter Verwendung eines Mehrkomponentenkältemittels, das Kälte über einen großen Temperaturbereich hinweg bis hinunter zu kryogenen Temperaturen bereitstellen kann.
  • Eine weitere Aufgabe dieser Erfindung besteht in der Bereitstellung eines Mehrkomponentenkältemittels, das nicht toxisch, nicht entflammbar, und wenig oder nicht ozonabreichernd ist.
  • Zusammenfassung der Erfindung
  • Die obigen und weitere Aufgaben, die dem Fachmann anhand dieser Beschreibung deutlich werden, werden durch die vorliegende Erfindung gelöst, deren einer Aspekt ein Verfahren zum Erzeugen von Kälte gemäß Anspruch 1 ist.
  • Ein weiterer Aspekt der Erfindung ist ein Kältemittelgemisch gemäß Anspruch 5.
  • Wie hier verwendet bezeichnet der Begriff "Kältemittel mit variabler Last" ein Gemisch aus zwei oder mehreren Komponenten in Anteilen, so dass die Flüssigphase dieser Komponenten eine kontinuierliche und zunehmende Temperaturveränderung zwischen dem Blasenbildungspunkt und dem Taupunkt des Gemisches durchläuft. Der Blasenbildungspunkt des Gemisches ist diejenige Temperatur bei einem gegebenen Druck, bei der das Gemisch vollständig in der Flüssigphase vorliegt, aber eine Zufügung von Wärme die Ausbildung einer im Gleichgewicht mit der Flüssigphase vorliegenden Dampfphase auslöst. Der Taupunkt des Gemisches ist diejenige Temperatur bei einem gegebenen Druck, bei der das Gemisch vollständig in der Dampfphase ist, aber eine Extrahierung von Wärme die Ausbildung einer im Gleichgewicht mit der Dampfphase vorliegenden Flüssigphase auslöst. Somit ist der Temperaturbereich zwischen dem Blasenbildungspunkt und dem Taupunkt des Gemisches derjenige Bereich, in dem sowohl Flüssigkeits- wie Dampfphasen im Gleichgewicht koexistieren. In der Praxis dieser Endung betragen die Temperaturunterschiede zwischen dem Blasenbildungspunkt und dem Taupunkt für das Kältemittel mit variabler Last mindestens 10°K, vorzugsweise mindestens 20°K und am bevorzugtesten mindestens 50°K.
  • Wie hier verwendet bezeichnet der Begriff "Fluorkohlenwasserstoff' einen der folgenden Stoffe: Tetrafluormethan (CF4), Perfluorethan (C2F6), Perfluorpropan (C3F8), Perfluorbutan (C4F10), Perfluorpentan (C5F12), Perfluorethen (C2F4), Perfluorpropen (C3F6), Perfluorbuten (C4F8), Perfluorpenten (C5F10), Hexafluorcyclopropan (cyclo-C3F6) und Octafluorcyclobutan (cyclo-C4F8).
  • Wie hier verwendet bezeichnet der Begriff "Hydrofluorkohlenwasserstoff' einen der folgenden Stoffe: Fluoroform (CHF3), Pentafluorethan (C2HF5), Tetrafluorethan (C2H2F4), Heptafluorpropan (C3HF7), Hexafluorpropan (C3H2F6), Pentafluorpropan (C3H3F5), Tetrafluorpropan (C3H4F4), Nonafluorbutan (C4HF9), Octafluorbutan (C4H2F8), Undecafluorpentan (C5HF11), Methylfluorid (CH3F), Difluormethan (CH2F2), Ethylfluorid (C2H5F), Difluorethan (C2H4F2) , Trifluorethan (C2H3F3), Difluorethen (C2H2F2), Trifluorethen (C2HF3), Fluorethen (C2H3F), Pentafluorpropen (C3HF5), Tetrafluorpropen (C3H2F4), Trifluorpropen (C3H3F3), Difluorpropen (C3H4F2), Heptafluorbuten (C4HF7), Hexafluorbuten (C4H2F6) und Nonafluorpenten (C5HF9).
  • Wie hier verwendet bezeichnet der Begriff "Hydrochlorfluorkohlenwasserstoff' einen der folgenden Stoffe: Chlordifluormethane (CHClF2), Chlorfluormethan (CH2ClF), Chlormethan (CH3Cl), Dichlorfluormethan (CHCl2F), Chlortetrafluorethan (C2HClF4), Chlortrifluorethan (C2H2ClF3), Chlordifluorethan (C2H3ClF2), Chlorfluorethan (C2H4ClF), Chlorethan (C2H5Cl), Dichlortrifluorethan (C2HCl2F3), Dichlordifluorethan (C2H2Cl2F2), Dichlorfluorethan (C2H3Cl2F), Dichlorethan (C2H4Cl2), Trichlorfluorethan (C2H2Cl3F), Trichlordifluorethan (C2HCl3F2), Trifluorethan (C2H3Cl3), Tetrachlorfluorethan (C2HCl4F), Chlorethen (C2H3Cl2), Difluorethen (C2H2Cl2), Dichlorfluorethen (C2H2ClF) und Dichlordifluorethen (C2HClF2).
  • Wie hier verwendet bezeichnet der Begriff "Fluorether" einen der folgenden Stoffe:: Trifluormethyoxyperfluormethan (CF3-O-CF3), Difluormethoxy-perfluormethan (CHF2-O-CF3), Fluormethoxy-perfluormethan (CH2F-O-CF3), Difluormethoxy-difluormethan (CHF2-O-CHF2), Difluormethoxy-Perfluorethan (CHF2-O-C2F5), Difluormethoxy-1,2,2,2-tetrafluorethan (CHF2-O-C2HF4), Difluormethoxy-1,1,2,2-tetrafluorethan (CHF2-O-C2HF4), Perfluorethoxyfluormethan (C2F5-O-CH2F), Perfluor-methoxy-1,1,2-trifluorethan (CF3-O-C2H2F3), Perfluormethoxy-1,2,2-trifluorethan (CF3O-C2H2F3), Cyclo-1,1,2,2-tetrafluorpropylether (cyclo-C3H2F4-O-), Cyclo-1,1,3,3-tetrafluorpropylether (cyclo-C3H2F4-O-), Perfluormethoxy-,1,1,2,2-tetrafluorethan (CF3-O-C2HF4), Cyclo-1,1,2,3,3-pentafluorpropylether (cycloC3H5-O-), Perfluormethoxy-perfluoraceton (CF3-O-CF2-O-CF3), Perfluomethoxy-Perfluorethan (CF3-O-C2F5), Perfluormethoxy-1,2,2,2-tetrafluorethan (CF3-O-C2HF4), Perfluoromethoxy-2,2,2-trifluorethan (CF3-O-C2H2F3), Cyclo-perfluormethoxy-perfluoraceton (cyclo-CF2-O-CF2-O-CF2-) und Cyclo-perfluorpropylether (cycloC3F6-O).
  • Wie hier verwendet bezeichnet der Begriff "atmosphärisches Gas" einen der folgenden Stoffe: Stickstoff (N2), Argon (Ar), Krypton (Kr), Xenon (Xe), Neon (Ne), Kohlendioxid (CO2), Sauerstoff (O2) und Helium (He).
  • Wie hier verwendet bezeichnet der Begriff "Kohlenwasserstoff' einen der folgenden Stoffe: Wasserstoff (H2), Methan (CH4), Ethan (C2H6), Ethen (C2H4), Propan (C3H8), Propen (C3H6), Butan (C4H10), Buten (C4H8), Cyclopropan (C3H6) und Cyclobutan (C4H8).
  • Wie hier verwendet bezeichnet der Begriff "nicht toxisch" die nicht bestehende Gefahr eines akuten oder ständigen Gesundheitsrisikos im Umgang eines Stoffes innerhalb akzeptabler Expositionsgrenzen.
  • Wie hier verwendet bezeichnet der Begriff "nicht entflammbar" das Vorliegen keines oder eines sehr hohen Flammpunkts von mindestens 600°K.
  • Wie hier verwendet bezeichnet der Begriff "gering ozonabreichernd" ein ozonabreicherndes Potenzial von weniger als 0,15 gemäß der Montrealer Protokollkonvention, bei der Dichlorfluormethan (CCl2F2) ein ozonabreicherndes Potenzial von 1,0 aufweist.
  • Wie hier verwendet bezeichnet der Begriff "nicht ozonabreichernd", dass keine Komponente vorliegt, die ein Chlor-, Brom- oder Jodatom aufweist.
  • Wie hier verwendet bezeichnet der Begriff "normaler Siedepunkt" die Siedetemperatur bei 1 Standardatmosphärendruck, d.h. 14,696 pound pro inch2 absolut.
  • Wie hier verwendet bezeichnet der Begriff "kryogene Temperatur" eine Temperatur von 150°K oder weniger.
  • Wie hier verwendet bezeichnet der Begriff "indirekter Wärmeaustausch" das Verbringen von zwei Fluiden in eine Wärmeaustauschbeziehung ohne jeglichen physikalischen Kontakt oder ein Vermischen der Fluide miteinander.
  • Wie hier verwendet bezeichnet der Begriff "Expansion" die Bewirkung einer Druckreduktion.
  • Wie hier verwendet bezeichnen die Begriffe "Turboexpansion" und "Turboexpander" ein Verfahren bzw. eine Vorrichtung für den Durchfluss von Hochdruckfluid durch eine Turbine, um den Druck und die Temperatur des Fluids zu verringern, wodurch Kälte erzeugt wird.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • 1 ist ein verallgemeinertes Diagramm der Temperatur gegenüber der Konzentration für ein Kältemittelgemisch mit variabler Last bei einem gegebenen Druck.
  • 2 ist eine schematische Darstellung eines Systems, in dem die Erfindung anwendbar ist.
  • 3 ist eine schematische Darstellung eines weiteren Systems, in dem die Erfindung anwendbar ist.
  • 4 ist eine schematische Darstellung eines Dreischleifensystems, in dem die Erfindung zur Bereitstellung von Kälte über einen großen Temperaturbereich hinweg verwendet werden kann.
  • Ausführliche Beschreibung
  • Die Erfindung weist ein aus festgelegten Komponenten in bestimmten Anteilen zusammengesetztes Kältemittelgemisch, das ein Kältemittelgemisch mit variabler Last ausbildet, sowie die Verwendung eines derartigen Kältemittelgemisches in einem Kühlzyklus auf. Das Kältemittelgemisch mit variabler Last kann in sämtlichen Gas, Gas-Flüssigkeits- oder allen Flüssigphasen in Abhängigkeit von dem Verfahren und der Stelle in dem Verfahren vorliegen, d.h. der Wärmeaustauschstelle (oben, mittig, unten). Vorzugsweise ist der Zyklus ein Closed-Loop-Zyklus. Das Kältemittelgemisch mit variabler Last zeigt eine glatte Temperaturveränderung, die eine Phasenveränderung begleitet. Dies ist in 1 demonstriert, das ein Diagramm der Temperatur gegenüber der Konzentration eines Kältemittelgemisches mit variabler Last bei einem gegebenen Druck ist. Für jedes gegebene Gemisch aus Komponenten A und B (xmix) bei einer Temperatur (tmix) liegen zwei Phasen vor, die Zusammensetzung des gesättigten Dampfs (xmixv) unterscheidet sich von derjenigen der im Gleichgewicht mit dem Dampf vorliegenden Flüssigkeit, und die Flüssigkeit weist die Zusammensetzung (xmixl) auf. Bei einer Temperaturverringerung verändern sich sowohl die Flüssigphasenzusammensetzung wie die Dampfphasenzusammensetzung, wobei beide in der Komponente B angereichert werden. Das kondensierende Gemisch verändert konstant seine Zusammensetzung und daher seine Kondensationstemperatur. Dieses Merkmal ermöglicht eine Verbesserung der Wirksamkeit eines Kühlzyklus. Die Zyklusverbesserung bezieht sich auf die Verwendung mehrerer Komponenten, die jeweils einen eigenen normalen Siedepunkt und eine zugeordnete latente Verdampfungswärme aufweisen. Die geeignete Auswahl der Kältemittelkomponenten und die optimalen Konzentrationen in dem Gemisch ermöglichen zusammen mit Betriebsdruckpegeln und Kältemittelzyklen die Erzeugung variabler Mengen von Kälte über den erforderlichen Temperaturbereich hinweg. Die Bereitstellung der variablen Kälte als eine Funktion der Temperatur ermöglicht die optimale Steuerung von Wärmeaustausch-Temperaturunterschieden innerhalb des Anwenderkühlsystems und reduziert dadurch die Systemenergieanforderungen.
  • Das Kältemittelgemisch mit variabler Last dieser Erfindung weist mindestens eine Komponente aus der aus Fluorkohlenwasserstoffen, Hydrofluorkohlenwasserstoffen und Fluorethern bestehenden Gruppe und mindestens eine Komponente aus der aus Fluorkohlenwasserstoffen, Hydrofluorkohlenwasserstoffen, Fluorethern und atmosphärischen Gasen bestehenden Gruppe auf.
  • Ein bevorzugtes Kältemittelgemisch mit variabler Last dieser Erfindung weist mindestens zwei Komponenten aus der aus Fluorkohlenwasserstoffen, Hydrofluorkohlenwasserstoffen und Fluorethern bestehenden Gruppe und mindestens eine Komponente aus der aus Fluorkohlenwasserstoffen, Hydrofluorkohlenwasserstoffen, Fluorethern, und atmosphärischen Gasen bestehenden Gruppe auf.
  • Ein weiteres bevorzugtes Kältemittelgemisch mit variabler Last dieser Erfindung weist mindestens einen Fluorkohlenwasserstoff und mindestens eine Komponente aus der aus Hydrofluorkohlenwasserstoffen und atmosphärischen Gasen bestehenden Gruppe auf.
  • Ein weiteres bevorzugtes Kältemittelgemisch mit variabler Last dieser Erfindung weist mindestens einen Fluorkohlenwasserstoff, mindestens einen Hydrofluorkohlenwasserstoff und mindestens ein atmosphärisches Gas auf.
  • Ein weiteres bevorzugtes Kältemittelgemisch mit variabler Last dieser Erfindung weist mindestens drei Komponenten aus der aus Fluorkohlenwasserstoffen, Hydrofluorkohlenwasserstoffen und Fluorethern bestehenden Gruppe und mindestens eine Komponente aus der aus Fluorkohlenwasserstoffen, Hydrofluorkohlenwasserstoffen, Fluorethern und atmosphärischen Gasen bestehenden Gruppe auf.
  • Ein weiteres bevorzugtes Kältemittelgemisch mit variabler Last dieser Erfindung weist mindestens zwei Komponenten aus der aus Fluorkohlenwasserstoffen, Hydrofluorkohlenwasserstoffen und Fluorethern bestehenden Gruppe und mindestens ein atmosphärisches Gas auf.
  • Ein weiteres bevorzugtes Kältemittelgemisch mit variabler Last dieser Erfindung weist mindestens zwei Komponenten aus der aus Fluorkohlenwasserstoffen, Hydrofluorkohlenwasserstoffen und Fluorethern bestehenden Gruppe, mindestens ein atmosphärisches Gas und mindestens eine Komponente aus der aus Fluorkohlenwasserstoffen, Hydrofluorkohlenwasserstoffen, Fluorethern und atmosphärischen Gasen bestehenden Gruppe auf.
  • Ein weiteres bevorzugtes Kältemittelgemisch mit variabler Last dieser Erfindung weist mindestens zwei Komponenten aus der aus Fluorkohlenwasserstoffen, Hydrofluorkohlenwasserstoffen und Fluorethern bestehenden Gruppe und mindestens zwei verschiedene atmosphärische Gasen auf.
  • Ein weiteres bevorzugtes Kältemittelgemisch mit variabler Last dieser Erfindung beinhaltet mindestens ein Fluorether, d.h. es weist mindestens ein Fluorether und mindestens eine Komponente aus der aus Fluorkohlenwasserstoffen, Hydrofluorkohlenwasserstoffen, Fluorethern und atmosphärischen Gasen bestehenden Gruppe auf.
  • Das Kältemittel mit variabler Last enthält weder Hydrochlorfluorkohlenwasserstoffe noch Kohlenwasserstoffe. Am bevorzugtesten ist das Kältemittel mit variabler Last nicht toxisch, nicht entflammbar und nicht ozonabreichernd, und jede Komponente des Kältemittelgemisches mit variabler Last ist entweder ein Fluorkohlenwasserstoff ein Hydrofluorkohlenwasserstoff ein Fluorether oder ein atmosphärisches Gas.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung besteht das Kältemittel mit variabler Last ausschließlich aus Fluorkohlenwasserstoffen. In einer anderen bevorzugten Ausführungsform der Erfindung besteht das Kältemittel mit variabler Last ausschließlich aus Fluorkohlenwasserstoffen und Hydrofluorkohlenwasserstoffen. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung besteht das Kältemittel mit variabler Last ausschließlich aus Fluorkohlenwasserstoffen und atmosphärischen Gasen. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung besteht das Kältemittel mit variabler Last ausschließlich aus Fluorkohlenwasserstoffen, Hydrofluorkohlenwasserstoffen und Fluorethern. In noch einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung besteht das Kältemittel mit variabler Last ausschließlich aus Fluorkohlenwasserstoffen, Fluorethern und atmosphärischen Gasen. Am bevorzugte sten ist jede Komponente des Kältemittels mit variabler Last entweder ein Fluorkohlenwasserstoff, ein Hydrofluorkohlenwasserstoff, ein Fluorether oder ein Atmosphärengas.
  • Die Erfindung ist besonders vorteilhaft anwendbar, um auf effiziente Weise kryogene Temperaturen ausgehend von Umgebungstemperaturen zu erreichen. Die Tabellen 1–14 führen bevorzugte Beispiele von Kältemittelgemischen mit variabler Last dieser Erfindung an. Die in den Tabellen angegebenen Konzentrationsbereiche sind in Mol.%. Die in den Tabellen 1–5 dargestellten Beispiele sind bevorzugte Gemische zum Erzeugen von Kälte über etwa 200°K und die in den Tabellen 6–14 gezeigten Beispiele sind bevorzugte Gemische zum Erzeugen von Kälte unter etwa 200°K.
  • Tabelle 1
    Komponente Konzentrationsbereich
    C5F12 5–35
    C4F10 0–25
    C3F8 10–50
    C2F6 10–60
    CF4 0–25
  • Tabelle 2
    Komponente Konzentrationsbereich
    C5F12 5–35
    C3H3F6 0–25
    C3F8 10–50
    CHF3 10–60
    CF4 0–25
  • Tabelle 3
    Komponente Konzentrationsbereich
    C3H3F5 5–35
    C3H3F6 0–25
    C2H2F4 5–20
    C2HF5 5–20
    C2F6 10–60
    CF4 0–25
  • Tabelle 4
    Komponente Konzentrationsbereich
    CHF2-O-C2HF4 5–35
    C4F10 0–25
    CF3-O-CHF2 10–25
    CF3-O-CF3 0–20
    C2F6 10–60
    CF4 0–25
  • Tabelle 5
    Komponente Konzentrationsbereich
    CHF2-O-C2HF4 5–35
    C3H2F6 0–25
    CF3-O-CHF2 10–50
    CHF3 10–60
    CF4 0–25
  • Tabelle 6
    Komponente Konzentrationsbereich
    C5F12 5–25
    C4F10 0–15
    C3F8 10–40
    C2F6 0–30
    CF4 10–50
    Ar 0–40
    N2 10–80
  • Tabelle 7
    Komponente Konzentrationsbereich
    C3H3F5 5–25
    C4F10 0–15
    C3F8 10–40
    CHF3 0–30
    CF4 10–50
    Ar 0–40
    N2 10–80
  • Tabelle 8
    Komponente Konzentrationsbereich
    C3H3F5 5–25
    C3H3F6 0–15
    C2H2F4 0–20
    C2HF5 5–20
    C2F6 0–30
    CF4 10–50
    Ar 0–40
    N2 10–80
  • Tabelle 9
    Komponente Konzentrationsbereich
    C3H3F5 5–25
    C3H2F6 0–15
    CF3-O-CHF2 10–40
    CHF3 0–30
    CF4 0–25
    Ar 0–40
    N2 10–80
  • Tabelle 10
    Komponente Konzentrationsbereich
    C5F12 5–25
    C4F10 0–15
    C3F8 10–40
    C2F6 0–30
    CF4 10–50
    Ar 0–40
    N2 10–80
    Ne 0–10
    He 0–10
  • Tabelle 11
    Komponente Konzentrationsbereich
    C3H3F5 5–25
    C4F10 0–15
    C3F8 10–40
    CHF3 0–30
    CF4 10–50
    Ar 0–40
    N2 10–80
    Ne 0–10
    He 0–10
  • Tabelle 12
    Komponente Konzentrationsbereich
    C3H3F5 5–25
    C3H2F6 0–15
    C2H2F4 5–20
    C2HF5 5–20
    C2F6 0–30
    CF4 10–50
    Ar 0–40
    N2 10–80
    Ne 0–10
    He 0–10
  • Tabelle 13
    Komponente Konzentrationsbereich
    CHF2-O-C2HF4 5–25
    C4F10 0–15
    CF3-O-CHF2 10–40
    CF3-O-CF3 0–20
    C2F6 0–30
    CF4 10–50
    Ar 0–40
    N2 10–80
    Ne 0–10
    He 0–10
  • Tabelle 14
    Komponente Konzentrationsbereich
    C3H3F5 5–25
    C3H2F6 0–15
    CF3-O-CHF3 10–40
    CHF3 0–30
    CF4 0 – 25
    Ar 0–40
    N2 10–80
    Ne 0–10
    He 0–10
  • 2 illustriert einen Kühlzyklus, in dem die Erfindung angewendet werden kann. Nun auf die 2 Bezug nehmend wird das Kältemittelgemisch mit variabler Last dieser Erfindung in einem Kühlkreislauf oder einer Kühlschleife 1 umgewälzt. Ein Kältemittel 2 wird mittels Durchleiten durch einen Kompressor 3 zur Ausbildung eines komprimiertem Kältemittelfluids 4 verdichtet, mittels Durchleiten durch einen Nachkühler 70 auf nahe Umgebungstemperatur abgekühlt, und anschließend gekühlt und vorzugsweise mindestens teilweise mittels Durchleiten durch einen Wärmetauscher 5 verflüssigt. Solange nicht anders angegeben ist jeder in den Zeichnungen illustrierter Wärmeaustauschschritt ein indirekter Wärmeaustauschschritt. Danach wird ein gekühltes Kältemittel 6 gedrosselt, d.h. durch ein Ventil 7 auf einen geringeren Druck expandiert. Die Druckexpansion kann durch eine Turbine wie z.B. eine Gasexpansionseine Zweiphasenexpansions- oder eine Flüssigkeitsexpansions-Turbine bewerkstelligt werden. Die erzeugte Kälte kann bei einem einzelnen oder engen Temperaturpegel verwendet werden, indem ein Fluid 8 durch indirekten Wärmeaustausch in einem Wärmetauscher 9 gekühlt wird, oder sie kann in dem Wärmetauscher 5 über einen viel größeren Temperaturbereich hinweg benutzt werden. Die Kälte kann zum Kühlen eines oder mehrerer Fluidströme verwendet werden, der/die durch den Wärmetauscher 5 laufen, wie durch einen Strom in einem Gegenstrom 10 und in einem Gleichstrom 11 dargestellt. Obgleich es auf einer gesamten Basis so dargestellt ist, dass der Strom 11 in dem Wärmetauscher 5 erwärmt wird, kann er auf einer lokalen Basis innerhalb des Wärmetauschers 5 gekühlt werden. Anschließend wird das sich ergebende erwärmte Kältemittelgemisch als der Strom 2 zu dem Kompressor 3 geleitet und der Zyklus wiederholt sich.
  • Die Kühlanordnung könnte ebenfalls einen Vorkühlerkreislauf oder eine Vorkühlerschleife 12 beinhalten, wo ein zur Bereitstellung von Kälte bei Zwischentemperaturpegeln ausgelegtes Kältemittelgemisch mit variabler Last 13 dieser Erfindung in einem Vorkühlerkompressor 14 verdichtet, in einem Nachkühler 71 auf Umgebungstemperatur gekühlt, und ein resultierendes komprimiertes Fluid 15 in dem Wärmetauscher 5 gekühlt wird. Das sich ergebende gekühlte Fluid 16 wird durch ein Ventil oder eine geeignete Turbine 17 zur Erzeugung von Kälte gedrosselt und ein sich ergebendes Kältemittel 18 mit niedrigerer Temperatur wird erwärmt und anschließend als der Strom 13 zu dem Kompressor 14 umgewälzt.
  • Der Effekt der Vorkühlerschleife kann durch eine Zwischenentfernung eines Teils des Kältemittelgemisches und einer Rückführung von Flüssigkeit wie in 3 dargestellt bewerkstelligt werden. Das Flüssigkeitsrückführungsmerkmal stellt eine Verfahrensflexibilität bereit, da die Kältemittelgemische an die erforderlichen Temperaturbereiche angepasst und ein unnötiges Kühlen sowie ein potenzielles Einfrieren des flüssigen Kältemittels vermieden werden. Die Bezugszeichen in 3 sind für die allgemeinen Elemente die gleichen wie denjenigen in 2 und diese Elemente werden nicht erneut ausführlich beschrieben werden. Nun auf die 3 Bezug nehmend wird ein Kältemittel 20 mittels Durchleiten durch einen Kompressor 21 zur Ausbildung eines komprimierten Kältemittels 22 verdichtet, welches durch einen Nachkühler 71 von der Kompressionswärme auf nahe Umgebungstemperatur abgekühlt und anschließend durch einen teilweisen Durchgang durch den Wärmetauscher 5 weiter gekühlt und teilweise kondensiert wird. Ein gekühltes zweiphasiges Kältemittelgemisch 23 wird in einen Phasenseparator 24 eingespeist, wo es in Dampf und Flüssigkeit getrennt wird. Ein Dampf 25 wird durch den Wärmetauscher 5 weiter gekühlt, durch ein Ventil 26 gedrosselt und mittels Durchleiten durch die Wärmetauscher 9 und/oder 5 erwärmt. Eine Flüssigkeit 27 wird durch ein Ventil 28 geführt und danach mittels Durchleiten durch den Wärmetauscher 5 verdampft. In der in der 3 dargestellten Ausführungsform wird die Flüssigkeit mit dem Dampf mit niedrigerem Druck kombiniert, welcher durch das Ventil 26 vor der Verdampfung gedrosselt wurde. Das resultierende erwärmte Kältemittelgemisch wird anschließend als ein Strom 29 zu dem Kompressor 21 zurückgeführt und der Kühlzyklus beginnt von neuem. Obgleich eine Einphasentrennung illustriert ist, versteht sich, dass auch Mehrphasentrennungen bei unterschiedlichen Temperaturpegeln verwendet werden könnten, um abgestufte Vorkühlkreisläufe bereitzustellen.
  • Die Erfindung ist besonders nützlich, um Kälte ausgehend von Umgebungstemperatur bis hinunter zu einer kryogenen Temperatur bereitzustellen, deren Pegel bis hinunter zu 5°K ausfallen kann. Obwohl die Erfindung zur Bereitstellung einer derartigen Kälte über diesen gesamten Temperaturbereich hinweg in einer einzelnen Schleife verwendet werden kann, ist es im allgemeinen bevorzugt, diese Kälte in einer Mehrzahl von Kaskadenschleifen bereitzustellen. Die Verwendung mehrerer Kaskadenschleifen ermöglicht es, dass jeder Kreislauf Kälte über einen ausgewählten Temperaturbereich bereitstellen kann. Dadurch wird die Auswahl eines geeigneten Kältemittelgemisches erleichtert, da das ausgewählte Gemisch nur über einen begrenzteren Temperaturbereich hinweg betriebsfähig sein muss. Es ist zu beachten, dass obgleich jeder Kaskadenkreislauf Kälte beabsichtigtermaßen hauptsächlich über seinen zugeordneten Temperaturbereich bereitstellen soll, er ebenfalls etwas Kälte bei höheren Temperaturpegeln bereitstellen kann. Daher können sich die Kaskadenkreisläufe mit Bezug auf die Bereitstellung von Kälte bei einem gegebenen Temperaturbereich untereinander etwas überlappen.
  • Das Kaskadenschleifensystem wird in Zusammenhang mit 4 illustriert und erläutert. Nun auf die 4 Bezug nehmend weist ein für höhere Temperaturen bestimmtes Kältemittel mit variabler Last zwei oder mehr Stoffe aus z.B. Tetrafluormethan, Fluoroform, Perfluorpropan, Perfluorbutan, Pentafluorpropan, Tetrafluorethan, Difluormethoxy-Difluormethan und Perfluorpentan auf, und wird in einer Schleife mit höherer Temperatur 30 umgewälzt, in der Kälte von der Umgebungstemperatur von etwa 300°K bis hinunter zu etwa 200°K bereitgestellt wird. Das etwa 300°K warme Kältemittel 31 für höhere Temperatur wird in einem Kompressor 32 verdichtet, durch einen Kühler 33 und einen Wärmetauscher 60 gekühlt und durch ein Ventil 34 gedrosselt, um Kältemittel 35 für geringere Temperatur bei etwa 200°K zu erzeugen. Anschließend wird das Kältemittel für geringere Temperatur zurück bis auf etwa 300°K erwärmt und als der Strom 31 zu dem Kompressor 32 zurückgeführt.
  • Zwischentemperiertes Kältemittel mit variabler Last, das zusätzlich zu einer oder mehreren der genannten Komponenten für das Fluid für höhere Temperatur Stickstoff und/oder Argon enthalten kann, wird in einer Zwischentemperaturschleife 40 umgewälzt, in welcher Kälte von etwa 200°K bis etwa 100°K bereitgestellt wird. Ein Kältemittel 41 für Zwischentemperatur wird in einem Kompressor 42 verdichtet, durch einen Kühler 43 und die Wärmetauscher 60 und 61 gekühlt und durch ein Ventil 44 gedrosselt, um Kältemittel 45 für geringere Temperatur bei etwa 100°K zu erzeugen, das erwärmt und anschließend als ein Strom 41 zu dem Kompressor 42 zurückgeführt wird.
  • Kältemittel für sehr niedrige Temperatur weist zwei oder mehrere Stoffe aus Stickstoff, Argon, Helium, Neon und Wasserstoff auf und wird in einer Schleife 50 für sehr niedrige Temperatur umgewälzt, in welcher der Temperaturpegel von etwa 100°K auf etwa 20°K oder sogar noch weniger abgesenkt wird. Das Kältemittel 51 für sehr niedrige Temperatur wird in einem Kompressor 52 verdichtet, durch einen Kühler 53 und die Wärmetauscher 60, 61 und 62 gekühlt, und durch ein Ventil 54 gedrosselt, um Kältemittel 55 für geringere Temperatur bei etwa 20°K oder geringer zu erzeugen, welches mittels Durchleiten durch einen Erwärmer 56 und die Wärmetauscher 62, 61 und 60 erwärmt und anschließend als ein Strom 51 zu dem Kompressor 52 zurückgeführt wird.
  • Die Erfindung ist für die Bereitstellung von Kälte über einen großen Temperaturbereich hinweg und insbesondere über einen Temperaturbereich hinweg besonders nützlich, der kryogene Temperaturen einschließt. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist jede der zwei oder mehreren Komponenten des Kältemittelgemisches mit variabler Last einen normalen Siedepunkt auf, der sich um mindestens 20° Kelvin von dem normalen Siedepunkt jeder anderen Komponente in diesem Kältemittelgemisch unterscheidet. Dies erhöht die Effektivität einer Bereitstellung von Kälte über einen großen Temperaturbereich und insbesondere über einen Temperaturbereich hinweg, der kryogene Temperaturen einschließt. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung liegt der normale Siedepunkt der am höchsten siedenden Komponente des Mehrkomponenten-Kältemittels um mindestens 100°K und am bevorzugtesten um mindestens 200°K höher als der normale Siedepunkt der am niedrigsten siedenden Komponente des Mehrkomponenten-Kältemittels.
  • Die Komponenten und ihre Konzentrationen, die das Kältemittelgemisch dieser Erfindung ausbilden, sind derart beschaffen, dass sie ein Kältemittelgemisch mit variabler Last ausbilden und eine derartige veränderliche Lastcharakteristik vorzugsweise über den ganzen Temperaturbereich des Verfahrens der Erfindung hinweg aufrechterhalten. Dies erhöht die Effizienz, mit der die Kälte erzeugt und über solch einen großen Temperaturbereich hinweg verwendet werden kann, deutlich. Die festgelegte Gruppe von Komponenten weist den zusätzlichen Nutzen auf, dass sie zur Ausbildung von Gemischen verwendet werden können, die nicht toxisch, nicht entflammbar und gering oder nicht ozonabreichernd sind. Dies offeriert weitere Vorteile gegenüber konventionellen Kältemitteln, die typischerweise toxisch, entflammbar und/oder ozonabreichernd sind.
  • Ein bevorzugtes Kältemittelgemisch mit variabler Last dieser Erfindung, das nicht toxisch, nicht entflammbar und nicht ozonabreichernd ist, weist zwei oder mehrere Komponenten aus der aus C5F12, CHF2-O-C2HF4, C4HF9, C3H3F5, C2F5-O-CH2F, C3H2F6, CHF2-O-CHF2, C4F10, CF3-O-C2H2F3, C3HF7; CH2F-O-CF3, C2H2F4, CHF2-O-CF3, C3F8, C2HF5, CF3-O-CF3, C2F6, CHF3, CF4, O2, Ar, N2, Ne und He bestehenden Gruppe auf.
  • Die Erfindung kann zur Kälteerzeugung für eine große Anzahl an Verwendungszwecken und insbesondere für kryogene Anwendungen verwendet werden. Unter solchen Verwendungszwecken können die folgenden angeführt werden: Gastrennverfahren wie z.B. kryogene Luftzerlegungen und andere kryogene Trennungen, Erdgasveredelung, Verflüssiger, Lebensmittelgefrierung, Entlüftungsgasgewinnung, Pumpen von Wärme, Lagerung kryogener Flüssigkeiten und Rekondensierung von Transportbehältern, Kristallisation, Verfestigung, Niedertemperaturmahlen, Chemikalienlagerung und -transport, Lagerung und Transport von biologischem und medizinischem Material und gekühlte Räume, d.h. für die Handhabung und Lagerung von Materialien verwendete kalte Räume.

Claims (9)

  1. Verfahren zum Erzeugen von Kälte, wobei im Zuge des Verfahrens: (A) ein Kältemittelgemisch mit variabler Last komprimiert wird, um ein komprimiertes Kältemittelgemisch mit variabler Last zu erzeugen, wobei das Gemisch mindestens eine Komponente aus der aus Fluorkohlenwasserstoffen, Hydrofluorkohlenwasserstoffen und Fluorethern bestehenden Gruppe und mindestens eine Komponente aus der aus Fluorkohlenwasserstoffen, Hydrofluorkohlenwasserstoffen, Fluorethern und atmosphärischen Gasen bestehenden Gruppe enthält, wobei die Komponenten unterschiedlich sind, wobei das Kältemittelgemisch weder Kohlenwasserstoffe noch Hydrochlorfluorkohlenwasserstoffe enthält und wobei der normale Siedepunkt der am höchsten siedenden Komponente des Kältemittelgemisches mindestens um 100°K höher liegt als der normale Siedepunkt der am niedrigsten siedenden Komponente des Kältemittelgemisches; (B) das komprimierte Kältemittelgemisch mit variabler Last gekühlt wird, um ein gekühltes, komprimiertes Kältemittelgemisch mit variabler Last zu erzeugen; (C) das gekühlte, komprimierte Kältemittelgemisch mit variabler Last expandiert wird und Kälte erzeugt wird, um ein kühleres Kältemittelgemisch mit variabler Last zu erzeugen; und (D) das kühlere Kältemittelgemisch mit variabler Last erwärmt wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das komprimierte Kältemittelgemisch mit variabler Last als Ergebnis der Kühlung von Schritt (B) teilweise kondensiert wird und die sich ergebende Flüssigkeit und der Restdampf getrennt werden und der Dampf vor dem Erwärmen danach weiter gekühlt wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Verfahren zunächst mit einem ersten Kältemittelgemisch mit variabler Last und dann mit einem zweiten Kältemittelgemisch mit variabler Last ausgeführt wird, wobei das erste Kältemittelgemisch mit variabler Last durch Kühlen des zweiten Kältemittelgemischs mit variabler Last erwärmt wird.
  4. Verfahren nach Anspruch 1, wobei in Schritt (C) das kühlere Kältemittelgemisch mit variabler Last bei einer kryogenen Temperatur erzeugt wird.
  5. Kältemittelgemisch, welches nicht – toxisch und nicht – entflammbar ist und nur eine geringe Ozonverarmung verursacht und mindestens eine Komponente aus der aus Fluorkohlenwasserstoffen, Hydrofluorkohlenwasserstoffen und Fluorethern bestehenden Gruppe und mindestens eine Komponente aus der aus Fluorkohlenwasserstoffen, Hydrofluorkohlenwasserstoffen, Fluorethern und atmosphärischen Gasen bestehenden Gruppe aufweist, wobei die Komponenten unterschiedlich sind und das Kältemittelgemisch weder Kohlenwasserstoffe noch Hydrochlorfluorwasserstoffe aufweist und wobei der normale Siedepunkt der am höchsten siedenden Komponente des Käl temittelgemisches um mindestens 100°K höher liegt als der normale Siedepunkt der am niedrigsten siedenden Komponente des Kältemittelgemisches.
  6. Kältemittelgemisch gemäß Anspruch 5, wobei jede der Komponenten des Gemischs einen normalen Siedepunkt aufweist, welcher sich um mindestens 20°K von dem normalen Siedepunkt einer jeden der anderen Komponenten des Kältemittelgemisches unterscheidet.
  7. Kältemittelgemisch gemäß Anspruch 5, wobei das Kältemittelgemisch mindestens einen Fluorkohlenwasserstoff mindestens einen Hydrofluorkohlenwasserstoff und mindestens ein atmosphärisches Gas aufweist.
  8. Kältemittelgemisch gemäß Anspruch 5, wobei das Kältemittelgemisch mindestens zwei Komponenten aus der aus Fluorkohlenwasserstoffen, Hydrofluorkohlenwasserstoffen und Fluorethern bestehenden Gruppe und mindestens zwei atmosphärische Gase aufweist.
  9. Kältemittelgemisch gemäß Anspruch 5, wobei das Kältemittelgemisch mindestens einen Fluorether und mindestens eine Komponente aus der aus Fluorkohlenwasserstoffen, Hydrofluorkohlenwasserstoffen, Fluorethern und atmosphärischen Gasen bestehenden Gruppe aufweist.
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